Bild 1: Nicht-lineare Lasten erzeugen Oberschwingungen und damit einem unerwünschten nicht-sinusförmigen Stromverlauf.

Bild 1: Nicht-lineare Lasten erzeugen Oberschwingungen und damit einem unerwünschten nicht-sinusförmigen Stromverlauf. Epcos

In Industrieanlagen, Bürogebäuden, Rechenzentren und privaten Haushalten gibt es kaum mehr elektrische Verbraucher, die den Strom linear aufnehmen. Beispiele für nicht-lineare Lasten sind Frequenzumrichter in der Antriebstechnik sowie die Vielzahl getakteter Stromversorgungen in Geräten der Informations- und Kommunikationstechnik sowie zunehmend in der Haushaltselektronik. Auch die Beleuchtungstechnik funktioniert auf Basis meist nicht-linearer Stromversorgungen.

Die nicht-lineare Stromaufnahme führt zu Oberschwingungsströmen, die in Folge Verzerrungen der Sinusspannung bewirken, welche wiederum andere Verbraucher stören (Bild 1). 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 auf die Energiequalität:

  • Die leitungsgebundene Störaussendung (EMI) führt bei anderen Verbrauchern zu Funktionsproblemen.
  • Zusätzlich steigt die Strombelastung des Neutralleiters, da sich darin Oberschwingungsströme der 3., 9., 15., 21. Ordnung und darüber addieren, welche zu unzulässig hohen Blindströmen führen.
  • Die Phasen-Unsymmetrie speziell beim Betrieb von 1-phasigen Schaltnetzteilen begünstigt zusätzlich die Erzeugung von Oberschwingungen.

Eckdaten

Die PQSine-Serie von Epcos kompensiert von schaltenden Verbrauchern verursachte Oberschwingungen im Stromverlauf und minimiert Rückwirkungen auf das Stromnetz. Eine dreistufige Ausgangstopologie reduziert Schaltverluste und erreicht einen annähernd sinusförmigen Stromverlauf. Die Geräte arbeiten an Drei-Phasen-Netzen von 180 bis 528 V und erreichen mit kaskadierten 60-A-Modulen einen Kompensationstrom bis zu 600 A.

Darüber hinaus können empfindliche Geräte durch Einkopplungen über Daten- oder Versorgungsleitungen in ihrer Funktion gestört oder sogar beschädigt werden. Typische Beispiele dafür sind Prozessrechner in Fertigungsanlagen oder Datenzentren, bei denen dadurch verursachte falsche Daten oder Datenverluste enorme Schäden bewirken können.

Klassischer Weise eliminieren passive Bauelemente Oberschwingungen direkt am verursachenden Verbraucher. Hierbei ist jedoch für jede Harmonische ein entsprechender, gut abgestimmter Saugkreis aus Kapazitäten und Induktivitäten erforderlich. Diese Lösung ist deshalb nur dann praktikabel, wenn ein eingegrenztes Spektrum an Oberschwingungen auftritt.

Bild 2: PQSine von Epcos sorgt für eine sinusförmige Stromaufnahme. Oberwellen und Phasenverschiebungen werden per Power Factor Correction (PFC) zuverlässig reduziert.

Bild 2: PQSine von Epcos sorgt für eine sinusförmige Stromaufnahme. Oberwellen und Phasenverschiebungen werden per Power Factor Correction (PFC) zuverlässig reduziert. Epcos

Wirkungsweise des PQSine

Mit der PQSine-Serie bietet Epcos nun eine Lösung, die viele durch Oberschwingungen und Phasenverschiebungen verursachte Probleme vollautomatisch und elegant löst. Dazu wird PQSine parallel zu der Last ans Netz geschaltet, die die Oberschwingungen verursacht  (Bild 2). Herzstück der aktiven Harmonischen-Filter ist ein Controller, der auf einem 32-Bit digitalen Signalprozessor (DSP) basiert und mit einer Abtastrate von 48 kHz arbeitet. Mit einer Reaktionszeit von nur 21 µs zählt PQSine zum Spitzenfeld in seiner Klasse, denn der neu entwickelte SDC-Algorithmus (Selective Drive Control) ist schneller als die herkömmliche Fast Fourier Analyse (FFT). Auf Grundlage der in Echtzeit ermittelten Daten wird nun ein Kompensationsstrom aus dem Zwischenkreis des PQSine ins Netz gespeist, der die Nicht-Linearität des Verbraucherstroms ausgleicht (Power Factor Correction, PFC).

Die PQSine Serie ist konzipiert für drei-phasige Netze mit und ohne Neutralleiter bei Spannungen von 200 VAC bis 480 VAC mit 50/60 Hz. Mit PQSine können Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen (2500 Hz/3000 Hz) kompensiert werden. Die neuen Filter sind in Schritten von 60 A bis zu einem maximalen Kompensationsstrom von 600 A in einem einzigen Filtersystem kaskadierbar.

Bild 3: PQSine-Ausführung für Schaltschränke (links), für Wandmontage (Mitte) oder Bodenmontage (rechts).

Bild 3: PQSine-Ausführung für Schaltschränke (links), für Wandmontage (Mitte) oder Bodenmontage (rechts). Epcos

Flexibilität durch modularen Aufbau

Ein enormer Vorteil ist der modulare Aufbau von PQSine: Die steckbaren 60-A-Module können schnell ausgewechselt werden. Darüber hinaus lässt sich etwa ein Standschaltschrank mit 180 A Filterleistung schnell um einige 60-A-Module bis zu einer Gesamtleistung von 300 A aufrüsten. Dazu werden die Module einfach in freie Steckplätze des Schaltschranks eingeschoben, dessen Sammelschiene grundsätzlich für Ströme bis 300 A ausgelegt ist. Zur Kontaktierung muss weder geschraubt noch gebohrt werden, da sowohl die Leistungsanschlüsse als auch die Steuerkabel steckbar sind. Bild 3 zeigt unterschiedliche Bauformen des PQSine.

Bild 4a: Dreistufige Ausgangstopologie des PQSine.

Bild 4a: Dreistufige Ausgangstopologie des PQSine. Epcos

Im Gegensatz zur klassischen Blindleistungskompensation, die ausschließlich induktive Lasten kompensiert, können mit PQSine auch kapazitive Blindleistungsanteile kompensiert werden. Neben der hervorragenden Befilterung sorgen die aktiven Harmonischen-Filter der PQSine-Serie auch für eine Symmetrierung der Lasten auf alle Phasen. Bei Verwendung von Vier-Leiter-Geräten werden zusätzlich auch Neutralleiterstöme kompensiert. Für die optimierte 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 stehen ein 7-Zoll und 12,1-Zoll TFT Color Touchscreen zur Auswahl. Das Interface unterstützt Protokolle von Ethercat mit 100 Mbit/s, USB, Active-Sensor-Bus und Display-Bus.

Bild 4b: Die dreistufige Ausgangstopologie des PQSine reduziert Schaltverluste und erreicht in guter Näherung einen sinusförmigen Ausgangsstrom.

Bild 4b: Die dreistufige Ausgangstopologie des PQSine reduziert Schaltverluste und erreicht in guter Näherung einen sinusförmigen Ausgangsstrom. Epcos

Verlustarme Ausgangstopologie

Viele aktive Filter arbeiten pro Phase am Ausgang mit zweistufigen IGBT-Brücken, ein Konzept das am Drei-Phasen-Netz mit der Ausgangsstruktur von 6-Puls-Frequenzumrichtern vergleichbar ist. Beim PQSine dagegen kommt ein dreistufiges Konzept mit in Summe 12 IGBTs (4 IGBTs pro Phasenstrang) zum Einsatz (Bild 4a). Folge ist eine wesentliche bessere Annäherung an einen sinusförmigen Ausgangsstrom als bei zweistufigen Systemen. Da bei diesem Konzept die IGBTs nur jeweils die halbe Betriebsspannung schalten müssen, reduzieren sich entsprechend auch die Schaltverluste deutlich (Bild 4b).

Technische Daten zum PQSine

  • Netzspannung:
    180 bis 528 VAC (3P3W PQSine)
    480 bis 460 VAC (3P4W PQSine)
  • Netzfrequenz: 50/60 Hz
  • Kompensationsstrom: 60 A pro Modul, kaskadierbar bis 600 A
  • Reaktionszeit: 21 µs

Die Schaltungstechnik der aktiven Harmonischen-Filter im PQSine kompensiert effektiv den von Schaltnetzteilen verursachten nicht-linearen Stromverlauf und entlastet damit das öffentliche Stromnetz.