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Oberschwingungen begrenzen mit Filtersystemen

Bild 1. Nichtlineare Verbraucher verschlechtern zunehmend die Netzqualität. Höhere Kosten und Ausfälle sind die Folge. Abhilfe schaffen geeignete Filtermaßnahmen

Bild 2. Zwischenkreisdrosseln sorgen für eine geringe Oberschwingungsbelastung des Netzes und erhöhen die Lebensdauer der Zwischenkreiskondensatoren

Bild 3. Kompakte elektronische Filter lassen sich nicht nur überall dort platzieren, wo Raum zur Verfügung steht, bedingt durch die kleinere Bauleistung und ähnlichen hohen Wirkungsgraden ist die Verlustleistung, im Vergleich zu passiven Filtern, auch deutlich reduziert

In Zeiten knapper Budgets, hoher Renditeerwartung und gesteigerter Aufmerksamkeit bei den Produktionskosten stellt sich immer mehr die Frage nach der Notwendigkeit von vermeidbaren Investitionen. Die maximal mögliche Ausnutzung bestehender Energieversorgungseinrichtungen spielt dabei eine wichtige Rolle. Nichtlineare Verbraucher verschlechtern zunehmend die Netzqualität. Höhere Kosten und Ausfälle sind die Folge. Abhilfe schaffen geeignete Filtermaßnahmen.

Alle nichtlinearen Verbraucher, zu denen auch Frequenzumrichter mit ihren Gleichrichterbrücken zählen, belasten das versorgende Netz mit Verzerrungsblindleistung (Bild 1). Bedingt durch den Eingangsgleichrichter und die Glättung der Gleichspannung entsteht ein impulsförmiger Eingangsstrom, der je nach Gerätebauart mehr oder weniger von der Sinus-Kurvenform abweicht. Bei genauer Betrachtung dieses nicht sinusförmigen Stroms, zeigt sich, dass sich die Stromform in eine Reihe sinusförmiger Ströme unterschiedlicher Frequenzen zerlegen lässt. Sie bilden die sogenannten „Oberschwingungen“ oder „Harmonischen“, wobei sich die 3., die 5. und die 7. Oberschwingung, also die Frequenzen 150 Hz, 250 Hz und 350 Hz bei 50 Hz Netzfrequenz am stärksten auswirken. Die Betrachtung erfolgt heutzutage nur bis zu einer Grenze von 2 kHz, zukünftig ist eine Grenze von 9 kHz vorgesehen.

Oberschwingungsbelastung und die Folgen
Ein zu großer Oberschwingungsgehalt kann dazu führen, dass beispielsweise empfindliche elektronische Steuerungen oder Regelgeräte nicht mehr einwandfrei funktionieren oder Verbraucher vorzeitig ausfallen. Weitere mögliche Auswirkungen sind:

Die Oberschwingungsbelastung des Netzes bringt somit erhebliche Nachteile mit sich. Die Ursache für die Beeinflussungen ist, dass das Übertragungsnetz mit den darin eingebundenen Transformatoren oder auch Kompensationsanlagen in der Industrie für die Nennfrequenz des Netzes berechnet und ausgelegt sind. Betreiber berücksichtigen die zusätzlichen Belastungen durch Netzrückwirkungen bei der Planung der Anlagen jedoch selten. Dies führt zu einer höheren Verzerrungsblindleistungsbelastung von Übertragungsmedien, wie Kabel und Trafos; so kann eine „Überlastung“ durch Oberschwingungen einzelne Verbraucher schädigen.

Möglichkeiten der Oberschwingungsreduzierung
Um Netzrückwirkungen zu reduzieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die sich in passive und aktive Maßnahmen untergliedern lassen. Teilweise sollte bereits in der Anlagenprojektierung eine spezifische Maßnahme vorgesehen werden, da eine spätere Nachrüstung die ohnehin kostenintensive Verbesserungsmaßnahme zusätzlich verteuert. Prinzipiell bietet es sich an vor der Auswahl der Maßnahme eine Netzanalyse durchzuführen und eine genaue Übersicht über die Netztopologie, die Platzverhältnisse sowie die Möglichkeiten der Haupt- bzw. Unterverteilungen zu erstellen.
Sind im betroffenen Netz die zu dämpfenden Oberschwingungsfrequenzen ermittelt, werden für diese Filterkreise ausgelegt. Dabei spielt die Impedanz des vorliegenden, zu verbessernden Netzes eine wichtige Rolle. Saugkreise sind Reihenschwingkreise, die mit den Umgebungsbedingungen zusammenpassen müssen. In der Praxis ist somit jedes Dämpfungsglied gezielt anzupassen. Die Filterkreise reagieren allerdings nur begrenzt auf Änderungen der Netztopologie, sodass sie der Anwender nachbessern oder neu anpassen muss. Daher eignet sich diese Lösung nur für Fälle, in denen sich Netzstrukturen nur geringfügig ändern können.
Deutlich universeller einsetzbar sind passive Oberschwingungsfilter. Sie bestehen aus einer LC-Beschaltung, die auf mehrere Oberschwingungsfrequenzen wirken. Danfoss integriert serienmäßig Zwischenkreisdrosseln in seine Antriebssysteme, was die Oberwellenbelastung des Netzes nach DIN EN 61000-3-12 reduziert und die Lebensdauer der Zwischenkreiskondensatoren erhöht (Bild 2). Je nach erforderlicher Leistung erfolgt die Auslegung der LC-Beschaltung für den vollen Laststrom des Verbrauchers bzw. des Verteilungsabschnitts, wobei sich die Filterleistung aus mehreren Modulen zusammensetzen kann und daher auch später leicht anzupassen ist. Die robusten Filter werden in Reihe zu dem zu bedämpfenden Störer bzw. der zu bedämpfenden Gruppe eingebaut. Durch die rein passiven Bauelemente ist eine Parametrierung der Geräte nicht erforderlich. Betreiber können damit die Oberschwingungsströme auf Werte unter 5 % THDi reduzieren – je nach Leistungsfähigkeit der Filter.

Elektronische Filter sorgen für saubere Netze
Neue Lösungen ergeben sich mit verbesserten Halbleitern in Verbindung mit moderner Mikroprozessortechnik. So berechnen aktive elektronische Filtersysteme (Bild 3) die komplementären Ströme auf Basis einer permanenten Messung der Netzqualität und speisen sie mittels einer aktiven Stromquelle in das Netz ein. In der Summe ergibt sich dann wieder ein sinusförmiger Strom. Der Aufbau dieser Filter ist im Vergleich zu passiven Systemen vergleichsweise aufwendig. Neben einer hochauflösenden, schnellen Datenerfassung sind eine hohe Rechenleistung im Reglerteil sowie schnell schaltende IGBT erforderlich. Der Aufbau unterteilt sich in Messgrößenerfassung, Reglerteil, Energiespeicher (Kondensatoren) und IGBT-Leistungshalbleiter. Die Ankopplung an das Netz erfolgt mittels Koppelinduktivitäten.
Ein elektronischer Filter hat jedoch weitaus mehr Möglichkeiten, als eine passive Lösung. Er kann beispielsweise oben beschriebene Saugkreise nachbilden, ohne dabei Rücksicht auf sich ändernde Netztopologien nehmen zu müssen. So lassen sich in der Praxis per Auswahl in der Parametrierung des Filters gezielt bestimmte Oberschwingungen bedämpfen, andere hingegen bleiben bei Bedarf unberücksichtigt. Dies ermöglicht es, die genormten Oberschwingungspegelwerte der Anlage mit einer geringeren Leistung des aktiven Filters zu erreichen. Der maximal verfügbare Strom des aktiven Filters dient also gezielt zur Bedämpfung nach Betreibervorgabe. Selbstverständlich ist es auch möglich den Filter allumfassend arbeiten zu lassen.
Durch die Koppelinduktivitäten muss man den Filter nicht zwangsläufig in Reihe zum bedämpfenden Netzwerk oder zum Verbraucher schalten. Vielmehr reicht der Anschluss an die Einspeisung oder gegebenenfalls an die Verteilung aus. Die kompakten Geräte lassen sich dort platzieren, wo Raum zur Verfügung steht. Die Verlustleistung ist, im Vergleich zu passiven Filtern, bedingt durch die kleinere Bauleistung und ähnlich hohe Wirkungsgrade deutlich reduziert. Da der erreichbare Oberschwingungsstromgehalt bei ca. 5 % THDi liegt, lassen sich vorhandene Energiesysteme deutlich besser ausnutzen. Es kann durchaus finanziell lukrativ sein, elektronische Oberschwingungsfilter zu installieren, um die Oberschwingungsbelastung auf Kabeln und Transformatoren zu verringern. Zudem kann der elektronische Filter auch innerhalb seiner Grenzen Blindleistungskompensation betreiben und die Kompensation von Oberschwingungen, die durch das einspeisende Netz mit eingebracht werden, ist möglich.

Resümee
Jede der oben beschriebenen Möglichkeiten hat ihre spezifischen Einsatzbereiche und ist entsprechend den Randbedingungen ein wirksamer Schutz vor überhöhten Oberschwingungen. Alle sind gleichermaßen bewährt wie robust, allerdings nicht immer ohne größeren Aufwand nachzurüsten. Genau hier setzt der aktive Filter an. Im Sinne der effizienteren Ausnutzung bestehender Anlagen, dem weiterhin steigenden Einsatz nichtlinearer Verbraucher und der daraus entstehenden Belastung der Netzspannung wird die Akzeptanz der aktiven Lösungen zunehmen.

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Autor: Hartmut Dorner ist Leiter Netz¬analyse der Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik in Offenbach.