Frequenzumrichter Energieeffizient bei sauberem Netz

Das Streben nach höherer Energieeffizienz belastet teilweise die Netzspannung und führt damit zu zusätzlicher Belastung angeschlossener Geräte. Auch die Motorregelung mit Umrichtern trägt dazu bei: Der Anwender sollte Maßnahmen für eine saubere Netzsspannung ergreifen.

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Oberschwingungen können zu Fehlern, reduzierter Verfügbarkeit bis hin zu Totalausfällen in Gebäuden und Anlagen führen. Die Ursache - mangelnde Netzqualität – ist nicht sofort ersichtlich. Denn Netzrückwirkungen sind ohne entsprechende Messtechnik nicht zu erkennen. Die Rückwirkungen eines Geräts alleine sind meist nicht tragisch, erst die Summation bringt Probleme. Dann heißt es: Gegenmaßnahmen ergreifen.

Auswirkungen der Netzrückwirkungen

Elektronischen Verbraucher wie Energiesparleuchten, Frequenzumrichter etc. nehmen einen nichtsinusförmigen Laststrom auf. Der steigende Anteil dieser nichtlinearen Verbraucher erzeugt heute immer größere Abweichungen von der reinen Sinusform der Netzspannung, was in gewissen Grenzen zulässig ist. Die Bewertung erfolgt über den THD-Wert (Total Harmonic Distotrtion). Die Beurteilung der Oberschwingungen erfolgt bis zur 50. Harmonischen (entspricht 2,5 kHz). Die stärksten Auswirkungen haben die 3., 5. und 7. Harmonische, also die Frequenzen von 150, 250 und 350 Hz. Ein zu großer Oberschwingungsgehalt kann dazu führen, dass empfindliche elektronische Steuerungen, Computer und Regelgeräte nicht mehr einwandfrei funktionieren oder einzelne Verbraucher vorzeitig ausfallen. Weitere mögliche Auswirkungen:

• Erhöhte Belastung, z.B. Zerstörung von Blindleistungskompensationsanlagen.

• Überdimensionierung von Trafo oder Leitungen erforderlich.

• Eingeschränkte Funktionssicherheit und Lebensdauer von Netzkomponenten und den angeschlossenen Verbrauchern.

Das Übertragungsnetz, Trafos oder Kompensationsanlagen sind für die Nennfrequenz des Netzes berechnet und ausgelegt. Belastungen durch zusätzliche Verzerrungsblindleistung werden bei der Planung der Anlagen meist nur selten berücksichtigt.

Netzanalysen für die richtigen Gegenmaßnahmen

Grundlage zum Bewerten der Netzqualität ist das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG). Es gelten die Verträglichkeitspegel der VDEW-Richtlinien/EN50160/EN61000-2-4 bzw. für Industrienetze EN 61000-2-2. Bei Einhaltung dieser Pegel erfüllen alle Geräte und Systeme in elektrischen Versorgungsnetzen ihre bestimmungsgemäße Funktion störungsfrei. Wird aufgrund mehrerer nichtlinearer Verbraucher in einer Anlage notwendig, den Oberschwingungsgehalt zu reduzieren, hilft eine Netzanalyse bei der Auswahl geeigneter Maßnahmen (siehe Kasten). Bei schwachen Netzen oder bei Notstrombetrieb kann das schnell erforderlich werden.

Optimal wäre eine messtechnische Netzanalyse vor Ort. Alternativ lässt sich die Vorbelastung und die zukünftige Belastung bei Erweiterung oder Aufrüstung der Anlage mit Hilfe von Tools (wie der HCS-Software von Danfoss) rechnerisch ermitteln. Mit ihr lassen sich auch Maßnahmen auf ihre Wirksamkeit hin prüfen. Es gilt: Je später Maßnahmen ergriffen werden, desto teurer sind sie für den Anwender.

Gegenmaßnahmen treffen

Netzrückwirkungen lassen sich bereits im Gerät wirkungsvoll reduzieren. Reicht dies in der Gesamtanlage nicht aus, müssen zusätzliche passive oder aktive Maßnahmen genutzt werden. Das können Saugkreise, passive Oberschwingungsfilter, 12-Puls-Schaltungen oder aktive Filtersysteme sein. Aktive Filter berechnen auf Basis einer Messung der Netzströme die Komplementäre der aktuellen Oberschwingungen und speisen sie mit einer Stromquelle gezielt so ein, dass sich durch Auslöschung in der Summe wieder eine sinusförmige Stromform ergibt. Der Aufbau dieser neuen Filtergeneration ist im Vergleich zu passiven Systemen aufwändiger, dafür lassen sich aktive Filter flexibel im Netz einsetzen, sie müssen nicht in unmittelbarer Nähe zu einem bestimmten Verbraucher installiert werden. Da der Leerlaufstrom bei Teillast- oder Schwachlast wesentlich geringer als bei passiven Filtern ist, ergibt sich eine hohe Effizienz.

Ein Patentrezept gibt es nicht

Ein Patentrezept für die Eliminierung von Netzrückwirkungen gibt es nicht. Vielmehr muss der Anwender im Einzellfall die Ist-Situation ermitteln und die für die gesamte Installation beste und wirtschaftlichste Lösung anstreben. Bei der Anschaffung neuer Betriebsmittel sollten Projektierer wie Anlagenbetreiber neben der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Energieeinsparung auf reduzierte Netzrückwirkungen achten (Leistungsfaktor lambda), da dies später notwendig werdende Investition für Filter reduziert und im Gegenzug die Betriebssicherheit gewährleistet.

* Hartmut Dorner, Teamleader Harmonics and EMCDanfoss GmbH, VLT Antriebstechnik

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