April 2014

Vollautomatische Blindleistungskompensation

Alles unter Kontrolle

Mit EPCOS Blindleistungsreglern lassen sich selbst komplexe Kompensationsaufgaben vollautomatisch bewältigen. Die Regler sorgen für ein schonendes Schalten der Kondensatoren und können gleichzeitig eine Reihe von Messdaten erfassen.

Werden induktive Lasten wie Motoren oder Transformatoren am Wechselstromnetz betrieben, entsteht eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom und damit Blindstrom sowie Blindleistung. Dieser Blindstrom sollte allerdings möglichst vermieden werden, da er keinen Nutzen hat, aber trotzdem produziert werden muss und damit Kosten verursacht. Mit Kondensatoren geeigneter Leistung, die parallel zur induktiven Last geschaltet werden, lassen sich Blindströme kompensieren (Abbildung 1) und somit vermeiden. Neben einer Kostenersparnis beim Verbraucher werden so die Energienetze entlastet und die Spannungsqualität verbessert.

Abbildung 1: Induktive Last mit und ohne Kompensation

Links: Induktive Last unkompensiert. Hierbei kommt es zu einer deutlichen Verschiebung zwischen Spannung (blau) und Strom (rot). Rechts: Induktive Last durch einen Kondensator kompensiert. Hier liegen Strom und Spannung wieder in Phase.

Die Parallelschaltung von Induktivität und Kapazität stellt einen Resonanzkreis dar, der den Phasenwinkel von Spannung und Strom korrigiert. Im Idealfall ist der Phasenwinkel 0 und die Last nimmt nur noch Wirkleistung auf.

Einzelne Lasten lassen sich sehr einfach direkt kompensieren, stellen jedoch die Ausnahme dar. In Anwendungen der Industrie-Elektronik oder der Gebäudetechnik muss eine Vielzahl einzelner Lasten mit unterschiedlichsten Schaltzyklen kompensiert werden. Sinnvoll und automatisiert kann dies nur mit Blindleistungsreglern geschehen. TDK bietet hierfür eine ganze Palette von EPCOS Reglern an, mit denen sich dank verschiedener Leistungsmerkmale neben allen gängigen auch viele spezielle Kompensationsaufgaben effizient lösen lassen.

Richtige Dimensionierung des Systems

In einem ersten Schritt muss die Kompensationsleistung der Anlage bestimmt werden. Sie ist die Summe aller Blindleistungen, die gleichzeitig auftreten können. In einem zweiten Schritt ist die Anzahl und Größe der Schaltstufen zu definieren. Sie bestimmen sich im Wesentlichen aus der Anzahl und Leistung der Verbraucher. Je mehr kleine Verbraucher vorhanden sind, desto mehr Stufen sind erforderlich, um eine ausreichend genaue Kompensation zu erzielen. Auch die Schaltzeiten müssen berücksichtigt werden, da häufiges Schalten einen hohen Stressfaktor sowohl für die Kondensatoren als auch für die Schütze bedeutet.

Für kleine Kompensationsanlagen ist der EPCOS Regler BR604 mit vier Ausgängen ausreichend. Die Serie BR6000 bietet sechs oder 12 Ausgänge und die Serie BR7000 verfügt – je nach Ausführung – über bis zu 15 Ausgänge (Abbildung 2).

Abbildung 2: EPCOS Blindleistungsregler der Serie BR7000

Die Regler der EPCOS BR7000-Serie verfügen über bis zu 15 Ausgänge zur Schaltung der Kondensatoren.

Alle EPCOS Regler werden von Mikroprozessoren gesteuert. Sie messen ständig die Differenzblindleistung zwischen vorhandenem Netz-Leistungsfaktor und dem gewünschten Ziel-Leistungsfaktor (cos Φ). Darauf basierend wird automatisch stufenweise die Kapazität zugeschaltet, die notwendig ist, um den Ziel-Leistungsfaktor cos Φ zu erreichen. Die Regler bieten folgende Leistungsmerkmale:

  • Intelligentes Regelverhalten
  • Automatische Initialisierung bei bestimmten Typen
  • Selbstoptimierendes Regelverhalten
  • Abrufmöglichkeit von Maximalwerten
  • Möglichkeit des Vier-Quadranten-Betriebs
  • Breiter Spannungsmessbereich
  • Alarmausgang

Außerdem können die wichtigsten Netzparameter auf dem Display angezeigt werden. Dazu zählen Spannung, Strom, Frequenz, Wirk-, Schein- und Blindleistung, Oberwellen, cos Φ, usw. Die Anzeige der Maximalwerte und Testläufe ermöglichen eine einfache Fehleranalyse sowie die Überwachung des Systems. Alle Reglerversionen mit Schnittstelle werden mit entsprechender Windows-Software BR7000-SOFT ausgeliefert. Diese erlaubt die Anzeige und Speicherung aller Parameter auf dem PC, die grafische Analyse und Auswertung der Daten, das Speichern und Editieren der Parameter der Regler über PC sowie den Online-Betrieb eines oder mehrerer Regler.

Außer dem BR604 sind alle Geräte mit 10 Menüsprachversionen ausgestattet (CZ/E/ES/F/GER/NL/PL/ PT/RU/TR). Derzeit sind 12 Reglervarianten mit Relais- oder Transistorausgängen verfügbar.

Konventionelle oder dynamische Kompensation

Bei konventionellem Betrieb werden die Kondensatoren über Schütze zugeschaltet, die von den Relais-Ausgängen des Blindleistungsreglers angesteuert werden. Die Kontakte der Schütze unterliegen einem gewissen Verschleiß, außerdem stellt diese Art des Schaltens für die Kondensatoren eine erhebliche Stresssituation dar. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Kondensatoren noch nicht vollständig entladen sind und – im schlimmsten Fall gegenphasig – wieder an das Netz geschaltet werden. Daher ist eine Kompensationsanlage mit Kondensatorschützen nur dann sinnvoll, wenn relativ wenige Schaltvorgänge erfolgen.

In Anwendungen der Industrie-Elektronik treten häufig Lasten auf, die sehr oft geschaltet werden wie in Schweißanlagen, Pressen, Fahrstühlen oder bei verschiedenen Arten von Antrieben. Speziell für diese Applikationen bieten sich als Schaltgeräte für die Kondensatoren die EPCOS Thyristormodule der Serie TSM, beispielsweise das Modul LC 200 in Abbildung 3, zur dynamischen Kompensation an. Diese sollten zum Einsatz kommen, wenn mehr als 5000 Schaltzyklen pro Jahr zu erwarten sind. Die Module zeichnen sich durch extrem kurze Schaltzeiten von nur 5 ms, absolute Verschleißfreiheit und geräuschloses Schalten aus. Da die Thyristormodule im Nulldurchgang des Stromes schalten, werden die angeschlossenen Kondensatoren nicht mit Überströmen beaufschlagt, wodurch sich ihre Lebensdauer deutlich verlängert. Die Mikroprozessorsteuerung der Thyristormodule bewirkt eine automatische Anpassung an unverdrosselte oder verdrosselte Kondensatorabzweige bei einem Verdrosselungsfaktor von bis zu 14 Prozent. Die Module verfügen über eine automatische Funktion zur Überwachung von Spannung, Phase und Temperatur. Die Statusanzeige erfolgt über LEDs. Die EPCOS Serie von Thyristormodulen umfasst derzeit 8 Typen, die einen Spannungsbereich von 230 V AC bis 690 V AC und Leistungen zwischen 10 kvar und 200 kvar abdecken.

Abbildung 3: EPCOS Thyristormodul

Das EPCOS Thyristormodul TSM-LC 200 ist für dreiphasige Kondensatoren ausgelegt. Es schaltet eine maximale Kompensationsleistung von 200 kvar bei einer Nennspannung von 400 V AC.

Die Thyristormodule können mit allen EPCOS Blindleistungsreglern, die über Transistorausgänge verfügen, angesteuert werden. Dazu zählen die Regler der Serien BR6000-T und BR7000-T. Eine Besonderheit stellt der Regler BR6000 T6R6 dar: Er bietet 6 Transistorausgänge für die dynamische und 6 Relaisausgänge für die konventionelle Kompensation.

Kondensatorabschaltung bei Spannungsausfall

In Industrienetzen treten immer wieder kurze Spannungsausfälle auf. Oft werden sie gar nicht wahrgenommen, da sie im Millisekundenbereich liegen. Besonders kritisch ist der Fall, wenn ein voll geladener Kondensator nach einem Spannungsausfall gegenphasig wieder zugeschaltet wird. Dabei wird er mit einer Spannung von 2 × VR × 1,41 beaufschlagt. Diese führt zu einem enorm hohen Kurzschlussstrom, der einen erheblichen Stressfaktor für den Kondensator bedeutet. Abbildung 4 zeigt diesen Fall.

Abbildung 4: Stromverlauf bei gegenphasiger Zuschaltung

Bei der gegenphasigen Zuschaltung eines Kondensators können Spitzenströme im Bereich von 3500 A auftreten. Dies bedeutet enormen Stress für den Kondensator und verkürzt dessen Lebensdauer.

Außerdem können die Stromspitzen zum Schmelzen der Schützkontakte führen. Um diese gefährlichen Szenarien zu vermeiden, sind alle EPCOS Regler mit einer Nullspannungsabschaltung versehen. Sie trennt bei Spannungsausfall die Kondensatoren vom Netz und lässt eine Wiedereinschaltung erst nach Entladung (40 s bis 60 s) des Kondensators wieder zu.

Um allen Anforderungen bei der Blindleistungskompensation gerecht zu werden, bietet TDK mit den EPCOS Kondensatoren für jede Kompensationsaufgabe die richtige Lösung. Die Tabelle zeigt die wichtigsten Blindleistungskondensatoren im Überblick.

Serie

Nennspannung [V AC]

Maximale Kapazität [µF]
PhaseCap® Premium230 bis 8003 x 251

PhaseCap® HD

400 bis 5253 x 332

PhiCap  

220 bis 6003 x 300

PoleCap

400 bis 5253 x 166

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