Netzqualität durch Stromrichter

Infolge anderer behinderter Nutzer und durch die Blindleistung entstehen Zusatzkosten. Steuerungs- wie Oberschwingungsblindleistung leisten nämlich keine Arbeit, ihr Strom erzeugt allerdings zu bezahlende Verluste. Die bekannten Kompensationsmaßnahmen in allen Spannungsebenen (Schwerpunkt NS) ergänzen seit geraumer Zeit zwangskommutierte Stromrichter, die bisher als Störquellen hervortraten.

Netzanschlusspunkt NAP

Der NAP (Bild 1) hat minimale Oberschwingungen, die bekannte Versorgungsqualität sowie die notwendige Spannungsstabilität zu garantieren. Solche Forderungen stellen dauerhaft Blindleistungs- und Oberwellenkompensation in Einspeisungs- und Anlagenebene durch fixe oder geschaltete Kondensatoren/Induktivitäten, Schwingkreisfilter, aber auch statische Kompensatoren sowie synchrone Phasenschiebermaschinen sicher. Netze werden von Blindleistung, ihrem Blindstromanteil entlastet. Darüber hinaus ist gegebenfalls der Netzinnenwiderstand zu vergrößern, um den zulässigen Spannungseinbruch einzuhalten. Mit der Vorschaltinduktivität sinkt zugleich der Einfluss der Stromrichterkommutierung.

Dynamische Kompensatoren (Vier-Quadranten-Steller als gesteuerte Stromquelle) ersetzen parallele Filterkreise. Als aktive Filter sieben diese Stromrichter die gewünschten Oberschwingungen (ν ≤ 50) aus. Die umweltpolitische Bedeutung derartiger Installationen äußert sich zum Beispiel im Vermeiden überdimensionierter Betriebsmittel (Motoren, Leitungen/Kabel u. ä.), in kleineren Kraftwerksgeneratoren. Der Ausstoß von CO2 sinkt, vorhandene Ressourcen werden geschont. Energiequalität und -stabilität steigen, Spannungsfälle/-verzerrungen sinken.

Aktive Kompensation

Die kostengünstigen Steller verbessern als aktive Filter/Blindleistungserzeuger den Netzzustand und zugleich die wirtschaftliche und technische Gesamtsituation einer elektrischen Anlage.

Das Gerät, ein mit hoher Frequenz pulsender, selbstgeführter Wechselrichter (Bild 2, auch in mehrstufiger Version), ist für Zwei-, Drei- oder Vier-Leiter-Systeme als Einspeiseeinheit (NSR) eines Umrichters (VSI) immer über Induktivitäten mit dem Netz verbunden. Seine Ansteuer-/ Regeleinrichtung sorgt hochdynamisch für einen sinusförmigen Netzstrom (THD < vier Prozent, Bild 3). Der Stromrichter arbeitet energetisch wahlweise in allen vier Quadranten (4qS). Trotz in das Netz zurückfließender Bremsenergie besteht keine Gefahr des Wechselrichterkippens. Mit diesem Hochsetz-Steller (Activ Front End AFE) lässt sich die gewünschte Grundschwingungsblindleistung (induktiv oder kapazitiv) getrennt von der Wirkkomponente kontinuierlich einstellen, weil die Phasenlage zwischen Eingangsspannung und -strom justierbar wird. Er ersetzt oder ergänzt die konventionelle Kompensationsanlage. Zudem entkoppelt die schnelle Regelung der Zwischenkreisspannung das netzseitige (NSR) vom maschinenseitigen Stellglied (MSR). Eine dadurch verminderte Kapazität führt zum "schlanken" Zwischenkreis, der bei schwachem Netz Spannungsschwankungen jeder Richtung trotzdem ausgleicht. Der Steller reagiert selbsttätig unverzögert auf veränderte, selbst unsymmetrische Lastverhältnisse.

Anwendungen

Zu den typischen Applikationen (auch in der MS) mit Umrichter zählen Transportsysteme, Bewegungs-/Positionssteuerung (Motion-Control), Windkraftanlagen, Prüfstände, Papier- und Walzwerksantriebe, Krane und Aufzüge, Mischer und Extruder, Lüfter und Pumpen, Textilmaschinen, Zentrifugen, Schiffs- und Bahnantriebe (ICE, Transrapid). Wirtschaftlich verhindert solch ein Low-Harmonic-Umrichter/-Drive (zum Beispiel ACS 800, http://www.abb.de) Netzrückwirkungen bereits ab zirka 100 Kilowatt. Er substituiert das anschnittsgesteuerte, netzgeführte Stellglied zusammen mit der Fähigkeit, die zerstörerischen Lagerströme (Gleichtaktkomponente in der Maschinenspannung) zu unterdrücken. Für wechselrichtergespeiste Mehrmotorenantriebe sind 4qS prädestiniert, weil deren Zwischenkreis-Gleichspannungsschiene ein gemeinsamer NSR speist.

Die Versorgung von Gleichstrom-Motoren bleibt die Ausnahme.

Im Blindstromrichterbetrieb arbeitet der Steller als aktives Filter und Blindleistungslieferant, kompensiert Netzrückwirkungen anderer Netzteilnehmer. An der Last analysierte Oberschwingungsströme speist er invers in den NAP. Das Netz verschmutzen die wählbaren Frequenzen nicht. Gegenlaufende Drehfeldsysteme infolge unsymmetrischer Last werden unterdrückt. Der Leistungsfaktor lässt sich regeln. Für besonders störwirksame Anlagen wie Walzwerkantriebe oder Schmelzöfen stellt der 4qS extrem schnell Blindleistung bereit und besorgt hochdynamisch die Lastsymmetrierung (Beispiel PCS 6000 http://www.abb.com). Die Kombination dieser gesteuerten Stromquelle mit konventionellen BLK-Anlagen ist möglich. In der Delta-Online-USV bewirkt der 4qS effizient eine sichere Stromversorgung.

Ausblick

Die regelbare Kompensation von Netzrückwirkungen nimmt zu (beispielsweise Antriebe, FACT-Systeme). Wegen ihres technologischen Nutzens werden Fertigungsprozesse bei gleichbleibender Erzeugnisgüte unterbrechungsärmer. Die wirtschaftliche Bemessung der natürlich busfähigen, aktiven Filter unterstützen Werkzeuge wie Harmonic-Calculation-Software http://www.danfoss.de.

Joachim Krause