Netz in Gefahr

Netzfilter - Aktive elektronische Filter reduzieren Netzrückwirkungen durch nichtlineare Stromverbraucher und helfen zudem Kosten sparen. Weitere Vorteile bringt dabei die Splittung der Kompensationsleistung.

16. Oktober 2007

Steigende Energiepreise zwingen zu einem schonenden Umgang mit schwindenden Ressourcen und zu einer drastischen Verringerung des Energieverbrauchs. Zudem hat nicht zuletzt auch die Diskussion über Klimawandel und CO2-Ausstoß zu einem umweltpolitischen Umdenken vieler Firmen geführt. In diesem Zusammenhang spielt gerade die elektrische Antriebstechnik eine wichtige Rolle. Kein Wunder also, dass Anlagen immer mehr mit drehzahlgeregelten Antrieben ausgerüstet werden.

Die Schattenseite des Energiesparens

Ein Nachteil des verstärkten Einsatzes von Frequenzumrichtern, aber auch anderer energiesparender Technologien wie etwa Energiesparlampen, ist die zunehmende Beeinträchtigung der Netzqualität. Idealerweise sollte die von den Energieversorgungsunternehmen gelieferte Netzspannung für Haushalt, Gewerbe und Industrie eine gleichförmige Sinusspannung mit konstanter Amplitude und Frequenz sein. Dieser Idealfall ist heute in öffentlichen Netzen jedoch nicht mehr anzutreffen. Die Ursache sind Verbraucher, die einen nichtsinusförmigen Laststrom aufnehmen, damit also nichtlinear sind. Alle nichtlinearen Verbraucher erzeugen Abweichungen von der idealen Sinusform, Eine typische Belastung des Netzes erzeugt zum Beispiel die häufig verwendete B6-Brücke eines Eingangsgleichrichters.

Diese Verzerrungen der Sinusform des Versorgungsnetzes als Folge nichtlinearer Stromaufnahme von Verbrauchern nennen Fachleute Netzrückwirkung oder auch Oberschwingungen. In modernen Versorgungsnetzen sind sie unvermeidlich und in gewissen Grenzen auch zulässig. Für die Beurteilung der Netzqualität betrachtet man die Oberschwingungen bis 2,5 Kilohertz, entsprechend der 50. harmonischen Oberschwingung. Die Oberschwingungen mit den stärksten Auswirkungen sind die fünfte und die siebte, also die Frequenzen von 250 und 350 Hertz. Eine zu große Verzerrung bzw. ein zu großer Oberschwingungsgehalt führt dazu, dass zum Beispiel empfindliche elektronische Steuerungen, Computer und Regelgeräte nicht mehr einwandfrei funktionieren und sogar Blindstrom-Kompensationsanlagen zerstört werden können. Die Oberschwingungsbelastung des Netzes bringt erhebliche Nachteile für Anlagen und Verbraucher mit sich.

Ungewollte Folgen

Das Übertragungsnetz, darin eingebundene Transformatoren oder auch Kompensationsanlagen in der Industrie sind für die Nennfrequenz des Netzes, z. B. 50 Hertz, berechnet und ausgelegt. Höherfrequente Schwingungen, wie sie die Oberschwingungen darstellen, verursachen deshalb erhebliche Kosten: Sie erhöhen die Bezugskosten für elektrische Energie ebenso wie den Aufwand durch die höhere Blindleistungsbelastung und die Notwendigkeit der Überdimensionierung von Komponenten und Anlagenteilen.

So kommt es durch Änderung der Impedanz von Kondensatoren und Spulen in den Kompensationsanlagen zu erhöhten Verlusten. Diese müssen durch das Versorgungsnetz bereitgestellt werden, was zu höheren Kosten führt. Weitere Kosten entstehen durch die notwendige größer ausgelegte Kühlung. Daneben besteht die Gefahr, dass die Kondensatoren und Spulen Schwingkreise mit Resonanzfrequenzen im Bereich der Oberschwingungen bilden, was im schlimmsten Falle zur Zerstörung der Kompensationsanlage führt.

Ein weiterer Punkt ist die höhere thermische Belastung der verwendeten Transformatoren. Grund sind höhere Ummagnetisierungsverluste, wie auch ein insgesamt höherer Strombedarf bei gegebener Last. Um den Transformator nicht zu überlasten, ist er größer auszulegen, mit der Folge weiter steigender Investitionskosten. Ist dies nicht mehr möglich, beispielsweise in bestehenden Anlagen, reduziert sich die maximale Auslastung unter den vorher berechneten Auslegungspunkt. Ein ähnlicher Effekt gilt auch bei den Leitungen: Ein größerer Querschnitt oder gar eine Parallelinstallation mehrerer Kabel ist mit deutlich erhöhtem finanziellen Aufwand verbunden. Nichtlineare einphasige Verbraucher wie Computer, Ladegeräte, Monitore oder Phasenanschnittsteuerungen rufen auf dem Neutralleiter Ströme hervor, die mit der dritten Harmonischen einhergehen und den Neutralleiter überlasten können. Eine teure Vergrößerung des Kabelquerschnitts kann dies verhindern.

Eine verzerrte Versorgungsspannung kann zudem empfindliche Verbraucher in ihrer Funktion einschränken oder im schlimmsten Fall außer Funktion setzen. Zu diesen Verbrauchern zählen Prozessleitsysteme, Steuerungskomponenten oder Messeinrichtungen, die zur gewünschten Funktionsweise intern saubere Spannungspegel benötigen. Doch auch wenn die Netzqualität sich in einem Bereich bewegt, in der ein regulärer Betrieb noch möglich ist, kann es zu vorzeitigen Ausfällen kommen. Gründe liegen in einer schnelleren Alterung von Bauteilen, einer partiellen Überlastung von Komponenten und den Auswirkungen höherer Verlustwärme.

Aktive Filter gegen Netzrückwirkung

Die Rückwirkungen elektronischer Leistungssteuerungen lassen sich reduzieren. Bei Danfoss-Frequenzumrichtern beispielsweise sind sie bereits serienmäßig durch zusätzliche Filterelemente begrenzt. Die Vielzahl aller nichtlinearen Verbraucher erfordert jedoch in zunehmendem Maße Lösungen, die diesen negativen Einfluss auf die Netzqualität drastisch reduzieren. Mögliche Lösungen lassen sich in passive und aktive Maßnahmen unterscheiden. Zu den passiven Lösungen zählen beispielsweise spezifisch wirkende Saugkreise, passive Oberwellenfilter oder eine Quasi-12-Puls-Schaltung. Mit den weiter verbesserten und im Leistungsbereich angepassten Halbleitern ergeben sich in Verbindung mit modernster Mikroprozessortechnik weitere Ansatzpunkte. Ein neuer Weg ist der Einsatz von aktiven elektronischen Filtersystemen. Danfoss präsentiert bis Ende des Jahres ein solches elektronisch gesteuertes, aktives Filter unter dem Namen VLT Active Filter AHF 4. Diese aktiven Filter berechnen auf Basis einer permanenten Messung der Netzströme die Komplementäre zu den aktuellen Oberschwingungen und speisen diese anschließend mit einer aktiven Stromquelle gezielt ein, sodass sich in der Summe wieder die sinusförmige Stromform ergibt. Im Vergleich zu den passiven Systemen benötigen aktive Filter eine hoch auflösende und schnelle Messdatenerfassung, eine hohe Rechnerleistung im Reglerteil sowie schnell schaltende IGBT. Der Aufbau unterteilt sich in Messgrößenerfassung, Reglerteil, Energiespeicher (Kondensatoren) sowie IGBT-Schaltglieder. Die Ankopplung an das Netz erfolgt mittels Koppelinduktivitäten.

Filter nach Leistung dimensioniert

Aktive Filter bieten weitaus mehr Möglichkeiten als passive Lösungen. So lassen sich damit Saugkreise nachbilden, ohne Rücksicht auf sich ändernde Netztopologien nehmen zu müssen. Durch entsprechende Parametrierung lassen sich zudem einzelne Oberschwingungen bedämpfen, während andere unberücksichtigt bleiben. Damit lässt sich der maximal zur Verfügung stehende Filterstrom gezielt zur Bedämpfung nach Betreibervorgabe einsetzen. Damit lässt sich dieses Filter wesentlich freier in der Anlage aufstellen. So muss es nicht zwingend in unmittelbarer Nähe zum Oberwellenemittenten installiert sein, vielmehr genügt die Zugänglichkeit zur entsprechenden Einspeisung oder Verteilung.

Die Dimensionierung des Filters orientiert sich an der Leistung, die im zu bedämpfenden Zweig angeschlossen ist. Als Faustformel gilt, dass circa 35 Prozent des zu bedämpfenden Laststroms als Filterleistung bereitgestellt werden muss. Damit lassen sich die Geräte äußerst kompakt bauen, und die Verlustleistung ist im Vergleich zu passiven Oberschwingungsfiltern bei ähnlich hohen Wirkungsgraden deutlich reduziert. Der zusätzlich erforderliche Klimatisierungsbedarf sinkt erheblich.

Falko Wiehle, Danfoss GmbH/ps

Erschienen in Ausgabe: 07/2007