Ungestörte Stromversorgung

Antriebstechnik

Filter – Der Einsatz von Frequenzumrichtern verursacht störende Rückkoppelungen ins elektrische Versorgungsnetz. Eine Geld und Energie sparende Abhilfe leisten aktive elektronische Filter.

15. Oktober 2009

Energieeffizienz ist ein Gebot der Stunde. Der zunehmende Einsatz energiesparender Produkte, von Energiesparleuchten bis Frequenzumrichtern, bleibt jedoch nicht ohne Folgen auf die Netzqualität, was wiederum zu höheren Kosten führt, bis hin zu Ausfällen angeschlossener Geräte. Die Ursache für Störungen durch solche nichtlinearen Verbraucher sind Rückkoppelungen in das speisende Netz. So laden zum Beispiel in Frequenzumrichtern die Gleichrichterbrücken regelmäßig die Zwischenkreiskondensatoren nach und erzeugen so einen stoßförmigen Ladestrom an Stelle eines kontinuierlichen Stromflusses.

Solche nichtsinusförmigen Ströme lassen sich mithilfe der Fourieranalyse in eine Vielzahl sinusförmiger Einzelkomponenten mit verschiedener Frequenz zerlegen, die in unterschiedlichem Maße in das Netz zurückwirken. Den deutlichsten Effekt haben dabei die Oberschwingungen oder »Harmonischen« mit dem Fünf- bis Elffachen der Netzfrequenz, also mit 250 bis 550 Hertz. Die Übertragungsnetze, Transformatoren und Kompensationsanlagen sind jedoch für den Betrieb mit Netzfrequenz ausgelegt. Störungen durch Oberschwingungen steigern deshalb nicht nur die Energiekosten aufgrund der höheren Blindleistungsbelastung, sondern verursachen auch höhere Investitionskosten aufgrund von Überdimensionierung oder durch Ausfälle empfindlicher Verbraucher.

Aufwendige Regelung

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, ist der mittlerweile verbreitete Einsatz von Antriebssystemen mit aktiven Gleichrichterbrücken, sogenannte Active Front End (AFE)-Lösungen. Dabei erhalten die Umrichter auf der Eingangsseite anstelle der B6-Diodenbrücke eine Brücke mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), die den vollen Gerätestrom führen können muss. Zusätzlich erfassen solche Geräte am Eingangskreis die Höhe und Form des zum Netz hin fließenden Stromes. Die Regelelektronik steuert dann die netzseitigen IGBT so an, dass sich der Ladestrom der Zwischenkreiskondensatoren nicht stoßförmig, sondern sinusförmig ausbildet. Ein im Eingangskreis installiertes LCL-Filter reduziert die Auswirkungen der netzseitig wirkenden Taktfrequenz. Das aktive Einspeisen von Stromanteilen ins Netz bedingt dabei eine um 10 bis 20 Prozent höhere Zwischenkreisspannung, verglichen mit einem konventionell mit Dioden bestückten Frequenzumrichter. Diese höhere Zwischenkreisspannung erfordert jedoch gegebenenfalls eine verstärkte Motorisolation, um der höheren Belastung standzuhalten, insbesondere beim Bremsbetrieb; entsprechendes gilt für die Kabel.

Aktive Dämpfung

Einen kostengünstigeren Weg, die Oberschwingungen wirkungsvoll zu bedämpfen, bietet der Einsatz von aktiven elektronischen Filtersystemen. Solche Systeme verhalten sich wie eine aktive Stromquelle, die in Echtzeit die Komplementäre des gemessenen Netzstromes beliebiger Form berechnet und einspeist bzw. absaugt, sodass der gewünschte sinusförmige Stromverlauf entsteht.

Der Aufbau aktiver Dämpfungsmaßnahmen ist vergleichsweise komplex. So erfordern solche Systeme eine hoch auflösende und schnelle Datenerfassung, eine hohe Rechnerleistung im Reglerteil sowie schnell schaltende IGBTs. Grundsätzlich besteht ein aktives Filter aus Messgrößenerfassung, Reglerteil, Energiespeicher (Kondensator), Ladeschaltung und IGBT-Schaltgliedern. Die parallele Ankopplung des Filters ans Netz erfolgt mittels eines LCL-Netzwerkes. Auf den ersten Blick finden sich also viele Parallelen zur oben beschriebenen Active-Front-End-Lösung, jedoch ergeben sich durch die räumliche Trennung vom Frequenzumrichter in der Praxis andere Einsatzmöglichkeiten und Funktionen.

Gezielte Bedämpfung

So bietet zum Beispiel der dänische Antriebstechnikspezialist Danfoss separate Filter zum Nachrüsten an, mit denen sich unter anderem einzelne Oberschwingungen gezielt bedämpfen lassen, um die Anforderungen des Energieversorgers oder des Betreibers mit minimalem Aufwand zu erfüllen. So müssen zum Beispiel für das Bedämpfen eines mit B6-Brücke ausgestatteten Antriebs lediglich rund 35 Prozent des Umrichterstroms als Filterstrom verfügbar sein. Die erforderlichen Leistungskomponenten lassen sich daher deutlich kleiner auswählen. Zudem reduzieren sich wegen des geringeren Filterstroms auch die Verluste. Weitere Vorteile eines separaten aktiven Filters und Frequenzumrichters im Vergleich zu Lösungen mit aktiver Gleichrichterschaltung sind die kompakte Baugröße sowie die vergleichsweise geringe Verlustleistung.

Insgesamt ermöglicht die aktive Filterung von Oberschwingungen eine Reduktion der gesamten harmonischen Verzerrung (THDi) auf weniger als 5 Prozent. Weil aktive Filter im Gegensatz zu aktiven Gleichrichterlösungen parallel ans Netz bzw. den Emittenten geschaltet werden, kann eine geeignete Aufteilung der aktiven Filter zudem eine mögliche Havarie der Filterkomponenten verhindern.

Für neu konstruierte Anlagen bietet Danfoss zudem die Antriebe der Baureihe VLT Low Harmonic Drive (LHD), die die Vorteile des aktiven Filters mit denen des drehzahlgeregelten Antriebs in kompakter Bauform vereinigen. Durch die angepassten Filter präsentieren sich die Antriebe dem speisenden Netz als nahezu linearer Verbraucher. Dabei reduzieren sie die Oberwellen permanent unabhängig von der Netz- und Laststabilität und ohne Beeinträchtigung des angeschlossenen Motors.

Fakten

- Die Danfoss-Gruppe mit Hauptsitz in Nordborg/Dänemark ist ein international führender Hersteller von Kälte-, Wärme- und Versorgungstechnik mit 93 Produktionsstätten in 25 Ländern.

- Der Geschäftsbereich VLT Antriebstechnik produziert Frequenzumrichter, Softstarter und dezentrale Antriebe.

- Der Sitz der deutschen Niederlassung ist Offenbach am Main.

Falko Wiehle, Danfoss GmbH/bt

Erschienen in Ausgabe: 07/2009