1 Technologie für Energieeffizienz Netzqualität Abteilung. typische Verbrauch eines Stromnetzes mit einphasigen Gleichrichtern

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1 1 Netzqualität Abteilung Technische Artikel MultifunktionsAktivfilter Die vielseitigste Lösung für Qualitätsprobleme bei der Netzspannung Einführung Die privaten und industriellen Lastgeräte sind in immer stärkerem Maße mit elektronischen Schaltkreisen ausgestattet, die mit Strom versorgt werden, der nicht 100%ig sinusförmig ist. So werden Motoren immer häufiger mit Frequenzumrichtern betrieben, bei denen eine Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) und anschließend von Gleichstrom in Wechselstrom erforderlich ist. Da die Versorgung normalerweise als Wechselstrom erfolgt, ist ein immer intensiverer Einsatz von elektronischen Umformern (Gleichrichtern, Wechselrichtern, usw.) notwendig, um diese Umwandlungen von Wechsel- zu Gleichstrom und Gleich- zu Wechselstrom vornehmen zu können. Gleiches gilt für handelsübliche Computer, LEDund Gasentladungsleuchten, Aufzüge... Für das Stromnetz bedeutet dies, dass eine Vielzahl an Lastgeräten versorgt werden müssen, die den Strom gleichrichten. Dies verändert die Wellenform des aufgenommenen Stroms, so dass diese nicht mehr sinusförmig ist, sondern eine Überlagerung von sinusförmigen Schwingungen und Frequenzen mit einem Vielfachen der Netzfrequenz (Oberschwingungen). In den Abbildungen 1 und 2 wird der typische Verbrauch eines Stromnetzes mit einphasigen Gleichrichtern und eines weiteren Stromnetzes mit dreiphasigen Gleichrichtern dargestellt. Diese Stromtypen treten häufiger in Anlagen in Büros, Einkaufszentren, Krankenhäusern usw. auf und setzen sich aus einer Komponente mit 50 oder 60 Hz (Grundfrequenz des Stromnetzes) sowie einer Reihe von Komponenten mit einem Vielfachen der Grundfrequenz mit verschiedenen prozentualen Anteilen zusammen. Diese prozentualen Anteile sowie die gesamte Oberschwingungsverzerrung (THD), die das Verhält- nis zum Effektivwert des verzerrten Signals zum Effektivwert der Grundschwingung angibt, können mit einem Netzanalysator gemessen werden. Abb. 1 - Typische Wellenformen von verzerrten Netzen V V VnF1: 224 V THD: 1,3 % Max: 312 V Min: 333 V VnF1: 230 V THD: 8,3 % Max: 337 V Min: 337 V I I InF1: 121,110 A THD: 32,6 % Max: 189,849 A Min: 189,980 A InF1: 247 V THD: 45,7 % Max: 625 V Min: 636 V a. Einphasiges Netz b. Dreiphasiges Netz

2 2 Die nicht sinusförmigen Lastgeräte bewirken auch eine gewisse Verzerrung der Spannung infolge der Spannungsabfälle an den Impedanzen der Leitungen und Transformatoren. Die Aufzeichnungen lassen eine leichte Verzerrung des einphasigen Spannungsnetzes (kleine THD-Werte) und eine stärkere Verzerrung im dreiphasigen Beispiel erkennen. In beiden Fällen weicht die Wellenform bei höheren THD-Werten von der Sinusform erheblich ab. Um die Spannungsverzerrungen an den Übergabestellen des Stromabnehmers zu regeln und zu begrenzen, existieren eine Reihe von internationalen Normen, in denen Grenzwerte für Oberschwingungsemissionen der Geräte und Anlagen festgelegt sind, die an das Stromnetz angeschlossen werden. Wie in Tabelle 1 aufgeführt, sind die wichtigsten Normen auf die Verträglichkeitspegel bezogen: Tabelle 1 - Internationale Normen zu Grenzwerten für Oberschwingungsemissionen Norm IEC Beschreibung Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 2-2: Umgebungsbedingungen. Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen. IEC Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Umgebungsbedingungen - Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen. IEC IEC IEC IEEE Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 3-2: Grenzwerte - Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom 16 A je Leiter) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Grenzwerte. Begrenzung der Aussendung von Oberschwingungsströmen in Niederspannungsversorgungsnetzen für Geräte und Einrichtungen mit Bemessungsströmen über 16 A. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 3-12: Grenzwerte - Grenzwerte für Oberschwingungsströme, verursacht von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom > 16 A und 75 A je Leiter, die zum Anschluss an öffentliche Niederspannungsnetze vorgesehen sind. IEEE Empfohlene Praktiken und Anforderungen für die Oberwellensteuerung in Starkstromanlagen Einige grundlegende konzepte zu oberschwingungen Zum besseren Verständnis der Problematik der Oberschwingungen wird auf einige grundlegende Konzepte Bezug genommen, die in vielen Artikeln und Büchern veröffentlicht wurden und nachfolgend zusammengefasst sind: > > Der Ursprung der Oberschwingungsproblematik liegt in den Geräten, die verzerrte Ströme verbrauchen (sogenannte "nicht lineare" Geräte). > > Die Übertragung des Problems an andere, an dasselbe Stromnetz angeschlossene Benutzer hängt von der Impedanz dieses Netzes und diese wiederum vom Stromversorgungsunternehmen ab. Diese Impedanz wird normalerweise nicht direkt angegeben, aber sie kann auf Grundlage der verfügbaren Kurzschlussleistung berechnet werden (je höher die Kurzschlussleistung desto geringer die Impedanz). > > Der Benutzer selbst verfügt über einen Teil des Versorgungsnetzes bis zum Endlastgerät. Daher kann das am Eingang seiner Anlage vorliegende Problem auf mangelnde Kurzschlussleistung zurückzuführen sein, in den meisten Fällen liegt die Ursache aber in den Impedanzen seiner eigenen Anlage. > > Hinsichtlich der Verzerrung an von der Zuleitung entfernten Stellen ist zu berücksichtigen, dass die Impedanz der Leitungen eine bedeutende induktive Komponente enthält. Daher geht es oftmals nicht darum, bei der Verteilung Kabel mit großen Querschnitten einzusetzen, sondern die Induktivität pro Meter zu begrenzen. Dies wird durch Verdrillung und Verbiegung der Kabel erreicht (was oft von den Installateuren aus ästhetischen Gründen abgelehnt wird). > > Das Problem der Spannungsverzerrung am öffentlichen Verknüpfungspunkt (PCC) kann sich noch aufgrund von Resonanzen zwischen den Kondensatoren zur Kompensation des Leistungsfaktors und der Induktivität des Versorgungsnetzes (Leitungen und Transformatoren) vertiefen. > > Die Korrekturmaßnahmen (Filter) sind so nah wie möglich an den Geräten anzubringen, die die Oberschwingungen erzeugen. Zusammenfassend liegt die Lösung des Oberschwingungsproblems bei beiden Parteien: einerseits muss der Benutzer die Menge an Oberschwingungsströmen reduzieren, die seine Lastgeräte erzeugen, und er sollte die Leitungsverlegung innerhalb seines Gebäudes mit einer geringen Impedanz pro Meter durchführen. Andererseits muss das Stromversorgungsunternehmen eine Mindestkurzschlussleistung sicherstellen und dafür sorgen, dass die Benutzer einen bestimmten Verzerrungswert nicht überschreiten, damit die am selben Stromnetz angeschlossenen Nachbarn nicht beeinträchtigt werden. Wenn die von einigen Geräten erzeugten Oberschwingungsströme die zulässigen Werte des Versorgungssystems überschreiten, sind Korrekturfilter anzuwenden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Filterung.

3 3 Verträglichkeitspegel pro oberschwingung Das Vorhandensein von Oberschwingungen im Netz hat mehrere Auswirkungen. Die wichtigsten sind folgende. > > Verschlechterung der Qualität der Spannungswelle mit Auswirkungen auf empfindliche Geräte. > > Überlastung und mögliche Parallelresonanz zwischen der Induktivität der Leitung und den Kondensatoren zur Kompensation des Leistungsfaktors. > > Verschlechterung des Leistungsfaktors. Die Fähigkeit des Stromnetzes zur Leistungsbereitstellung wird hiervon beeinträchtigt, so dass es überdimensioniert werden muss. > > Überlastung der Kabel und vor allem der Transformatoren (wesentliche Erhöhung der Verluste im Eisen). > > Probleme mit Fehlauslösungen von Leistungsschutzschaltern Um diese Phänomene zu vermeiden, schreiben die Normen eine Mindestversorgungsqualität vor, indem das Höchstmaß der Verzerrung der Spannungswelle am öffentlichen Verknüpfungspunkt (PCC) festgelegt wird. Diese Grenzwerte werden Verträglichkeitspegel genannt. In der Tabelle 2 sind diese Grenzwerte bezüglich der Oberschwingungen in industriellen Niederspannungsanlagen zusammengefasst: > > Klasse 1: Industrielle Umgebung zur Versorgung von empfindlichen elektronischen Geräten > > Klasse 2: Normale industrielle Umgebung. Übliche Grenzwerte für öffentliche Netze > > Klasse 3: Eingeschränkte industrielle Umgebung (normalerweise infolge der Anwesenheit von Umrichtern). Nicht zur Versorgung von empfindlichen Geräten geeignet. Tabelle 2 - Verträglichkeitspegel: Oberschwingungsspannungen (U n %) in industriellen Niederspannungsnetzen (IEC ) Ordnungszahl der Oberschwingung H Klasse 1 U n % Klasse 2 U n % Klasse 3 U n % , ,5 0, ,5 0, ,5 1,5 2,5 10 0,5 0,5 1 >10 Vielfaches von 2 0,2 0, , ,5 15 0,3 0, ,5 1, ,2 0,2 1,75 >21 mult de 3 0,2 0, ,5 1,5 3,5 25 1,5 1,5 3,5 > 25 Nichtvielfaches von 2 und 3 0,2+12,5/h 0,2+12,5/h THD (V) 5% 8% 10%

4 4 Die Oberschwingungsspannungen sind auf den Spannungsabfall zurückzuführen, der von den Oberschwingungsströmen an den Impedanzen des Versorgungsnetzes verursacht wird. Dieser Sachverhalt ist in Abb. 2 dargestellt. Folglich ist die Erreichung dieser Pegel von zwei Faktoren abhängig: 1. Emissionspegel der Geräte: Je höher die Emission, desto höher die Verzerrung infolge des von den Oberschwingungsströmen im Netz verursachten Spannungsabfalls. 2. Netzimpedanz: Je höher die Impedanz, desto größer der Spannungsabfall für den gleichen Emissionswert an den Geräten. In der Tabelle 3 sind die Emissionsgrenzwerte für Niederspannungsnetze angegeben, wie sie in der Norm EN-IEC für Zuleitungen festgelegt sind, bei denen die installierte Leistung der Störelemente den Wert (33xScc) nicht überschreitet, wobei Scc die zugehörige Kurzschlussleistung dieser Zuleitung ist (proportionaler Anteil der Gesamtkurzschlussleistung der Vertragsleistung). Tabelle 3.- Emissionsgrenzwerte für SGerät < 33x S cc (EN-IEC ) Oberschwingung h Zulässiger Strom I n / I 1% Oberschwingung h Zulässiger Strom I n / I 1% 3 21,6 21 0,6 5 10,7 23 0,9 7 7,2 25 0,8 9 3,8 27 0,6 11 3,1 29 0, ,7 15 0,7 33 0,6 17 1,2 19 1,1 Gerade 8/n oder 0,6 MITTELSPANNUNGSNETZ Z Leitung 3 Abschwächung von V infolge des Spannungsabfalls in Z, Leitung und Transformatoren Z Leitung 2 Z Transformatoren Z Leitung 1 PCC Ursprung: fast sinusförmig Stromabnehmer 3 Stromabnehmer 2 Stromabnehmer 1 Resonanz 4 Drähte M M L1 L2 L3 N Lastgeräte ohne Verzerrung Einphasige Lastgeräte Phase Nullleiter Lastgeräte mit Verzerrung Batterien C Abb.2 Einliniendiagramm, in dem die Verschlechterung der Spannungswelle aufgrund nicht linearer Lastgeräte abgebildet ist

5 5 Bei welchen Anlagen sind Aktivfilter erforderlich? Einige der oben beschriebenen Störgrößenprobleme können mithilfe von Filtern gemildert und korrigiert werden. Die Aktivfilter sind die ideale Lösung für Anlagen mit einer Vielzahl von einphasigen und dreiphasigen Lastgeräten, die Oberschwingungen erzeugen und ein unterschiedliches Verbrauchsverhalten aufweisen. Die Aktivfilter sind Geräte basierend auf Umrichtern mit Pulswellenmodulation (PWM). Es wird zwischen zwei Typen unterschieden: in Serie und parallel geschalteten Filtern. Um die Normen IEC und IEEE 519 zu erfüllen, werden parallel geschaltete Filter verwendet. Deren Funktionsprinzip beruht auf der gegenphasigen Netzeinspeisung der vom Lastgerät verbrauchten Oberschwingungen mithilfe eines Wechselrichters. In Abb. 3 sind dieses Funktionsprinzip sowie die Lastströme, Filterströme und Netzströme dargestellt. Es ist erkennbar, dass sich die Summe ILAST + IFILTER aus einem sinusförmigen Strom INETZ ergibt. Flughäfen und Infrastruktur Automobilindustrie Superstores und Einkaufszentren Papierindustrie INETZ ILAST IFILTER 100 ms 110 ms 120 ms 130 ms Abb. 3 - Funktionsprinzip eines parallel geschalteten Aktivfilters. 140 ms

6 6 Die Lösung Die Filtergeräte sind mit Zusatzfunktionen ausgestattet, um sie an die Anlagenänderungen anzupassen, infolge von Erweiterungen oder Änderungen an den Maschinen, für die bei bestimmten Oberschwingungen eine stärkere Filterung oder ein Phasenausgleich erforderlich ist. Normalerweise ist bei diesen Geräten auch eine Blindleistungskompensation zweckmäßig. einfache Interaktion Touchscreen Als Lösung für die oben angesprochenen Probleme verfügt Circutor über den neuen Aktivfilter. Sein neues Design bietet folgende Vorteile: > > Filterkapazität für Stromstärken von 30 A pro Phase und 90 A für den Nullleiter. > > Wenn höhere Filterkapazitäten erforderlich sind, kann das System um bis zu 100 aktive, parallel geschaltete -Filter erweitert werden. > > Kleineres Metallgehäuse zur Wandmontage. Die Abmessungen erleichtern die Montage. > > Kommunikationsfähig für ein besseres Energiemanagement der Anlage. > > Anschluss auf der Netz- oder Lastseite zugunsten einer höheren Flexibilität der Anlage. > > Prioritätseinstellung zum Filtern von Oberschwingungen, Kompensieren von Blindstrom und Phasenausgleich. > > Senkung der Oberschwingungsströme bis zur Ordnungszahl 50 (2500 Hz). > > Selektive Filterung von bestimmten Oberschwingungen. (Induktive/kapazitive) Blindleistungskompensation. > > Ausgleich der Phasenströme. Das Modell 4W trägt zu Einsparungen beim Verbrauch des Nullleiters bei. Sie helfen, besser Energiemanagement Die Bedeutung einer guten Installation Um die besten Ergebnisse zu erzielen, empfiehlt es sich, einfach zu installierende und zu verwaltende Filter wie einzusetzen. Folgende Funktionen erleichtern die Inbetriebnahme: ANSCHLIESSEN KONFIGURIEREN EINSCHALTEN > > Inbetriebnahme in 3 Schritten: anschließen, konfigurieren, einschalten. > > Touchscreen für eine schnelle Bedienung. > > Alarme, wie Konfigurationsfehler, Resonanz, Überlast, Schütze, Gleichstrombus, usw. Polyvalent: Diverse Konfigurationen und Prioritäten Aktive Filter sind sehr vielseitig, so dass verschiedene Konfigurationen und Betriebsarten Betrieb. alles für speichern sie in Einrichtungen verschiedener Typen und in den meisten verschiedenen Situationen.

7 7 RVE Fahrzeuglade elektrisch CVM-MINI CVM-B100 CVM-C10 Niveau 1 Klimaanlage UPS Niveau 2 CPD EDS Beleuchtung Niveau 3 Anwendung Typ Multifunktions Aktive Filter Landspitze und neben der Last. Schlussfolgerungen. In den Versorgungsnetzen treten in zunehmendem Maße Oberschwingungen auf und verursachen eine Reihe von Problemen hinsichtlich der Qualität der Spannungswelle, so dass Anlagen überdimensioniert und zusätzlich erhebliche Verluste verursacht werden. Ungeachtet des Vorhandenseins von Normen, die den Verbrauch besagter Oberschwingungen beschränken, erscheint es sinnvoll, diese Oberschwingungen zu filtern, da so Kabelquerschnitte und Leistung der Verteiltertransformatoren optimiert und die Verluste in den Anlagen reduziert und Produktionsverluste vermieden werden können. Die Lösung des Problems besteht in der Auslegung eines umfassenden und sinnvollen Systems zum Filtern von Oberschwingungen, wie Aktivfilter, so dass das Problem zu angemessenen und wegen der Verlusteinsparungen, Verlängerung der Nutzungsdauer einiger Anlagenkomponenten und Optimierung der Verteilterinfrastruktur (Kabel, Kabelverlegung, Transformatoren) einfach zu amortisierenden Kosten behoben werden kann.