Oberschwingungen schaden elektrischen Geräten. Doch die meisten Filterlösungen überfordern die Anwender in ihrer Komplexität.
Holger Kretzschmar von Reinhausen Power Quality erklärt, wie es einfacher geht: mit dem Systembaukasten „Total Harmonic Solution“.
Total Harmonic Solution — das klingt nach einer Lösung, die alle Probleme beseitigt. Was verbirgt sich dahinter?
In der Tat ist das der Anspruch, den wir mit der „Total Harmonic Solution“ verfolgen. Genau genommen handelt es sich um einen Systembaukasten aus passiven und aktiven Filterlösungen, mit dem sich alle Arten von unerwünschten Oberschwingungen in Nieder- und Mittelspannungsnetzen beseitigen lassen. Auch solche, die in Zukunft noch zunehmen werden.
Warum war die Entwicklung notwendig? Was erwartet uns?
Die Netze haben sich verändert. Früher war die Welt noch einfach, da ging es nur darum, die Blindleistung zu kompensieren, damit die Spannung stabil bleibt und Übertragungsverluste gesenkt werden. Seit den 2000er-Jahren ändert sich das: Bei Maschinen kommen immer mehr frequenzgeregelte Antriebe zum Einsatz. Die sind zwar sehr energieeffizient, doch die Leistungselektronik hat negative Rückwirkungen auf das Netz, die ganze Fertigungsstraßen lahmlegen können.
„Kleine Leistungselektronik geht bei höheren Schwingungen schnell kaputt. Das kann teuer werden, wenn eine ganze Halle mit LED-Lampen beleuchtet wird.“
Anfangs war es vor allem die 5. Harmonische die Probleme verursachte. Um diese zu lösen, reichten zunächst Passivfilter. Doch mit der steigenden Anzahl frequenzgeregelter Antriebe tauchten weitere Oberschwingungen auf, wir mussten uns nun auch um die 7., 11. bis hinauf zur 51. Harmonischen kümmern. Das geschieht mit Aktivfiltern. Und jetzt stehen wir vor der Situation, dass sogenannte Supraharmonics, also Schwingungen in höheren Frequenzbereichen von zwei bis neun Kilohertz, Störungen verursachen.
Eine Lösung für alle
Eine saubere Spannung ist bei zahlreichen Anwendungen eine wichtige Voraussetzung für den zuverlässigen Betrieb. Unliebsame Netzrückwirkungen können ihn stören, verursachen damit Kosten und führen manchmal sogar zu Totalausfällen. Mit dem Systembaukasten „Total Harmonic Solution“ lassen sich solche Störungen mit vereinfachtem Planungsaufwand vermeiden. Vier Beispiele, bei denen die Filterlösung von Power Quality für eine stabile Spannung sorgen kann.
Beispiel 1: Automobilbranche
Ein klassisches Anwendungsfeld für Filterlösungen ist die Automobilbranche. Dort macht Leistungselektronik es möglich, massenhaft, zuverlässig und hoch automatisiert zu produzieren. Genau das stellt aber auch ein beachtliches Störungsrisiko dar.
Beispiel 2: Wasserwirtschaft
Die Wasserwirtschaft strebt eine hohe Energieeffizienz an. So werden in modernen Klärwerken zunehmend Energieerzeugungsanlagen mit Frequenzumrichter (zum Beispiel Solar) integriert, um elektrische Pumpen zu betreiben, die wiederum selbst zunehmend mit Frequenzumrichtern ausgerüstet werden. Störende Oberschwingungen sind somit vorprogrammiert.
Beispiel 3: Windkraft
Bei der Stromerzeugung mit Windkraft entstehen Oberschwingungsströme, die die Netzqualität empfindlich stören. Überschreiten Anlagen häufig die vorgeschriebenen Grenzwerte, müssen sie vom Netz, im schlimmsten Fall droht sogar der Verlust der Betriebserlaubnis.
Beispiel 4: Schiffe
Auf Schiffen ist komplexe Elektronik verbaut. Zum Einsatz kommen frequenzgeregelte Antriebe für Kompressoren, Bug- und Heckstrahler, Hauptantriebe mit mehreren Megawatt Leistung sowie Wechselrichter für die Landversorgung. Dadurch kann es schnell zu einer Belastung des Bordnetzes durch Oberschwingungen kommen.
Sogenannte Active Frontends (AFE), also Frequenzumrichter, sind die Quelle. Und die werden in Zukunft noch viel häufiger eingesetzt. Früher haben die Supraharmonics niemanden gestört, eine Stanzmaschine ist robust genug, sie auszuhalten, aber moderne Lasten werden immer empfindlicher, wie das Beispiel LED-Leuchten zeigt. Kleine Leistungselektronik geht bei höheren Schwingungen schnell kaputt. Das kann teuer werden, wenn eine ganze Halle mit LED-Lampen beleuchtet wird. Also haben wir gesagt: Wir müssen eine Lösung finden, die solche Probleme ein für alle Mal beseitigt.
Wie sieht die Lösung aus?
Im Prinzip greifen wir auf Bewährtes zurück. Der Passivfilter GRIDCON® CHF beseitigt die 5. Harmonische. Für manche Anwendungen reicht dieser Baustein. Den umfassenderen Schutz bietet der Aktivfilter GRIDCON® ACF, der den Bereich bis zur 51. Harmonischen abdeckt. Und für die Supraharmonics gibt es unser neu entwickeltes SHU-Filtermodul. Dank dem modularen Aufbau können die Kunden genau das wählen, was sie wirklich benötigen.
„Probleme mit Oberschwingungen wird es mit der Total Harmonic Solution nicht mehr geben.“
Auch Nachrüstungen sind möglich. Was die Total Harmonic Solution aber wirklich besonders macht, ist die von uns über viele Jahre immer weiter optimierte Gerätesoftware. Sie misst die Oberschwingungen, der Algorithmus bewertet fortlaufend die Störpegel und steuert automatisch dagegen, sodass die hinterlegten Grenzwerte nicht überschritten werden. Bei der Programmierung haben wir auch die Erfahrungen einfließen lassen, die unsere Servicetechniker im Feld bereits gemacht haben. Ein Vorgehen nach Lehrbuch reicht eben nicht, wenn wir die Realität abbilden möchten.
Filterlösungen haben den Ruf, sehr kompliziert zu sein …
Das ist richtig. In der Praxis gibt es zahlreiche individuelle Lösungen, die sehr komplex und überdimensioniert sind. Zudem ist die Parametrierung bei Inbetriebnahme oder Netzumbauten sehr aufwendig. Bei unserem standardisierten Ansatz ist das anders. Wir wollten eine Lösung, die — etwas zugespitzt gesagt — so einfach, sicher und langlebig wie ein Blitzableiter ist und sich nach dem Plug-and-play-Prinzip installieren lässt. Und das genau dort, wo sie benötigt wird oder ausreichend Platz ist.
Je nach Ausgangslage reicht manchmal auch schon die Installation eines sehr kompakten Wandgeräts. Unser Baukastenprinzip gibt auch das her. Stromwandler sind dabei nicht erforderlich und auch ein Parallelbetrieb mit weiteren Filtern ist möglich — mehr Flexibilität geht nicht. Das System reguliert sich automatisch und filtert genau das, was benötigt wird. Wenn ein Betrieb seine Fertigungsstraße umstellt und sich das Netz dadurch ändert, ist das ebenfalls kein Problem — die neue Parametrierung läuft von alleine, da muss kein Servicetechniker hinfahren.
Für welche Anwendungen ist die Lösung geeignet?
Für alle, die Probleme mit Oberschwingungen haben. Klassischerweise trifft das auf fast alle hoch automatisierten Fertigungen zu wie beispielsweise in der Automobilindustrie. Aber auch in Klärwerken, bei Wind- und Solarparks und sogar für Bordnetze auf Schiffen sind unsere Filterlösungen gefragt.
REINHAUSEN INSIDE
Die Systemlösung Total Harmonic Solution besteht aus drei frei kombinierbaren Komponenten:
- GRIDCON® CHF für die 5. Harmonische
- GRIDCON® ACF für die 3. bis 51. Harmonische
- SHU-Filtermodule für die sogenannten Supraharmonics im höheren Frequenzbereich bis 10 kHz
Die Software ist so programmiert, dass sich die Regelung selbstständig mit hoher Präzision an das jeweilige Netz und sein spezifisches Schwingungsverhalten anpasst. Die Installation ist denkbar einfach und funktioniert nach dem Plug-and-play-Prinzip — eine aufwendige Parametrierung entfällt.
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H.Kretzschmar@reinhausen.com