Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren

Transkript

1 zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren 5. ebm-papst Ventilatoren-Symposium Martin Bürkert, Abteilungsleiter in der Elektronikentwicklung

2 Agenda 1. Einführung 2. Ursachen für Stromoberschwingungen 3. Auswirkungen von Stromoberschwingungen 4. Normenlage und Grenzwerte für Stromoberschwingungen 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen 6. ebm-papst Lösungen 7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme 8. Zusammenfassung und Schlussfolgerung

3 1. Einführung Ein ohm scher Widerstand am öffentlichen Stromversorgungsnetz z.b. eine klassische Glühbirne hat eine lineare Stromaufnahme, das heißt, dass bei Betrieb an einer sinusförmigen Spannung (was üblicherweise im öffentlichen Stromversorgungsnetz gegeben ist) ein sinusförmiger Strom fließt Klassische Drehstrom-Asynchronmotoren nehmen zwar zur Spannung phasenverschobene Ströme auf, die Form der Phasenströme ist aber sinusförmig Moderne elektronische Geräte haben diese Eigenschaften in vielen Fällen nicht mehr. Warum ist das so?

4 1. Einführung

5 2. Ursachen für Stromoberschwingungen In der Antriebstechnik ist die effizienteste Methode Energie einzusparen eine bedarfsgerechte Einstellung der Drehzahl des Antriebs und damit der Abgabeleistung Lüftungstechnische Anlagen sind in aller Regel so ausgelegt, dass im Mittel nur 60-70% der Leistung im Normalbetrieb benötigt werden Somit bedeutet eine Anpassung der Drehzahl an den tatsächlichen Luft-Bedarf die besten Energieeinsparungswerte ebm-papst hat mit der EC-Technik (elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren) die am besten geeignete Technik für eine hocheffiziente und stufenlose Drehzahlstellung Direkt aus dem öffentlichen Stromnetz gespeiste EC-Ventilatoren benötigen zur Erzeugung der (internen) DC-Spannung eine Gleichrichterschaltung

6 2. Ursachen für Stromoberschwingungen Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B6-Brücke) (B4-Brücke) L1 EMV- L2 Filter L3 N Zwischenkreis- kondensator PE

7 2. Ursachen für Stromoberschwingungen Jede passive Gleichrichtung mit einer Diodenbrücke und einem Pufferkondensator am Wechselstromnetz stellt eine nichtlineare Last dar Die dadurch nicht-sinusförmige Stromaufnahme bedeutet einen Oberschwingungsanteil, welcher durch die Energieversorgung bereitgestellt werden muss Dies hat zu Folge, dass alle an der Stromversorgung beteiligten Komponenten (Transformatoren, Stromschienen, Verteiler, Backup-Systeme wie Generatoren oder USV- Anlagen,J) für die Bereitstellung des Oberschwingungsstromes ausgelegt sein müssen, wenn eine gute Spannungsqualität (sinusförmiger Spannungsverlauf) erhalten werden soll Aus Sicht der Energieversorger sollten alle Verbraucher möglichst bei einer linearen Stromaufnahme bleiben Besonders dann, wenn schwache (=hochimpedante) Netze oder sogar Inselnetze Anlagen versorgen, wie z.b. im Datencenter

8 2. Ursachen für Stromoberschwingungen Einspeisung / Transformator Datencenter: Server und Serverkühlung Notstrom Generator Quelle: USV-Anlage Quelle:

9 Starke Netzspannungsverzerrung durch Stromoberschwingungen bei schwacher Auslegung der Stromversorgung/ des Einspeisetransformators 9

10 10

11 3. Stromoberschwingungen bei 1~ gespeister Leistungselektronik U1 I1 P1 Q1 S1 230 V / 50 Hz 2,01 Arms 7,2 Apeak 240 W 387 VAr 450 VA LF 0,54 THD(I) 156 %

12 3. Stromoberschwingungen bei 3~ gespeister Leistungselektronik U1 I1 P1 Q1 S1 400 V / 50 Hz 10,85 Arms 28,10 Apeak 5,74 kw 6,69 kvar 9,02 kva LF 0,64 THD(I) 119 %

13 4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme EN ; Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom <16 A je Leiter); Klassifizierung von Geräten Klasse A symm. 3~ Geräte Haushaltsgeräte Elektrowerkzeuge ausgenommen tragbare E.-wzge. Dimmer für Glühlampen Audio- Einrichtungen Klasse B tragbare Elektrowerkzeuge Lichtbogen- schweiß- Einrichtungen Klasse C Beleuchtungs- Einrichtungen Klasse D PCs Monitore Fernsehgeräte Radiogeräte

14 4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme EN ; Klasse A Ordinal number of Current harmonics n n n 40 uneven current harmonics even current harmonics Class A max. Value [A] 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,21 0,15* 15 / n 1,08 0,43 0,30 0,23* 8 / n

15 4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme 1~ Lösung zur Einhaltung der Normenanforderungen DR D T 1 T 2 T 3 1~ T 7 C M 3~ T 4 T 5 T 6 R 2 R U t = U t = U t 15

16 4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme Grenzwerte für Oberschwingungsströme nach EN ; Ausnahmeregelung (Kapitel 7) Für die nachfolgenden Arten von Geräten sind in dieser Norm keine Grenzwerte festgelegt: Geräte mit einer Bemessungsleistung von 75 W oder weniger, die keine Beleuchtungseinrichtungen sind; professionell genutzte Geräte mit einer Gesamt-Bemessungsleistung, die größer als ein 1 kw ist; symmetrisch gesteuerte Heizelemente mit einer Bemessungsleistung, die kleiner oder gleich 200 W ist; unabhängige Beleuchtungsregler (Dimmer) für Glühlampen mit einer Bemessungsleistung, die kleiner oder gleich 1 kw ist.

17 4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme Für Geräte mit einem Phasenstrom 16A< I <75A gibt es definierte Grenzwerte für den Industriebereich nach der Norm EN Es gibt relativ zur Leistung sowohl Grenzwerte einzelner Oberschwingungsanteile als auch Absolutwerte für den Oberschwingungsstrom (Total Harmonic Current) für symmetrische 3- phasige Geräte (Tabelle 4) Mindestwert Zulässige, einzelne Oberschwingungsströme I h /I ref in von R sce % Zulässige Oberschwingungsstrom- Kennwerte in % I ref = Bezugsstrom I 5 I 7 I 11 I 13 THC / I ref PWHC / I ref 33 10,7 7,2 3,

18 4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme Die Größe Rsce kennzeichnet dabei das Verhältnis von Kurzschlussleistung zu angeschlossener Nennleistung des Stromversorgungsanschlusses, errechnet sich also folgendermaßen: = Rsce kennzeichnet also den Innenwiderstand des Stromversorgungsanschlusses und kann deshalb auch nach folgender Formel berechnet werden: = 3

19 4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme In der Norm EN werden für nichtlineare Lasten mit passiver Gleichrichterbrücke zwei verschiedenen Topologien berücksichtigt: -konventioneller Zwischenkreis (mit vorgeschalteter Netzdrossel oder ggf. mit integrierter Zwischenkreisdrossel) -niederkapazitiver (schlanken) Zwischenkreis Für beide Topologien werden Grenzwerte angezogen, allerdings bei unterschiedlichem Rsce: konventioneller ZK: Rsce=33 bzw. Rsce 120 schlanker ZK: Rsce 250

20 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzdrossel Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B6-Brücke) Netzdrossel L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreiskondensator PE

21 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzdrossel

22 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzdrossel U1 I1 P1 Q1 S1 400 V / 50 Hz 9,2 Arms 17,5 Apeak 5,7 kw 2,94 kva 6,45 kva LF 0,89 THD(I) 45,0 %

23 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: ZK-Drossel Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B6-Brücke) L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreisdrossel Zwischenkreiskondensator PE

24 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: ZK-Drossel U1 I1 P1 Q1 S1 400 V / 50 Hz 8,5 Arms 13,8 Apeak 5,65 kw 1,96 kva 5,97 kva LF 0,94 THD(I) 33,5 %

25 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen Mit diesen relativ einfachen Maßnahmen können die Anforderungen der EN eingehalten werden Es zeigt sich in immer mehr Anwendungsfällen, dass die Forderungen der Norm für bestimmte Anforderungen nicht ausreichend sind Denn je höher der Oberschwingungsgehalt des Stroms, desto höher die Notwendigkeit einer Überdimensionierung der Stromversorgung Überall dort, wo nicht direkt an ein öffentliches Netz angeschlossen wird, also separate Stromversorgungen in Form von Inselnetzen, Generatoren oder ausfallsichere Backup-Systeme notwendig sind (z.b. im Datencenter), ist es oberstes Ziel, diese Stromversorgungssysteme so knapp wie möglich zu bemessen (Kosten!) Forderung nach einer möglichst geringen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und einem minimalen Stromoberschwingungsgehalt LF > 95% und THD(I) < 5% sind heute immer häufiger Anforderungen z.b. in Datencentern

26 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter Netz Netz- Gleichrichterbrücke Endstufe Motor filter (B6-Brücke) L1 L2 Filter L3 Zwischenkreiskondensator PE

27 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter

28 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter U1 I1 P1 Q1 S1 400 V / 50 Hz 8,45 Arms 13,50 Apeak 5,65 kw 0,98 kva 5,78 kva LF 0,98 THD(I) 7,5 %

29 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter

30 5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Aktive PFC Netz Aktiver Gleichrichter Endstufe Motor L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreiskondensator PE

31 6. ebm-papst 3~ Aktiv PFC Lösung U1 I1 P1 Q1 S1 400 V / 50 Hz 8,2 Arms 12,0 Apeak 5,65 kw 0,16 kva 5,65 kva LF 0,998 THD(I) < 2%

32 6. ebm-papst 3~ Aktiv PFC Lösung

33 6. ebm-papst 3~ Aktiv PFC Lösung

34 7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel Daten vom Typenschild des Einspeisetransformators: 34

35 7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel Trafoleistung: 1,525MVA Sekundäre nominale Transformatorspannung: Unom=480V Transformatorfrequenz: f=60hz Kurzschlussspannung: Uk=6,48% S I, = = 1525kVA 3 U 3 480Vac = 1,835kA Aus dem Nennstrom und der Kurzschlussspannung des Transformators kann der Kurzschlussstrom berechnet werden: I,%& = I, 100% U ( = I,%& = 1,835kA 100% 6,48% = 28,32kA Die Kurzschlussleistung des Transformators beträgt dann: S,%& = 3 I,%& U = 3 28,32kA 480V = 23,54MVA

36 7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel Damit beträgt die empfohlene maximale Scheinleistung für nichtlineare Lasten (Elko-Zwischenkreis) an diesem Transformator S +,, = S,%& = 23,54MVA R %&. 120 = 196,2kVA Dies bedeutet bei einem durchschnittlichen Leistungsfaktor von 0,94 einer anschließbaren Last mit einer Wirkleistung von P +,, = 12 S +,, = 0,94 196,2kVA =184kW Bis zu einer Belastung des Transformators mit P Fan,max (Topologie herkömmlicher Zwischenkreiskondensator mit Zwischenkreisdrossel) liegt die durch die Stromverzerrung (THD(I)) hervorgerufene Spannungsverzerrung (THD(U)) typischerweise bei 8%. Dies entspricht den Werten aus der EN (Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen).

37 7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel Bei Verwendung von nichtlinearen Lasten mit schlankem Zwischenkreis (Zwischenkreis mit niederkapazitivem Folienkondensator) beträgt die empfohlene maximale Scheinleistung an diesem Transformator S +,, = % 56789,:; = >?,@ABCD = 94,2kVA < :;= >@E Dies bedeutet bei einem durchschnittlichen Leistungsfaktor von 0,94 einer anschließbaren Last mit einer Wirkleistung von P +,, = 12 S +,, = 0,94 94,2kVA =88,5kW Bis zu einer Belastung des Transformators mit P Fan,max (Topologie herkömmlicher Zwischenkreiskondensator mit Zwischenkreisdrossel) liegt die durch die Stromverzerrung (THD(I)) hervorgerufene Spannungsverzerrung (THD(U)) typischerweise bei 8%. Dies entspricht den Werten aus der EN (Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen).

38 8. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Schon bei der Planung einer mit EC-Ventilatoren bestückten Lüftungs- oder Kälteanlage muss die vorhandene (oder neu geplante) Energieversorgung mit berücksichtigt werden. Je nach Anforderungen an die Spannungsqualität und abhängig von der Dimensionierung der Energieeinspeisung kann nur eine begrenzte Leistung in Form nichtlinearer Lasten abgenommen werden. Um die Netzrückwirkungen auf die Energieversorgung abzustimmen, stehen dem Anwender unterschiedliche Schaltungstopologien seitens ebm-papst zur Verfügung. Zusätzlich ist aktuell das sogenannte Approved Filter Program bei ebm-papst im Aufbau. Hierbei werden Vorschaltfilter (LC-Filter) für unterschiedliche Endgeräte in Zusammenarbeit mit großen Filterherstellern entwickelt und festgelegt. Diese Filter sind in Kürze mit ebmpapst Teilenummer bestellbar. 38

39 Fragen? Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D Mulfingen 39

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D Mulfingen 40