Dezember 2017

Aktive harmonische Filter PQSine

Stabiles Stromnetz für Wolkenkratzer

Komplexe Stromnetze von Wolkenkratzern und anderen großen Gebäuden versorgen verschiedenste nicht-lineare Lasten. Dadurch verursachte Beeinträchtigungen der Netzqualität lassen sich durch den Einsatz von aktiven harmonischen Filtern der EPCOS PQSine S-Serie verhindern. Neben der verbesserten Netzqualität ermöglichen sie gleichzeitig Energieeinsparungen.

In Wolkenkratzern und anderen Gebäudekomplexen wird umfangreiche Leistungselektronik verwendet. Dazu zählen nicht-lineare Lasten wie etwa drehzahlveränderbare Antriebe, USV-Systeme, Rechner und Server, Lichttechnik, TV-Geräte u.v.m. All diese Lasten verursachen Oberschwingungen, die zu negativen Netzrückwirkungen führen und die Gebäudebetreiber vor große Herausforderungen stellen.

TDK Applikationsingenieure arbeiten eng mit auf Netzqualitätslösungen spezialisierten Distributionspartnern zusammen. Gemeinsam entwickeln sie auf Basis aktiver harmonischer Filter der PQSine S-Serie zukunftsweisende Lösungen zur Verbesserung der Netzqualität .

Oberschwingungen im Netz bergen Gefahren

Die nicht-lineare Stromaufnahme führt zu Oberschwingungsströmen, die in Folge Verzerrungen der Sinusspannung bewirken, welche wiederum andere Verbraucher stören. Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung, also der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz, die unterschiedliche Amplituden aufweisen und sich bis in den oberen kHz-Bereich erstrecken. Oberschwingungen haben eine Reihe negativer Auswirkungen, unter anderem:

  • Funktionsstörungen anderer Verbraucher aufgrund der schlechten Netzqualität;
  • zusätzliche Strombelastung des Neutralleiters, da sich dort harmonische Oberschwingungsströme der 3., 9., 15., 21. Ordnung usw. summieren und zu unzulässig hohen Strömen führen;
  • Phasen-Asymmetrie (besonders bei Verwendung von 1-phasigen Schaltnetzteilen), welche zusätzlich die Erzeugung von Oberschwingungen begünstigt.

Darüber hinaus können Oberschwingungen empfindliche Geräte in ihrer Funktion beeinträchtigen oder sie sogar zerstören. Ein typisches Beispiel dafür sind IT-Netzwerke und deren Server und Rechner, deren Fehlfunktion eine Datenverfälschung mit verheerenden Folgeschäden verursachen kann.

Herausforderung für die Hochhaus-Netzqualität

Die enorme Größe von Wolkenkratzern führt zu einer hohen Komplexität der diversen Verbraucher und Systeme. In der Folge ist die Sicherstellung der Netzqualität neben der Vermeidung von Überhitzung, Prozessstillständen und technischen Störungen ausschlaggebend für eine möglichst hohe Energieeffizienz und niedrige Betriebskosten.

Die wesentlichen elektrischen Lasten und ihre Eigenschaften sind:

  • Aufzüge
    Mitunter mehr als 100 Aufzüge erfordern eine dynamische Blindleistungskompensation, die im Betrieb und bei der Leistungsrückspeisung in das Netz sehr schnell zwischen induktiv und kapazitiv wechselt. Der hohe Oberschwingungsanteil (Klirrfaktor) im Strom ist ebenfalls sehr dynamisch. Die harmonischen Oberschwingungen finden sich vor allem in der 5., 7., 11. und 13. Ordnung.
  • Innen- und Außenbeleuchtung
    Als Leuchtmittel werden ausschließlich energiesparende LED- und Kompaktleuchtstofflampen verwendet. Diese verursachen harmonische Verzerrungen im Bereich von 150 Hz bis 2500 Hz. hinzu kommen digitale Werbetafeln mit LED-Großbildschirmen (Dot-Matrix-Displays) mit oftmals einer Gesamtfläche von 2000 m² und mehr sowie mit einem harmonischen Haupt-Oberwellenstrom der 3. Ordnung, aber auch Verzerrungen bis zur 50. Ordnung.
  • Klimaanlagen
    Die hierfür verwendeten Wechselrichter verursachen ebenfalls Oberschwingungen und erfordern eine Blindleistungskompensation. Sie erzeugen harmonische Oberschwingungen vor allem der 5., 7., 11. und 13. Ordnung, aber auch der 17. und 19. Ordnung.
  • Gebläse, Wasserpumpen, Kühlgeräte und Brandschutzanlagen
    Die zahlreichen kleineren sechspulsigen Stromrichter im System tragen zu harmonischen Oberschwingungen der 5. und 7. Ordnung und höher bei.
  • IT-Netzwerke, USVs, Sicherheitsanlagen und Zugangskontrollsysteme
    Die vielen Schaltnetzteile in den Servern, Clients und anderen Netzwerk-Geräten erzeugen harmonische Oberschwingungen der 3. bis zur 23. Ordnung und höher. Darüber hinaus ist für sie eine sichere, unterbrechungsfreie Stromversorgung unerlässlich.

Eine Komplettlösung zur Verbesserung der Netzqualität

Das Lastenprofil der Verbraucher in Hochhäusern und anderen großen Gebäuden ist hoch komplex und erfordert sowohl eine dynamische Blindleistungskompensation als auch eine Oberwellenunterdrückung über ein breites Frequenzspektrum hinweg. Die Komplettlösung zur Netzstabilisierung mit aktiven harmonischen Filtern der PQSine S-Serie ist dafür hervorragend geeignet.

Zunächst analysieren TDK Applikationsingenieure zusammen mit auf Netzqualitätslösungen spezialisierten Distributionspartnern das Stromnetz eines Wolkenkratzers im Detail. Dies geschieht während der Bauphase. Dabei werden im Regelfall in allen Zuleitungen im Gebäudenetz deutlich erhöhte Oberschwingungsanteile und transiente Verzerrungen festgestellt (Abbildung 1). So war in einem typischen Wolkenkratzer die harmonische Verzerrung in der 3., 5., 7., 11. und 13. Ordnung besonders groß.

 

Abbildung 1: Die typische Performance-Analyse der Stromversorgung eines wolkenkratzers weist einen wesentlichen harmonischen Oberschwingungsanteil in allen Teilschwingungen auf, insbesondere in der 3., 5., 7., 11. und 13. Ordnung. 

Anhand der Analyse und mit Hinblick auf die Anforderungen bezüglich Netzqualität, Energieeinsparung und Zuverlässigkeit stellen aktive harmonische Filter der PQSine S-Serie eine optimale Lösung dar (Abbildung 2). Die Filter erweitern das TDK Angebot an Bauelementen und Systemen zur Verbesserung der Netzqualität. Das Portfolio umfasst Produkte wie aktive und passive harmonische Filter, unverdrosselte Kondensatorbänke sowie automatische Systeme zur Blindleistungskompensation im Nieder- und Mittelspannungsbereich.

PQSine S-Serie – leistungsstark und zuverlässig

Die PQSine S-Serie ist konzipiert für 3-phasige Netze mit und ohne Neutralleiter. Mit PQSine S können harmonische Oberschwingungen bis zur 50. Ordnung (2500 Hz/3000 Hz) erfasst und gefiltert werden (siehe Tabelle).

Zusätzlich zu der leistungsstarken Filterfunktion stellen die aktiven harmonischen PQSine Filter einen Lastausgleich aller drei Phasen sicher. Bei vieradrigen Verbrauchern werden auch Ströme im Neutralleiter kompensiert. Dank dieser Eigenschaften helfen sie, Resonanzen in der Leitung zu vermeiden und gewährleisten eine hohe Leistung und Verlässlichkeit.

Die wesentlichen Merkmale der aktiven harmonischen Filter der PQSine S-Serie sind:

  • Doppelfunktion als Oberschwingungs- und Blindleistungskompensation
    Die aktiven Filter bieten eine wirksame Oberschwingungskompensation und eine schnell ansprechende Blindleistungskompensation sowohl für kapazitive als auch für induktive Lasten. Dadurch kann der Leistungsfaktor des Systems auf annähernd 1,0 gehalten werden.  
  • Intelligente Schalttechnik
    Ein spezielles Bussystem sorgt dafür, dass zwei der drei Hilfssteuerbusschränke (zwei Zuleitungen und ein Buskoppler) immer für eine optimierte Performance und Redundanz geschaltet werden.
  • Ultraschnelle Reaktionszeiten
    Die aktiven Filter der PQSine S-Serie verfügen über eine Reaktionszeit von unter 50 µs und reagieren somit schnell auf hohe und schnell wechselnde Lasten.
  • Modularität und Skalierbarkeit
    Um auch zukünftigen Anforderungen an die Netzqualität gerecht zu werden, verfügt jeder PQSine Schaltschrank über zwei oder drei freie Steckplätze für Systemerweiterungen.  

Für die hohe Zuverlässigkeit sorgt eine Reihe von Selbstüberwachungssystemen. Die wichtigsten sind: Überlastschutz, Abschaltung bei Übertemperatur, Schutz vor Über- oder Unterspannung sowie Lüfterüberwachung. Zur benutzerfreundlichen Eingabe und Ablesung der Daten verfügen die Geräte über ein 7-Zoll TFT Color Touchscreen. PQSine hat Modbus (RTU) und TCP/IP (Ethernet) Schnittstellen für Steuerung, Programmierung und Diagnose.





Abbildung 2: Die aktiven harmonischen Filter der EPCOS PQSine S-Serie können in Standschränken (links) oder Wandschränken (rechts) installiert werden.


Die aktiven harmonischen Filter der PQSine S-Serie basieren auf dem neuesten Stand der Technik im Bereich Leistungselektronik. Sie werden parallel zu den mit Oberschwingungen behafteten Lasten geschaltet. Der aktive Filter analysiert den Netzstrom und dessen Oberschwingungen und generiert einen Kompensationsstrom, der die Oberschwingungen neutralisiert und so einen annähernd sinusförmigen Stromverlauf erzeugt (Abbildung 3). Dank der schnellen Reaktionszeit bietet der PQSine eine hervorragende Leistung bei schnell wechselnden Lasten, wie etwa jene von Aufzügen. Anhand der in Echtzeit ermittelten Daten speist der PQSine einen Kompensationsstrom in das Netz ein, der die Nicht-Linearität des Laststroms aufhebt.

 

Abbildung 3: Das Funktionsprinzip des EPCOS PQSine: Der harmonische Filter gewährleistet eine sinusförmige Stromaufnahme und reduziert so sicher Oberschwingungen und Phasenverschiebungen. 


Optimiertes Design für schwierige Oberschwingungen

Um den Oberwellenstrom von den Verbrauchern optimal zu kompensieren, wurden jüngst in einem Hochhaus-Projekt insgesamt 76 Filter der PQSine S-Serie für die verschiedenen Zuleitungen auf elf Stockwerken des Wolkenkratzers installiert. Abbildung 4 zeigt einen typischen Anschlussschaltplan eines Verteilers.

 

Abbildung 4: Typischer Schaltplan für den Anschluss eines Verteilers


Verlässliche Oberwellenkompensation für vielfältige Anwendungen

Nach der Bauphase eines Gebäudes führen TDK Applikationsingenieure und deren Partner üblicherweise eine umfassende Analyse der Netzqualität durch. Der Schwerpunkt liegt dabei konkret auf Oberschwingungen als Beweis für die Wirksamkeit der Installation.

Die vor Ort zur Netzqualität ermittelten Daten zeigten in einem jüngst realisierten Hochhaus-Projekt, dass die Filter der PQSine S-Serie den Oberschwingungsanteil auf unter drei Prozent begrenzt haben. Der Strom im System betrug während der konkreten Messung ca. 160 ARMS. In Summe lieferte die Lösung mit den PQSine Filtern die beste Netzqualität. Die Stromphasen waren sinusförmig mit einem sehr geringen Oberschwingungsanteil im Strom (Abbildung 5), und der Leistungsfaktor betrug annähernd 1,0.

 

Abbildung 5: Mit dem aktiven harmonischen PQSine Filter waren die Stromphasen sinusförmig mit einem sehr geringen Oberschwingungsanteil im Strom und der Leistungsfaktor betrug annähernd 1,0. 

Die PQSine Filter haben ihre Wirksamkeit unter Beweis gestellt. Durch ihre effektive Oberwellenunterdrückung und dynamische Blindleistungskompensation sorgen sie für eine sehr gute Netzqualität für alle Verbraucher in Hochhäusern und Gebäudekomplexen.

Die aktiven harmonischen Filter der PQSine Serie sind besonders geeignet für schnelle Strom-Oberschwingungen, Blindleistungskompensation und die Kompensation von Strömen im Neutralleiter. Sie finden Einsatz in vielen Leistungsnetzen in

  • Rechenzentren und IT-fähigen Serviceeinrichtungen,
  • regenerativer Stromerzeugung,
  • verarbeitenden Industrien,
  • Fertigungsanlagen für empfindliche Produkte und
  • Bürogebäuden, Einkaufszentren und Krankenhäusern.

Kenndaten der aktiven harmonischen Filter der EPCOS PQSine S-Serie

Bemessungsspannung [V]380 (228 bis 456)480 (384 bis 552)690 (480 bis 790)
Netzfrequenz [Hz]43 bis 62
Filterstrom [A]25, 35, 50, 60, 100, 15075, 9075, 90
Neutralfilterfähigkeit3 × Filter-Bemessungsstrom (bei 4-adrigen Betriebsmitteln)
Kompensationsbereich
Oberschwingungsstrom
2. bis 50. harmonische Ordnung
oder definierte Oberschwingungen 0 bis 110%
Geschwindigkeit der
harmonischen Reduktion [%)
> 95
Ziel-LeistungsfaktorEinstellbar von -1 bis +1
Schalt-/Steuerfrequenz [kHz]20/20
Reaktionszeit [µs]< 50
Gesamt-Ansprechzeit [ms]< 5

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