Low Harmonic Technology

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1 Low Harmonic Technology Reduktion von Netzoberwellenstömen bei SED2 Building Technologies s 1

2 Harmonische Verzerrung beschädigt Geräte und verursacht eine Reihe anderer Probleme Die Verwendung von Frequenzumrichtern in HLK-Anlagen hat sich als effizient und kosteneffektiv erwiesen. Allerdings kann das Auftreten von Netzoberwellenströmen im AC-Netz zu Problemen und erhöhten Installationskosten führen. Anlagenspezifikationen verlangen oft, dass lokale Installationsrichtlinien und Normen wie z.b. IEEE519.2 (USA), EA G5/4 (UK und Hong Kong), EN (Europa) und IEC (AS/NZ) (weltweite Anwendungen) eingehalten werden. Der Zweck dieser Richtlinien und Normen besteht darin, akzeptable Grenzwerte für die harmonische Verzerrung von Netzoberwellenströmen und -spannungen festzulegen, die ins öffentliche Netz zurückfließen dürfen. In vielen Fällen erfordert dies eine Technik, um die von Standard-Frequenzumrichtern erzeugten Netzoberwellenströme zu reduzieren. Herkömmliche Verfahren zur Reduktion der von Frequenzumrichtern ausgehenden Netzoberwellenströme bedingen zusätzliche Hardware, zusätzlichen Platz und verursachen Mehrkosten. Ein neuer Typ Frequenzumrichter von Siemens, der speziell für HLK-Anwendungen konzipiert wurde, bietet ein Verfahren zur Reduk tion der Oberwellenströme, ohne weitere Komponenten einsetzen zu müssen. 2

3 Wie arbeiten herkömmliche Frequenzumrichter? Um Netzoberwellen zu verstehen, muss man zuerst verstehen, wie ein herkömmlicher Frequenzumrichter arbeitet und wie seine Leistung fließt. Herkömmliche Umrichter bestehen aus einem 6-Puls- Diodengleichrichter, einem DC-Zwischenkreiskondensator, einem IGBT-Inverter und einer Regelelektronik auf Mikroprozessorbasis. Der Diodengleichrichter wird dazu verwendet, die AC-Netzspannung in eine konstante DC-Spannung umzuwandeln. Der DC-Zwischenkreiskondensator wirkt dabei als Filter, um die DC-Zwischenkreisspannung zu glätten und hilft, sie auf konstantem Niveau zu halten. Der IGBT-Inverter dient dazu, die DC-Zwischenkreisspannung in einen 3-Phasenausgang mit variabler Spannung und variabler Frequenz umzuwandeln, um die Drehzahl und das Drehmoment eines Induktionsmotors zu steuern und gute Überlasteigenschaften sicherzustellen, die für ein hohes dynamisches Leistungsvermögen des Motors erforderlich sind. Die Regelelektronik überwacht den Be trieb des IGBT-Inverters und bietet leistungsstarke Vektorregelalgorithmen, um ein optimales dynamisches Verhalten des Induktionsmotors zu gewährleisten. Diese Art von Umrichter eignet sich bestens für Anwendungen mit konstanten Drehmomenten, bei denen ein großes dynamisches Leistungsvermögen verlangt wird, wie zum Beispiel schnelle Drehzahl- oder Stellungsregelung. Solche Umrichter werden oft in HLK- Anwendungen eingesetzt, obgleich hier großes Leistungsvermögen und gute Überlasteigenschaften nicht verlangt werden. Wodurch werden Netz-Oberwellenprobleme verursacht? Fließen Oberwellenströme durch die Impedanzen des Speisenetzes, so verursachen sie einen entsprechenden Spannungsabfall und Netzoberwellen, die sich auf die Wellenform der Speisespannung auswirken. Dies führt dazu, dass die normale Wellenform der Netzspannung verzerrt wird. Da nun diese Netzspannung auch an andere Verbraucher im System gelangt, fließen Oberwellenströme durch Lasten, die sonst linear sind. Hat zum Beispiel die Systemspannung eine Netzoberwellenkomponente der fünften Ordnungszahl und wird diese Spannung einem Induktionsmotor zugeführt, so fließt durch diesen Motor ein Oberwellenstrom der fünften Ordnungszahl. + Gleichrichter DC-Zwischenkreis Ausgangstransistor Motor Prinzipschema eines Frequenzumrichters Dreiphasenspeisung C Strom (%) Ordnungszahl Stromoberwellenspektrum bis zur 13. Ordnungszahl Oberwellen eines typischen 6-Puls-Dreiphasengleichrichters 3

4 Betrachtungen bezüglich Netzoberwellen bei HLK-Anwendungen Allgemeine aus Netzoberwellen resultierende Probleme In einer Anlage können Netzoberwellen zu einer ganzen Reihe von Problemen führen. Sie können eine zusätzliche Erwärmung des Motors hervorrufen, ebenso höhere RMS-Ströme über angeschlossene Transformatoren oder andere NetzSpeiseeinrichtungen. Empfindliche Einrichtungen wie Instrumente, Computer und Kommunikationssysteme können ausfallen oder durch Spannungsverzerrungen sogar beschädigt werden. Nebst Geräteausfällen oder mangelhaftem Funktionieren, können Netzoberwellen zusätzliche Kosten verursachen, indem Transformatoren zu gross bemessen werden da sie für eine falsche Leistung berechnet wurden. Auswirkungen von Netzoberwellen auf den Zuleitungsstrom Ein Merkmal des 6-Pulsdiodengleichrichters ist, dass der vom AC-Netz bezogene Strom nicht linear ist, das heißt die Wellenform des Stroms ist nicht mehr sinusförmig. Der Grund dafür ist der, dass die Gleichrichterdioden nur dann Strom leiten können, wenn die momentane Eingangsspannung höher ist als die DC-Zwischenkreisspannung. Da diese Zwischenkreisspannung auf hohem Niveau gehalten wird und durch die Wirkung des DC-Zwischenkreiskondensators fast konstant ist, leiten die Dioden nur in der Nähe des Maximalwerts der Eingangsspannungswelle Strom. Dies führt zu einer schmalen Leitungsstromkurve und zu Stromimpulsen großer Amplitude, die die DC-Zwischenkreiskondensatoren periodisch aufladen. Der resultierende AC-Leitungsstrom, der ins Speise netz gelangt, hat einen hohen Anteil Oberwellenstrom. An der Eingangsklemme eines Standard-Frequenzumrichters kann der Oberwellenstrom 120 % bis 130 % der Total Harmonic Distortion (THD) betragen. Das Diagramm mit der Stromwellenform zeigt die Auswirkungen der Netzoberwellen auf die normale Wellenform. 4

5 Spektrum des Oberwellenstroms: Das grundsätzliche Problem Alle periodischen Wellenformen können durch einen Satz sinusförmiger Wellenformen, die aus der Basisfrequenz und verschiedenen anderen Oberwellenfrequenzen bestehen, dargestellt werden. Die AC-Oberwellenströme mit einer 6-Pulsbrücke haben charakteristische Frequenzen von 6n±1 mal der Ordnungszahl, wobei «n» eine ganze Zahl ist. Ein 6-Pulsumrichter auf einer normalen Leitung erzeugt nur Netzoberwellen ungerader Ordnungszahlen und zwar von der fünften Ordnungszahl an aufwärts (5., 7., 9., 11., 13. usw.). Gerade Netzoberwellen und mehrfache von drei werden eliminiert. Die Amplitude des Oberwellenstroms hängt ab von der Impedanz des AC-Netzes, der Größe des DC-Zwischenkreiskondensators und der Last des Induktionsmotors. Bei Standard- Frequenzumrichtern sind Oberwellenströme der fünften und siebten Ordnungszahl überwiegend gross. Typische Verfahren zur Reduktion von Netzoberwellen Die empfohlenen Verfahren nach IEEE 519 enthalten Richtlinien zum Aufbau von elektrischen Systemen, die sowohl lineare als auch nichtlineare Lasten enthalten. Sie appellieren an die Verantwortung der Verbraucher, nicht die Spannungen des Stromversorgungs unter nehmen zu beeinträchtigen, das auch andere Verbraucher versorgt, indem große Mengen nichtlinearen Stroms bezogen werden. Die empfohlenen Verfahren appellieren auch an die Stromversorgungsunternehmen, die Verbraucher mit einer Spannung zu versorgen, die der Sinusform möglichst nahe kommt. Die Verfahren enthalten Richtlinien für die Grenzwerte bezüglich der am gemeinsamen Kopplungspunkt vom Versorgungsunternehmen bezogenen Beträge Oberwellenstrom, ebenso Grenzwerte für das Ausmaß der Spannungsverzerrung, die Oberwellenströme hervorrufen dürfen. Der Entwurf elektrischer HLK-Systeme, die Frequenzumrichter verwenden, wird durch die empfohlenen Verfahren beeinflusst, und in verschiedenen Fällen müssen Korrekturmaßnahmen getroffen werden, um den Empfehlungen gerecht zu werden. Im Falle von Frequenzumrichtern bedeutet dies höhere Kosten, da oft AC-Netzrückwirkungsdrosseln oder DC-Zwischenkreisdrosseln verwendet werden müssen, um das Ausmaß der Oberwellenströme fünfter und siebter Ordnungszahl zu reduzieren. Stromwellenform An der Eingangsklemme eines 6-PulsUmrichters kann die gemessene THD 150 % übersteigen. (THD = Total Harmonic Distortion; Gesamte Harm. Verzerrung) 15O 10O 5O O -5O -10O -15O 5

6 Frequenzumrichter SED2 reduzieren die Netzoberwellenströme der Zuleitungen ohne die Verwendung von Netzrückwirkungsdrosseln oder DC-Zwischenkreisdrosseln Siemens hat die SED2 eingeführt, eine Familie von Frequenzumrichtern, die speziell für den HLK-Markt konzipiert sind. Typische Anwendungen für diesen Umrichter sind Ventilatoren und Pumpen mit variablen Drehmomenten. Die Tatsache, dass diese Anwendungen von Natur aus keine große Dynamik aufweisen, bedeutet, dass die SED2 jetzt ein Verfahren zur Reduktion der Netzoberwellenströme der Zuleitungen zur Verfügung stellen ohne dass zusätzliche Komponenten erforderlich wären. Dieses Verfahren wird als LHT (Low Harmonic Technology) bezeichnet. Industrielle Frequenzumrichter sind typischerweise für Überlasten von 160 % und mehr ausgelegt. Demhingegen benötigt der SED2 lediglich 110 %, um dem dynamischen Verhalten von Ventilatoren oder Pumpen gerecht zu werden. Diese Tatsache gestattet die Verwendung von DC-Zwischenkreiskondensatoren mit bedeutend reduzieren Werten typischerweise nur 2 % eines herkömmlichen Frequenzumrichters. Dies bedeutet, dass das Niveau der DC- Zwischenkreisspannung des SED2 tiefer liegt und der Welligkeitsanteil größer ist als bei einem herkömmlichen Umrichter, was wiederum dazu führt, dass die Dioden im Gleichrichterteil während längerer Zeit leitend sind. Der Eingang des SED2 hat beim Ladestrom nicht mehr den schmalen Impuls großer Amplitude wie dies bei anderen Umrichtern der Fall ist, sondern quasi eine Leitungszeit von 120º pro Diode. Der resultierende Leitungsstrom des SED2 entspricht etwa dem eines Standard- Frequenzumrichters, der mit zusätzlichen AC-Netzrückwirkungsdrosseln oder einer DC-Zwischenkreisdrossel ausgestattet ist. Anstelle Vektorregelberechnungen auszuführen, verfügt die Regelelektronik jetzt über neue Steuerungsmechanismen, um die Auswirkungen der DC-Zwischenkreisspannung höherer Welligkeit zu kompensieren, was einen geschmeidigen und ruhigen Lauf der Ventilatoroder Pumpenmotoren gewährleistet. Schlussfolgerung Tests haben die Eigenschaft des SED2 unter Beweis gestellt, die Netzoberwellenströme niedriger Ordnungszahl, die vom AC-Netz bezogen werden, bedeutend zu reduzieren ohne zusätzliche Komponenten einsetzen zu müssen. Das Oberwellenverhalten des SED2 ist gleich oder sogar besser als das herkömmlicher Frequenzumrichter, die mit zusätzlichen AC-Netzrückwirkungsdrosseln oder DC- Zwischenkreisdrosseln ausgestattet sind. HarmonEE HarmonEE ist ein Programm, das speziell dazu entwickelt wurde, die Netzoberwellenströme, die gesamte harmonische Verzerrung des Oberwellenstroms und der Oberwellenspannung zu berechnen. Die Daten werden dann dazu benutzt, die Resultate mit verschiedenen internationalen Richtlinien und Normen wie IEEE519.2 (USA), EA G5/4 (UK und Hong Kong), EN (Europa) und IEC (AS/NZ) (weltweite Anwendungen) zu vergleichen. HarmonEE ist auch dazu geeignet, den Unterschied im LHT-Verhalten des SED2 im Vergleich zu herkömmlichen Umrichtern aufzuzeigen. 6

7 15O 10O 5O Strom (%) O -5O -10O -15O Zeit Stromwellenform eines typischen 6-Pulsumrichters im Vergleich zum SED2 An der Eingangsklemme eines 6-Pulsumrichters kann THD ohne Filter (AC-Netzrückwirkungsdrosseln oder DC-Zwischenkreisdrosseln) 120 % übersteigen. Der SED2 weist lediglich 29 % THD auf. Vergleich der Reduktion bei der gesamten harmonischen Verzerrung Bei Tests mit einem typischen 6-Pulsumrichter mit und ohne AC-Netzrückwirkungsdrosseln oder DC-Zwischenkreisdrosseln und einem SED2 kommt die Überlegenheit des Frequenzumrichters von Siemens hinsichtlich Netzoberwellen klar zum Ausdruck. In typischen HLK-Anwendungen reduzieren SED2 die Netzoberwellen um bis zu 25 % besser als andere Frequenzumrichter, auch wenn diese mit AC-Netzrückwirkungsdrosseln oder DC-Zwischenkreisdrosseln versehen sind. Vergleich des Oberwellenstromspektrums bis zur 13. Ordnungszahl Tests mit einem herkömmlichen 6-Pulsumrichter und einem SED2 haben klar die Überlegenheit des SED2 bei der fünften und siebten Ordnungszahl unter Beweis gestellt Strom (%) Ordnungszahl THDI (%) Ohne Filter Über 120% mit 3% Netzrückwirkungsdrossel mit 5% Netzrückwirkungsdrossel mit DC Zwischenkreisdrossel Typischer 6-Puls-Umrichter SED2 6-Puls-Umrichter SED2 Typischer 6-Puls-Umrichter 7

8 Siemens Schweiz AG Building Technologies Group International Headquarters Gubelstraße 22 CH-6301 Zug Tel Fax Siemens Building Technologies GmbH & Co. ohg Friesstraße 20 DE Frankfurt/Main Tel Fax Siemens Schweiz AG Building Technologies Sennweidstraße 47 CH-6312 Steinhausen Tel Fax Siemens AG Österreich Building Technologies Breitenfurter Straße 148 AT-1231 Wien Tel Fax Siemens SA Building Technologies 20, rue des Peupliers LU-2328 Luxembourg/Hamm Tél Fax Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischen Möglichkeiten, die im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen. Änderungen vorbehalten Bestell-Nr. Z-B DE Siemens Schweiz AG Gedruckt in der Schweiz Ni/Ah 8