Raus in die Wellen -und Oberwellen fest im Griff. Schiffbautag 2013 Hamburg, Ansgar Tönjes-Frye PAE Antriebstechnik

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1 Raus in die Wellen -und Oberwellen fest im Griff Schiffbautag 2013 Hamburg, Ansgar Tönjes-Frye PAE Antriebstechnik

2 Übersicht Harmonische was nun? Was sind Harmonische Ein Überblick Wie entstehen Harmonische Total Harmonic Distortion -THD Point of Common Coupling PCC

3 Harmonische Was sind Harmonische? Eine natürliche, physikalische Eigenschaft, von nichtlinearen Verbrauchern! 4

4 Harmonische Was sind nicht lineare Verbraucher? Industrielle Verbraucher Batterieladegeräte, Galvanik Gleichrichter Drehzahlgeregelte Antriebe Unterbrechungslose Stromversorgungen Büro Equipment Computer Drucker, Faxgeräte Haushaltsgeräte TV-Geräte, PC Energiesparlampen Dimmer und Halogenbeleuchtung 5

5 Harmonische Wie entstehen Harmonische oder Oberschwingungen? Harmonische entstehen durch nicht sinusförmige Ströme der Verbraucher wie z.b. Gleichrichter. 6

6 [i] Harmonische Was sind Harmonische genau? Die Hüllkurve ist die vektorielle Summe der einzelnen Harmonischen Harmonische sind ganzzahlige vielfache der Grundschwingung (Netzfrequenz) 50 oder 60 Hz TDHi total [t] I Σ I 1 H5 H7 50(60)Hz Grundschwingung 5. Harmonische 7. Harmonische usw. 50Hz 250 Hz 350 Hz Harmonic (5th) 7

7 Was ist der THD? THD = ist das Verhältnis der Harmonischen zur Grundschwingung THD F A A7 A11... A 1 A n THD F 1, ,7% A1= Grundschwingung A5= 5. Harmonische A7= 7. Harmonische usw. 8

8 Messpunkte des THD PCC Gemessen wird am Einspeisepunkt PCC Installation level Gemessen wird am Knotenpunkt (lineare und nichtlineare Lasten) Drive level Gemessen wird an den Anschlussklemmen des Umrichters Messpunkt THDi THDu PCC 18,24 % 0,16 % Installations Level 18,24 % 5,64 % Drive Level 35,67 % 5,64 % PCC Instalation level Drive level Umrichter 600kW Motor 600kW 9

9 Übersicht Harmonische was nun? Was sind Harmonische Ein Überblick Lösungen

10 Reduktion von Harmonischen Lösungen Netz- oder DC Drossel 12/24 puls Umrichter Passive Filter (PF) Aktive Filter (AF) AF ATV M Active Front End (AFE) 11

11 Reduktion von Harmonischen 12

12 Übersicht Harmonische was nun? Was sind Harmonische Ein Überblick Lösungen Netz und DC Drossel

13 Netz oder DC- Drosseln Netzdrosseln VSD DC Drosseln VSD AC chokes DC choke Reduktion des THDi ca. 35% Kurzschluss Strom <100 ka V V Reduktion des THDi ca. 35% Kurzschluss Strom <50 ka ( 35kA bis 75kW ) V 14

14 % % % Netz und DC Drosseln Keine Drossel Netzdrossel 3% DC Drossel 3% Line current spectrum Line current spectrum Line current spectrum 120,00 120,00 120,00 100,00 100,00 100,00 80,00 80,00 80,00 60,00 60,00 60,00 40,00 40,00 40,00 20,00 20,00 20,00 0, Harmonic order 0, Harmonic order 0, Harmonic order 15

15 Beispiel DC-Drossel im ATV 61/71 ATV71 ATV71 DC-Drossel 1% eingebaut THD Netzstrom = ca. 80% DC-Drossel 3% im Lieferumfang THD Netzstrom <=48% ATV71 15kW 75kW 500kW 16

16 Bei Verwendung der Option DC-Drosseln halten die Umrichter mit einem Nennstrom von A die in der Norm IEC/EN angeführten Grenzwerte für Stromoberschwingungen ein. Voraussetzung ist ein Netzstrom-/Kurzschlussverhältnis Rsce 120. Der Einsatz der Option DC-Drossel oder Netzdrossel ist generell erforderlich: für den Einsatz des Umrichters in Wohngebieten bei Netzkurzschlussströmen an der Umrichtereinspeisung bis 35 (50) ka bzw. 100 ka bei Verwendung der Netzdrossel wenn mehrere Umrichter am gleichen Netzknoten betrieben werden wenn Blindstromkompensationsanlagen durch den Umrichter überlastet werden wenn der Umrichter an einem Generator betrieben wird wenn das speisende Netz Unsymmetrien 1,8 % aufweist 17

17 Netz und DC Drosseln Vor- Nachteil der AC ; DC Drossel Einfache, rubuste Lösung Einfache Installation geringere Reduktion des THDi 18

18 Übersicht Harmonische was nun? Was sind Harmonische Ein Überblick Lösungen Netz und DC Drossel 12/24 puls Lösungen

19 12 und 24 puls Lösungen Multi pulse solution 12 puls Lösung Mit den beiden parallelen Eingangsgleichrichtern und den beiden um 30 versetzten Sekundärwicklungen des Einspeisetrafos werden die Harmonischen reduziert. Die 5,7, 17,19 sowie 29 und 31 usw. heben sich durch den Phasenversatz des Trafos auf 20

20 12 puls Lösung 21

21 12 puls Lösung PCC1 THDv = 0,5% Urms = 9,9kV PCC1: THDi = 6,8% Irms = 32,7A 12 pulse drive 500kW on dedicated phase shift transformer 22

22 24 puls Lösung 24 puls Lösung Mit den 4 parallelen Eingangsgleichrichtern und den um 15 versetzten Sekundärwicklungen der Einspeisetrafos werden die Harmonischen reduziert. Es können auch zwei 12 puls Transformatoren verwendet werden, die eingangsseitig um 7,5 versetzt sind Es bleiben nur noch die 17,19 und 47,49 Harmonische übrig. Die restlichen Harmonischen werden durch den Phasenversatz des Transformators kompensiert 23

23 12 und 24 puls Lösung Harmonische bei multipuls Lösungen Vollbrückengleichrichter produzieren nach der unten gezeigten Formel folgende Harmonische: h = n * p ±1 h = Harmonische n = ganze Zahl 1, 2, 3, p = Pulszahl des Gleichrichters Beispiel für einen 6 und12 puls Gleichrichter: p = 6 h = n*6 ±1 h = 5, 7, 11, 13, 17, 19, p = 12 h = n*12 ±1 h = 11, 13, 23, 25, 24

24 12 und 24 puls Lösung Vor- Nachteil der multipuls Lösungen Robuste Lösung Einfache Installation Guter Wirkungsgrad Spezieller Transformator 25

25 Übersicht Harmonische was nun? Was sind Harmonische Ein Überblick Lösungen Netz und DC Drossel 12/24 puls Lösungen Passive Aktive Filter

26 Passive Filter (PF) Passive Filter direkt am Umrichter Speziell abgestimmte LC Filter werden direkt vor den Umrichter geschaltet VSD Passive Filter Ohne passivem Filter THDi = 36,9% Mit passivem Filter THDi = 9,8% 27

27 Passive Filter (PF) Passive filter solutions VSD Passive Filter 400V/50Hz or 460V/60Hz Reduce the THDi to 16 or 10% Passive Filter V S D Passive Filter with DC choke 400V/50Hz or 460V/60Hz Reduce the THDi to 10 or 5% P a s s i v e F i l t e r Passive Filter with AC choke 400V/50Hz or 460V/60Hz Reduce the THDi to10 or 5% Passive Filter AC choke D C c h o k e VSD 28

28 Passive Filter (PF) Filter im Leerlauf / I = 189A Bei Leerlauf oder geringer Last nimmt der Blindleistungsanteil zu. Zur Eliminierung dieses Blindleistungsanteils können die Kondensatoren des Filters über den Umrichter abgeschaltet werden. Hierzu muss ein Schütz über einen der Relaisausgänge des Umrichters mit weniger als 10% des Umrichterbemessungsstroms (in) angesteuert werden; siehe Programmieranleitung. 29

29 Passive Filter (PF) Vorteil und Nachteil der passiven Filter Passive Bauelemente Preis Einfache Installation Abmessungen Einfluss auf cos phi 30

30 Aktive Filter (AF) Funktion Der Laststrom eines nichtlinearen Verbrauchers wird von störenden Stromanteilen befreit, indem gegengleiche Stromanteile (Harmonische) eingespeist werden. Es kommt dadurch am Verknüpfungspunkt zur Auslöschung bzw. Zur Reduktion der nichterwünschten Oberschwingungen. Dazu werden keine Kondensatoren zuoder weggeschaltet, sondern mit hochdynamischen Pulswechselrichtern die genau benötigten Kompensationsströme erzeugt. 31

31 Aktive Filter (AF) Kompensation von harmonischen Strömen I Inetz U Ig = U 200 U 400 I eff =343.7A Ig eff =113.8A Inetz eff =324.3A Verbraucherstrom ohne AF Strom des AF Netzstrom mit AF AF ermöglichen: Kompensation von Harmonischen Verbesserung des Netzstroms auf THDI <5% bei Frequenzumrichtern und Diodengleichrichter Vorteil: Reduktion des Netzstromes am PCC; Keine Überlastung des Filters wie bei passiven Filtern oder AFE Einheiten möglich; Keine Auswirkungen auf Rundsteuersignale 32

32 Active Filter (AF) Kompensation von induktiven Blindleisungen I Inetz Ir = U 200 U 200 U 400 I eff =324.3A Ir eff =74.2A Inetz eff =315.7A current without AF current AF mains current with AF AF ermöglichen: Hochdynamische Kompensation 33

33 IV. Funktionsprinzip: Aktive Filter - OS-Ströme wirksam eliminieren! I Netz ILast Ih1 (50Hz-Grundschw.) = Einsp. INetz ILast Nicht lineare Verbraucher + IFilter (gegenpasig) IFilter Ihn (OS-Ströme) INetz = ILast + IFilter 34

34 IV. Funktionsprinzip: SineWave Filter - OS-Ströme wirksam eliminieren! V C:(0,0 s, -1,58181 V) Fichier 1 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 V C:(0,0 s, 0,49542 V) Fichier 1 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-0,5-1,0-1,0-1,5-2,0 0,0 10 0,0 15 0,0 20 0,0 25 0,0 30 0,0 35 0,0 40 0,0 45 Last-Strom V C:(0,0 s, 0,77771 V) Fichier 1 s -1,5-2,0 0,0 10 0,0 15 0,0 20 0,0 25 0,0 30 0,0 35 0,0 40 0,0 45 Filter-Strom (30A) s 1,5 1,0 0,5 ILast = 82 A, THDI = 41% 0,0-0,5-1,0 INetz = 75 A, THDI = 3.6% -1,5-2,0 0,0 05 0,0 10 0,0 15 0,0 20 0,0 25 0,0 30 0,0 35 0,0 40 0,0 45 Netz - Strom s 35

35 Aktive Filter (AF) Vorteil der aktiven Filter Lastabhängige Kompensation Keine Überlastung möglich Einfache Installation Sicherheit da parallel zum VSD Kein Einfluss auf Rundsteuersig. 36

36 Übersicht Harmonische was nun? Was sind Harmonische Ein Überblick Lösungen Netz und DC Drossel 12/24 puls Lösungen Passive Aktive Filter Active Front End

37 Was ist ein Active Front End (AFE)? Reduktion der Harmonischen Verbessert die Netzqualität Energierückspeisung Verbessert die Effizienz 38

38 Active Front End (AFE) 4Q Rectifier B6- IGBT bridge Converter B6- IGBT bridge L1 L2 L3 U V W t t t t Motor cos =1 Generator cos = -1 39

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43 Übersicht Harmonische was nun? Was sind Harmonische Ein Überblick Lösungen Zusammenfassung

44 Harmonische Haupteinflussfaktoren für THDi und THDu EVU PCC1* At PCC1 THDI THDU Netzkurzschluss Leistung Transformator Nennleistung (Impedanz) Kabellänge Lineare Lasten VSD* PCC2* Art des Umrichters (VSD) At PCC2 THDI THDU Transformator Leistung Kabellänge Lineare Last zu VSD kva VSD Impedanz VSD Pulszahl Gleichrichter Motor Last M Motor % Last *VSD= Variable Speed Drive (Umrichter) *PCC= Point of common coupling (Einspeisepunkt) 45

45 Harmonische Haupteinflussfaktoren für THDi und THDu 46

46 EN50160 Merkmale der Spannung in öffentlichen Netzen Oberschwingungen THD unter 8 % zu 95 % (Harm) innerhalb des Meß Intervalles von 1 Woche! 47

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48 2. Netzqualität 2.1 In Netzen ohne wesentliche Stromrichterbelastung, die durch Synchrongeneratoren gespeist werden, soll der Oberschwingungsgehalt 5 % nicht überschreiten. 2.2 Für stromrichtergespeiste Netze und Netze mit überwiegender Stromrichterbelastung gelten als Dauerwerte die Grenzwerte der einzelnen Oberschwingungen gemäß Abb Der gesamte Oberschwingungsgehalt soll 8 % nicht überschreiten. 2.3 Werden vorgenannte Grenzwerte in besonderen Fällen, z.b. Fahranlagennetzen, überschritten, so muss die störungsfreie Funktion aller elektrischen Einrichtungen sichergestellt sein. 51

49 Reduktion von Harmonischen 98% 95% Invest 52

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51 DANKE! Fragen? Schneider Electric Power Drives Application Engineering