1 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

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1 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität Referent: Jürgen Ehrler Teamleiter Vertrieb 1 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

2 Wir über uns Gegründet 1928 als Frankfurter Kondensatoren Einer der ältesten Kondensatoren- Hersteller in Europa Führend in Technologie verlustarmer Kondensatoren Derzeit ca. 125 Mitarbeiter 2 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

3 Warum wird kompensiert? wirtschaftliches Ausnutzen von: Generatoren (EVU) Transformatoren Leitungen EVU Schalteinrichtungen geringere Verluste geringerer Spannungsabfall Wirkleistung "P" Blindleistung "Q" ohne Kompensation cos = 0,7 "P" "Q" M ~ geringere Energiekosten EVU Wirkleistung "P" Einsparung "Q" cos = 1 "P" Einsparung "Q" M ~ mit Kompensation Kompensation 3 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

4 Leistungs-Kondensator 4 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

5 Leistungs-Kondensator Deckel Haltering Isolierung L1 Wickel Isolierung L2 Gehäuse Wickel Isolierung L3 Wickel Isolierung Gewindebolzen M12x12 5 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

6 Neue Technologie Kondensatorwickel Kontaktbrücke Kern Folien Freirand Metallbeläge (segmentiert) Freirand 6 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

7 Kondensatorwickel Folien Metallbeläge Freirand Kontaktbrücke 7 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

8 Überdruck-Sicherung spricht bei innerem Überdruck an (ab ca. 3bar) trennt den Kondensator vom Netz verhindert eine Zerstörung des Kondensator-Bechers Prüfbedingungen sind in IEC 831 festgelegt 8 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

9 Qualitätsmerkmale Kondensatoren Hohe Betriebssicherheit durch: Kunststofffolien-Dielektrikum mit Selbstheileffekt Überdruck-Abschalter, der Kondensator vom Netz trennt und Zerstörung des Kondensator-Bechers verhindert Dauer-Spannungbelastbarkeit von min. 440V bei 400V-Netzen Dauer-Strombelastbarkeit bis zum 2,2-fachen Nennstrom bei 400V Belastbarkeit bis zum 300-fachen Nennstrom bei Schaltspitzen zulässige Umgebungstemperatur von -40 bis +60 C Verlustleistung von 0,2 W/kvar (Kondensatorwickel) 9 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

10 Oberschwingungen 10 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

11 Oberschwingungen 11 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

12 Was sind Oberschwingungen? höherfrequente Überlagerungen auf der Netzfrequenz erzeugt durch nichtlineare Verbraucher ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung (Netzfrequenz) gekennzeichnet durch die Ordnungszahl n 12 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

13 Verbraucher lineare Verbraucher: ohmsche Widerstände Drehstrommotoren und Kondensatoren nichtlineare Verbraucher (Oberschwingungserzeuger): Stromrichter Gleichrichter, Umrichter Drehzahlregelungen Induktions- und Lichtbogenöfen Schweißgeräte USV-Anlagen Netzteile von Haushaltsgeräten (Fernseher, Computer, Drucker, Kopierer, Energiesparleuchten, Mikrowellenherde ) 13 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

14 Kurvenform Kurvenform der Netzspannung mit einer Überlagerung von: 5% der 5. Harmonischen 4% der 7. Harmonischen und 2,5% der 11. Harmonischen 14 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

15 Oberschwingungen Wann und wo entstehen diese? Im eigenen Niederspannungsnetz: durch geregelte Antriebe (FU s, DC-Antriebe) Gleichrichter, Stromrichter, Leuchtstofflampen mit EVG, Energiesparleuchten LED-Leuchten, Schaltnetzteile 15 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

16 Oberschwingungen bei geregelten Antrieben Oberschwingsströme an einem handelsüblichen Frequenz-Umrichter für Asynchron-Motoren 16 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

17 Oberschwingungen bei geregelten Antrieben Strom- und Spannungsverlauf eines Gleichrichters mit Zwischenkreiskondensator (6-puls Brückenschaltung) 17 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

18 Oberschwingungen bei LED-Treibern - LED s benötigen spezielle Stromversorgungen: Treiber (wandeln Wechselstrom in konstanten Gleichstrom) - Treiber sind keine reinen ohmschen Verbraucher, sondern Verbraucher mit einem Powerfaktor, der sehr viel kleiner als 1 sein kann Neben-Effekte : - Rückspeisung von Oberschwingungen ins Netz - Entstehung von Blindströmen (induktive oder kapazitive je nach Bauart und Hersteller der LED-Treiber) - Störung von Rundfunk-Empfang 18 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

19 LED-Treiber Passive PFC werden dem Gleichrichter (abgestimmt auf die Netzfrequenz), vorgeschaltet. Diese bestehen meist aus relativ großen, massigen Drosseln und RC- Kombinationen, die als Tiefpass- oder Bandpassfilter wirken. Passive PFC erzielen jedoch nur mäßig gute Ergebnisse. Sie werden (aus Kostengründen) meist nur bei Geräten kleinerer Leistung eingesetzt. 19 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

20 Oberschwingungen bei EVG Netzspannung bei einphasigem Betrieb von 20 älteren EVG s (58W) an einem Außenleiter Heutige EVG s arbeiten nicht mehr nach diesem Prinzip, jedoch ist dieses weiterhin in Kompakt-Leuchtstofflampen bis 25W, Schaltnetzteilen, Fernsehgeräten usw. zu finden. 20 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

21 Auswirkungen Oberschwingungen: verzerren die Netzspannung werden direkt über galvanische Verbindungen oder über Transformatoren auf darunter liegende Spannungsebenen übertragen Somit treten Oberschwingungsspannungen auch in Netzbereichen auf, in denen keine Oberschwingungserzeuger betrieben werden! 21 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

22 Auswirkungen Probleme bei hohen Oberschwingungen: Störungen an EDV-Anlagen und CNC-Maschinen Beschädigungen von Stromrichtern und Umrichtern Schäden an Leistungs-Kondensatoren Störwirkung des magnetischen Felds von OS-Strömen ist größer wegen höherer Frequenzen, dadurch zusätzliche Belastung der elektromagnetischen Umwelt von Geräten und Anlagenteilen Nulldurchgangsstörungen (bei elektrischen Betriebsmitteln, die sich an den Nulldurchgängen orientieren 22 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

23 Resonanz 23 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

24 Resonanz Unverdrosselte Kompensation: bildet Schwingkreis mit reaktiven Netzimpedanzen resultierende Resonanzfrequenz variiert bei Stufenzu- bzw. Abschaltung der Kompensation Resonanzfrequenz wird durch die Kurzschlussleistung S k bestimmt f r 50Hz S k Q c S k = Kurzschlussleistung am Anschlusspunkt der Kompensationsanlage Q c = Leistung der Kompensationsanlage 24 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

25 Resonanz Beim Zuschalten der Kompensation verändert sich die Resonanzfrequenz des Netzes erheblich und ist mehrfach in der Nähe einer Harmonischen! 25 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

26 Projektierung/Messung 26 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

27 Zuerst Messen: Projektierung / Messung Messung der Oberschwingungsspannungen und Ströme über mehrere Tage Auswertung der Messergebnisse theoretische Berechnung über das Resonanzverhalten des Netzes Vergleich der berechneten Spannungspegel mit den zulässigen Grenzwerten 27 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

28 Projektierung / Messung Messen aber wo??? 28 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

29 Projektierung / Messung 29 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

30 Projektierung / Messung Beurteilung und Analyse der Messwerte 30 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

31 Projektierung / Messung Beurteilung und Analyse der Messwerte 31 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

32 Projektierung / Messung Beurteilung und Analyse der Messwerte Ergeben sich bei der Projektierung und Resonanzberechnung Oberschwingungs-Spannungspegel, die die folgende Werte erreichen oder überschreiten, so muss eine verdrosselte Kompensation eingesetzt werden: 5 % der 3. Harmonischen (150 Hz) 6 % der 5. Harmonischen (250 Hz) 5 % der 7. Harmonischen (350 Hz) 3,5 % der 11. Harmonischen (550 Hz) 3 % der 13. Harmonischen (650 Hz) 32 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

33 Grenzwerte nach Norm Öffentliche Netze: EN berücksichtigt OS-Spannungen bis 25. Ordnung EN berücksichtigt OS-Spannungen bis 50. Ordnung Industrie-Netze: EN , Klasse 1: Industrienetz, kontrollierte Umgebung EN , Klasse 2: Industrienetz, äquivalent zu öffentlichem Netz EN , Klasse 3: Industrienetz, rauhe Umgebung 33 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

34 Projektierung / Messung Oberschwingungen werden unterteilt in: Geradzahlige Harmonische (2., 4., 6. ) entstehen bei großen Lastsprüngen oder Fehlern in Umrichtern Ungeradzahlige Harmonische (3., 5., 7. ) - durch 3 teilbare Harmonische (3., 9., 15. ) entstehen durch unsymmetrische Last und einphasige OS-Erzeuger wie in Bürogebäuden, Krankenhäusern, Softwarehäusern, Banken Fabriken mit zweiphasigen Schweissanlagen Problem: die Oberschwingungsströme addieren sich im N-Leiter 34 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

35 Sonderfall Neutralleiter L Addition der 3. Harmonischen im Neutralleiter L2 L N f Quelle: Deutsches Kupferinstitut i/î / % 35 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

36 Projektierung / Messung Oberschwingungen werden unterteilt in: Ungeradzahlige Harmonische (3., 5., 7. ) - nicht durch 3 teilbare Harmonische (5., 7., 11., 13. ) entstehen durch dreiphasige Oberschwingungserzeuger 5. und 7. Harmonische: beim Einsatz von 6-puls Umrichtern 11. und 13. Harmonische: beim Einsatz von 12-puls Umrichtern Problem: die Oberschwingungen werden über den Transformator übertragen! Jede Oberschwingung ist für sich als eigenes System mit unterschiedlicher Phasenlage zu sehen. Daraus ergibt sich die Differenz zwischen cos φ (Grundschwingung) und PF (Powerfactor, über alle OS) 36 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

37 Maßnahmen gegen Resonanz 37 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

38 Massnahmen gegen Resonanz Verdrosselung des Kondensators: Reihenschaltung von Filterkreisdrossel + Kondensator Die Reihenresonanzfrequenz wird so gewählt, dass diese unterhalb der 5. Harmonischen (250Hz) liegt. Üblich sind Resonanzfrequenzen von 189 Hz und kleiner. 38 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

39 Verdrosselung mit 7% Verdrosselung: Resonanzfrequenz wird auf < 250 Hz herabgesetzt, Oberschwingungen oberhalb Resonanzfrequenz der Verdrosselung werden abgeschwächt. Resonanzbedingte Verstärkungen sind nicht mehr möglich! 39 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

40 Verdrosselung mit 14% 40 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

41 Verdrosselung Wichtig! Bei Auswahl verdrosselter Kompensationsanlagen zu beachten: keine verdrosselten und unverdrosselten Kondensatoren am gleichen Niederspannungsnetz betreiben! Parallelbetrieb von Filterkreisanlagen mit unterschiedlichen Verdrosselungsfaktoren (p) ist möglich gewählte Ausführung muss den Anforderungen des betreffenden EVU s bzw. Netzbetreibers entsprechen 41 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

42 Verdrosselung Aber: Eine verdrosselte Kompensation ist aber nicht immer d i e Lösung für oberschwingungshaltige Netze!! Bei deutlicher Überschreitung der Spannungspegel bestimmter Oberschwingungen besteht Überlastungsgefahr für die Filterkreisdrossel(n) Gegebenenfalls ist eine speziell projektierte Auslegung der Verdrosselung erforderlich auch eine Lösung mit zusätzlichen Aktiven Filtern kann zum Einsatz kommen Deshalb: Netzmessung vor der Projektierung der Anlage durchführen! 42 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

43 Aktive Oberschwingungsfilter 43 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

44 Beispiel-Installation Aktives Filter 44 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

45 Lösung mit Aktivem Filter ohne Filter mit Filter Kurvenform und Spektrum des Oberschwingungsstroms 45 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

46 Messwerte ohne Filter Kurvenform der Netzspannung 46 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

47 Messwerte mit Filter Kurvenform der Netzspannung mit Filter 47 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

48 Messwerte ohne Filter Kurvenform des Stroms (am Trafo) 48 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

49 Messwerte mit Filter Kurvenform des Stroms (am Trafo) 49 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

50 Zusammenfassung viele Randbedingungen bei Projektierung beachten nach Möglichkeit und besonders bei unklaren Netzverhältnissen Netzmessung v o r der Projektierung durchführen FRAKO bietet Netzmessungen und Auswertungen als Dienstleistung an Netzmessung zeigt ggf. weiteren Handlungsbedarf Transparenz und Überblick im eigenen Netz schaffen z.b. durch permanente Messung der Netzqualität (Netzüberwachungsgerät in NSHV-Einspeisung installiert) Wissen, wo es Probleme gibt rechtzeitig Maßnahmen ergreifen und somit größeren Schaden vermeiden 50 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität

51 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 51 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität