Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität Referent: Jürgen Ehrler Teamleiter Vertrieb 1 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
Leistungs-Kondensator 4 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Leistungs-Kondensator Deckel Haltering Isolierung L1 Wickel Isolierung L2 Gehäuse Wickel Isolierung L3 Wickel Isolierung Gewindebolzen M12x12 5 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Neue Technologie Kondensatorwickel Kontaktbrücke Kern Folien Freirand Metallbeläge (segmentiert) Freirand 6 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Kondensatorwickel Folien Metallbeläge Freirand Kontaktbrücke 7 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
Oberschwingungen 10 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Oberschwingungen 11 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
Oberschwingungen bei geregelten Antrieben Oberschwingsströme an einem handelsüblichen Frequenz-Umrichter für Asynchron-Motoren 16 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Oberschwingungen bei geregelten Antrieben Strom- und Spannungsverlauf eines Gleichrichters mit Zwischenkreiskondensator (6-puls Brückenschaltung) 17 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
Resonanz 23 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
Resonanz 5. 7. Beim Zuschalten der Kompensation verändert sich die Resonanzfrequenz des Netzes erheblich und ist mehrfach in der Nähe einer Harmonischen! 25 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Projektierung/Messung 26 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
Projektierung / Messung Messen aber wo??? 28 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Projektierung / Messung 29 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Projektierung / Messung Beurteilung und Analyse der Messwerte 30 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Projektierung / Messung Beurteilung und Analyse der Messwerte 31 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
Grenzwerte nach Norm Öffentliche Netze: EN 50160 berücksichtigt OS-Spannungen bis 25. Ordnung EN 61000-2-2 berücksichtigt OS-Spannungen bis 50. Ordnung Industrie-Netze: EN 61000-2-4, Klasse 1: Industrienetz, kontrollierte Umgebung EN 61000-2-4, Klasse 2: Industrienetz, äquivalent zu öffentlichem Netz EN 61000-2-4, Klasse 3: Industrienetz, rauhe Umgebung 33 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
Sonderfall Neutralleiter L1 150 100 50 0-50 0-100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360-150 150 100 50 0-50 0-100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360-150 Addition der 3. Harmonischen im Neutralleiter L2 L3 150 100 50 0-50 0-100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360-150 450 400 350 300 250 200 N 150 100 50 f 0-50 0-100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360-150 -200-250 -300-350 -400-450 Quelle: Deutsches Kupferinstitut i/î / % 35 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
Maßnahmen gegen Resonanz 37 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
Verdrosselung mit 14% 40 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
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 21.09.2016
Aktive Oberschwingungsfilter 43 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Beispiel-Installation Aktives Filter 44 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Lösung mit Aktivem Filter ohne Filter mit Filter Kurvenform und Spektrum des Oberschwingungsstroms 45 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Messwerte ohne Filter Kurvenform der Netzspannung 46 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Messwerte mit Filter Kurvenform der Netzspannung mit Filter 47 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Messwerte ohne Filter Kurvenform des Stroms (am Trafo) 48 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
Messwerte mit Filter Kurvenform des Stroms (am Trafo) 49 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016
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 21.09.2016
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 51 Blindleistungs-Kompensation und Netzqualität 21.09.2016