Sicher produzieren mit AFE-Gleichrichtern

Oberschwingungen in Produktionsbetrieben

Abb. 1 a–d: Grafisch dargestellte sinusförmige Stromentnahme: a) Arbeitspunkt: 20 V / 2500 A (50 kW) DCDas Thema Oberschwingung in elektrischen Energieversorgungsnetzen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Besonders in Industrienetzen können Spannungsoberschwingungen zu einem Ausfall von elektrischen Verbrauchern und damit zu einer Beeinträchtigung des Produktionsprozesses führen. In vielen Industrienetzen ist der Anteil von Oberschwingungen ständig präsent, wird jedoch nicht als kritisch erkannt. Häufige Ursachen für das Auftreten von Oberschwingungen ist die Verwendung von nicht linearen Lasten in Produktionsprozessen. Dazu zählen beispielsweise:

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

Diese nicht linearen Lasten führen zu einer Verzerrung von Netzspannung und -strom, die idealerweise sinusförmig angelegt sind. Besonderes Augenmerk muss hier auf die charakteristische Netzimpedanz (= Wechselstromwiderstand / komplexer Innenwiderstand) des elektrischen Energieversorgungsnetzes im jeweiligen Produktionsbetrieb gelegt werden. In der Praxis werden häufig die Begriffe „hartes“ bzw. „weiches“ Netz für eine Charakterisierung verwendet. In einem harten Energieversorgungsnetz (kleine Netzimpedanz) wirkt sich ein hoher Oberschwingungsanteil weniger stark auf die angeschlossenen elektrischen Verbraucher aus, als in einem weichen Netz (große Netzimpedanz).

Wird ein bestimmter netz- bzw. transformatorabhängiger Grenzwert überschritten, kann dies zu Problemen in der Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern und damit zu deren Ausfall führen. Eine wichtige Kenngröße in diesem Zusammenhang ist zum Beispiel die Kurzschlussimpedanz (U_K) des Einspeisetransformators zur Versorgung der Gleichrichter.

Parameter zur Beurteilung der Netzqualität

b) Arbeitspunkt: 29 V / 3450 A (100 kW) DCNachfolgend werden einige Parameter zur Beurteilung und Bewertung der Netzqualität kurz erläutert. Diese Parameter sollten bei der Gleichrichterinstallation (> 100 kW) stets berücksichtigt und mit den Projektpartner abgeklärt werden.

In der Praxis werden die gesamt harmonische Verzerrung des Stromes (THD_I) bzw. der Spannung (THD_U) herangezogen, um die Qualität eines Versorgungsnetzes zu beurteilen. Diese Werte sind wie folgt definiert:

Total Harmonic Distortion of Voltage (THD_U) gibt die gesamtharmonische Verzerrung der Versorgungsspannung an. Dieser Wert ist definiert als der Quotient des Effek- tivwertes der Oberschwingungsspannungen im Verhältnis zum Effektivwert der Grundschwingung der Versorgungsspannung. Häufig wird dieser Wert als die geometrische Summe aller Spannungs-/Oberschwingungsanteile in Bezug auf den Effektivwert der Grundschwingung bis einschließlich der 40. Oberschwingung berechnet.

Ein niedriger THD_U Wert gilt grundsätzlich als Synonym für gute Spannungsqualität.

Total Harmonic Distortion of Current (THD_I) gibt die gesamtharmonische Verzerrung des Stroms an. Dieser Wert ist definiert als der Quotient des Effektivwertes der Oberschwingungsströme im Verhältnis zur Grundschwingung des Stromes. Dieser Wert wird messtechnisch an einem bestimmten Lastpunkt zu einem genauen Zeitpunkt ermittelt. Häufig wird dieser Wert als die geometrische Summe aller Stromoberschwingungsanteile in Bezug auf den Grundschwingungsstrom bis einschließlich der 40. Oberschwingung berechnet.

c) Arbeitspunkt: 35 V / 4275 A (150 kW) DCAlle erzeugten Oberschwingungsströme in einem Netzwerk müssen durch die vorhandenen Impedanzen und alle weiteren parallelen Zweige fließen, was zu nichtlinearen Spannungsabfällen an den Impedanzen führt. Die dadurch erzeugten Oberschwingungsspannungen verbreiten sich auf das gesamte Netzwerk und verursachen an anderen Geräten Verzerrungen der Versorgungsspannungen. Dadurch ist die harmonische Verzerrung des Stroms eine Ursache für die Verzerrung der Spannung.

Vorhandener Einspeisetransformator:

• Kurzschlussimpedanz des Einspeisetransformators – U_K Wert: diese Angabe dient zur Beurteilung, ob es sich bei dem vorhandenen Energienetz um ein „weiches“ bzw. „hartes“ Netz handelt. Anhand der Kurzschlussimpedanz kann ein Impedanzwert für das Energieversorgungsnetz abgeleitet werden.
• Auslastung des Einspeisetransformators: bei Bestandsanlagen sollte die Auslastung des bestehenden Versorgungstransformators für die Gleichrichter geprüft werden. Besonderes Augenmerk sollte auf die verfügbaren Reserven gelegt werden, um die Gleichrichter gemäß den Spezifikationen zu betreiben.

Die zuvor genannten Punkte dienen lediglich für eine grobe Beurteilung eines Bestandnetzes. Eine aussagekräftige Bestandsanalyse des Kundennetzes kann nur durch eine Fachfirma erfolgen. Diese Analyse berücksichtigt das Zusammenspiel zwischen den vorhandenen Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen in typischen Betriebspunkten. Häufig erfolgt eine Netzwerksimulation, um Schwachstellen zu identifizieren und geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen.

Oberschwingungen in Verbindung mit (Galvanik-) Gleichrichtern

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

Technische Maßnahmen zur Kompensierung von Oberschwingungen

d) Arbeitspunkt: 40 V / 5000 A (200 kW) DCPraktikable Lösungen zur Kompensation von Oberschwingungen sind:

• Passive Oberschwingungsfilter: Mit diesen Filtern kann eine deutliche Reduktion des Oberschwingungsanteils und eine Erhöhung des Leistungsfaktors erreicht werden. Allerdings arbeiten diese Filtersysteme nur bei Nennleistung der Last effektiv, da die elektronischen Komponenten auf den Nennbetriebspunkt ausgelegt werden. Im Teillastbetrieb nimmt der Oberschwingungsanteil zu und der Leistungsfaktor reduziert sich. Der resultierende Spannungsabfall über den Filter muss berücksichtigt werden.
• Aktive Oberschwingungsfilter: Die genannten Nachteile der passiven Oberschwingungsfilter können durch eine aktive Filterlösung kompensiert werden. Prinzipiell können aktive Oberschwingungsfilter als dynamische Stromquelle bezeichnet werden. Diese Filter werden parallel zur Last installiert und analysieren die resultierenden Stromoberschwingungen. Anhand der Analyse kann ein entsprechender, entgegengesetzter Strom eingespeist werden. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion von Oberschwingungen. Da der Filter parallel zur Last installiert wird, muss nicht der gesamte Laststrom erzeugt werden, sondern lediglich der erforderliche Kompensationsstrom.
• Aktive Gleichrichtung – Active Front End(AFE)- Technologie: Verbraucher mit Active Front End Technologie verfügen über eine aktive Gleichrichtung des Wechselstroms, dadurch erfolgt eine Stromentnahme mit nahezu perfekter Sinuswellenform. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion von Oberschwingungen bzw. einer Erhöhung des Leistungsfaktors auf nahezu 1,00. Damit einhergehend ist eine Verringerung des Phasenstroms, dadurch kann die Stromversorgung der Verbraucher auf nahezu Nennwirkleistung ausgelegt werden. Active Front End Technologie ist aus technischer Sicht die beste Möglichkeit um Oberschwingungen direkt zu reduzieren. In der industriellen Praxis hat sich diese Technologie bereits seit einigen Jahren schon etabliert und bewährt, z.B. für den Betrieb von:
• Frequenzgeregelten Antrieben
• Umrichter für Be- und Verarbeitungsmaschinen
• Roboter und Handhabungsgeräte

Im Vergleich zu Verbrauchern mit aktiven bzw. passiven Netzfiltern können Geräte mit AFE-Technologie einen höheren elektrischen Wirkungsgrad aufweisen. Denn hier werden keine zusätzlichen Komponenten eingebaut, die den Systemwirkungsgrad verringern.

Vorteile durch die AFE-Technologie

Gleichrichter mit AFE-Technologie verhalten sich wie eine ohmsche Last im elektrischen Verbrauchersystem. Ermöglicht wird dieses Verhalten durch die PWM-Steuerung des Gleichrichters, die zu einer deutlichen Reduktion der Spitzen von Stromoberwellen führt.

Die sinusförmige Stromentnahme verhindert Spannungsverzerrungen, eine Oberwellenkompensation für die Gleichrichter ist deshalb nicht erforderlich. Damit verbunden ist eine Erhöhung des Leistungsfaktors von standardmäßig 0,95 auf 1,00. Harmonische Schwingungen (THD_I) werden dadurch auf unter 3 % reduziert. Die phasengleiche Stromentnahme führt zu einer Reduktion des Phasenstroms und dadurch zu einer geringeren Belastung des Versorgungstrafos. Des Weiteren sind zu nennen:

• keine Kommutierungseinbrüche, d.h. keine Beeinträchtigung anderer elektrischer Verbraucher
• sehr geringe Blindleistung durch ohmsches Verhalten von Strom und Spannung
• sinusförmige Stromentnahme führt zu geringerer Netzbelastung
• keine Spannungsverzerrung und somit keine Überdimensionierung des Einspeisetransformators erforderlich
• Anregung zur Netzschwingung wird unterbunden

Die Abbildungen 1a–d verdeutlichen die sinusförmige Stromentnahme aus dem Versorgungsnetz. Referenzgleichrichter in diesem Fall ist eine Power Station pe5910 mit AFE-Technologie – 40V/5000A DC bzw. 200 kW DC.