Der vielfältige Einsatz energiesparender Produkte, von Energiesparleuchten bis hin zu Frequenzumrichtern, bringt für Energiewirtschaft und Anlagenbetreiber zunehmend Situationen, in denen diese nichtlinearen Verbraucher die Netzqualität stark beeinträchtigen. Hoher Wettbewerbsdruck erfordert, Investitionen effizient zu planen, um die bestehende elektrische Infrastruktur optimal auszunutzen. Schlechte Netzqualität führt zu höheren Kosten bis hin zu Ausfällen angeschlossener Geräte. Geeignete Filtermaßnahmen helfen, dies zu vermeiden. Wo liegen die Unterschiede der einzelnen Lösungen und wo die Vor- und Nachteile aktiver Netzfilter, wie sie in den Low Harmonic Drives integriert sind?
Netzrückwirkungen verschlechtern Netzqualität
Nichtlineare Verbraucher, zu denen auch Frequenzumrichter zählen, verhalten sich gegenüber dem speisenden Netz nicht neutral. Ihre Gleichrichterbrücken laden die in den Geräten enthaltenen Energiespeicher, wie Zwischenkreiskondensatoren, kontinuierlich nach. Dies führt zu einem stoßförmigen Ladestrom an Stelle eines kontinuierlichen Stromflusses. Der nichtsinusförmige Strom lässt sich mit Hilfe der Fourieranalyse in eine Vielzahl sinusförmiger Einzelkomponenten zerlegen. „Harmonische“ oder „Oberschwingungen“ bezeichnen die ganzzahligen (hier: ungeraden) Vielfachen der Netzfrequenz. Der Anteil der Harmonischen nimmt mit steigender Ordnungszahl ab, am stärksten wirken sich die der 5. bis 11. Ordnung aus, also die Frequenzen von 250Hz bis 550Hz.
Oberschwingungen entstehen zwar im Verbraucher, wirken sich aber negativ auf das speisende Netz aus. Denn das Übertragungsnetz, die Transformatoren und Kompensationsanlagen sind für den Betrieb mit Netzfrequenz ausgelegt. Oberschwingungen beeinflussen die Betriebssicherheit empfindlicher Verbraucher sowie die Auslastung der Infrastruktur. Alle negativen Auswirkungen sind, jede für sich, Kosten treibend. Sie lassen sich durch höheren kostenpflichtigen Bezug elektrischer Energie, höhere Blindleistungsbelastung, durch Überdimensionierung gesteigerte Investitionskosten und/oder durch Ausfälle von Geräten nachweisen.
Gegenmaßnahmen mit aktiven Systemen
Davon ausgehend, dass Antriebssysteme größerer Leistung den überwiegenden Anteil an Oberschwingungen in einem Industrienetz hervorrufen, liegt der Ansatz nahe, diese dem Netz erst gar nicht aufzubürden. Der mittlerweile verbreitete Einsatz von Antriebssystemen mit aktiven Gleichrichterbrücken, sogenannte Active Front End (AFE-)Lösungen, ist eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen. Dabei verzichtet der Hersteller auf der Eingangsseite des Umrichters auf den Einsatz einer B6-Diodenbrücke und ersetzt diese durch eine IGBT-Brücke, die den vollen Gerätestrom führen können muss.
Zusätzlich erweitert er den Eingangskreis durch eine Strommessung, die Höhe und Form des Stromes zum Netz hin erfasst. Die Regelelektronik steuert die netzseitigen IGBT so an, dass sich der Ladestrom der Zwischenkreiskondensatoren nicht wie üblich stoßförmig, sondern sinusförmig ausbildet. Dazu nimmt die AFE Strom aus dem Netz auf, speist aber auch aktiv ins Netz zurück. Das aktive Einspeisen von Stromanteilen bedingt eine um 10 bis 20% höhere Zwischenkreisspannung, verglichen mit einem konventionell mit Dioden bestückten Frequenzumrichter. Positiver Nebeneffekt ist die damit vorhandene Rückspeisefähigkeit dieses Systems, die allerdings nur in wenigen Fällen zum Tragen kommt. Ein im Eingangskreis installiertes LCL-Filter reduziert die Auswirkungen der netzseitig wirkenden Taktfrequenz. Gleichzeitig führt der motorseitige Wechselrichter die höhere Zwischenkreisspannung dem Motor zu. Dessen Isolation ist gegebenenfalls zu verstärken, um der höheren Belastung stand zu halten, insbesondere beim Bremsbetrieb. Ähnliches gilt für die Kabel.
Ein anderer Weg, Oberschwingungen wirkungsvoll und kostengünstiger zu bedämpfen, liegt im Einsatz von aktiven elektronischen Filtersystemen. Der Grundgedanke basiert auf einer aktiven Stromquelle, die gezielt die berechneten Komplementäre des in Echtzeit gemessenen Netzstromes beliebiger Form einspeist bzw. absaugt, so dass resultierend die gewünschte sinusförmige Stromform entsteht.
Der Aufbau der aktiven Dämpfungsmaßnahmen ist vergleichsweise komplex. Eine hoch auflösende und schnelle Datenerfassung ist erforderlich, ebenso hohe Rechnerleistung im Reglerteil sowie schnell schaltende IGBT. Grundsätzlich besteht ein aktives Filter aus Messgrößenerfassung, Reglerteil, Energiespeicher (Kondensatoren), Ladeschaltung und IGBT-Schaltgliedern. Die parallele Ankopplung des Filters an das Netz erfolgt mittels eines LCL-Netzwerkes. Auf den ersten Blick sind also viele Parallelen zur oben beschriebenen Active Front End Lösung zu finden, jedoch ergeben sich durch den vom Frequenzumrichter getrennten Aufbau in der Praxis durchaus andere Einsatzmöglichkeiten und Funktionen.
Der von Danfoss verfügbare, separate Filter lässt sich einfach nachrüsten. Es ist daher möglich, einzelne Oberschwingungsemittenten zu bedämpfen. Der separate Filter ist universeller einsetzbar als das oben beschriebene System. Die Parametrierung des Filters ermöglicht unter anderem, ganz gezielt bestimmte Oberschwingungen zu bedämpfen, andere hingegen unberücksichtigt zu lassen, und die gestellten Anforderung des Energieversorgers oder Betreibers mit minimalem Aufwand zu erfüllen. Die Faustformel besagt, dass zum Bedämpfen eines mit B6-Brücke ausgestatteten Antriebs ca. 35% des Frequenzumrichterstroms als Filterstrom verfügbar sein müssen.
Die erforderlichen Leistungskomponenten lassen sich daher deutlich kleiner auswählen und die entstehenden Verluste reduzieren sich wegen des geringeren Filterstroms ebenfalls. Kompakte Baugröße, sowie vergleichsweise positive Gesamtbilanz der Verlustleistung bei separatem Aktiven Filter und Frequenzumrichter im Vergleich zu Lösungen mit aktiver Gleichrichterschaltung steigern die Attraktivität zusätzlich. Ein THDi von <5% ist möglich. Durch geschickten Einsatz und Aufteilung der zu installierenden aktiven Filter, lässt sich auch dem Havariefall der Filterkomponenten gut vorbeugen, denn im Gegensatz zu aktiven Gleichrichterlösungen werden Aktive Filter parallel ans Netz bzw. den Emittenten geschaltet.
Ist keine nachträgliche Verbesserung der Netzqualität erforderlich oder möglich, besteht bei Neuplanungen selbstverständlich auch die Möglichkeit, gezielt größere Antriebe mit einer aktiven Filterung auszustatten. Danfoss hält hierfür die VLT® Low Harmonic Drives (LHD) bereit. Sie vereinen die Vorteile des aktiven Filters mit denen des drehzahlgeregelten Antriebs in idealer Weise. Die durch den Frequenzumrichter hervorgerufenen Harmonischen werden mit dem leistungsmäßig angepassten Aktiven Filter in kompakter Bauform als Einheit zur Verfügung gestellt. Die LHD präsentieren sich dem speisenden Netz damit als nahezu linearer Verbraucher.
Während die Reduzierung von Oberwellen bei anderen Technologien von der Netz- und Laststabilität abhängt oder sich auf den Motor auswirkt, regeln die LHD permanent die Netz- und Lastbedingungen ohne Beeinträchtigung des angeschlossenen Motors. Sie sind besonders motorfreundlich ausgelegt. Ausgangsspitzen- und Wellenspannungen sind kompatibel mit Motoren gemäß IEC 60034-17/25.
VLT® Low Harmonic Drive zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade, Kühlung über einen rückseitigen Kühlkanal und benutzerfreundlichen Betrieb aus. Sie erfüllen alle Oberwellenanforderungen. Er zeigt die Geräteleistung im Hinblick auf das Netz und gibt eine grafische Übersicht über das Netzverhalten.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass aktive Filtermaßnahmen die Vorteile bestehender passiver Systeme mit denen der aktiven Gleichrichterschaltung kombinieren. Sie stellen diese in kompakter, vergleichsweise preiswerter und sehr effizienter Form bereit und lassen sich nachträglich an exponierter Stelle einsetzen. Aktive Lösungen sind eine sehr gute Wahl, die Netzqualität zu verbessern, sofern keine Rückspeisefähigkeit erforderlich ist.