Artikel Energieeinsparung ohne Nebenwirkungen

In diesem Zusammenhang gewinnt die elektrische Antriebstechnik an Bedeutung. Kein Wunder also, dass Anlagen immer mehr mit drehzahlgeregelten Antrieben ausgerüstet werden. Diese werden zukünftig eine Schlüsselrolle spielen, denn sie sind eine sehr wirksame und kurzfristig verfügbare Möglichkeit, Klima- und auch Ressourcenschutz zu unterstützen. Fachleute gehen davon aus, dass in Deutschland eine Energieeffizienzsteigerung von rund 3% pro Jahr erreicht werden kann – und zwar insbesondere durch den weiter steigenden Einsatz drehzahlveränderbarer elektrischer Antriebe.

In Deutschland wird etwa die Hälfte der elektrischen Energie, nämlich rund 240TWh/a für die Industrie benötigt. Circa 65% dieses Stromverbrauches werden durch die 30Mio. Motoren verbraucht – nur jeder achte davon drehzahlgeregelt. Dies zeigt, welches Potenzial noch besteht. Bei Pumpenantrieben kann man durch Drehzahlregelung pro Jahr rund 15Mrd.kWh oder 1,2Mrd. Euro einsparen. Wird zum Beispiel die Drehzahl einer Umwälzpumpe in Heizungsanlagen im Durchschnitt nur um 20% abgesenkt, kann der Strombedarf bereits um bis zu 50% sinken.
Auch der Klimaschutz profitiert von der effizienten Energienutzung. In Europa ist durch den Einsatz von elektrischer Drehzahlregelung ein Einsparpotenzial von 12Mio.t CO2 möglich. In der Vergangenheit wurden Einsparmaßnahmen durch den Einsatz von effizienteren Drehstrommotoren gefördert. Heute halten über 90% der eingesetzten Drehstrommotoren die Effizienzklasse I oder II ein. Dennoch bleibt ein enormes Potenzial bestehen: Nur rund 18% aller neu verkauften Drehstrommotoren sind mit Frequenzumrichtern drehzahlgeregelt.

Idealerweise sollte die von dem Energieversorger gelieferte Netzspannung für Haushalt, Gewerbe und Industrie eine gleichförmige Sinusspannung konstanter Amplitude und Frequenz sein. Dieser Idealfall ist heute in unseren Netzen leider nicht mehr anzutreffen. Die Ursache liegt in Verbrauchern, die einen nichtsinusförmigen Laststrom aufnehmen, damit also nicht-linear sind. Neben dem steigenden Einsatz von Frequenzumrichtern nimmt nämlich auch der Anteil anderer elektronischer Verbraucher wie etwa Energiesparlampen oder Schaltnetzteilen in den Niederspannungsnetzen drastisch zu. Die maximal mögliche Ausnutzung bestehender Energieversorgungseinrichtungen – auch mit solchen elektronischen Verbrauchern – lässt sich jedoch nicht vermeiden, da die Erweiterung einer Netzeinspeisung mit sehr hohen Kosten verbunden wäre. Der steigende Anteil nicht-linearer Verbraucher erzeugt demzufolge immer größere Abweichungen von der idealen Sinusform, was heute in den Versorgungsnetzen unvermeidlich und auch in gewissen Grenzen zulässig ist.

Diese Verzerrungen der Sinusform des Versorgungsnetzes als Folge nicht-linearer Stromaufnahme von Verbrauchern nennen Fachleute niederfrequente Netzrückwirkung oder auch Oberschwingungen. Für die Beurteilung der Netzqualität betrachtet man typischerweise die Oberschwingungen bis 2,5kHz, entsprechend der 50. harmonischen Oberschwingung. Die Oberschwingungen mit den stärksten Auswirkungen sind die dritte, die fünfte und die siebente, also die Frequenzen von 150, 250 und 350Hz.

Eine zu große Verzerrung bzw. ein zu großer Oberschwingungsgehalt kann dazu führen, dass beispielsweise empfindliche elektronische Steuerungen, Computer und Regelgeräte nicht mehr einwandfrei funktionieren oder sogar einzelne Verbraucher scheinbar ohne logische Erklärung vorzeitig ausfallen. Weitere mögliche Auswirkungen sind:

• erhöhte Belastung bis hin zur Zerstörung von Blindleistungskompensationsanlagen;
• Überdimensionierung von Netzkomponenten wie Trafo oder Leitungen erforderlich;
• eingeschränkte Funktionssicherheit und Lebensdauer von Netzkomponenten und Verbrauchern.

Die Oberschwingungsbelastung des Netzes birgt somit erhebliche Nachteile für Anlage und Verbraucher. Doch wo liegen die Ursachen für die oben beschriebenen Beeinflussungen?

Das Übertragungsnetz, darin eingebundene Transformatoren oder auch Kompensationsanlagen in der Industrie sind für die Nennfrequenz des Netzes, zum Beispiel 50Hz, berechnet und ausgelegt. Zusätzliche Belastungen durch Netzrückwirkungen, wie sie die Oberschwingungen darstellen, wurden bei der Planung der Anlagen selten berücksichtigt. Sie resultieren in einer höheren Blindleistungsbelastung von Übertragungsmedien wie Kabel und Trafo; eine „Überlastung“ durch einen zu großen Anteil Oberwellen kann zur Schädigung einzelner Verbraucher führen.

Netzrückwirkungen elektronischer Verbraucher lassen sich bereits an der Entstehungsquelle im Gerät reduzieren. Bei Frequenzumrichtern sind sie so bereits serienmäßig durch integrierte Zwischenkreisdrosseln begrenzt. Dennoch können solche Maßnahmen in Einzelfällen nicht mehr ausreichend sein. Dies ist typischerweise dann der Fall, wenn die Netzqualität durch andere nicht-kompensierte Verbraucher schon zu stark belastet ist . Zwar reduzieren dann die integrierten Drosseln den zusätzlich benötigten Aufwand schon erheblich, jedoch können trotzdem zusätzliche Komponenten benötigt werden.

Mögliche Zusatzkomponenten lassen sich heute in passive und aktive Maßnahmen unterscheiden. Zu den passiven Lösungen zählen spezifisch wirkende Saugkreise, passive Oberwellenfilter oder Quasi-12-Puls-Schaltungen. Diese passiven Lösungen sind bekannt und bewährt, bringen jedoch teilweise Nachteile im Bezug auf Wirkungsgrad, Platzbedarf oder Investitionskosten. Ein relativ neuer Weg ist der Einsatz von aktiven elektronischen Filtersystemen. Durch neue Entwicklungen in diesem Bereich mit verbesserten Halbleitern und Ansteuerungen eröffnen sich interessante neue Ansatzpunkte. In Kürze wird ein solcher, elektronisch gesteuerter, aktiver Filter unter dem Namen VLT Aktive Filter AHF 4 auf dem Markt sein.

Aktive Filter passen sich der benötigten Kompensation automatisch an und können nicht überlastet werden. Reicht die Filterleistung nicht aus, lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt noch ein weiterer Filter hinzufügen. Komfortable Bedieneinheiten können zusätzlich das aktuelle Oberwellenspektrum an diesem Netzpunkt anzeigen und machen ein individuelles Auslöschen einzelner Oberwellenanteile parametrierbar. Letztendlich bauen diese Geräte äußerst kompakt und lassen sich im Vergleich zu passiven Oberschwingungsfiltern wesentlich leichter in betroffenen Anlagenteilen nachrüsten.

• Ein relativ neuer Weg zur Verbesserung der Netzqualität ist der Einsatz von aktiven elektronischen Filtersystemen.
• Aktive Filter passen sich der benötigten Kompensation automatisch an und können nicht überlastet werden.
• Aktive Filtersysteme werden an Bedeutung gewinnen und sich als Standard-Filterkomponente neben den bekannten passiven Systemen etablieren; jedoch können diese dadurch nicht vollständig ersetzt werden.
• Vielmehr wird wie bisher im Einzellfall die Ist-Situation zu ermitteln und die für die Installation optimale Lösung anzustreben sein.
• Bei der Anschaffung von neuen Betriebsmitteln mit nicht-linearer Stromaufnahme sollte auf jeden Fall auf eine dezentrale Reduzierung der Oberwellen in den verursachenden Komponenten geachtet werden, da dies auch eine eventuell später notwendig werdende Investition für aktive oder passive Filter deutlich reduziert.

Autor: Christian Mieslinger , Produktmanager VLT Automation Drive Danfoss VLT Antriebstechnik
Ausgabe:04/2009 April