Der Einfluss von Antrieben mit veränderlicher Drehzahl auf die Energieverteilung

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1 Der Einfluss von Antrieben mit veränderlicher Drehzahl auf die Energieverteilung Antriebe mit veränderlicher Drehzahl (ASDs) können sowohl Verursacher mangelhafter Netzqualität sein als auch selbst davon betroffen werden. Antriebe mit veränderlicher Drehzahl als betroffene Lasten Obwohl Antriebe mit veränderlicher Drehzahl häufig als Verursacher von schlechter Netzqualität dargestellt werden, können sie als Last auch selbst davon betroffen sein. Schalttransienten durch Kondensatoren Energiereiche Transienten (mit relativ geringer Frequenz), wie sie für Schaltvorgänge von Kondensatoren in Energieversorgungsunternehmen typisch sind, können über den Hausanschlusstransformator, die Einspeisung und den Umrichtereingang des Antriebs direkt auf den Zwischenkreis übertragen werden, wo sie häufig eine Auslösung durch Überspannung verursachen. Auch Eingangsdioden können durch diese Transienten zerstört werden. Spannungsverzerrung Wenn die Spannungsverzerrung zu einer starken Abflachung des Spitzenwerts führt, können die Zwischenkreiskondensatoren nicht vollständig geladen werden, wodurch die Fähigkeit zur Überbrückung kurzer Spannungseinbrüche des Antriebs verringert wird. Somit können Spannungseinbrüche, die den Antrieb normalerweise nicht beeinträchtigen würden, eine Auslösung durch Unterspannung verursachen. Durch unsachgemäße Erdung wird die Steuerung des Antriebs beeinträchtigt, was unvorhersehbare Auswirkungen hat. Antriebe mit veränderlicher Drehzahl als Verursacherlasten Antriebe können definitiv Verursacherlasten sein und haben große Auswirkungen auf die Netzqualität des Systems. Vor der Erörterung der entsprechenden Probleme sollen jedoch die positiven Auswirkungen von Antrieben auf die Netzqualität erwähnt werden. Erstens ermöglichen Sie den Messungen auf der Netzseite an Antrieben mit veränderlicher Drehzahl Messung Netzdrosseln Beachten Spannungssignalform Spannungseinbrüche (Thyristor-Umrichter) Abflachung des Spitzenwerts Oberschwingungsspektrum Ordnungszahl der erzeugten und Amplituden vor und nach der Filteranwendung Bei PWM-Antrieben sollte der auch bei niedrigen Drehzahlen hoch bleiben (in der Regel leichter Rückgang). Spannungsunsymmetrie Unterhalb der Spezifikation des Antriebsherstellers, da es andernfalls zur Auslösung durch Stromerhöhung kommen kann. Möglicherweise ist der Grenzwert der Spannungsunsymmetriegrenzwert des Antriebs höher als der des Motors. Induktionsmotor Abbildung 1: Antrieb mit veränderlicher Drehzahl mit Spannungszwischenkreiswechselrichter (VSI) M Anwendungsbericht sanften Anlauf des Motors. Das bedeutet, der Anlaufstrom ist gering, wodurch der Rest des Systems nicht durch entsprechende Spannungseinbrüche beeinträchtigt wird. Zweitens: Wenn es sich bei dem Antrieb um einen Typ mit Pulsweitenmodulation (PWM) mit Diodenumrichtereingang handelt, ist der cos hoch (in der Regel > 0,95 bei Nennlast) und im gesamten Bereich weitgehend konstant. Das bedeutet, dass der Energieverbrauch der Antriebe verringert und gleichzeitig der korrigiert werden kann. Das ist auch deshalb vorteilhaft, weil die Antriebe nicht mit Blindleistungskompensatoren kombiniert werden können. Kondensatoren sind gegen die von Antrieben erzeugten höherfrequenten Oberschwingungsströme empfindlich, da ihre Impedanz mit zunehmender Frequenz abnimmt. Der Antriebstyp hat wegen der verschiedenen Umrichterbauformen großen Einfluss auf die Netzqualitätssymptome (Umrichter bzw. Gleichrichter wandeln Wechselspannung in Gleichspannung um und bilden die erste Stufe des Antriebs). Es gibt zwei Haupttypen von Umrichterbauformen. Thyristor-Umrichter mit Spannungszwischenkreis wechselrichter/ Spannungss tellwechselrichter (VSI/VVI)-Antrieben Diese häufig als sechsstufige Antriebe bezeichneten Antriebe enthalten Thyristoren an den Umrichtereingängen. Die folgende Erörterung bezieht sich auf CSI (Current Source Inverter, Stromzwischenkreiswechselrichter)- Antriebe, die ebenfalls Thyristoren enthalten. VSI- und CSI- Antriebsbauformen werden hauptsächlich für größere Antriebe mit einer Leistung von mehr als 100 PS verwendet. Thyristor-Umrichter steuern die Zwischenkreisspannung durch das Einschalten (oder Gating ) des Stromflusses für einen Teil der angelegten Sinuswelle und Ausschalten an

2 Abbildung 2: Spannungseinbrüche den Nulldurchgängen. Im Gegensatz zu Dioden erfordern Thyristoren Steuerkreise für die Gate-Zündung. Bei Thyristor-Umrichtern gibt es drei Hauptprobleme, die sich auf die Netzqualität auf der Netzseite auswirken: Kommutierungseinbrüche Beim Umschalten (Kommutieren) des Thyristors gibt es kurze Zeitspannen, bei denen zwei Phasen gleichzeitig eingeschaltet sind. Dadurch wird faktisch ein kurzzeitiger Kurzschluss verursacht, der zum Zusammenbrechen der Netzspannung führt. In der Spannungssignalform ist dies in Form von Einbrüchen sichtbar. Diese Einbrüche verursachen sowohl einen hohen Gesamtklirrfaktor als auch Transienten. Zur Lösung beider Probleme wird eine Drosselspule oder ein Trenntransformator in Reihe zum Antriebseingang geschaltet. Der verringert sich mit abnehmender Antriebsdrehzahl. Dies ist kein gravierendes Problem, da die Spannungsversorgungsanforderungen der Antriebsmotorlast noch stärker abnehmen. Von VSI-Antrieben werden in der Regel der 5. und 7. Ordnung erzeugt. Diodenumrichter mit pulsweitenmodulierten Antrieben (PWM) Die andere und weiter verbreitete Umrichterbauform enthält Dioden und wird in PWM-Antrieben eingesetzt. Die Dioden erfordern keine Schaltsteuerkreise. In letzter Zeit war einer der Haupttrends in der Branche die Verbreitung von PWM- Antrieben, hauptsächlich durch die Verwendung von weiterentwickelten schnellschaltenden, effizienten IGBTs (bipolare Isolierschichttransistoren) im Wechselrichterteil des Antriebs (Wechselrichter wandeln Gleichspannung in Wechselspannung um). In der Praxis sind PWM-Antriebe der Industriestandard. Abbildung 3: Typische Oberschwingungssignalform eines Motorantriebs mit veränderlicher Drehzahl Bei den Diodenumrichtern sind die das Hauptproblem des Einflusses auf die Netzqualität. Die Ordnungszahl der erzeugten hängt von der Anzahl der Dioden am Eingang ab. Bei der Dreiphasenumrichtung werden mindestens sechs Dioden benötigt. Dieser Sechs-Impuls-Umrichter erzeugt der 5. und 7. Ordnung. Bei Verwendung eines 12-Impuls-Umrichters werden statt der 5. und 6. Ordnung der 11. und 13. Ordnung erzeugt. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass bei gleicher Last die Amplitude der der 11. und 13. Ordnung erheblich kleiner als die der 5. und 6. Ordnung ist. Der Gesamtklirrfaktor wäre somit geringer. Die große Mehrheit der Antriebe ist jedoch mit Sechs-Impuls-Umrichtern ausgestattet, daher sind so viele der 5. Ordnung im System zu beobachten. Lösungen zur Verringerung der Es gibt eine Reihe von Lösungen für die Verringerung der durch Antriebe erzeugten : Oberschwingungsfilter (Abbildung 5) Hierbei handelt es sich um typische, an der Quelle der (also am Antriebseingang) parallel geschaltete LC-Netzwerke. Sie sind auf eine Frequenz abgestimmt, die geringfügig unterhalb der 5. Oberschwingung liegt (in der Regel 280 Hz) und schwächen sowohl die 5. als auch einen Großteil der 7. Oberschwingung ab. Sie müssen selbstverständlich an die Last angepasst sein, die die erzeugt. Phasenverschiebungstransformatoren Dies kann ein einfacher Dreieck- Stern-Transformator sein, der einen oder mehrere Antriebe mit Spannung versorgt, und ein Dreieck- Dreieck-Transformator, der einen oder mehrere weitere Antriebe mit Spannung versorgt. Zwischen diesen beiden Konfigurationen besteht Wechselstromquelle Induktionsmotor Diodengleichrichter PWM-Wechselrichter Abbildung 4: Motorantrieb mit veränderlicher Drehzahl mit Impulsbreitenmodulation (PWM) 2 Fluke Corporation Der Einfluss von Antrieben mit veränderlicher Drehzahl auf die Energieverteilung

3 eine Phasenverschiebung von 30 Grad, die aus der Auslöschung von am nächstgelegenen vorgeschalteten gemeinsamen Anschlusspunkt (PCC, Point of Common Coupling) resultiert. Der Auslöschungseffekt ist optimal, wenn beide Lasten weitgehend gleich groß sind. 12-Impuls-Umrichter Wenn Dreieck-Stern/Dreieck- Dreieck zusammengeschaltet werden (Dreieck Primärwicklung, Dreieck und Stern Sekundärwicklung) und jede Sekundärwicklung einen von zwei parallel geschalteten Sechs-Impuls- Umrichtern mit Spannung versorgt, entsteht ein 12-Impuls-Eingang mit allen oben beschriebenen Vorteilen. Auch 18-Impuls-Bauformen sind erhältlich. Wegen der zusätzlichen Kosten wird diese Lösung in der Regel nur für Lasten mit hoher Oberschwingungsleistung verwendet. Aktive Filter Diese relativ neue Technologie basiert auf einem eleganten Konzept: Verwendung von Leistungselektronik für die Lösung der durch Leistungselektronik verursachten Probleme. Dabei wird die momentane Sinuswelle der Wechselspannung erfasst. Anschließend werden die erfassten durch Erzeugung von gleichen mit entgegengesetzter Polarität ausgelöscht. Auf diese Weise wird die Sinuswelle wiederhergestellt. Im Handel erhältliche Kompaktbaugruppen können zudem eine Spannungsregelung enthalten. Aktive Blindleistungskompensation Eine weitere relativ neue Lösung ist, dass die Hersteller Umrichtermodule für den Eingang mit schnellschaltender Technologie anbieten, die nur ein Minimum an erzeugen und einen Leistungsfaktor von nahezu 1 bieten (sowohl Leistungsfaktor als auch cos). Es muss von Fall zu Fall entschieden werden, welcher Ansatz für die Verringerung der in der jeweiligen Situation am effektivsten und wirtschaftlichsten ist. Von den Anwendern wird jedoch oft übersehen, dass die Gesamtkosten eines Antriebssystems sowohl die Kosten des Antriebs selbst als auch die Kosten für die Verringerung der umfassen (entweder als Teil des Antriebs oder separat installiert). Dies geht auch aus den Informationen in diesem Abschnitt eindeutig hervor. Phasen Abbildung 5: Oberschwingungfilter Last Warum Echteffektivmessungen Echteffektivmessgeräte sind für genaue Messungen von verzerrten Signalformen erforderlich. Weitere Informationen dazu finden Sie im Anwendungsbericht Warum Echteffektivmessungen von Fluke (Dokumentnummer ger). Vergleich von Mittelwert- und Echteffektiv-Multimetern Signalform Beschreibung Mittelwert- Digitalmultimeter Multimeteranzeige Sinuswelle Korrekt Korrekt Echteffektiv- Digitalmultimeter Rechteckwelle 10 % zu hoch Korrekt Strom zum Einphasendiodengleichrichter 40 % zu niedrig Korrekt Strom zum Dreiphasendiodengleichrichter 5 % bis 30 % zu niedrig Korrekt 3 Fluke Corporation Der Einfluss von Antrieben mit veränderlicher Drehzahl auf die Energieverteilung

4 Resonanz des Energieversorgungssystems Wenn und Kondensatoren zusammentreffen, können starke Schwingungen entstehen Kann sich der Leistungsfaktor trotz der Installation von Blindleistungskompensatoren verschlechtern? Das kann definitiv passieren. Der entscheidende Punkt für das Verständnis dieses Phänomens ist die Unterscheidung zwischen und Leistungsfaktor. Wenn dieser Unterschied nicht klar ist, können zerstörte Kondensatoren und verschwendete Investitionen die Folge sein. Leistungsfaktor und cos sind das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung (Watt und VA), der Unterschied zwischen beiden muss aber beachtet werden! Der kann als der Leistungsfaktor der Grundschwingungsfrequenz betrachtet werden. Bei rein sinusförmigen Signalen ohne wären und Leistungsfaktor also gleich. Der Leistungsfaktor enthält die Auswirkungen sowohl der Grundals auch der und wird manchmal auch als Gesamtleistungsfaktor (siehe Abbildung 7) bezeichnet. Daraus folgt, dass bei Anwesenheit von der stets niedriger als der Verschiebungsfaktor ist und zudem eine genauere Beschreibung des Gesamtsystemwirkungsgrads als der allein darstellt. Genau genommen bezieht sich der Begriff Leistungsfaktor auf den (Gesamt-)Leistungsfaktor, wird in der Praxis aber auch als Synonym für den verwendet. Dadurch kann es bei Diskussionen zum Leistungsfaktor zu Unklarheiten kommen. Aus diesem Grund muss immer genau ausgedrückt werden, was gemeint ist. Verschiebungs- Leistungsfaktor cos Motorlasten, die Blindleistung (Einheit: Volt-Ampere reaktiv bzw. var) hervorrufen, verringern den. Das System muss die Fähigkeit, gemessen in Volt-Ampere (VA), haben, sowohl Blindleistung als auch Wirkleistung zu liefern. Je mehr Blindleistung erforderlich ist, desto größer ist die erforderliche Scheinleistung und desto kleiner ist der. Die Kosten für die Blindleistung werden von den Energieversorgungsunternehmen in Form eines Leistungsfaktoraufschlags berechnet. Die Energieversorgungsunternehmen erheben oft diese Zusatzgebühren, wenn der unter einem bestimmten Wert liegt, wobei der tatsächliche Wert stark variiert. In der Regel liegt er zwischen 0,90 und 0,95. Um die durch die Motorlasten verursachte Blindleistung zu verringern, werden Blindleistungskompensatoren installiert. Dadurch wird das Leistungsvermögen des Versorgungssystems sowohl im Werk als auch beim Energieversorgungsunternehmen erhöht, so dass weitere Anwendungen versorgt werden können (Abbildung 6). In der Vergangenheit war dies immer der Kern bei Überlegungen zum Leistungsfaktor: ein relativ gut bekanntes Problem mit einer relativ einfachen Lösung. Vorher: Leistungsfaktor = 42 % Aktiv 165 Watt 3,3 A Blindleistung 360 var und Kondensatoren haben starken Einfluss auf die Methoden für die Leistungsfaktorkorrektur. Die oben beschriebenen Motor- und Kondensatorlasten sind alle linear und erzeugen in der Praxis keine. Andererseits erzeugen nicht-lineare Lasten wie Antriebe mit veränderlicher Drehzahl. Als Beispiel soll ein Betrieb dienen, der nach und nach mit Antrieben mit veränderlicher Drehzahl ausgestattet wird. Antriebe mit veränderlicher Drehzahl erzeugen erhebliche (5. und 7. Oberschwingung bei Antrieben mit Sechs-Impuls-Umrichtern). Plötzlich brennen die Sicherungen der bestehenden Blindleistungskompensatoren durch. Da es sich um Dreiphasenkondensatoren handelt, ist es auch möglich, dass nur eine der drei Sicherungen durchbrennt. Das bedeutet unsymmetrische Ströme und möglicherweise unsymmetrische Spannungen. Der Elektriker tauscht die Sicherungen aus. Sie brennen wieder durch. Diesmal verwendet er stärkere Sicherungen. Dieses Mal halten die Sicherungen, aber der Kondensator wird zerstört. Er tauscht den Kondensator aus. Das Gleiche passiert wieder. Was geht hier vor? sind höherfrequente Ströme. Je höher die Frequenz, desto niedriger die Kondensatorimpedanz (X C = 1/2πfC). Der Kondensator wirkt für Oberschwingungsströme wie eine Senke. Nachher: Leistungsfaktor = 100 % 1,4 A Aktiv 165 Watt Blindleistung 360 var Kondensator 60 mf 1/6-PS-Motor 1/6-PS-Motor Abbildung 6: Korrektur des s durch einen Kondensator 4 Fluke Corporation Der Einfluss von Antrieben mit veränderlicher Drehzahl auf die Energieverteilung

5 Resonanz des Energieversorgungssystems Im ungünstigsten Fall bilden der induktive Blindwiderstand (X L ) des Transformators und der kapazititve Blindwiderstand (X C ) des Blindleistungskompensators einen parallelen Schwingkreis (X L = X C ) bei einer Resonanzfrequenz, die etwa einer Oberschwingungsfrequenz entspricht. Der durch die Last erzeugte Oberschwingungsstrom bringt den Stromkreis zur Oszillation. In diesem Stromkreis fließen dann Ströme, die um ein Mehrfaches höher als der Anregungsstrom sind. Dieser so genannte Parallelresonanzkreis kann schwere Geräteschäden verursachen und führt außerdem zu einer Verringerung des Leistungsfaktors. Diese Resonanzbedingung wird oft nur erfüllt, wenn das System nur leicht belastet ist, da dann die Dämpfungswirkung von ohmschen Lasten wegfällt. Es liegt somit ein Schaltkreis mit hoher Kreisgüte vor (Abbildung 8). Stellen Sie sich vor, Sie kommen montags zur Arbeit, und die Isolation Ihrer Kabel ist geschmolzen. Wie kann so etwas über das Wochenende passieren? Das System war doch in dieser Zeit kaum belastet? Gilt das ohmsche Gesetz nicht mehr? Nicht ganz. Ihr Energieversorgungssystem ist über das Wochenende von heimgesucht worden. Nach der Party kommt jetzt das Reinemachen. Zuerst verringern Der richtige Lösungsweg beginnt mit dem Messen und Verringern der von den Antrieben erzeugten. In der Regel werden hierfür Oberschwingungs- Trapfilter verwendet. Diese Oberschwingungsfilter werden vor Ort auf der Netzseite des Antriebs installiert. Ihre Wirkung ähnelt in zweierlei Hinsicht der von herkömmlichen Blindleistungskompensatoren: Sie erhöhen sowohl den cos als auch den Leistungsfaktor, und Sie sorgen dafür, dass die problematischen (im Allgemeinen die 3., 5. und 7. Oberschwingung) lokal beschränkt bleiben. Die Verringerung der und die herkömmliche korrektur müssen gemeinsam als Problem angegangen werden. Anders ausgedrückt: Nicht nur auf den, sondern auf den Leistungsfaktor kommt es an. A. Systemschaltbild B Ersatzschaltbild X S Fluke. Damit Ihre Welt intakt bleibt. X C X T Oberschwingungsquelle Abbildung 8: Schwingkreis bei XC = (XT + XS) (keine Arbeitsverrichtung) kw (Wirkleistung, dadurch Arbeitsverrichtung) X C VA (Gesamtwert der Scheinleistung) X T X S (keine Arbeitsverrichtung) Abbildung 7: Erhöhung des Leistungsfaktors bei zunehmenden Fluke Deutschland GmbH In den Engematten Glottertal Telefon: (069) Telefax: (069) info@de.fluke.nl Web: Beratung zu Produkteigenschaften und Spezifikationen: Tel.: (07684) Beratung zu Anwendungen, Software und Normen: Tel.: ( 0,99 pro Minute aus dem deutschen Festnetz, zzgl. MwSt., Mobilfunkgebühren können abweichen) hotline@fluke.com Fluke Vertriebsgesellschaft m.b.h. Liebermannstraße F01 A-2345 Brunn am Gebirge Telefon: (01) Telefax: (01) info@as.fluke.nl Web: Fluke (Switzerland) GmbH Industrial Division Hardstrasse 20 CH-8303 Bassersdorf Telefon: Telefax: info@ch.fluke.nl Web: Copyright 2004 Fluke Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Gedruckt in den Niederlanden 10/2004. Anderungen vorbehalten. Pub_ID: ger 5 Fluke Corporation Der Einfluss von Antrieben mit veränderlicher Drehzahl auf die Energieverteilung