Aktiv das Netz sauber halten

Technik

Spannungsqualität - Energieeffiziente industrielle Antriebstechnik ist auf dem Vormarsch. Doch der Haken ist: Die Leistungselektronik der Frequenzumrichter hat Netzrückwirkungen. Eine neue Generation aktiver Filter kann die unerwünschten Oberschwingungen noch wirkungsvoller eliminieren.

22. Januar 2013

Die industrielle Antriebstechnik hat sich in den letzten Jahren rasant gewandelt. Sehr energieeffiziente, frequenzgeregelte Antriebe sind dank der Fortschritte in der Leistungselektronik für immer mehr Anwendungen wirtschaftlich einsetzbar. Durch ihren hohen Wirkungsgrad und ihren guten Leistungsfaktor helfen sie den Betreibern, Energie zu sparen und das Mehr an Investitionskosten gegenüber herkömmlichen Antrieben in kurzer Zeit wieder hereinzuholen. Die EU-Motorenverordnung M640/2009 und vorausgegangene Effizienzrichtlinien für Antriebe tun ein Übriges, dass sich diese Technologie breit durchsetzt.

Die zur Regelung der Motoren eingesetzten Frequenzumrichter speisen allerdings unerwünschte Obeschwingungen ins Netz zurück und beeinträchtigen so die Spannungsqualität. Industrielle Verteilnetze weisen daher häufig eine starke Belastung mit Spannungsspitzen und -schwankungen (Flicker), Last-Unsymmetrien oder Blindleistung auf. Innerhalb eines solchen Netzes können empfindliche elektronische Geräte gestört werden. Bisweilen werden sogar die gültigen Normen für Verknüpfungspunkte mit dem öffentlichen Netz verletzt.

Oberschwingungen und Blindleistung Kompensieren

Solche Störungen lassen sich ausgleichen, indem gegenphasig ein Strom von genau der benötigten Frequenz und Amplitude erzeugt wird. Sogenannte Aktivfilter kompensieren somit komplett die Oberschwingungen und die Blindleistung. Sie entlasten damit das Netz und erhöhen die Lebensdauer von Geräten und ganzen industriellen Anlagen.

»Die Trends in industriellen Verteilungsnetzen sind ganz klar. Die weit verbreitete Umrichtertechnologie verlangt nach dynamischer Kompensation von Oberschwingungen. Die Bedeutung der klassischen, passiven Blindleistungskompensation mit Kondensatoren hingegen nimmt ab«, so Holger Kretzschmar, Vertriebsleiter für Niederspannungslösungen beim Fachbereich Power Quality Management (PQM) der Maschinenfabrik Reinhausen (MR), zu aktuellen Entwicklungen im Markt für Spannungsqualität. »Auch beobachten wir die Tendenz zu höheren Betriebsspannungen, beispielsweise 690 Volt.«

Aktivfilter im IndustrieEinsatz

Ein Vorteil aktiver Filter ist ihre Schnelligkeit. Insbesondere zur Flickerkompensation ist das von Bedeutung, da hier die Spannungsänderungen beim Schalten großer Verbraucher abgefangen werden müssen. Wird die Regelung allerdings nur auf eine schnelle Anstiegszeit ausgelegt, kann es zu Überschwingern kommen.

Sollen beispielsweise beim Betrieb einer Fertigungslinie entstehende Oberschwingungen kompensiert werden, ist die möglichst genaue Ausregelung und damit Verhinderung von Überschwingern wichtiger als eine möglichst schnelle Reaktion. Eine bedarfsgerechte Parametrierung der Ausregelzeit wäre deshalb bei Aktivfiltersystemen wünschenswert.

Die Technologie der aktiven Filter wird bereits seit längerem eingesetzt. Doch führen die technologischen Fortschritte in der Leistungselektronik auch hier zu neuen Konzepten, – und damit zu neuen Möglichkeiten, Wünsche aus der industriellen Anwendungswelt zufriedenstellen zu können.

4. FilterGeneration Vorgestellt

MR präsentierte auf der Fachmesse ›SPS IPC Drives‹ Ende November in Nürnberg ihre neuentwickelte vierte Aktivfilter-Generation. Gridcon ACF ist durchgängig modular aufgebaut und kann damit sehr viel flexibler und kostengünstiger eingesetzt werden, als bisherige Filtertechnologien. Durch die Schaltungstechnik im Herzstück des Systems ergeben sich zudem neue Möglichkeiten für die industriellen Anwendungen – etwa die genannte bedarfsgerecht parametrierbare Ausregelzeit bei Schaltströmen und Spannungsänderungen.

Matthias Jacobi, Leiter Business Development bei PQM: »Mit dem Gridcon ACF reagieren wir auf mehrere Trends im Markt. So haben wir von Anfang an darauf geachtet, dass das Filter über eine hohe Spannungsfestigkeit verfügt und auch unter hohen Spannungen optimal funktioniert.«

Komplexe Verschaltung ist Herz des Systems

Herz des neuen Aktivfilter-Systems ist eine 3-Level IGBT Schaltung. Im Vergleich zu Wechselrichtern, die auf einer konventionellen2-Level-Architektur basieren, weist der Ausgangsstrom eines 3-Level-Gerätes eine geringere Welligkeit auf. Deshalb kann der Aufwand für die Glättung und Entstörung geringer ausfallen und somit entstehen weniger Verluste.

Jenseits der 50. Harmonischen

Darüber hinaus lässt sich durch die Reihenschaltung von IGBTs in einem 3-Level-Filter eine deutlich höhere Spannungsfestigkeit erzielen. Daneben eröffnet sie zudem Möglichkeiten zur Kompensation von Oberschwingungen noch höherer Ordnung. Jacobi: »Wir gehen davon aus, dass die Oberschwingungen jenseits der 50. Harmonischen zukünftig verstärkt in den Fokus geraten werden.«

Allerdings erfordert eine 3-Level-Schaltung einen höheren Aufwand für Ansteuerung und Überwachung, als die 2-Level-Variante. Die Schaltung des neuen Filters basiert auf 12 IGBTs, die konventionelle 2-Level-Schaltung lediglich aus sechs. Durch die spezielle Verschaltung halbiert sich die Spannungsbelastung der einzelnen Leistungshalbleiter. Dies führt zu geringeren Verlusten und ermöglicht den Einsatz in Netzen mit höherer Nennspannung. Durch die ebenfalls höhere Zwischenkreisspannung lassen sich zudem höhere Scheitelströme generieren, was eine Voraussetzung für die Filterung von Oberschwingungen mit hoher Bandbreite ist.

12 igbts im Einsatz bieten viele Vorteile

Die besondere Verschaltung der 3-Level-Technologie führt zur bereits erwähnten geringeren Welligkeit (englisch: riple) des Ausgangsstroms. Aufgrund des geteilten Zwischenkreises und der höheren Anzahl an IGBTs ergibt sich mit der Neuentwicklung zudem ein zusätzlicher dritter Schaltzustand am Ausgang.

Insgesamt führt diese Bauart dazu, dass bei gleicher Schaltfrequenz Netz- und EMV-Filter kleiner ausfallen können und sich die Verlustleistung reduziert.

Dank dieser Verschaltung der leistungselektronischen Kernbauteile ließ sich auch die für industrielle Anwendungsfälle bedarfsgerechte Parametrierung der Ausregelzeit realisieren und die Reaktionszeit des Systems dennoch stets unter 1ms halten.

Die Entscheidung Geschwindigkeit oder Genauigkeit stellt sich also mit dieser neuen Aktivfilter-Generation nicht mehr.

Modularer Aufbau – günstig und Robust

Ein Schaltschrank enthält bis zu vier Leistungsmodule mit einem Nennstrom von 125A bei Betriebsspannungen bis 390V. Die Kompensationsleistung kann damit passend zum Anwendungsfall dimensioniert werden. Durch zusätzliche Module oder Schränke lässt sie sich stufenweise erweitern. Auch können die modularen Aktivfilter dieser neuen Generation mit Anlagen zur passiven Blindleistungskompensation kombiniert werden.

Der modulare Aufbau erlaubt nicht nur kostengünstige Lösungen, sondern macht diese auch sehr robust gegen auftretende Fehler: Sollte ein Modul ausfallen, können die anderen Einheiten weiterarbeiten und den Betrieb überbrücken, bis der Fehler behoben ist. Das System ist so aufgebaut, dass die Module und Komponenten schnell und unkompliziert vom Betreiber selbst ausgetauscht werden können.

Mit dem Gridcon ACF sind 3Mvar und mehr pro Gesamtanlage realisierbar. Damit steht auch für dynamische Anwendungen aus der Mittelspannung genug Leistung zur Verfügung. Weiterhin reduzieren die geringen Verluste den Stromverbrauch und den Aufwand für die Klimatisierung. Dem höheren Aufwand für die Ansteuerung einer 3-Level Schaltung begegnet MR mit einem ausgeklügelten Schutzkonzept. So verfügt jedes Leistungsmodul unter anderem über eine integrierte, mehrstufige Eigenüberwachung.

Hintergrund

IGBT - Arbeitspferd der Leistungselektronik

Insulated-gate bipolar transistor (IGBT) sind Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik, die hohe Spannungs-und Stromgrenzen bieten und gleichzeitig nahezu leistungslos angesteuert werden können. Sie sind deshalb die Arbeitspferde der Leistungselektronik und haben GTO-Thyristoren weitgehend ersetzt. Der Spannungsbereich reicht bis 6,5kV bei Strömen bis 3.600A und einer Leistung bis 100MW. Die maximale Frequenz beträgt rund 200kHz. Der IGBT begrenzt den Laststrom, was Robustheit gegenüber Kurzschlüssen bringt.

Erschienen in Ausgabe: 01/2013