Die Low Harmonic Drives-Frequenzumrichter reduzieren den ­Anteil an schädlichen Oberschwingungen von rund 30 % auf 3 %. Das Produktportfolio deckt einen Leistungs- und Spannungs­bereich von 4 kW bis 3,2 MW und 380 bis 690 V ab.

Die Low Harmonic Drives-Frequenzumrichter reduzieren den ­Anteil an schädlichen Oberschwingungen von rund 30 % auf 3 %. Das Produktportfolio deckt einen Leistungs- und Spannungs­bereich von 4 kW bis 3,2 MW und 380 bis 690 V ab. (Bild: ABB)

Die Spannung in einem Drehstromnetz ist idealerweise sinusförmig und hat eine feste Frequenz. Ein Blick in die Realität zeigt allerdings ein anderes Bild: Nichtlineare Lasten – Geräte wie oder konventionelle drehzahl­geregelte – prägen schädliche in das Netz ein, welche die Netzspannung verzerren. Getreu dem Motto ‘Besser Vorbeugen als heilen‘, erweist es sich als die sinnvollere Strategie, diese Oberschwingungen zu verhindern, als die von ihnen verursachten Schäden zu beheben.

Auch Frequenzumrichter fallen unter die Kategorie der nichtlinearen Verbraucher. Konventionelle Frequenzumrichter mit einer Netzstromverzerrung von 35 % bis zu über 100 % erfordern in der Regel zusätzliche Maßnahmen, um die Netzqualität zu sichern. Deshalb hat ABB eine Serie von Frequenzumrichter vom Typ ‘Ultra Low Harmonic Drives‘ entwickelt, die Oberschwingungen vermeiden. Dabei reicht der Leistungs- und Spannungsbereich von 4 kW bis 3,2 MW und 380 bis 690 V. Mit einer Netzverzerrung des Stroms von 3 % kommen die Umrichter ohne externe Filtermaßnahmen aus und reduzieren den Oberschwingungsgehalt im Vergleich zu konventionellen Frequenzumrichtern um bis zu 97 %. Dadurch sind diese Geräte eine Alternative zu komplexeren oder aufwendigeren Verfahren der Oberschwingungsdämpfung, wie Passiv- oder Aktivfilter.

Achtung Oberschwingung

Eine verzerrte, nicht sinusförmige Wellenform lässt sich als eine Addition von Sinusschwingungen verschiedener Frequenzen, Phasenlagen und Amplituden darstellen. In Motoren, Transformatoren und anderen Einrichtungen verursachen Oberschwingungen unnötigen Energieverlust in Form von Wärme. Diese kann die Einrichtung beschädigen und erfordert daher eine zusätzliche Kühlung oder Überdimensionierung der Geräte (korrekt?). Außerdem können Anzeigen und die Beleuchtung flackern, Leistungsschalter und Sicherungen auslösen sowie falsche Werte anzeigen. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass elektronische Geräte beschädigt werden und Kondensatoren durch Resonanzen ausfallen.

Die verbesserte Qualität der Netzspannung durch eine Reduzierung der Oberschwingungen ist eine wesentliche Anforderung in der Industrie und am öffentlichen Netz, um einen sicheren Betrieb der Prozesse und Verbraucher zu gewährleisten.

Für eine saubere Spannungsversorgung

In den Geräten integriert sind: ein Ultra-Low-Harmonic-Filter, ein aktiver Netzwechselrichter – der sich automatisch auf das Netz abstimmt – und ein Motorwechselrichter. Außerdem ermöglicht die Entwicklung bei den Halbleitern kompaktere Komponenten mit geringeren Verlusten. Darüber hinaus benötigen die Umrichter keine zusätzlichen Einrichtungen zur Oberschwingungsdämpfung oder Leistungskompensation.

Die Geräte eignen sich für nahezu alle Applikationen in der Industrie, um die Spannungsversorgung ‚sauber‘ zu halten. Aber auch das öffentliche Netz, beispielsweise die Bereiche HLK, Wasser und Abwasser, gehören zu den potenziellen Einsatzfeldern. Sowohl die Industrial Drives ACS880 als auch die HLK-Frequenzumrichter ACH580 gibt es als Ultra Low Harmonic Drive-Varianten. Da alle Modelle zur ‚All-compatible‘-Frequenzumrichterfamilie des Unternehmens gehören, vereinfacht dies die Auswahl, die Installation und den Betrieb.

Vorteile gegenüber Alternativen

Obwohl es alternative Lösungen zur Dämpfung oder Eliminierung von Oberschwingungen gibt, haben Frequenzumrichter, die dieses Phänomen erst gar nicht verursachen, Vorteile: Zusammen mit der darauf abgestimmten zur Ansteuerung der netzseitigen Leistungshalbleiter erreicht der Ultra Low Harmonic Drive einen geringen Oberschwingungsanteil des Netzstroms von typisch 3 % und erfüllt somit die Grenzwerte des inter­nationalen Standards 519 und G4/5. Der Oberschwingungs­anteil der Spannung liegt bei unter 1 %. Darüber hinaus reduzieren der und die aktive Ein­speise­einheit zusammen die Oberschwingungen über den gesamten Frequenzbereich und in allen Betriebszuständen des Antriebs – nicht nur bei Nennlast. Ein weiterer Vorteil ist die volle Motorspannung auch bei Netzunterspannung. Es besteht außerdem keine Gefahr von Resonanzen im Netz.

Die Beispiele auf Seite 2 verdeutlichen die Unterschiede zu üblichen Lösungen.

Oberschwingungen: Topologievergleich: Links die übliche ­Lösung mit Filter und Umrichter. Rechts die Ultra Low Harmonic Drives von ABB.

Topologievergleich: Links die übliche ­Lösung mit Filter und Umrichter. Rechts die Ultra Low Harmonic Drives von ABB. ABB

Zwei Beispiele – eine Mehrpulslösung und eine Variante mit passiven Oberschwingungsfiltern – zeigen die Unterschiede zu den üblichen Lösungen auf: Im Gegensatz zu einer Mehrpulslösung benötigen die Ultra Low Harmonic Drives keinen speziellen Transformator, was die Verkabelung und Installation vereinfacht; vergleichbar mit der bei einem konventionellen Frequenzumrichter. Die Geräte arbeiten außerdem mit dem Leistungsfaktor eins im Teillastbereich und haben geringere Transformatorverluste. Bei der Mehrpulslösung ist der Leistungsfaktor geringer und der höhere Oberschwingungsanteil im Netzstrom belastet den Transformator.

Passive Oberschwingungsfilter erfordern einen zusätzlichen Filter, während die Alternative von ABB ohne externe Komponenten auskommt. Weitere Kennzeichen der passiven Oberschwingungsfilter sind Stromoberschwingungen von typischerweise 5 bis 10 %. Bei den Ultra Low Harmonic Drives liegt die Gesamtverzerrung durch Stromoberschwingungen bei typisch 3 %. Darüber hinaus arbeiten die Frequenzumrichter über den gesamten Betriebsbereich, während passive Filter lediglich an einen bestimmten Betriebspunkt optimal funktionieren.

All-in-One-Geräte

Oberschwingungen: Die Ultra Low Harmonic Drives eignen sich für ein breites Spektrum an Applikationen in der Industrie, um die Spannungsversorgung ‚sauber‘ zu halten. Auch das öffentliche Netz, etwa die Bereiche HLK, Wasser und Abwasser, gehören zu den möglichen Einsatzfeldern.

Die Ultra Low Harmonic Drives eignen sich für ein breites Spektrum an Applikationen in der Industrie, um die Spannungsversorgung ‚sauber‘ zu halten. Auch das öffentliche Netz, etwa die Bereiche HLK, Wasser und Abwasser, gehören zu den möglichen Einsatzfeldern. ABB

Da die Frequenzumrichter alle erforderlichen Komponenten beinhalten, ist bei den Geräten kein zusätzliches Messequipment notwendig. Zudem müssen die Oberschwingungen bei diesen Geräten nicht mit einer separaten Kompensationseinheit gemessen werden, weil die Schwingungen erst gar nicht entstehen und sich so auch nicht in das Netz einprägen.

Wird nun ein konventioneller Frequenzumrichter in ­Kombination mit einem separaten Aktivfilter als Low Harmonic Drive-Lösung verwendet, haben es Anwender meist mit komplett getrennten Geräten zu tun. Diese weisen häufig ein unter­schiedliches Bedienkonzept auf und die Inbetriebnahme erfolgt einzeln. Auch bei der Ersatzteilhaltung sollten Unternehmen die unterschiedlichen Technologien berücksichtigen. Ein Aktivfilter misst, welche Oberschwingungen der Fre­quenzumrichter produziert. Anschließend speist der Filter phasenverschobene Oberschwingungen in das Netz ein, um die Oberschwingungen des Frequenzumrichters möglichst zu kompensieren.

Fred Donabauer

Leiter Produktmanagement Low Voltage Drives, ABB Automation Products

(ml)

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