Netzstromrichter

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause,

Netzstabilisierung und Energierückgewinnung

Geschaltete, vorwiegend stromrichtergespeiste Einrichtungen wie elektrische Antriebe erzeugen Oberschwingungen und Spannungsabsenkungen. Außerdem benötigen sie Blindleistung. Diese Netzrückwirkungen stören im gesamten Leistungsbereich andere Verbraucher und verursachen Zusatzkosten. Sowohl Steuerungs- als auch Oberschwingungsblindleistung tragen nämlich nichts zur Wirkleistung bei, verantworten aber zu bezahlende Verluste.

Netzanschlusspunkt A – Prinzip G Generator, XN Netzreaktanz (Transformatorreaktanz, Reaktanz der Netzdrossel), u Generatorspannung, u`ver durch Verbraucher verzerrte Spannung an A, PC Parallelkondensatoren, SK Saugkreise (n = 5, 7...Ordnungszahl der Oberschwingung; "roter Pfeil" = Blindleistung; "blauer Pfeil" = Wirkleistung

Die Teilströme aller Verbraucher summieren sich am Netzanschlusspunkt A. Sie verursachen an der Netzimpedanz Spannungsabfälle sowie Asymmetrien. Als Folge sinkt die Einspeisespannung, zudem wird sie verzerrt. Andere Verbraucher werden gestört, da Antriebe etwa wegen ihrer meist schwankenden Belastung und der damit verbundenen Schaltvorgänge besonders Netzrückwirkungen erzeugen.

Gepulste Stromrichter beseitigen bzw. vermindern drastisch solche Probleme. Versorgungsspannung und -strom behalten Sinusform und Nennamplitude, ihre Blindleistung wird einstellbar. Darüber hinaus verbessert sich mit derartigen Vier-Quadranten-Stellern die Kostenbilanz der Gesamtanlage. Die genannten Steller ergänzen klassische, lediglich für einen bestimmten Arbeitspunkt dimensionierte Verfahren (Parallelkondensatoren, abgestimmte Saugkreise). Zugleich können sie freiwerdende Bremsenergie in das Netz zurückspeisen (Nutzbremsung).

Elektronikeinsatz
Dass zwangskommutierte, selbstgeführte Stromrichter Netzrückwirkungen kompensieren und Blindleistung erzeugen können, ist seit mehr als 40 Jahren bekannt. Allerdings ließ sich dieser Ansatz erst mit leistungselektronischen Bauelementen (IGBT) sowie mit integrierten Schaltkreisen vollelektronisch geregelt, wirtschaftlich und zuverlässig umsetzen. Für alle Verbraucher steigen Netzqualität und Versorgungssicherheit bei geringfügig höheren Investitionskosten. Die Ausgaben über den Lebenszyklus sinken, da Montage- sowie Energie- und Wartungsaufwendungen abnehmen. Bereits in der Investitionsphase ist durch geringere Kosten für Kabel, Filter, konventionelle Kompensationsanlagen, Transformatoren, Puffereinrichtungen, sogar durch Projektieren von Motoren kleinerer Leistung eine Kostenkompensation erreichbar.

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Netzstabilisator
Der aktive, vollelektronische Netzstabilisator bzw. Blindleistungsgenerator koppelt das Versorgungsnetz mit der Last (kapazitiv als Blindstromrichter zum Erzeugen von Blindleistung, Gleichstromverbraucher, Maschinen-/Wechselrichter von Frequenzumrichtern zum Speisen von Wechselstrommaschinen). Sein Aufbau entspricht dem gepulsten Wechselrichter in B6-Brückenschaltung.

Entscheidende Merkmale des aktiven, selbstgeführt zwangskommutierten Netzstromrichters (Vier-Quadranten-Steller 4QS, Active Front End AFE) sind:

  • in beiden Richtungen (Vier-Quadranten-Betrieb/Steller, Netzrückspeisung im Bremsbetrieb)
  • Strom auf der Netzseite (minimale Netzrückwirkungen)
  • Wechselrichterkippen bei Netzausfall im Rückspeisebetrieb
  • Betrieb bei schwachem Netz, Ausgleich von Netzspannungsschwankungen bzw. bei Einbrüchen bis ca. 60 Prozent, Arbeit als Hochsetzsteller
  • Verstelldynamik von Strom, Spannung und Phasenverschiebung
  • von Blindleistung (freizügige, geregelte Leistungsfaktoreinstellung am Eingang)
  • hinsichtlich Inbetriebsetzung, Parametrierung, Bedienung und Kommunikation.

Für diese Aufgaben steht eine digitale Regelung von Zwischenkreisspannung, Form und Phasenlage der Netzgrößen (Oberschwingungen, Blindleistung) bereit. Alle Stromrichter- und EMV-Normen werden damit erfüllt.

Eine solche Einspeiseeinheit schirmt sowohl das speisende Netz als auch Verbraucher vor Störungen ab, die problematische Lasten (Wechselrichter, Nichtlinearitäten) hervorrufen.

Anwendung
Den industriellen Ersteinsatz erlebte der Vier-Quadranten-Steller als Netzstromrichter in einphasiger Ausführung bei ICE und Transrapid. Die Nutzung als reiner Blindstromrichter bevorzugt den oberen Leistungsbereich.

Durchgesetzt hat sich die Applikation als Netzstromrichter bei umrichtergespeisten Drehstrom-Antrieben. Er versorgt über Gleichstrom-Zwischenkreis und Wechsel-/Maschinenstromrichter den Motor. Zu den prädestinierten, ein- oder dreiphasigen Applikationen des Stellers zählen Logistik- und Transporteinrichtungen, Windkraftanlagen, Prüfstände, Lüfter, Zentrifugen und Pumpen, NS-/MS-Bewegungsantriebe, Aufzüge/Krane, Motion-Control.

Beispielsweise besitzt die Einspeise-Rückspeise-Einheit ACTIVE FRONT END (AFE, http://www.siemens.de) die o.a. Eigenschaften. Ihr Netzstrom ist praktisch sinusförmig,

Der Leistungsfaktor cosϕ der Last lässt sich durch direkte Parametrierung oder über einen Feldbus nach Wunsch im Bereich 1 bis 0,8 (kapazitiv oder induktiv) einstellen. Um den Blindleistungsbedarf anderer Verbraucher leistungsunabhängig zu decken, also klassische Kompensationsanlagen zu ersetzen, wird alternativ die Blindleistung auf den erforderlichen Betrag geregelt. Umrichter verfügen oft über einen Oberwellen zusätzlich reduzierenden Eingangsfilter (http://www.abb.com).

Ausblick
Mit der Zunahme des Einsatzes umrichtergespeister Drehstrom-Antriebe jeder Leistung (aber auch anderer Geräte) steigen die Netzrückwirkungen. Die notwendige Stabilisierung der Netzverhältnisse ist durch Netzausbau u.a. wegen des mit der Liberalisierung der Energiemärkte verstärkten Kostendrucks wirtschaftlich nicht möglich. Dafür sind jetzt rückwirkungsfreie Umrichter sogar zum Kompensieren der Blindleistung paralleler Verbraucher verfügbar. Neben Einsparungen von Betriebskosten und/oder von Investitionsaufwendungen sorgt der so ausgestattete Antrieb für unterbrechungsfreie Produktion und gleichbleibende Qualität selbst bei schwachem Netz.

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