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Block Transformatoren-Elektronik

Harmoniebedürftig: Wie geeignete Oberschwingungsfilter Energie sparen und das Klima schützen

| Autor/ Redakteur: Andreas Lauer / Ines Stotz

In elektrischen Stromnetzen, von der Industrie über Bürogebäude bis zum Privathaushalt, treten beim Betrieb elektrischer Anlagen und Verbraucher Netzrückwirkungen — und auch erhebliche Geräuschentwicklungen auf. Beides zu reduzieren hat sich Block Transformationen auf die Fahnen geschrieben.

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Harmonic Filter HFM-FB: dient der Sicherstellung sinusförmiger Netzströme
Harmonic Filter HFM-FB: dient der Sicherstellung sinusförmiger Netzströme
( Archiv: Vogel Business Media )

Die alte Dahlander-Schaltung ist Vielen nur noch aus Geschichtsbüchern bekannt. In einer Zeit zunehmend begrenzterer Ressourcen aufgrund des weltweit wachsenden Energiehungers ist heute der Frequenzumrichter aus der modernen Antriebstechnik nicht mehr wegzudenken. Er ist klein und sehr effektiv. Er hilft Anlagen energieeffizient zu fahren und somit den CO2-Ausstoßzu verringern sowie dem Anlagenbetreiber durch weniger Stromverbrauch bares Geld zu sparen. Nur, jede noch so hell funkelnde Medaille hat auch eine Kehrseite: Alle Frequenzumrichter produzieren Oberschwingungen – so genannte Harmonische — die sich auf das gesamte Verbrauchsnetz auswirken und schon ist es vorbei mit der Harmonie.

Oberschwingungen und deren Herkunft

Der grüne Graph zeigt die Grundschwingung und der blaue Graph die Summe der harmonischen Schwingungen der 5., 7. und 11. Oberschwingung. Der rote Graph stellt die Summe der Grundschwingung und der Oberschwingungen dar und zeigt die Verzerrung des Eingangssignals (Archiv: Vogel Business Media)
Der grüne Graph zeigt die Grundschwingung und der blaue Graph die Summe der harmonischen Schwingungen der 5., 7. und 11. Oberschwingung. Der rote Graph stellt die Summe der Grundschwingung und der Oberschwingungen dar und zeigt die Verzerrung des Eingangssignals (Archiv: Vogel Business Media)

Die vom Energieversorger gelieferte Netzspannung sollte für alle Verbrauchsstrukturen, ob Industrie oder Privathaushalt, eine gleichförmige Sinusspannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz sein. Dieser Idealfall ist jedoch in realen Netzen verschwindend gering. Ursache sind Oberschwingungen, die etwa als Folge des Einsatzes von Frequenzumrichtern entstehen. Diese verändern die Netzfrequenz, um variable Frequenzen für den Betrieb von elektrischen Antrieben bereit zu stellen. Dabei wird der Sinus des Netzes gleichgerichtet. Anschließend wird das gleichgerichtete Signal entsprechend der gewünschten, eingestellten Ausgangsfrequenz getaktet. Dies geschieht üblicherweise mit einer Taktfrequenz von 4 bis 16 kHz im Umrichter. Bei diesem Vorgang wird jedoch nicht nur das Ausgangssignal — wie es gewollt ist — verändert, sondern auch das sinusförmige Eingangssignal des Netzes verzerrt und mit Oberschwingen überlagert, die sich dann zur Grundschwingung addieren.

Verschlechterung der Netzqualität

Das hat weitreichende Folgen: Es kommt zu Erwärmungen von Leitungen und Störungen in Anlagen. Schlimmsten Falls wirken sich diese Erscheinungen so aus, wie bei den sogenannten „Blackouts“ in den USA und Italien . Umso deutlicher wird die Gefahr wenn man sich die Verbrauchs- Eckdaten der deutschen Industrie betrachtet: Der Stromverbrauch liegt hier bei etwa 240 TWh/Tag. Davon verbrauchen die etwa 30 Mio. Maschinen in Deutschland 65 Prozent. Allerdings ist nur jede achte Maschine bisher drehzahlgeregelt — rund 26 Mio. Maschinen arbeiten demnach noch ohne Umrichter. Was dies für das deutsche Verbrauchsnetz bedeutet kann man sich leicht vorstellen. Eine zunehmende Oberschwingungsbelastung ist die Folge.

Aber nicht alleine Frequenzumrichter sind Ursache für Belastungen des Netzes. Auch ein steigender Anteil anderer elektronischer Verbraucher wie etwa Energiesparlampen trägt dazu bei.

Filter von Block schaffen Abhilfe

Hier bietet Block Transformatoren aus Verden/Aller mit seinen Harmonic-Filter-Modulen (HFM) kostengünstige und vor allem technisch ausgereifte Lösungen an, um den durch Oberschwingungen entstehenden Netzrückwirkungen entgegen zu wirken. Basierend auf einer passiven Filtertechnik bieten die Module einen hohen Wirkungsgrad gepaart mit hoher Zuverlässigkeit.

Oberschwingungen ohne HFM (Archiv: Vogel Business Media)
Oberschwingungen mit HFM (Archiv: Vogel Business Media)

Aber nicht nur die signifikante Reduzierung der Oberschwingungen und die Einhaltung der gängigen Normen (IEC, IEEE) sind herausragende Argumente bereits in der Anlagenplanung HFM von Block einzubeziehen. Der kostenreduzierende Aspekt ist ebenfalls nicht unerheblich. So lässt sich der Effektivstrom um bis zu 30 Prozent senken, was die Betriebskosten der Anlage senkt. In der Planung sind zudem Leitungen und Transformatoren kleiner dimensionierbar, was wiederum geringere Anschaffungskosten zur Folge hat. Weitere Vorteile ergeben sich aus der erhöhten Anlagenlebensdauer, weniger Störungen und somit reduzierten Ausfallzeiten.

Sogar das Klima profitiert vom Einsatz dieser Filtertechnik. Durch effizientere Energienutzung ist allein in Europa ein Einsparpotential von 12 Mio. Tonnen CO2 bei drehzahlgeregelten Antrieben möglich.

Disharmonie durch Lärm

Leise und wirkungsvoll: LR3 (Archiv: Vogel Business Media)

Jedoch sind nicht nur Netzrückwirkungen ein wichtiges Thema sondern auch die Geräuschentwicklung in Anlagen. Besonders im Wohn- und Bürobereich ist dieses Thema in den letzten Jahren immer wichtiger geworden. Denn mit dem Einzug von Frequenzumrichtern etwa in Waschmaschinen, Lüftungsanlagen und Aufzügen ist nicht mehr nur die industrielle Anforderung gefragt sondern auch die komplexe Frage des Lärms in Bereichen wo sich Menschen aufhalten.

Neben störenden Lüfter- und Motorgeräuschen sind vor allem die Induktivitäten in den passiven Filtern — vornehmlich auch Motor- oder Netzdrosseln — für unangenehme Geräusche verantwortlich.

Da es sich bei der Wechselrichter-Ausgangsspannung um eine durch Pulsweitenmodulation erzeugte Spannung handelt, muss eine Motordrossel eingesetzt werden, um den Motor vor zu hohen Spannungsflanken zu schützen. Gleiches gilt für Netzdrosseln, wenn sie an einem aktiven, rückspeisefähigen Gleichrichter betrieben werden und somit ebenso einer direkten Pulsung ausgesetzt sind. Die pulsweitenmodulierte Spannung eines Wechselrichters erzeugt einen Strom, der durch die Tiefpassfilterwirkung des Filters zu einem geglätteten Stromfluss in den Motor oder in das Netz führt. Trotzdem sind im Strom mittels Fourierzerlegung noch deutliche Amplituden im Spektrum bei den Taktfrequenzen und ihren Vielfachen erkennbar, die zu unangenehmen Geräuschemissionen im Filter und im Motor führen können. Gerade bei den hohen Taktfrequenzen liegt die Hörschwelle niedriger als bei den tiefen Grundfrequenz-Anteilen, was als sehr störend empfunden wird.

Lärmspektrum (Archiv: Vogel Business Media)

So definiert ein weltweit führender Aufzughersteller auch sehr strikte Grenzwerte für die Geräuschentwicklung der Drosseln und Filter in seinen Anlagen, denn ein ständiges 4-kHz-Pfeifen ist für niemanden ein angenehmes Geräusch. Beim Entwurf von leisen Drosseln und Filtern ist jedoch einiges Know-how gefragt, mit dem die Spezialisten bei Block hervorragend ausgestattet sind.

Andreas Lauer, Bereichsleiter der Entwicklung Netzqualität und induktive Sonderkomponenten, Block Transformatoren

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