Optimierung der Stromversorgungsqualität

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1 Technology Review Filer für die 3. Harmonische Opimierung der Sromversorgungsqualiä Jouko Jaakkola Ihr PC-Bildschirm flimmer, hör auf zu flimmern, fäng wieder an... Sicherlich läsig und vielleich das erse Anzeichen für ein Problem: Oberschwingungen höherer Ordnungszahl. Sie reen mi der zunehmenden Verbreiung von Verbrauchern mi elekronischen Baueilen sowie von Compuern, ganz zu schweigen von Leuchsofflampen in Indusrie und Gewerbe, immer häufiger auf. Zugleich sell der breiere Einsaz von elekronischen Geräen am Arbeisplaz ein Leisungsmerkmal in Frage, das Gewerbe und Indusrie erwaren und auch fordern: hohe Qualiä der Sromversorgung. E inphasengeräe mi Leisungselekronik wie Compuer, Drucker, Fookopierer, Fernsehapparae, Faxgeräe, unerbrechungsfreie Sromversorgungsanlagen und Energiesparleuchen gelen als Hauperzeuger von Oberschwingungssrömen in euralleiern. Die Oberschwingungssröme belasen die Gebäudeinsallaion, erhöhen die Leiungsverluse, reduzieren die Sromkreisleisung und beanspruchen die Kondensaoren für die Blindleisungskompensaion über Gebühr. Dies is speziell ein Problem im euralleier, in dem sich die Oberschwingungssröme der 3. Ordnung meisens die mi den größen Ampliuden in den Phasen addieren. Es mag sogar vorkommen, dass die im euralleier fließenden Oberschwingungssröme der 3. Ordnung den Srom in den Außenleiern überseigen. Die von den Oberschwingungssrömen einphasiger Leisungselekronikgeräe ausgehenden Probleme reen am särksen im Gewerbe und in den Elekronikindusrien auf, die solche Geräe in großen Sückzahlen einsezen. Hinzu komm, dass die elekrischen Anlagen in vielen äleren Gebäuden nich für das heuige compuerisiere Büro ausgeleg sind. Besonders problemaisch wirken sich auf die meisen elekronischen Geräe die nichlinearen ezrückwirkungen aus, die aufgrund von Schalnezeilen in Compuern und anderen Bürogeräen sowie von ezgeräen mi Brückengleichrichern und Gläungskondensaoren ensehen. Die Schalnezeile leien je ezperiode nur während eines Teils der Halbwelle, 46 ABB Technik 3/2001

2 Transmission and Disribuion Is auch Ihr ez beroffen? Die zunehmende Anzahl nichlinearer elekrischer Verbraucher in den ezen, wie Leuchsofflampen, Compuer, unerbrechungsfreie Sromversorgungen, Schweißgeräe usw., mach sich auf mehrfache Weise bemerkbar. Sie erzeugen Oberschwingungen, die bei anderen Verbrauchern des gleichen ezes berächliche Probleme mi of schwer zu ermielnden Ursachen auslösen können. Aber was sind Oberschwingungen, wie ensehen sie und wie verursachen sie Probleme? Was der Begriff Oberschwingungen bedeue, is rasch erklär: Sröme, die im elekrischen ez mi einer vielfachen Frequenz der vom Generaor erzeugen sinusförmigen Grundschwingung aufreen. Beispielsweise ha in einem ez mi der Grundschwingung 50 Hz die Oberschwingung der 3. Ordnung 150 Hz, die Oberschwingung der 5. Ordnung 250 Hz, die der 7. Ordnung 350 Hz und so weier. Tasächlich haben nur ungeradzahlige Oberschwingungen Bedeuung, obwohl alle Oberschwingungen die Kurvenform des Sromes beeinflussen. Die 3. Harmonische (150 Hz) und die 5. Harmonische (250 Hz) sind die zwei Oberschwingungen, die am häufigsen aufreen. Im Allgemeinen verursachen einphasige Verbraucher die 3. Harmonische und Drehsromverbraucher die 5. Harmonische. (Sogenanne «Resonanzkreise» können die 5. und 7. Harmonische herausfilern. Allerdings gab es bisher zur Filerung der 3. Harmonischen kein wirschafliches Verfahren.) Die elekrische Las besimm den vom ez bezogenen Srom, weil die Versorgungsspannung im Wesenlichen konsan is. Lineare Lasen wie z. B. Widersände haben eine konsane Impedanz, und deshalb schwing deren dem ez ennommener Srom mi der gleichen Wellenform wie die Versorgungsspannung: vollkommen sinusförmig, wenn der Generaor eine Spannung mi Kurvenform der Spannungsquelle Kurvenform des Lassroms Kurvenform der Spannungsquelle Kurvenform des Lassroms Sinusform liefer. ichlineare Lasen ändern dagegen ihre Impedanz, wenn sich beispielsweise die Ampliude der Spannung änder. Deshalb ennimm sie dem ez einen nichsinusförmigen Srom und speis einen Srom mi verzerrer Kurvenform in das ez zurück. Zu den ypisch nichlinearen Lasen gehören in der ähe des Säigungs-Knickpunkes beriebene Transformaoren und Gleichricher. Und das Problem? Früher haen dreiphasige Vierleier-Vereilungssyseme, die weigehend symmerische Einphasengeräe versorgen, einen gemeinsamen euralleier, der nur einen geringen, durch Schieflas bedingen Srom führe. Wenn jedoch nichlineare Einphasengeräe das ez unsymmerisch belasen, können im gemeinsamen euralleier unzulässig hohe Sröme ensehen, weil sich dor die Sröme der 3. Harmonischen addieren. Um Überlasungen des euralleiers zu vermeiden, ließe sich naürlich für jede einzelne Phase ein eigener euralleier mi vollem Querschni zur Schalafel verlegen. Impedanz linearer Lasen Impedanz nichlinearer Lasen Doch diese Lösung wäre kosspielig. In einem prakischen Fall wurden drei PCs für 120 V an ein Dreiphasennez mi 208/120 V angeschlossen, und zwar an jede Phase ein PC. Obwohl jeder PC nur 1,2 A verbrauche, flossen im euralleier 2 A! Die Brandgefahr lieg auf der Hand, die durch einen unzureichend ausgelegen euralleier mi sehr hohem Srom enseh, denn keine Sicherung schüz ihn. Die von der 3. Harmonischen verursachen Probleme lassen sich durch den Einbau eines in diesem Arikel vorgesellen Spezialfilers beheben. Ein skandinavischer Kunde von ABB, der ein solches Filer einbauen ließ, berichee kürzlich von jährlichen Einsparungen von rund US$, die er durch Senkung des Energieverbrauchs und höhere Beriebsleisung der Ausrüsung erziele. Außerdem wurde die Emission von «Elekrosmog» drasisch reduzier! ABB Technik 3/

3 Technology Review 1 Die Oberschwingungssröme der 3. Ordnung summieren sich arihmeisch im euralleier. So addier sich z. B. ein Oberschwingungssrom von 20% in jedem Phasenleier (L1, L2, L3) zu 60% im euralleier () L1 L2 L3 L1 3.L1 L2 3.L2 L3 3.L sodass am Gläungskondensaor ein nichsinusförmiger gepulser Wechselsrom anlieg. Auch Enladungslampen, wie z. B. Leuchsoffröhren und die neuen Energiesparlampen, gehören zu den Geräen, die Oberschwingungssröme drier Ordnung erzeugen. Oberschwingungssrom 3. Ordnung dominier In symmerischen Dreiphasensysemen heben sich der Grundschwingungssrom und die 5., 7. usw. Harmonische gegenseiig auf. Dagegen haben die Oberschwingungssröme der 3. Harmonischen in Einphasensysemen den gleichen Phasenwinkel und addieren sich deshalb im euralleier. Da ein einphasiges Elekronikgerä hohe Oberwellensröme zieh, beseh die Möglichkei, dass in einem ez roz relaiv niedriger Wirkleisung des Verbrauchers berächliche oberschwingungsbedinge Probleme aufreen. Der dominierende Oberschwingungssrom der 3. Ordnung kann bei Leuchen bis zu 1 A pro kw und bei Compuern bis zu 4 A pro kw beiragen, je nach Schleifenwidersand des ezes und Konzenraion der Verbraucher 1. Die Oberschwingungen, ironischerweise ausgelös von den gleichen Verbrauchern, die uner ihren Folgen am meisen leiden, führen zu Überhizung, Schäden und Leisungsverlusen im Gerä. Außerdem erzeugen sie elekromagneische Felder, verschlechern die Spannungsqualiä und sören so die Geräe. Die im euralleier ensehenden Sröme können Brände verursachen. Bei einer kürzlich angesellen Fallsudie führe der euralleier einen Srom von 1250 A, während die symmerischen Phasensröme nur 1000 A berugen. Die durch Oberschwingungssröme bedinge Erwärmung kann zur Auslösung von Schuzschalern und Sicherungen führen. Da Fehlersrom-Schuzschaler elekromechanisch funkionieren, beseh die Möglichkei, dass sie die höherfrequenen Komponenen unkorrek summieren und deshalb falsch auslösen. Mi Oberschwingungssrömen fließ im Sromkreis ein höherer Srom als sons zu erwaren wäre. Haben die elekronischen Geräe und Einrichungen nur eine einfache Messausrüsung, so könne dies zu einer falschen Summierung der höherfrequenen Komponenen führen. Filer für die 3. Harmonische eine kosengünsige Lösung Das Filer für die 3. Harmonische (hird harmonic filer = THF) is ein Parallelresonanzfiler mi hoher Impedanz für den Oberschwingungssrom der 3. Ordnung. Für die Grundschwingungsfrequenz bilde das THF eine so niedrige Impedanz, dass sich die Ansprechzei der Kurzschluss-Schuzgeräe und die Schleifenimpedanz des ezes nur leich erhöhen, wenn das Filer in den euralleier geleg wird. Die Reihenschalung des THF im euralleier ha sich ABB Conrol in Finnland paenieren lassen. Der Einbau des THF im euralleier is nich nur sinnvoll, sonder auch sehr effekiv, weil sich in diesem Leier die Oberschwingungssröme der 3. Ordnung arihmeisch addieren. Als passives Elemen ausgeführ, enwickel das Filer kaum Geräusche. Außerdem werden digiale Signale nich nacheilig beeinfluss und im ez weder Insabiliäen noch Resonanzen hervorgerufen. Eine Dämpfungsspule sorg dafür, dass die Filerelemene Spannungsspizen aushalen 2. Im T-S-ez wird das Filer in den euralleier geleg oder am Transformaor-Sernpunk neben dem Schalfeld monier 3. Ein Schuzgerä schüz das THF vor dem Unsymmeriesrom der 50-Hz-Grundschwingung und dem 150-Hz-Übersrom. euralleiersrom und Söraussendungen wirksam reduzier Das THF beseiig ypischerweise nich nur rund 95% des Oberschwingungssroms der 48 ABB Technik 3/2001

4 2 Der euralleier eigne sich ideal zur Anordnung des Filers für die 3. Harmonische (THF). Da es ein passives Elemen is, enwickel es kaum Geräusche und verursach keinerlei Resonanz im ez. Eine eingebaue Dämpfungsspule bewahr die Filerkomponenen vor Schaden durch Spannungsspizen. L C R THF 3. Harmonischen im euralleier, sondern auch den 150-Hz-Srom in den Außenleiern. Eine größere Herausforderung dürfe künfig darin besehen, den Berag der Oberwellensörsröme am Anschlusspunk zum öffenlichen ez niedrig zu halen. ormen, wie z. B. G5/3 in England und der Conra Emeraude in Frankreich, haben bereis den Grenzwer für die Oberwellensörsröme auf 34 A bzw. 4 % fesgeleg, während IEEE 519 für Großverbraucher 5 % im ez empfiehl. Das THF kann die Oberwellensörsröme von den kundenseiigen Anschlüssen zum öffenlichen 3 Der Anschluss des THF (mi Schuzgerä) erfolg am Transformaor-Sernpunk. L1 L2 L3 Transformaor I O Tes PE Eingang THF Sromversorgungsnez reduzieren und gleichzeiig die Spannungsverzerrung auf der ezseie verringern 4. Höhere ezleisung und geringere Leiungsverluse Der Oberwellensrom der 3. Ordnung im iederspannungsnez bilde eine Schleife, die von den einphasigen Verbrauchern über die Außenleier und Vereilerafeln bis zum Transformaor-Sernpunk und zum euralleier reich. Dor wird er in die Mielspannungs-Dreieckswicklung eingekoppel. Im symmerischen Zusand breie sich der Oberwellensrom der 3. Ordnung nich ins Mielspannungsnez aus, sondern kreis in der Dreieckswicklung. Dadurch erhöhen sich deren ohmsche Verluse und ihre Beriebsemperaur gleichzeiig sink die effekive Belasbarkei. Oberwellensröme mi ihrer höheren Frequenz vergrößern auch die magneischen Verluse im Transformaorkern und seigern die Wirbelsrom- und Skineffek- Verluse in den Wicklungen. 230 VAC PE 3 X 1.5 mm 2 PE Ausgang PE 10 A PE Haupvereilerafel (PE) Probleme, verursach durch die 3. Oberschwingung Sröme in der Anlage Überlasung der euralleier Überhizung der Transformaoren Ungewolles Auslösen von Schuzschalern Überbeanspruchung von Kondensaoren zur Blindleisungskompensaion Skineffek Überhizung von Asynchronmooren Oberwellensröme am ezanschlusspunk Magnefelder Flimmernde Bildschirme Energiesparend Eine Verringerung des Aneils der 3. Harmonischen verlänger nich nur die Lebensdauer der ezkomponenen, sondern senk durch Vermindern des Leisungsaneils auch die Leisungsverluse. Das THF selbs ha nur einen geringen Leisungsbedarf (der Per-uni- Leisungsverlus beräg 40 W). eben der Verringerung der Brandgefahr infolge überlaseer Leier spar der Einsaz des THF den Bereibern auch Kosen, weil die durch hohe Oberschwingungssröme bedingen beachlichen Verluse in der Gebäudeinsallaion sinken. In einigen Fällen, in denen Oberschwingungen der 3. Ordnung in hoher Konzenraion vorlagen, wurden Energieeinsparungen zwischen 4 und 5 % ermiel. Dami amorisieren sich die Invesiionen in ein THF innerhalb von 3 bis 10 Jahren, je nach ezkennweren und der asächlichen Belasung des jeweiligen ezes. ABB Technik 3/

5 Technology Review 4 Die Filer-Baureihe von ABB mi ennsrömen von 25 A bis 3000 A für Innenraum- und Freilufeinsaz Auslegung des Filers Der nezseiige Leisungsransformaor bzw. die Sicherung zum ez hin besimm die Auslegung des THF. Jede dieser beiden Komponenen muss grundsäzlich die dynamischen und hermischen Beanspruchungen am Transformaor-Sernpunk oder im euralleier uner allen Umsänden beherrschen, und zwar ungeache der asächlichen Größe der Schein-, Blind- oder der «verzerren» Las. ur diese Auslegungsweise sell sicher, dass das ez sabil bleib, auch wenn sich die Las änder. Magnefelder Anders als die Oberschwingungen der 5. und 7. Ordnung, die sich gegenseiig aufheben, bau der Srom der 3. Harmonischen rund um die Einphasen- und euralleier ein Magnefeld auf. Das THF dämpf die Einphasensröme in den Außen-, eural- und Erdleiern eines T-C-ezes. Die Senkung des Aneils der 3. Harmonischen verringer auch das Gesammagnefeld in einem ypischen Bürogebäude oder Krankenhaus um rund 50 % 5. Referenzanlagen rund um die Wel Sei 1994 kamen welwei zahlreiche THF- Anlagen zum Einsaz: in Bürogebäuden, Compuerräumen, Rundfunk- und Fernsehsaionen, Prozessindusrien, Hoels 6 ebenso wie in großen Beleuchungsanlagen und Gewächshäusern. Die Anlagen beweisen, dass sie den Srom im euralleier um 95 % effekiv senken und dabei ypischerweise 4 % Ener- Die 3. Harmonische und das Gesez Inzwischen is das CE-Zeichen auf elekronischen Produken allgemein bekann. Geräe mi diesem Zeichen haben folgende Prüfungen besanden: eine Prüfung mi einer von außen einwirkenden elekromagneischen Sörsrahlung über einen breien Frequenzbereich (achweis der Sörfesigkei) sowie eine zur Ermilung der Sörfrequenzen, die es im Berieb aussende (achweis der Söraussendung). Generell geh es dabei um die Fessellung der Elekromagneischen Verräglichkei (EMV). Für diese Unersuchung besehen zahlreiche ormen mi Angaben über die zulässigen Grenzwere für die einzelnen Geräe. Das CE-Zeichen dürfen nur die Geräe ragen, die diese Grenzwere einhalen. «IEC 1000, Teil 3, Absaz 2» (IEC ) leg die Grenzwere für die Oberschwingungssröme fes, die ein Gerä erzeugen darf. Sei Januar 2001 müssen alle Geräe mi einem Geräeeingangssrom uner 16 A diese Grenzwere einhalen, andernfalls dürfen sie nich innerhalb der EU verrieben werden! ormen für Geräe mi höheren Eingangssrömen sind in Vorbereiung. Die «IEEE 519 Harmonic Guidelines» legen ähnliche Grenzwere fes und finden in vielen Ländern außerhalb der EU Beachung. Troz dieser ormen gib es viele Millionen Verbraucher, die noch jahrzehnelang arbeien und dabei Oberschwingungen erzeugen dürfen. Dami gerä die elekrische «Sauberkei» des Energieversorgungsnezes zunehmend zum Problem; ensprechend avancier eine hohe Qualiä der Sromversorgung zum zugkräfigen Verkaufsargumen. Die hier vorgesellen Filer werden deshalb als Miel zur euralisierung solcher Sörquellen immer mehr an Bedeuung gewinnen. 50 ABB Technik 3/2001

6 5 Magnefelder, die an verschiedenen Oren in einem großen Krankenhaus gemessen wurden. Der Einsaz des THF-Geräes reduziere die Felder um 50 % (blaues Kurvenbild). 6 Filer von ABB für die 3. Harmonische sind auch in einem der renommieresen neuen Hoelgebäude der Wel insallier: dem Burj Al Arab-Hoel in Dubai. Die THF-Geräe senken die Leieremperaur, sodass sich Seigleiungs-Sammelschienen mi kleineren Querschnien einsezen ließen gie einsparen. Durch die dabei erziele Verbesserung der ezbedingungen amorisieren sich die Anschaffungskosen normalerweise in einem Zeiraum von 3 bis 10 Jahren. Weiere Informaionen über das beschriebene THF finden Sie im Inerne uner hp:// Es gib auch eine CD-ROM, die bei der Auswahl des Filers für verschiedene Anwendungsfälle hilf. Adresse des Auors Jouko Jaakkola ABB Conrol Oy PO box 622 FI Vaasa, Finnland jouko.jaakkola@fi.abb.com Fax: ABB Technik 3/