POWER STATION pe5910-AFE: Perfekte Ströme für anspruchsvolle Netze

Die Auswirkungen von Oberschwingungen in elektrischen Versorgungsnetzen haben spürbaren Einfluss z. B. auf das produzierende Gewerbe. Besonders in Industrienetzen können Oberschwingungen zu einem Ausfall von elektrischen Verbrauchern und damit zu einer Beeinträchtigung des Produktionsprozesses führen. In elektrischen Industrienetzen sind Oberschwingungen ständig präsent, diese werden jedoch oft nicht als kritisch erkannt. Häufige Ursachen für das Auftreten von Oberschwingungen ist die Verwendung von nicht linearen Lasten in modernen Produktionsprozessen. Dazu zählen beispielsweise:

• Frequenzumrichter für elektrische Antriebe
• Schaltnetzteile für Beleuchtung (LED/Energiesparlampen)
• Batterie-Ladesysteme
• IT-Anlagen etc.

Abb. 1: Strom- und Spannungsverzerrung bei passiver Gleichrichtung – typische Verläufe

Der Einsatz von nicht linearen Lasten bringt für den Nutzer spürbare Vorteile mit sich. Hier sind besonders der hohe elektrische Wirkungsgrad in Verbindung mit einem geringen Energieverbrauch hervorzuheben. Als weitere Vorteile beim Einsatz von Gleichrichtern mit Schaltnetzteiltechnik sind die geringe Restwelligkeit und die hohe Regelgenauigkeit zu nennen. Jedoch führt der Einsatz dieser nicht linearen Lasten zu einer Verzerrung des idealen, sinusförmigen Netzstromes bzw. -spannung.

Oberschwingungen in Verbindung mit (Galvanik)-Gleichrichtern

Grundsätzlich gilt, dass Schaltnetzteil- bzw. Thyristor- basierte Gleichrichter mit passiver Gleichrichtung stromharmonische Oberschwingungen erzeugen. Diese führen zu einer nicht sinusförmigen Stromentnahme (Verzerrung) die als Netzrückwirkung messbar ist.

Parameter zur Beurteilung der Netzqualität

In der Praxis wird die gesamt-harmonische Verzerrung des Stromes (THDI) bzw. der Spannung (THDU) herangezogen, um die Qualität eines Versorgungsnetzes zu beurteilen. Alle erzeugten Oberschwingungsströme in einem Netzwerk müssen durch die vorhandenen Impedanzen und aller weiteren parallelen Zweige fließen, was zu nichtlinearen Spannungsabfällen an den Impedanzen führt. Die dadurch erzeugten Oberschwingungsspannungen verbreiten sich auf das gesamte Netzwerk und beeinflussen die Qualität der Versorgungsspannung an anderen Geräten. Dadurch ist die harmonische Verzerrung des Stroms eine Ursache für die Verzerrung der Spannung.

Technische Maßnahmen zur Kompensierung von Oberschwingungen

Konventionelle Oberschwingungsfilter werden lastnah installiert und erzeugen einen Kompensationsstrom zur Verringerung von Oberschwingungen in einem elektrischen Versorgungssystem. In der Gesamtsystembetrachtung reduzieren Oberschwingungsfilter den Systemwirkungsgrad durch den zusätzlichen Spannungsabfall am Filter.

Eine weitere Alternative zur Reduzierung von Oberschwingungen in einem elektronischen Versorgungsnetz ist der Einsatz von Verbrauchern mit aktiver Gleichrichtung, der sogenannten Active Front End (AFE) Technologie. Diese Verbraucher verhalten sich wie eine ohmsche Last im elektrischen Versorgungssystem, d.h. die Stromentnahme erfolgt sinusförmig. Mit dem Gleichrichterschrank POWER STATION pe5910-AFE von plating electronic ist nun erstmalig ein Gleichrichter mit aktiver Gleichrichtung mit 230kW DC bzw. 10 000A am Markt verfügbar. Die integrierte AFE Technologie im Gleichrichter führt zu einer deutlichen Reduktion von stromharmonischen Oberschwingungen und einer Verbesserung des Wirkungsgrades.

Abb. 3: Oberwellenspektrum POWER STATION pe5910-AFE bei 200 kW DC Leistung

Anwender profitieren durch die Verwendung von Gleichrichtern mit AFE Technologie von nachfolgenden Vorteilen:

• Sinusförmige Stromentnahme verhindert Spannungsverzerrungen, keine Oberschwingungskompensation für den Gleichrichterbetrieb notwendig
• Erhöhung des Leistungsfaktors von 0,95 bis zu 1,00
• THDI Reduktion auf unter 3 %
• Reduzierter Phasenstrom durch sinusförmige Stromentnahme, d.h.
• geringere Belastung des Versorgungstrafos
• reduzierte Trafodimensionierung für Gleichrichterbetrieb
• hoher Wirkungsgrad von bis zu 96 % durch aktive Gleichrichtung (AFE Technologie)