Februar 2009

Blindleistungskompensation

Stahlharter Einsatz für PhaseCap

Die Stahlproduktion benötigt enorme Energiemengen, um im Walzwerk glühendes Metall zu Blechen, Trägern und anderen Profilen zu formen. Dies gilt auch für die Thai Steel Profile Company (TSC). Das Unternehmen produziert pro Jahr bis zu 320.000 Tonnen Baustahl. Die Energieversorgung des Werkes läuft über sechs Transformatoren mit einer gesamten Anschlussleistung von 15 MVA. Zwei Transformatoren (Trafo 5 und 6, siehe Tabelle) bedienen ausschließlich die linearen Lasten, vier weitere (Trafo 1 bis 4) mit einer Leistung von insgesamt 11 MVA sind für die nicht linearen Lasten wie die Stromrichter für die Gleichstrommotoren der Walzantriebe zuständig.

 TABELLE: TRANSFORMATORENDATEN UND –LASTEN

Trafo 1

22/0,64 kV, 3 MVA

 

3 Einheiten mit 250-kW-Gleichstrommotoren

2 Einheiten mit 350-kW-Gleichstrommotoren

Trafo 2

22/0,64 kV, 3 MVA

 

3 Einheiten mit 250-kW-Gleichstrommotoren

2 Einheiten mit 350-kW-Gleichstrommotoren

Trafo 3

22/0,64 kV, 2,5 MVA

 

1 Einheit mit 250-kW-Gleichstrommotoren

3 Einheiten mit 350-kW-Gleichstrommotoren

Trafo 4

22/0,64 kV, 2,5 MVA

 

1 Einheit mit 250-kW-Gleichstrommotoren

3 Einheiten mit 350-kW-Gleichstrommotoren                      

1 Einheit mit 172-kW-Gleichstrommotoren

Trafo 5

22/0,4 kV, 2,0 MVA

 

Wechselstrommotoren mit und ohne Frequenzumrichtern

Trafo 6

22/0,4 kV, 2,0 MVA

 

Wechselstrommotoren und Anlage

TSC stellt einen hohen Qualitätsanspruch an seine Produkte, die beispielsweise zum Bau von Hochhäusern, Fabrikanlagen, Straßen, Brücken, Autobahnen, Dämmen und Flughäfen dienen. Deshalb investiert das Unternehmen sowohl in hochwertige Maschinen als auch in die Prozessentwicklung und -verbesserung. Schon frühzeitig installierte TSC eine Anlage zur Blindleistungskompensation (BLK) mit dem Ziel die Stromqualität zu verbessern und Energie zu sparen.

Zu den Anforderungen an dieses erste BLK-System bei TSC gehörten:

  • Vermeidung von Resonanzen und Reduzierung von Oberschwingungen,
  • Vermeidung von Spannungsabfällen und Verbesserung der Spannungsstabilität,
  • Senkung der Blindleistung sowie Transformator- und Kabelverluste,
  • Senkung der Leistungsaufnahme,
  • Verlängerung der Lebensdauer der elektrischen Anlage und
  • Effizientere Nutzung der Anlage und somit Steigerung der Produktionskapazität.

 

Die damals installierten Kondensatoren (10 x 150 kvar, 760 V für TR1, TR2, TR3 und TR4) barsten allerdings oder waren nach wenigen Betriebsjahren unbrauchbar. Für eine zuverlässige neue BLK-Lösung, mit der sich solche Ausfälle vermeiden ließen, wandte sich TSC an ITM – ein in Thailand ansässiges Unternehmen (www.itm.co.th) mit großer elektrotechnischer Erfahrung. ITM ist auf EPCOS-BLK-Produkte und -Lösungen zur Verbesserung der Stromqualität spezialisiert und darüber hinaus eine der wenigen lokalen Firmen, die das technische Know-how und die notwendige Ausrüstung besitzen, um Netzmessungen und Analysen bezüglich der Strom- und Spannungsqualität durchzuführen.

 ABBILDUNG 1: NETZANALYSENREPORT
Total RMS:356.66 V
DC Level:0.15 V
Fundamental (H1) RMS:356.53 V
Total Harmonic Distortion THD:4.92 %FND (Even: 0.41 %FND, Odd: 4.90 %FND)

Netzanalyse und Auszug aus dem Netzanalysenreport nach EN 50160

Individuelle Lösung


Mit der Klärung der Ursache für die Ausfälle bei TSC wurde ITMs Geschäftsführer Thumrongdej Mungcharoen beauftragt. Er blickt auf mehr als 20 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Blindleistungskompensation und der Reduzierung von harmonischen Oberschwingungen zurück. Bei TSC ließ er für die Messung der Stromqualität und der harmonischen Oberschwingungen einen Echtzeitanalysator installieren, mit dem eine aussagekräftige Datenbasis geschaffen wurde (Abbildung 1). Ihre Auswertung ergab, dass die Werte für die Verzerrung durch den Oberschwingungsstrom (THD-I) sehr hoch waren und die Verzerrung durch Oberschwingungsspannung stark schwankte (THD-U). THD-I wies Werte zwischen 35 und mehr als 200 Prozent auf, während THD-U-Werte zwischen zwei und sechs Prozent lagen. Zum Schutz der Kondensatoren und zur Reduzierung der Oberschwingungen schlug ITM Thai Steel eine verdrosselte BLK-Lösung vor.

Anwendungen mit starken Lasten


„Aufgrund unserer Analysen empfahlen wir den Ersatz der ursprünglichen 760-V-Kondensatoren durch 800-V-MKK-Kondensatoren der PhaseCap®-Serie von EPCOS“, erläutert Mungcharoen. Die neuen leistungsstarken Kondensatoren sollten zusammen mit den Drosseln installiert werden, die bereits im Vorgänger-BLK-System verwendet wurden. Diese waren speziell für Anwendungen mit starken Lasten konzipiert worden und hatten im Gegensatz zu den Kondensatoren wie vorgesehen funktioniert.

 STATEMENT
„Eine BLK-Anlage, die auch unter härtesten Bedingungen alle Anforderungen erfüllt, lässt sich nur mit entsprechendem Know-how und zuverlässigen Bauelementen realisieren“,
betont Thumrongdej Mungcharoen, Geschäftsführer von ITM, Thailand.

Verbesserte Leistungsfaktoren


Die PhaseCap-Produktreihe von EPCOS, die seit vielen Jahren erfolgreich in Windenergie- und Industrieanlagen zum Einsatz kommt, zeichnet sich durch verschiedene Schlüsselmerkmale und Vorteile aus:

  • eine besonders hohe Einschaltstromfestigkeit vom bis zum 300-fachen des Nennstromwerts,
  • eine Lebensdauer bis zu 130.000 Stunden,
  • mit Stickstoff (N2)gefüllte Trockenkondensatoren,
  • langfristig bewährte MKK-Technologie und
  • ein dreifaches Sicherheitssystem.

Nach der Installation wiederholte ITM seine Messungen und bewies damit, dass die PhaseCap- Kondensatoren nicht nur den Leistungsfaktor wesentlich verbesserten, sondern auch zu besseren THD-Werten führten. Der HHD-V-Wert sank auf Werte zwischen ein und fünf Prozent und die Schwankungsbreite von THD-I auf Werte zwischen 20 und 80 Prozent. Bedingt durch den Erfolg der Installation mit PhaseCap-Kondensatoren, entschloss sich TSC für sieben Stufen mit Kondensatoren mit 800 V Nennspannung auszurüsten.

 ABBILDUNG 2: KONFIGURATION DER VERDROSSELTEN BLK-ANLAGE VON THAI STEEL

Die gesamte BLK-Oberschwingungen-Filteranlage besteht aus zehn Stufen à 150 kvar, sieben Prozent verdrosselt. Jede Stufe wird mit einem Kondensatorschalter geschaltet.

Verdrosselte BLK-Anlagen


Überall dort, wo eine hohe Oberschwingungsbelastung vorliegt, sollten verdrosselte BLK-Anlagen eingesetzt werden. Neben der Blindleistungskompensation können diese Anlagen auch die Oberschwingungen des Gesamtsystems wesentlich reduzieren. Des Weiteren erhöhen die reduzierten Oberschwingungen sowohl die Lebensdauer der Kondensatoren als auch die der gesamten Anlage. Verdrosselte BLK-Anlagen umfassen einen Kondensator und eine in einem vordefinierten Bereich verstimmte Filterkreisdrossel, was zu einem Reihenschwingkreis führt (Abbildung 2). Die Eigenresonanzfrequenz des Systems liegt so unter der dominanten Oberschwingung und nicht in der Nähe von Oberschwingungen höheren Grades. In der Anlage für TSC ist die fünfte Oberschwingung (250 Hz) dominant. Aus diesem Grund wurde die Eigenfrequenz des Filterkreises auf 189 Hz festgelegt, das heißt, die BLK-Anlage ist zu sieben Prozent verdrosselt (Abbildung 3).

 

 ABBILDUNG 3: IMPEDANZ MIT UND OHNE VERDROSSELTEN FILTERN

Verdrosselte BLK-Anlagen können die Oberschwingungen eines Systems deutlich reduzieren.

Der Verdrosselungsfaktor wird anhand der folgenden Formel berechnet:

wobei

P

XL

XC

fn

fres    

 

Verdrosselungsfaktor in Prozent

Drosselreaktanz

Kondensatorreaktanz

Netzfrequenz

Resonanzfrequenz des Schwingkreises

 

Messungen vor und nach den Neuinstallationen sowie eine Auswertung der Messdaten bewiesen, dass die Anforderungen von TSC vollständig erreicht wurden (Abb. 4). Die verbesserten THD-Werte für Strom und Spannung sorgen für eine höhere Stromqualität sowie zuverlässigere Versorgung. Der geringere Leistungsverbrauch bringt TSC Kostenvorteile und schont die Umwelt.

 ABBILDUNG 4: OBERSCHWINGUNGSSTROM IN EINEM VERDROSSELTEN BLK-SYSTEM

Simulierte Oberschwingungsströme (rot) mit und ohne sieben Prozent verdrosselter Kompensation

Die Herausforderungen bei TSC zeigen, dass es mehr als nur einer Kombination verschiedener Schlüsselkomponenten bedarf, damit eine BLK-Anlage die geforderte Wirkung zeigt. Mit technischem Know-how konnte das auf dem Gebiet der Blindleistungskompensation und Stromqualität in Thailand führende Unternehmen ITM die bestehende Situation analysieren, Schlüsselparameter ermitteln und mit EPCOS eine individuelle Lösung erarbeiten, die den Anforderungen des Stahlunternehmens gerecht wurde. Der Erfolg bei TSC belegt einmal mehr die überzeugenden Vorteile der verdrosselten BLK-Lösungen von EPCOS zur Verbesserung der Strom- und Spannungsqualität.

Autor: Lukas Motta, Produktmarketing Blindleistungskompensation

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