Frequenzumrichter senken den Energieverbrauch, zeichnen sich durch hohe Flexibilität aus und werden daher in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt. Wie viele andere elektronische Systeme verursachen sie aber harmonische Oberwellen. Es ist daher wichtig, beim Einsatz von Frequenzumrichtern diese Art der Netzverschmutzung mit ihren Auswirkungen zu kennen und gezielte Maßnahmen zu deren Minderung zu treffen.
Unter Idealbedingungen hat der vom Verteilnetz gelieferte Wechselstrom eine sinusförmige Wellenform. In der realen Welt weichen jedoch Spannung und Strom aufgrund von „Verschmutzung“ durch harmonische Verzerrung von dieser reinen Wellenform ab. Oberschwingungen werden normalerweise als Prozentwert, den sogenannten Oberschwingungsgehalt (THD – Total Harmonic Distortion), angegeben. Es handelt sich dabei um das Verhältnis des effektiven Oberschwingungsgehalts zum Effektivwert der Grundfrequenz. Enthält die Spannung oder der Strom keine Oberschwingungen, hat dieser einen Wert von 0 %. Nimmt der Anteil der Oberschwingungen zu, steigt auch der THD.
Die Reduzierung der Oberschwingungen – häufig auch als Oberschwingungsdämpfung bezeichnet – hat bei allen Verbrauchern hohe Priorität, da sonst Strafen durch den Netzbetreiber drohen können. Die Verbesserung der Qualität der Netzspannung durch geringe Oberschwingungen ist eine wesentliche Anforderung in der Industrie. Manche Branchen, wie die Wasser- und Abwasseraufbereitung, müssen niedrige Oberschwingungswerte einhalten, um Schäden an den Einrichtungen nahe gelegener Wohngebäude zu vermeiden, die an das gleiche Netz angeschlossen sind. Andere energieintensive Branchen, wie die Papier- und Zellstoffindustrie, die Metallindustrie, Öl- und Gasraffinerien, Zementherstellung und die chemische Industrie, müssen Oberschwingungen und Verluste reduzieren, um ihre Anlagen effizient und optimal betreiben zu können.
Wie entstehen Oberschwingungen und was können mögliche Folgen sein?
Verursacht werden Oberschwingungen durch nichtlineare Lasten, die an das Stromnetz angeschlossen sind. Die daraus resultierende Spannungs-Verzerrung ist eine Form der „Verschmutzung“ einer elektrischen Anlage, die Probleme verursachen kann, wenn die Summe der Oberschwingungsströme bestimmte Grenzen überschreitet. Beispiele dafür sind Frequenzumrichter, elektronisch kommutierte Motoren, LED-Beleuchtungssysteme, Fotokopierer, Computer, USV, Fernsehgeräte und die meisten elektronischen Geräte mit einem Netzteil. Eine starke harmonische Verzerrung kann zu folgenden Problemen führen:
- Überhitzung von Transformatoren, Kabeln, Schutzschaltern und Sicherungen
- Fehlauslösung von Schutzschaltern und Sicherungen
- Instabiler Betrieb von Notstrom-Generatoren und sensiblen elektronischen Geräten
- Flackernde Lampen
Um die zusätzliche Belastung durch Oberschwingungsanteile tragen zu können, müssen Anlagen überdimensioniert oder zusätzliche Maßnahmen zur Reduzierung der Oberwellen getroffen werden. Werden Oberschwingungen bei der Auslegung und Konzeptionierung einer Anlage nicht ausreichend berücksichtigt, kann dies zum unerwarteten Ausfall und zu zusätzlichen Kosten führen. Oberschwingungen können somit auch wirtschaftliche Folgen haben.
Lösungen zur Abschwächung von Oberschwingungen
Die Alternative zur Überdimensionierung der Betriebsmittel besteht darin, Geräte zu installieren, die in erster Linie weniger Oberschwingungen erzeugen. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die durch Frequenzumrichter erzeugten Oberschwingungen zu mildern. Im Folgenden sind einige übliche Antriebs-Lösungen mit ihren typischen THDi-Werten aufgeführt.
- Sechs-Puls-Frequenzumrichter, keine Drossel
Für einen Standard-Sechs-Puls-Frequenzumrichter ohne Oberschwingungsdämpfung gelten Werte für die Stromverzerrung zwischen 90 und 120 % als typisch.
- Sechs-Puls-Frequenzumrichter mit 3–5%-Drossel
Ein Standard-Sechs-Puls-Frequenzumrichter mit einer zusätzlichen DC-Drossel oder AC-Eingangsdrossel reduziert den Oberwellenstrom auf 35 bis 45 %. Viele Frequenzumrichter haben eine solche Drossel bereits integriert.
- Passive Filter
Bei Lösungen mit passiven Filtern wird der Frequenzumrichter netzseitig mit zusätzlichen Filtern ausgestattet. Moderne Bauarten weisen eine auf eine bestimmte Oberschwingung abgestimmte Spule-Kondensator-Spule-Anordnung auf. Mit passiven Oberwellenfiltern wird eine Stromverzerrung unter Nennbedingungen zwischen 5 und 10 % erreicht. Sie weisen allerdings ein ausgeprägtes Teillastverhalten auf. Diese Kombination ist eine weitverbreitete Lösung.
- Aktive Filter
Ein aktiver Oberwellenfilter funktioniert wie geräuschreduzierende Kopfhörer. Er misst die Stromverzerrung und gibt dann eine entgegenwirkende Wellenform aus, welche die Verzerrung aufhebt. Die aktive Oberschwingungsdämpfung ist effektiv, und es werden üblicherweise harmonische Stromverzerrungen zwischen 4 und 7 % erreicht. Diese Lösung kommt oftmals bei bereits bestehenden Anlagen zur Nachrüstung zum Einsatz.
- Multipuls-Lösungen
Ein Standard-Frequenzumrichter ist eine 6-Puls-Einheit, während es sich bei Multipuls-Niederspannungseinheiten normalerweise um 12-Puls- oder 18-Puls-Bauarten handelt. Aufgrund der erforderlichen Hardware haben Multipuls-Einheiten den größten Platzbedarf aller eigenständigen Lösungen zur Oberschwingungsdämpfung. Die Stromverzerrung einer 18-Puls-Einheit liegt bei 5 bis 6 %, die einer 12-Puls-Einheit bei 10 bis 12 %.
- Frequenzumrichter mit aktiver Einspeiseeinheit – Ultra-Low Harmonic Drives (ULH)
Bei einem Frequenzumrichter mit aktiver Einspeiseeinheit besteht der Gleichrichter nicht aus Dioden, sondern aus IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Der IGBT-basierte Gleichrichter wird so gesteuert, dass er dem Frequenzumrichter die Entnahme eines nahezu sinusförmigen Stroms aus dem Netz ermöglicht. Im ULH-Frequenzumrichter sind zudem LCL-Filter (Spule-Kondensator-Spule) integriert. Der LCL-Filter filtert dabei Hochfrequenz-Rauschen, welches durch das Schalten der IGBTs entsteht.
Ein ULH-Frequenzumrichter erreicht eine Stromverzerrung zwischen 3 und 5 %, weshalb diese Geräte auch als Ultra-Low Harmonic Drives bezeichnet werden. Ultra-Low Harmonic Drives stellen eine sehr kompakte Lösung dar. Der Grundschwingungs-Leistungsfaktor (cos[φ]) ist eins, das heißt, sie beziehen nahezu keinen Blindstrom. Die Geräte weisen auch ein hervorragendes Verhalten im Fall von Oberschwingungen bei Teillast auf. Aufgrund der besonderen Schaltungstechnik ist der Umrichter sehr unempfindlich gegen Spannungsschwankungen und ebenfalls in der Lage, Spannungsabfälle über längere Motorkabelstrecken oder gegebenenfalls einen Sinusfilter zu kompensieren. Dies wirkt sich positiv auf die Motor-Dimensionierung aus. Die Installation eines ULH-Frequenzumrichters ist einfach, da er ein einzelnes, kompaktes Gerät ist.
Fazit
Anlagen mit behandelten Oberschwingungen überzeugen mit einer höheren Zuverlässigkeit und längeren Lebensdauer ihrer Betriebsmittel. Dies macht sich schnell bezahlt. Ultra-Low Harmonic Drives stellen dabei eine besonders attraktive Lösung dar, da sie Oberwellen am Ort des Entstehens reduzieren, einen lastunabhängigen Grundschwingungs-Leistungsfaktor von eins aufweisen und nahezu immun gegen Spannungsschwankungen sind. Die Nachfrage nach Ultra-Low Harmonic Drives wächst, da die Nutzer von Frequenzumrichtern und die Energiewirtschaft zunehmend mit den negativen Auswirkungen von Oberschwingungen und geringen Leistungsfaktoren konfrontiert sind. Hinzu kommt, dass die Anforderungen an die Qualität der Netze strenger werden.