OLIVER ONLINE VOLTAGE REGULATION. Neuartiger Schutz vor Spannungseinbrüchen

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1 OLIVER ONLINE VOLTAGE REGULATION Neuartiger Schutz vor Spannungseinbrüchen

2 OLIVER ONLINE VOLTAGE REGULATION URSACHEN FÜR SPANNUNGSEINBRÜCHE IM VERSORGUNGSNETZ Kurzschluss im Verteilernetz Blitzeinschlag Hohe Lasten und starke Lastwechsel Schaltvorgänge des EVU Kraftwerk Zu- bzw. Abschaltung Instabile Energieerzeuger (Wind-/Solarparks) Vögel und Vogelkot DIREKTE AUSWIRKUNGEN Leistungsschalter des EVU löst aus (typische Reaktionszeit ms) Lokale Ereignisse breiten sich im weit vermaschten Versorgungsnetz aus Schütze & Relais fallen ab Sensoren detektieren falsche Werte Frequenzumrichter steigen aus KONSEQUENZEN Produktionsprozesse kommen zum Stehen Produktions-Gütekriterien werden verletzt Wirtschaftliche Schäden entstehen 2

3 INHALTSVERZEICHNIS SCHUTZ GEGEN ÜBER- UND UNTERSPANNUNGEN BIS ± 40 % 4 SPANNUNGSEINBRÜCHE GEFÄHRDEN MASCHINEN UND ANLAGEN 5 ONLINE VOLTAGE REGULATION (OLIVER) 6 HOHER WIRKUNGSGRAD GERINGE KOSTEN 7 KOMPAKT, OHNE ENERGIESPEICHER UND OHNE KLIMATISIERUNG 8 MESSERGEBNISSE AUS DER PRAXIS 10 STÖRABSTAND MIT UND OHNE OLIVER 12 FUNKTIONSPRINZIP / NETZABSICHERUNG 13 TECHNISCHE DATEN 14 DAS IST RUHSTRAT 15 3

4 SCHUTZ GEGEN ÜBER- UND UNTERSPANNUNGEN BIS ± 40 % Spannungsschwankungen in Energieversorgungsnetzen nehmen zu und sind eine wachsende Gefahr für industrielle Produktionsprozesse. Bereits Störungen von 20 ms Dauer können zu erheblichen Produktionsausfällen führen. Ruhstrat, ein Spezialist für Spannungsoptimierungsanlagen, bietet ein neuartiges System zur Kompensation von Spannungseinbrüchen. OLIVER (Online Voltage Regulation) schützt gegen Über- und Unterspannungen bis ± 40 %. Das deutsche Energieversorgungsnetz gilt als sehr stabil. Störungs- und Verfügbarkeitsstatistiken bestätigen, dass längere Unterbrechungen und größere Schwankungen der Versorgungsspannung nur selten auftreten. Das Problem: Kurze Störungen unter drei Sekunden werden in der Statistik überhaupt nicht erfasst. Risiken werden unterschätzt Die Energienetzbetreiber können sich auf die Einhaltung der Norm EN berufen. Sie definiert, dass Spannungsdifferenzen von ± 10 % UN nur für den 10-Minuten-Mittelwert eingehalten werden müssen. Kurzzeitige Spannungseinbrüche > 10 % sind demnach nicht zu beanstanden, obwohl sie industrielle Anlagen erheblich gefährden. Negative Folgen der Spannungsschwankungen Der Verband der Industriellen Energie- und Kraftwirtschaft e.v. (VIK) hat bereits 2012 berichtet, dass 72 % der Versorgungsstörungen kürzer als eine Sekunde sind. Sie werden verursacht u. a. durch Kurzschlüsse im Verteilnetz, Blitzeinschlag, Zu- oder Abschaltung von Kraftwerken oder durch volatile Energieerzeuger wie Wind- und Solarparks. Laut einer Studie der IHK Bayern berichteten Unternehmen von einer Zunahme der Störungen des Betriebsablaufes, weil neue Anlagen tendenziell häufiger betroffen sind als ältere und die Ursache häufig in der zunehmenden Empfindlichkeit der Steuerungselektronik zu suchen ist. Mehr Spannungseinbrüche durch regenerative Energieerzeuger Mit dem steigenden Anteil regenerativer Energieerzeuger nehmen Spannungseinbrüche, Spannungsschwankungen und Frequenzabweichungen weiter zu. Diese Instabilitäten der Versorgungsspannung gefährden die Betriebssicherheit industrieller Prozesse, weil beispielsweise empfindliche elektronische Steuergeräte auch auf kurze Spannungseinbrüche von nur Zehntelsekunden negativ reagieren und Fehlfunktionen oder Produktionsunterbrechungen verursachen. Über- und Unterspannungen können außerdem zu unerwünschten Leistungsschwankungen der Anlagen führen mit oft gravierenden Nachteilen für die Produktqualität oder die Lebensdauer der Anlagen. 4

5 SPANNUNGSEINBRÜCHE GEFÄHRDEN MASCHINEN UND ANLAGEN Als Faustformel gilt: Je moderner eine Anlage und je mehr Elektronik verbaut ist, desto problematischer sind Spannungseinbrüche. Bei einer Restspannung von weniger als 85 % der Netznennspannung muss bei Frequenzumrichtern und Schaltnetzteilen bereits mit größeren Problemen gerechnet werden (vgl. IEC ). Handelsübliche Schütze wechseln bei einer Restspannung von weniger als 80 % in einen undefinierten Zustand, selbst dann wenn der Spannungseinbruch nur eine Netzperiode (20 ms) dauert. Selbst bei robusten Verbrauchern wie Asynchronmotoren kommt es zu Störungen, wenn die Spannung über mehrere Netzperioden auf unter 75 % der Nennspannung sinkt. Bisherige Schutzkonzepte gegen Spannungsschwankungen werden diesen Anforderungen immer weniger gerecht. Sie reagierten zu langsam oder sie verursachen zu hohe Kosten. Mit dem System OLIVER (Online Voltage Regulation) stellt Ruhstrat eine neuartige Spannungsoptimierung für die Betriebssicherheit industrieller Anlagen vor. Relevanz Je nach Branche und Technologie variieren die Arten und Höhe der Kosten durch Spannungseinbrüche. Zusatzkosten für Nacharbeit Wiederanlaufkosten für das Reset oder Neustart von Maschinen Stillstandskosten durch längere Unterbrechung der Produktion Logistik Probleme bei extrem aufeinander abgestimmten Prozessen Instandhaltungs- und Reperaturkosten im Falle von Beschädigungen Die Höhe der Kosten pro Einbruch variiert nach wissenschaftlichen Studien zwischen einigen tausend Euro im Fall von einfacher Industrieproduktion und wächst bis in den sechsstelligen Bereich bei hochsensiblen Fertigungsbereichen z.b. der Halbleiter oder Pharmaindustrie. Voltage [Vrms] Time [s] Besonders gefährdet sind generell alle hochtechnologischen Fertigungsstrecken und nahezu jeder Prozess, bei dem Drehmoment und Drehzahl von Motoren gleichzeitig stabil gehalten werden müssen. 5

6 ONLINE VOLTAGE REGULATION (OLIVER) REAKTION IN ECHTZEIT (< 1 MS) Beispiele Pharmaindustrie (Vermeidung von Temperaturschwankungen) Lackiervorgänge (Spannungseinbrüche wirken sich direkt auf die Lackdicke aus, Steuerungsprobleme) Schleifvorgänge (Schwankungen in der Spannung haben Auswirkungen auf die Güte der Produkte) Messtechnik (Hochpräzise Prozesse die ein stabiles Netz benötigen z.b. Test von ABS Systeme) Medizintechnik (Kernspintomographen, Herzkatheter- Roboter usw.) Große Industrieanlagen Hochdynamische Prozesse OLIVER sorgt für einen neuartigen Schutz gegen instabile Netzversorgung, indem die Spannungsoptimierung wie ein Online-System agiert. Es korrigiert Spannungsabweichungen in Echtzeit (< 1 ms) und lässt sich besser als beispielsweise eine USV-Anlage in das industrielle Umfeld integrieren. Im Gegensatz zu USV-Anlagen bleibt die Netzkurzschlussleistung weitgehend unverändert und vorhandene Schutzmaßnahmen wie Sicherungen oder Leistungsschalter können unverändert weiter betrieben werden. Anforderungen an die Spannungsoptimierung Betreiber von Maschinen und Anlagen stellen hohe Anforderungen an die Spannungsversorgungsqualität: hohe Versorgungssicherheit niedrige Investitionskosten effektive Energienutzung (niedrige Verluste) niedrige Wartungskosten hohe Netzkurzschlussleistung zur Sicherstellung guter Netzqualität zur Sicherstellung der einwandfreien Funktion von Schutzmaßnahmen wie z. B. Sicherungen und Leistungsschaltern (Selektivität) Reserven für den reibungslosen Anlauf von Motoren, Überlast und dynamische Prozesse. 6

7 HOHER WIRKUNGSGRAD GERINGE KOSTEN Zur Absicherung sensibler Lasten wird OLIVER in Serie zwischen Versorgungstrafo und Last geschaltet. Ein von Ruhstrat entwickelter Transformator (Uk 2 %) sorgt dafür, dass die Netzkurzschlussleistung kaum verändert wird und vorhandene Schutzmaßnahmen wie Sicherungen und Leistungsschalter unverändert weiter betrieben werden können. Leistungsfähige Netzabsicherung Echtzeit Spannungskorrektur (< 1 ms) Netzkurzschlussleistung bleibt erhalten Spannungseinbrüche bis zu 40 % UN korrigierbar Wirkungsgrad von > 98 % Robuste Überlastfähigkeit: 150 % für ca. 30 Sek., 200 % in Bypassbetrieb modular erweiterbar geringe Anschaffungs- und Wartungskosten Schutz vor Überspannung. Verlässliche 400 V Spannungsschwankungen werden ausgeglichen OLIVER korrigiert Spannungsabweichungen in Echtzeit und hält die Netzspannung kontinuierlich auf dem Sollwert. Das System reagiert auf Abweichungen von der Sollspannung innerhalb von 140 μs und regelt die Spannung innerhalb von 10 ms (Ausregelzeit) wieder auf den Sollwert. Schutz gegen kurzzeitige und dauerhafte Spannungseinbrüche OLIVER sorgt für einen störungsfreien Spannungsverlauf. Spannungseinbrüche werden ausgepuffert und Spannungserhöhungen absorbiert. Dabei werden nicht nur kurzzeitige Spannungseinbrüche ausgeglichen, sondern die Schutzeinrichtung sorgt auch für die kontinuierliche Stabilisierung dauerhafter Spannungsschwankungen. Ausgleich Spannungseinbrüche (bis 30 s) von ± 30 % Ausgleich dauerhafter Spannungsschwankungen von ± 10 %. Ruhstrat analysiert auf Anfrage den Status der tatsächlichen Netzqualität und ermittelt durch mehrwöchige Messungen den Umfang der Spannungsschwankungen. 7

8 KOMPAKT, OHNE ENERGIESPEICHER UND OHNE KLIMATISIERUNG OLIVER ist mit Komponenten wie Gleichrichter, Wechselrichter und Bypass-Modul in einem kompakten Schaltschrank von mm untergebracht, kommt ohne Energiespeicher und Klimatisierung aus und arbeitet weitgehend wartungsfrei. Für sehr hohe Netzkurzschlussleistungen lässt sich OLIVER mit einem weiteren patentierten Bypass-Modul (FDB) ausstatten. Effektives Klimakonzept Oliver hat nur geringe Ansprüche an seinen Standort. Auch ein Betrieb unmittelbar neben Produktionsanlagen ist möglich. Ein effektives Belüftungssystem sorgt für den störungsfreien Betrieb bis 40 C. Netzkurzschlussleistung bleibt erhalten Der Serientransformator von OLIVER hat ein Uk von ca. 2 %, was die Netzkurzschlussleistung nur geringfügig reduziert (Unterschied zu einer USV Anlage). Damit ist es einfacher, Sicherungen und Leistungsschalter richtig zu dimensionieren. Motoren laufen in Netzen mit hoher Netzkurzschlussleistung sicherer an. Im Fehlerfall steht die maximal mögliche Netzkurzschlussleistung zur Verfügung. OLIVER verfügt zusätzlich über ein mehrfach redundant aufgebautes Bypass-System Thyristor-Schalter (zur schnellen Kurzschlussüberbrückung) Schütz (verzögerte Kurzschlussbrücke für hohe Lasten) Optional FDB (für extrem hohe Netzkurzschlussleistungen). Aussparung für FDB Gleichrichter-Modul Wechselrichter-Modul Bypass-Modul Transformatoren-Zelle Klimakonzept und Aufbau des OLIVER-Schranksystems 8

9 Bypass Eines der wesentlichen Qualitätsmerkmale einer Energieversorgung ist die zur Verfügung stehende Netzkurzschlussleistung. Umso höher die Netzkurzschlussleistung in einem zu betrachtenden Netzabschnitt ist, umso einfacher ist es, Sicherungen und Leistungsschalter nach Selektivitätskriterien richtig zu dimensionieren. Motoren laufen in Netzen mit hoher Netzkurzschlussleistung sicherer an. Um dies unter allen Umständen zu gewährleisten, hat OLIVER ein mehrfach redundant aufgebautes Bypass System. Thyristor Schalter (zur schnellen Kurzschlussüberbrückung) Schütz (verzögerte Kurzschlussbrücke für hohe Lasten) Optional FDB (für extrem hohe Netzkurzschlussleistungen) Oberschwingungsströme führen zu einer umso kleineren Spannungsverzerrung je höher die Netzkurzschlussleistung ist. Der Injektionstransformator von OLIVER hat ein Uk von ca. 2 %, was im Gegensatz zu einer USV Anlage nur zu einer geringfügigen Reduktion der Netzkurzschlussleistung führt. Von besonderer Bedeutung ist die Netzkurzschlussleistung im Fehlerfall. Bei einem Kurzschluss im Kundennetz oder bei einem Fehler in OLIVER ist es absolut notwendig, dass die maximal mögliche Netzkurschlussleistung durch Überbrückung der Leistungselektronik hergestellt wird. Bypass-Modul 9

10 MESSERGEBNISSE AUS DER PRAXIS EIN NAHEZU PERFEKTER SPANNUNGSVERLAUF Das erfolgreiche Spannungsoptimierungskonzept von OLIVER wurde in der Praxis nachgewiesen. Die Messergebnisse bestätigen den zuverlässigen Schutz gegen kurzzeitige und dauerhafte Spannungseinbrüche. Die Abbildung zeigt die von OLIVER erreichten Korrekturwerte für 3-phasige Spannungseinbrüche. Das System erreicht einen nahezu perfekten Spannungsverlauf. Das Resultat der geregelten Ausgangspannung weist lediglich eine Differenz von ca. 0,625 % zum Sollwert (bei Last) auf. Abbildung: Korrekturwerte für 3-phasige Spannungseinbrüche 10

11 Effektivwerte des Laststroms Effektivwerte der Lastspannung (Ausgang L1) Effektivwerte der Lastspannung (Ausgang L2) Effektivwerte der Lastspannung (Ausgang L3) Effektivwerte der Netzspannung (Eingang) Aufzeichnung des Laststroms sowie der Ausgangs- und Eingangsspannung. Die rote Linie zeigt den 10-min-Mittelwert, die blaue Linie den Peak max -Wert und die grüne Linie den Peak min -Wert. 11

12 STÖRABSTAND MIT UND OHNE OLIVER Spannung U [%] Spannung U [%] Dauer t [s] Dauer t [s] Störabstand mit OLIVER Störabstand ohne OLIVER 12

13 FUNKTIONSPRINZIP / NETZABSICHERUNG Netzabsicherung ohne OLIVER OLIVER Funktionsprinzip OLIVER 300kVA 30% OLIVER 300kVA 30% Netzabsicherung mit OLIVER 13

14 TECHNISCHE DATEN Systemkonzeptionierung Modular Scheinleistung 300 kva Netznennspannung 400 V Netzfrequenz 50 Hz ± 5 % Netzform 3-phasig, TN Netzkurzschlussleistung skalierbar Korrekturleistung ± 10 % kontinuierlich 1-phasige Einbrüche 55 % UN 100 % (30 s) 3-phasige Einbrüche 70 % UN 100 % (30 s) 50 % UN 80 % (10 s) Überlastbarkeit 150 % I N (30 s) Überlast im Bypass-Betrieb 20 ka / 150 ms 40 ka / 10 ms Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung ± 1 % Regelgenauigkeit bei Spannungseinbruch ± 3 % Reaktionszeit 140 μs Ausregelzeit < 10 ms Wirkungsgrad des Systems > 98 % (typisch 99 %) Kommunikation Ethernet (RJ45) / FTP-Server / Mail-Server Parametrierung/Analyse Touchpanel/Web-Interface/Log-SD-Card/Maill Schutzart IP20 Umgebungstemperatur 0 C (min.), 40 C (max.) Abmessungen mm (inkl. Sockel) Gewicht 900 kg Kabeleinführung von unten Anschlusshöhe Türanschlag Optional Eingangsseitig 800 mm Ausgangsseitig 370 mm rechts Wartungsbypass zum Überbrücken des Systems Messsysteme zur systemunabhängigen Analyse Class A 14

15 DAS IST RUHSTRAT Ruhstrat ist ein führender Technologie-Anbieter mit den Schwerpunkten elektrische Prüftechnik, Spannungsoptimierung, Transformatoren und Leistungswiderstände. Seit der Firmengründung im Jahr 1888 hat sich das Elektrotechnik-Unternehmen weltweit als Lieferant von individuell auf Kundenbedürfnisse abgestimmte Spitzentechnologie etabliert. Seit Mitte 2015 firmiert Ruhstrat unter dem Namen Eisenmann Thermal Solutions, welche eine Tochter der Eisenmann SE ist. Eisenmann zählt zu den international führenden Anbietern von Anlagen und Dienstleistungen in den Bereichen Oberflächenund Lackiertechnik, Materialfluss-Automation, Thermoprozesssowie Umwelttechnik. Eisenmann ist in Europa, Amerika und den BRIC-Staaten mit Mitarbeitern vertreten. Ruhstrat in Bovenden Sie möchten mehr Informationen zu Ruhstrat und unseren Produkten? Besuchen Sie einfach unsere Website unter: Sie haben Fragen zum Thema OLIVER Online Voltage Regulation und/oder möchten ein konkretes Angebot? Unter dem Kurz-Link stehen Ihnen verschiedene Möglichkeiten der Kontaktaufnahme zur Verfügung. Noch schneller geht es, wenn Sie den links angezeigten QR-Code mit Ihrem Smartphone/Tablet scannen. Unser Vertriebsteam im Innen- und Außendienst berät Sie gerne zu allen Produktfragen. 15

16 Eisenmann Thermal Solutions GmbH & Co. KG Leinetal / Auf der Mauer 1, Bovenden, Deutschland Tel.: , Fax: , info@ruhstrat.com Eisenmann Thermal Solutions GmbH & Co. KG I Alle Rechte vorbehalten. Sämtliche Texte, Bilder und Grafiken unterliegen dem Urheberrecht und anderen Gesetzen zum Schutz des geistigen Eigentums. Eine Nutzung der Inhalte ist erst nach Zustimmung durch die Eisenmann Thermal Solutions GmbH & Co. KG gestattet. Sämtliche Angaben, Beschreibungen und Illustrationen stehen unter dem Vorbehalt technischer Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Weiterentwicklung unserer Produkte nach dem jeweiligen Stand der Technik. Eine besondere Ankündigung bei Änderungen von Angaben, Beschreibungen und Illustrationen erfolgt nicht. Einzelne Fehler bleiben vorbehalten. Technische Eigenschaften können von Land zu Land abweichen.