137934-fig-01

Bild 1: Verschiedene Ursachen für Stromqualitätsprobleme in a) USA und b) Europa (Bild: Analog Devices)

| von Niranjan Chandrappa, Swarnab Banerjee

Experten erwarten, dass der weltweite Energiebedarf um etwa 5 Prozent jährlich wächst. Menge und Komplexität der an das Versorgungsnetz angeschlossenen Geräte werden weiter steigen und proportional dazu werden Störungen der Stromqualität zunehmen. Einer aktuellen Studie des Electric Power Research Institute (EPRI) zufolge verlieren Betreiber von großen Industrieanlagen in den USA Jahr für Jahr über 100 Milliarden Dollar durch Probleme bei der Stromversorgung wie zum Beispiel Spannungsschwankungen und andere Spannungsstörungen. Wenn die Beleuchtung in Privathaushalten flackert, ist das ärgerlich. In Fabriken jedoch können Störungen der Energieversorgung Fehlfunktionen und Frühausfälle bei teuren Geräten und Anlagen verursachen.

Kleine Probleme in der Stromqualität werden von herkömmlichen Schutznetzwerken oft nicht entdeckt und tragen im Laufe der Zeit zum Verschleiß von Equipment bei. Ursache für viele Stromqualitätsprobleme sind an das Versorgungsnetz angeschlossene Lasten, die bewirken, dass sich Störungen über benachbarte Anlagen und Gebäude ausbreiten.

Probleme überwinden

Um Probleme mit der Stromqualität zu überwinden, ist es erforderlich, Eingänge und durch Lasten erzeugte Störungen zu überwachen. Durch die Überwachung der Stromqualität lässt sich ein geeigneter Schutz für Geräte bereitstellen und entsprechende Techniken zur Verbesserung der Stromqualität finden.

Leitungs- und Erdungsprobleme, Schalttransienten, Lastschwankungen und Oberwellenerzeugung beeinflussen beispielsweise die Stromqualität. In manchen Fällen kann eine schlechte Stromqualität unentdeckt bleiben und teure Geräte beschädigen. In Europa ist die Qualität der von einem Netzbetreiber bereitgestellten elektrischen Energie definiert durch die in den nationalen Grid Codes und den europäischen Standards (EN 50160) festgelegten Referenzparametern.

Ist die Versorgungsspannung verzerrt, nimmt ein Gerät nicht sinusförmige Ströme auf und kann technische Probleme wie Überhitzung, Fehlfunktionen und vorzeitige Alterung verursachen. Nicht sinusförmiger Strom verursacht außerdem Wärme- und Isolationsbelastungen an Netzwerkgeräten wie Transformatoren und Einspeiseleitungen. Eine schlechte Netzqualität führt zu höheren Maschinenstillstandszeiten, vermehrten Instandhaltungsmaßnahmen, kürzerer Lebensdauer und verursacht Kosten.

Woher kommen Störungen der Stromqualität?

Bild 1a zeigt die Ergebnisse einer Studie, die das Electric Power Research Institute in den USA bei 24 Energieversorgern durchgeführt hat, um die Ursachen herauszufinden, die die Netzqualität beeinträchtigen. Der größte Teil (85 Prozent) der Ursachen ist laut der Studie auf Spannungseinbrüche oder Spannungsüberhöhungen, Oberwellen und Verkabelung sowie Erdungsprobleme zurückzuführen.

Bild 1b veranschaulicht die Ergebnisse einer Studie zur Untersuchung der Netzqualität (European Power Quality) in Europa. Die Studie schätzt, dass Netzqualitätsprobleme in 25 EU-Ländern pro Jahr finanzielle Verluste von über 156 Milliarden Dollar (150 Milliarden Euro) verursachen. Im Industrieumfeld können durch das Starten und Stoppen von großen Lasten Spannungseinbrüche und Spannungsspitzen entstehen, durch die die Netzspannungen ihren normalen Bereich verlassen. Da die meisten Geräte so ausgelegt sind, dass sie unter bestimmten Betriebsbedingungen arbeiten, verursachen länger anhaltende Spannungseinbrüche und Spannungsspitzen Stillstände und Prozessunterbrechungen.

Bild 2. Netzspannungen und Ströme bei verschiedenen Störeinflüssen.

Bild 2: Netzspannungen und Ströme bei verschiedenen Störeinflüssen. Analog Devices

Viele Unternehmen erwägen die Installation von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energie, wie zum Beispiel Solar- und Windkraftanlagen, oder verfügen bereits über solche Lösungen. Häufig machen verteilte Energiequellen Schaltnetzteile in elektrischen Installationen erforderlich.

Nächste Seite: Weit verbreitete Quelle von Netzwerkproblemen

Bild 3. Informationen und Reporting von Stromqualitäts-Monitoren.

Bild 3: Informationen und Reporting von Stromqualitätsmonitoren. Analog Devices

Mit der zunehmenden Verbreitung von Leistungselektronik und Schaltnetzteilen werden Oberwellen beziehungsweise Harmonische zu einer zunehmend weiter verbreiteten Quelle für Netzprobleme in Industrieequipment. Diese Arten von Stromversorgungen können Harmonische in elektrische Leitungen einspeisen und die Stromqualität dahingehend verschlechtern, dass alles was an das Versorgungsnetz angeschlossen ist, beeinträchtigt wird, einschließlich Transformatoren und Kabel.

Gebäudemanager beobachten häufig Auswirkungen von hohen Oberschwingungsströmen in Form überlasteter Netzwerkkomponenten. In manchen Fällen kann ein Anstieg der Gesamtverluste um 0,1 bis 0,5 Prozent bei Netzwerkkomponenten Schutzkomponenten auslösen. Andere Ereignisse, die zu einer schlechteren Stromqualität beitragen, sind zum Beispiel unterschiedliche Belastungen der Phasen, fehlerhafte Verkabelungs- und Massekonzepte, Last-Interaktionen, EMI/EMC und das Schalten großer reaktiver Netzwerke.

Standards für die Stromqualität

Um mit der Stromqualität umgehen und sie beherrschen zu können, ist eine zuverlässige Monitoring- und Reporting-Methode erforderlich. Einige der wesentlichen Standards der Industrie sind IEC 61000-4-30 Class A und Class S, IEC61000-4-7 Oberschwingungsmessungen und IEC61000-4-15 für Flackern (Flicker).

Die meisten Energieversorgungsunternehmen haben diese Stromqualitätsstandards übernommen, um Bestimmungen zu entwickeln und durchzusetzen. In bestimmten Fällen können Energieversorger einen Kunden bestrafen, wenn die Stromqualitätsstandards die Bestimmungen nicht erfüllen. Industriestandards schaffen nicht nur ein einheitliches Verständnis für die Stromqualität in realen Anwendungen, sondern bieten Anwendern die Sicherheit, dass sie über genaue Daten verfügen, um Probleme zu lösen, die sich auf bestimmte Ereignisse beziehen.

In elektrischen Netzen enthalten Spannungseinbrüche und Spannungsspitzen, Flicker, Abweichungen von Nennwerten sowie Verzerrungen aufgrund von Oberwellen die Schlüsselinformationen für die elektrische Beschaffenheit des Netzes. Die Messgenauigkeit ist der Schlüssel für verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse.

Verbesserung von Netz- und Maschinenzustand

Moderne Stromqualitätskomponenten liefern Informationen, die ein Benchmarking der gesamten Systemleistungsfähigkeit ermöglichen, bei vorbeugenden Wartungsmaßnahmen helfen, Trends und Gegebenheiten überwachen, die Netzwerk-Performance und die Empfindlichkeit von Prozessequipment bewerten sowie die Energiebewertung verbessern. Ein Netzwerk mit Stromqualitätsmonitoren kann in Versorgungssysteme installiert werden, wobei man die Rohmesswerte zusammenfasst, um Rückschlüsse zu ziehen beziehungsweise Störquellen aufzuspüren.

Stromqualitätsmonitore können auch Bestandteil von Embedded-Equipment für eine stärkere Integration und Steuerung sein. Eine einzigartige elektrische Signatur einer Maschine kann erfasst werden, um sich ein Bild über den Gesamtzustand zu machen. Rückschlüsse aus Datenanalysen und Diagnosen können verlässliche Angaben zur Entwicklung von Schutzalgorithmen und Produkten der nächsten Generation mit verbesserter Stromqualität liefern.

Falls Equipment bereits in einer Fertigungsumgebung installiert ist, lassen sich anhand des Stromqualitätsprofils die besten Störungsminderungstechniken ermitteln. Zum Beispiel konnten mithilfe von Stromqualitäts-Profiling in einer Industrieanlage in Indien erhebliche Spannungs- und Stromverzerrungen aufgedeckt werden. Nach umfangreichen Analysen wurde in der Fabrik ein hybrides Leistungsfaktor-Korrektursystem installiert. Mit dem Korrektursystem änderte sich der Leistungsfaktor von -0,5 auf +0,9 und die gesamten harmonischen Verzerrungen (THDs) verbesserten sich um 50 Prozent.

Moderner Stromqualitätsanalysator

Bild 4. Blockdiagramm des ADE9000 – ein hochintegrierter, mehrphasiger Energie- und Stromqualitäts-Monitoring-IC.

Bild 4: Blockdiagramm des ADE9000 – ein hochintegriertes, mehrphasiges Energie- und Stromqualitätsmonitoring-IC Analog Devices

In der Vergangenheit setzte die Entwicklung eines hochgenauen Stromqualitätsanalysators besondere technische Fähigkeiten voraus und verlangte ferner den Einsatz von diskreten Bauteilen sowie die Erstellung kundenspezifischer Stromqualitäts-Messalgorithmen. Stromqualitäts-Eingangsstufen (AFEs) einer neuen Klasse enthalten Hochleistungs-A/D-Wandler sowie einen DSP-Core und weisen eine geringe Drift der Gesamtverstärkung auf. Diese integrierten AFEs reduzieren Komplexität und Kosten, die mit dem diskreten Designkonzept und dem Schreiben von Kundenalgorithmen verbunden sind.

Das integrierte Analog-Frontend berechnet und liefert Parameter für die Stromqualität, wie beispielsweise Überspannungen, Spannungseinbrüche, Effektivwerte, Phasenfolgefehler und Leistungsfaktorwerte. Außerdem erhält es Netzfrequenz-Oberschwingungsinhalte (Line Frequency Harmonic Content) vom Eingangssignal.

Analog Devices hat ein spezielles Frontend zur Überwachung der Stromqualität entwickelt. Das Bauteil mit der Bezeichnung ADE9000 vereinfacht Berechnungen und reduziert die Zeit sowie den Aufwand zur Implementierung eines Systems zur Überwachung der Stromqualität.

Bessere intelligente Energienutzung

137934-fig-02

Bild 5: Signalkette eines typischen Stromqualitätsmonitoring-Systems. Analog Devices

Da einzelne Geräte in Industrieanlagen immer mehr miteinander verbunden werden und die Anzahl von IoT-Implementierungen zunehmend wächst, werden aus verteilen Geräten gewonnene Informationen zur Stromqualität auf neuartige Weise gesammelt und genutzt. Zum Beispiel lassen sich historische Trends analysieren, um ein kommendes Problem frühzeitig zu ermitteln. Innerhalb eines Netzes können Echtzeitdaten von mehreren Knoten genutzt werden, um Störungen zu erkennen und einzugrenzen. Datenanalyse für Maschinendiagnose, vorbeugende Wartung und Eingrenzung von Problemlasten sind neue Möglichkeiten, um die Zahl von Prozessunterbrechungen zu reduzieren und die Lebensdauer von Geräten sowie die Laufzeit zu verlängern.

Niranjan Chandrappa

Product Applications Engineer in der Energy Management Products Group von Analog Devices

Swarnab Banerjee

ist System Engineering Manager in der Energy Management Products Group von Analog Devices

(ah)

Kostenlose Registrierung

Der Eintrag "freemium_overlay_form_all" existiert leider nicht.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?