Oberschwingungen

EMV-Fachtagung 2013
Die Schaffner Gruppe
Netzqualität - Oberschwingungen
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Referent
Alexander Kamenka
Application Manager Power Quality
Schaffner Gruppe
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Themen
(1) Netzqualität
(2) Netzrückwirkungen
(3) Oberschwingungen
(4) Kompensationstechniken und deren Applikation
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(1)
Netzqualität
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Was ist Netzqualität?
Die komplexe Struktur der heutigen Energieversorgung:
Energieerzeugung
(Kraftwerk)
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Transport und Verteilung
(EVU / VNB / Verbundnetze)
Sparsame und effiziente
Energienutzung (Kunde)
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Was ist Netzqualität?
Die Qualität für diese komplexe Struktur ist als Versorgungsqualität definiert und setzt sich zusammen aus:
• Versorgungszuverlässigkeit (Unterbrechungen pro Minute)
• Spannungsqualität
• Servicequalität (Interaktion Netzbetreiber / Kunde)
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Was ist Netzqualität?
• Spricht man von Netzqualität werden die Parameter Versorgungszuverlässigkeit und Servicequalität
aussen vor gelassen
• Qualität der Versorgungsspannung!
• Eine Beschreibung der Netzqualität erfordert eine Reihe von Parametern
• EN50160 definiert die wesentlichen Merkmale der Spannungsversorgung am Verknüpfungspunkt / der
Übergabestelle (PCC) = so genannte Mindestanforderungen der Spannungsqualität
• 61000-4-30 definiert die Messmethoden der Parameter zur Netzqualität
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Was ist Netzqualität?
• Verknüpfungspunkt V (Point of Common Coupling – PCC)
• A, CZ, D: Punkt in einem öffentlichen Netz, der elektrisch einer bestimmten Anlage eines Netzbenutzers
am nächsten liegt und an den andere Netzbenutzer angeschlossen sind oder werden können
• CH: Die Eigentumsgrenze zum Stromversorgungsnetz unabhängig von der Anzahl der Verbraucher oder
Anlagen der Netzbenutzer. In der Regel sind dies die Klemmen des Anschlussstromunterbrechers im
Hausanschlusskasten
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Was ist Netzqualität?
• Folgende Parameter sind für die Netzspannungsqualität relevant :
• Spannungseinbrüche
• Spannungshöhe, langsame Spannungsänderungen
• Versorgungsunterbrechungen (kurz, lang)
• Schnelle Spannungsänderungen, Flicker
• Spannungsunsymmetrie
• transiente und netzfrequente Überspannungen
• Frequenz
• Spannungsform (Oberschwingungen, Zwischenharmonische, Signalspannungen)
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Was ist Netzqualität?
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Was ist Netzqualität?
TAB, WV,
DACHCZ
EN50160
PCC
FU
Verteilnetzbetreiber
•
Qualität der
Versorgungsspannung
Qualität des Netzes
(Kurzschlussleistung,
Netzimpedanz)
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•
Störfestigkeit und Störaussendung
Strom
Spannung und Impedanz
Kunde
•
Anlagen und Geräte sind so zu
betreiben, dass Störungen
anderer Kunden und störende
Rückwirkungen auf an das
Verteilnetz angeschlossene
technische Einrichtungen und
Anlagen ausgeschlossen sind
(TAB, Werkvorschriften)
M
EMVG
EN61000-2-x
EN61000-3-xx
Gerätehersteller
•
Gerät arbeitet in seiner
elektromagnetischen Umgebung
zufriedenstellend ohne dabei selbst
elektromagnetische Störungen zu
verursachen, aufgrund derer der
bestimmungsgemäße Betrieb anderer
Betriebsmittel oder Anlagen in derselben
Umgebung nicht möglich wäre.
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Was ist Netzqualität?
• Eine gute Netzqualität und damit das zuverlässige Funktionieren von Anlagen und Geräten
kann also immer nur ein Zusammenspiel zwischen Verteilnetzbetreiber, dessen Kunden und
dem Gerätehersteller sein
• Einen wesentlichen Bereich der Störungen und Einflüsse der Netzspannung stellen
Netzrückwirkungen dar.
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(2)
Netzrückwirkungen
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Netzrückwirkungen
• Von Netzrückwirkung spricht man, wenn der Betrieb eines elektrischen Verbrauchers Einfluss auf die
Stabilität der Stromversorgung nimmt
Oder anders gesagt:
• Netzrückwirkungen sind alle Einflüsse zusammengefasst, die von den Lastströmen auf dem Wege von der
Spannungsquelle zum Verbraucher in Verbindung mit den Impedanzen im Netz ausgehen und sich auf die
Netzspannung am Anschlusspunkt auswirken
• Sie entstehen wenn Betriebsmittel mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie oder mit
nichtstationärem Betriebsverhalten (Ein- und Ausschaltvorgänge) an einem Stromnetz betrieben werden
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Netzrückwirkungen
• Spannungsänderungen und Flicker
• Oberschwingungen
Netzrückwirkungen (meist durch Kundenanlagen)
• Unsymmetrie
• Frequenz
• Spannungsniveau
• Unterbrechungen
• Spannungseinbrüche
• Transiente Überspannungen
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Netzbetrieb
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Netzrückwirkungen
Relevante Norm für Deutschland, Österreich, die Schweiz und Tschechische Republik
• D-A-CH-CZ – Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen (2. Ausgabe von 2007)
• Inhalt: Grenzwerte für die Spannungsqualität (Verträglichkeitspegel)
• Einhaltung der D-A-CH-CZ erlaubt Einhaltung der EN50160 durch die EVU’s !
• Die Grenzwerte für Netzrückwirkungen (Emissionen) sind abhängig von den Verhältnissen am
Verknüpfungspunkt definiert:
Netzkurzschlussleistung 𝑆𝑘𝑘
Anlagenleistung 𝑆𝐴
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Netzrückwirkungen
Faustregel zur Netzrückwirkungen:
• Je grösser die Netzimpedanz… (lange Leitungen, kleine Querschnitte, unterdimensionierte Trafos)
• …desto kleiner die Netzkurzschlussleistung…
• …umso grösser sind die zu erwartenden Netzrückwirkungen (Verbraucher- und Netzstörungen)
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(3)
Oberschwingungen
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Oberschwingungen - Auswirkungen
Wir alle kennen die Auswirkungen von Oberschwingungen, wie:
• Überlastung von Transformatoren, Kabeln und Anlagen
• zusätzliche Erwärmung und schnellere Gerätealterung und -ausfall
• störende Geräuschentwicklungen
• Zerstörung der Kondensatoren zum Beispiel in PFC-Systemen.
• Fehlfunktionen z.B. bei der Steuerung von Stromrichtern durch das Auftreten von
Mehrfachnulldurchgängen
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Oberschwingungen - Auswirkungen
• Funktionsstörungen bei Rundsteuerempfängern
• unkontrolliertes Abschalten von Betriebsmitteln und Produktionsprozessen in industrielle Anlagen
• IT-Systemabstürze
• erhebliche Strombelastung des Neutralleiters bis hin zum Abbrennen
• Durch Oberschwingungen verursachte Neutralleiterströme insbesondere in TN-C Netzen vagabundieren
im gesamten Potential-Ausgleich-System über Wasser- und Heizungsrohre, Sprinkleranlagen,
Erdungssystemen, Schirmen von Datenleitungen, Videoleitungen, Kommunikationssystemen und können
an Rohrleitungen zu erhöhter Korrosion bzw. zu Lochfrass führen
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
• Die ideale Netzspannung in Energieversorgungsnetzen sollte sinusförmig sein…
• Durch Rückwirkungen nichtlinearer Verbraucher kommt es zu einer Verzerrung und damit zu einer
Abweichung von der Sinusform
• Es entstehen verzerrte Stromverläufe, die über die Impedanzen eine Verzerrung des Spannungsverlaufs
bewirken
• Diese Verzerrungen lassen sich durch Zerlegung der Schwingungen in eine Grundschwingung und jeweilige
Oberschwingungen charakterisieren und quantifizieren
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
Oberschwingungen sind also Ströme oder Spannungen,
• deren Frequenz oberhalb der 50 Hz-Grundschwingungsfrequenz liegen und die ein ganzzahliges
Vielfaches dieser Grundschwingungsfrequenz besitzen (z.Bsp: 150Hz, 250Hz, 350Hz).
• Stromoberschwingungen beteiligen sich nicht an der Wirkleistung, sie belasten das Netz nur thermisch
und verhalten sich daher ähnlich wie Blindströme.
• Jede periodische Funktion f(t) lässt sich bekanntlich als Fourier-Reihe, als Summe von Vielfachen der
Grundschwingungsfrequenz darstellen:
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
De-Komposition einer verzerrten
Sinusschwingung in ihre
Oberschwingungskomponenten:
=
Grundschwingung + 5. und 7. OS
n=1
+
n=5
+
n=7
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
• Diese De-Komposition wird üblicherweise als Oberschwingungsspektrum bis zur 50. OS dargestellt
• Die Darstellung erfolgt als Prozent der Grundschwingung %f
B6-Umrichter mit 50KW 90A rms,
keine Verdrosselung
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
Das Oberschwingungsspektrum besteht aus geraden, ungeraden und Triplen Oberschwingungen:
• Gerade OS: 2., 4., 6., 8. …
• Ungerade OS: 5., 7., 11., 13., 17., 19. …
• Triplen OS sind Vielfache von 3, wie: 3., 9., 12., 15. …
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
• Gerade OS sind unmöglich für alle Signale bei denen die positive und die negative Halbwelle eines Signals
f(t) abgesehen von ihren Vorzeichen die gleiche Form besitzen
• Alle Signale die symmetrisch bezogen auf die Zeitachse sind, erzeugen einzig ungerade OS!
Signalformen, die gerade OS erzeugen
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Signalformen, die ungerade OS erzeugen
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
Das OS-Spektrum steht in Beziehung zur Pulszahl der nicht-linearen Last:
Pulszahl
Formel
n
ℎ = (𝑛 ∗ 𝑝) ± 1
1
2
6
12
18
24
• p…Anzahl der Pulse
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Mögliche OS
ℎ = (𝑛 ∗ 1) ± 1
2,3,4,5,6,7, … (alle)
ℎ = (𝑛 ∗ 12) ± 1
11,13,23,25,35,37, … (Paare)
ℎ = (𝑛 ∗ 2) ± 1
ℎ = (𝑛 ∗ 6) ± 1
ℎ = (𝑛 ∗ 18) ± 1
ℎ = (𝑛 ∗ 24) ± 1
n…ganze Zahl (1,2,3…)
3,5,7,9, … (ungerade)
5,7,11,13,17,19,… (Paare)
17,19,35,37, … (Paare)
23,25,47,49, … (Paare)
h…OS Ordnung
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
OS
F
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Frequenz in Hz
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
Vorzeichen
+
-
0
+
-
0
+
-
0
+
-
OS-Ordnung
h=3k+1
h=3k-1
h=3k
h=3k+1
h=3k-1
h=3k
h=3k+1
h=3k-1
h=3k
h=3k+1
h=3k-1
k=1,2,3,…
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Vorzeichen
Rotation
Positiv (+)
Vorwärts (Mitsystem)
Negativ (-)
Rückwärts (Gegensystem)
Null (0)
Keine (Nullsystem)
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Konsequenzen
Erwärmung von Leitern und Schutzrelais
Erwärmung von Leitern und Schutzrelais + Motor Probleme
Addition + Erwärmung im Neutralleiter
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
Oberschwingungen 3.Ordnung (Triplen) addieren sich im Neutralleiter!
Phase A
3. Oberschwingung
3. Oberschwingung
Phase B
120°
nacheilend
3. Oberschwingung
Phase C
120°
nacheilend
Neutralleiter
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Vektorsumme der 3. OS = 3∗ 𝐼𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 !
Vektorsumme 50Hz = 0!
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
Grössen zur Beschreibung von Oberschwingungen:
• Bekannt: Es gibt Strom- und Spannungsoberschwingungen
• Stromoberschwingungen verursachen über die Netzimpedanz Spannungsoberschwingungen
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
THD = Total Harmonic Distortion,
• ist eine Angabe, um die Größe der Anteile, die durch nichtlineare Verzerrungen eines elektrischen
Signals entstehen, zu quantifizieren
• ist das Verhältnis der geometrischen Summe aller Oberschwingungen zur Grundschwingung
• wird ermittelt aus den Werten der individuellen OS
• wird sowohl im LV, MV als auch im HV Bereich benutzt
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
THDi:
• Total harmonic current distortion = Stromverzerrung: “i” -> THDi
• Manchmal auch THDI or THiD
• Formel:
𝑇𝑇𝑇𝑇 =
32
50
�
𝑛=2
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𝐼𝑛
𝐼1
2
∗ 100% =
2
2
2
𝐼52 + 𝐼72 + 𝐼11
+ 𝐼13
+ ⋯ + 𝐼50
𝐼1
∗ 100%
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
THDu:
• Total harmonic voltage distortion= Spannungsverzerrung v oder u -> THDu oder THDv
(normalerweise THDu)
• Manchmal auch: THvD oder THuD
• Formel:
𝑇𝑇𝑇𝑢 =
33
50
𝑈𝑛
�
𝑈𝑁
𝑛=2
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2
∗ 100% =
2
2
2
𝑈52 + 𝑈72 + 𝑈11
+ 𝑈13
+ ⋯ + 𝑈50
𝑈𝑁
∗ 100%
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Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung
Schaltungsart
THDi
Anwendung
Zweiweggleichrichter
mit kapazitiver Glättung
80-120% mit
dominater 3.OS
Getaktete Schaltnetzteile in EDV,
Unterhaltungselektronik,
Kompaktleuchtstofflampen
6-pulsiger Gleichrichter mit
Glättungskondensator
60%-80%
Frequenzumrichter, USV-Anlagen,
Aufzüge, Klimageräte,
Kranantriebe…
6-pulsiger Gleichrichter mit
Glättungskondensator und
Netzdrossel
40%
Frequenzumrichter, USV-Anlagen,
Aufzüge, Klimageräte,
Kranantriebe…
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Stromkurvenform
(4)
Kompensationstechniken und deren Applikation
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
• Um Netzrückwirkungen zu reduzieren, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die sich in
passive und aktive Massnahmen untergliedern lassen:
• Prinzipiell gilt aber immer, dass vor der Auswahl der Massnahme eine Netzanalyse durchführt und eine
genaue Übersicht über Netztopologie, Platzverhältnisse sowie die Möglichkeiten der Haupt- bzw.
Unterverteilungen erstellt werden sollte
• Sind in der betroffenen Anlage (im betroffenen Netz) die zu kompensierenden Netzrückwirkungen
ermittelt, können für diese Massnahmen definiert werden
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Verschiedene Kompensationstechniken zur Verbesserung der Sinusform des Eingangsstromes sind
momentan verfügbar:
• Netzdrosseln (AC Line Reactors) oder Zwischenkreisdrosseln (DC Link Chokes)
• Oberschwingungsfilter
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
• Drosseln reduzieren wirkungsvoll Oberschwingungen, die Gleichrichterschaltungen als Netzrückwirkungen
ins Versorgungsnetz zurückspeisen.
• Drosseln sind passive induktive Bauelemente
• Drosseln lassen sich vor den Frequenzumrichter, auf der Einspeiseseite oder in dessen Zwischenkreis, nach
dem Gleichrichter, schalten.
• Da die Induktivität an jeder Stelle die gleiche Wirkung hervorruft, ist die Bedampfung der
Netzrückwirkungen vom Einbauort unabhängig.
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
• Netzdrosseln (AC line reactors) in der Zuleitung verlängern die Stromflusszeit und reduzieren die
Stromspitzen im Netz -> Reduzierung der Netzrückwirkungen (Oberschwingungen)
• Vorteil von Netzdrosseln: Sie sind jederzeit nachrüstbar und schützen den Gleichrichter auch vor
Netztransienten
• Nachteil: Spannungsabfall und erhöhte Systemverluste, Reduzierung des THDi auf max. 35%
Netzdrossel
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Zwischenkreisdrosseln (DC-link chokes) bewirken eine Reduktion von di/dt und glätten den
Zwischenkreisstrom -> Reduzierung der Netzrückwirkungen (Oberschwingungen)
• Vorteil: können vom Umrichterhersteller bereits integriert werden
• Nachteil: kaum oder nicht nachrüstbar, Reduzierung des THDi auf max. 40%
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Oberschwingungsfilter
Oberschwingungsfilter sind erhältlich als
• Passive Oberschwingungsfilter
oder
• Aktive Oberschwingungsfilter
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Passive Oberschwingungsfilter
• Ein passives OS-Filter ist typischerweise eine Spule in Serie mit einem Kondensator
• Auch bekannt als “tuned filter”, da die Induktivitäten und Kapazitäten (LC) auf einzelne Harmonische
abgestimmte LC-Serienschwingkreise darstellen (z.B. 5.OS - 250Hz and 7.OS - 350Hz)
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Passive Oberschwingungsfilter
• In anderen Worten, ungewollte OS werden in das Filter “gesaugt”
• Als Ergebnis werden OS-Ströme in Wärme umgesetzt
• Allerdings sollte diese Umwandlung nicht als Verlust gesehen werden, da diese Energie ja bereits im
System als nicht nutzbare Frequenzen vorhanden sind
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Passive Oberschwingungsfilter
• Passives Oberschwingungsfilter nicht vorhanden
H5, H7, H11, H13
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Passive Oberschwingungsfilter
• Passives OS Filter installiert
MV
• L1 ist notwendig um das Filter vom Netz zu isolieren und
Resonanz zu verhindern
LV
• L2 und C stellen einen niederimpedanten Pfad für die
gewünschten Frequenzen da
H5, H7, H11; H13
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• Die Kapazitäten und Induktivitäten die als Filter
funktionieren sollen müssen sorgfältig auf die zu
reduzierenden OS abgestimmt sein (normalerweise 5.,
7., 11. und 13.)
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Passive Oberschwingungsfilter
• Passivfilter sind sind eine wirtschaftliche Lösung zur Reduzierung von Netzoberschwingungen in
Dreiphasensystemen verursacht durch spezielle Verbraucher (B6-Umrichter)
• Passive Oberschwingungsfilter sind geeignet zur Benutzung direkt an Einzellasten oder Gruppen von
Lasten
• Ein Nachteil von passiven Oberschwingungsfiltern ist die Beschränkung auf die gewählten
Oberschwingungen (5., 7., 11., 13.)
• Passivfilter können sich also nicht oder kaum an Veränderungen des Netzes anpassen
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
Aktive Oberschwingungsfilter
• Aktive Oberschwingungsfilter sind leistungselektronische PQ Geräte die permanent nicht-lineare Lasten
überwachen und dynamisch kontrollierten Kompensationsstrom liefern
• Die Kompensationsströme löschen die Oberschwingungsströme aus
• Nebst der globalen oder selektiven Reduktion von Oberschwingungsströmen kann auch gezielt
Blindleistungskompensation betrieben werden
• Gute Geräte sind heute mit Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und Digital Signal Processing (DSP)
Komponenten ausgestattet
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
I Last
I Komp
I Quelle
I Quelle = I Last + I Komp
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
• Aktive Oberschwingungsfilter sind leistungselektronische Geräte und deswegen auch teurer als passive
OS-Filter
• Aber sie bieten deswegen auch sehr viel mehr Funktionalität:
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
• Aktivfilter können an jedem Punkt des LV-Netzwerkes installiert werden und passen sich ändernden
Netzbedingungen wie zum Beispiel hochdynamischen Laständerungen an
• Aktivfilter funktionieren immer gleich, unabhängig von der Energiequelle: Transformator (EVU), Generator
oder sogar am Ausgang einer UPS
• Sie ermöglichen die selektive Kompensation aller Oberschwingungen im Bereich von 50Hz/60Hz bis
2500Hz/3000Hz (1. – 50. OS) -> Resultat: weniger als 5% THDi -> Erfüllung aller gängigen PQ Normen
• Hochdynamische Blindleistungskompensation und Verbesserung des cos phi (induktiv und kapazitiv)
• Beseitigung von Unsymmetrie
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen
• 3-Leiter Geräte
− Industrieumfeld mit VFD Anwendungen
• 4-Leiter
− Einphasenlasten getaktete Schaltnetzteile (switched-mode power supplies (SMPS))
− IT Equipment
− Gebäudetechnologie
− Vorteil: Zusätzlich auch Kompensation der Triplen OS im Neutralleiter !
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Kompensationstechniken - Oberschwingungen - Beispiele
VSD mit 50KW unverdrosselt
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VSD mit 50KW vorverdrosselt
(Netzdrossel)
VSD mit 50KW mit AHF
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Alexander Kamenka
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P +41 (0)32 681 66 29
M +41 (0)79 579 91 88
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P +41 (0)32 681 66 26 | F +41 (0)32 681 66 41 | schaffner.com
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