Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen zur ......2018/04/10 · Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren

Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen zur

Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren

5. ebm-papst Ventilatoren-SymposiumMartin Bürkert, Abteilungsleiter in der Elektronikentwicklung

1. Einführung

2. Ursachen für Stromoberschwingungen

3. Auswirkungen von Stromoberschwingungen

4. Normenlage und Grenzwerte für Stromoberschwingungen

5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen

6. ebm-papst Lösungen

7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme

8. Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Agenda

Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen

zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren

04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen

• Ein ohm‘scher Widerstand am öffentlichen Stromversorgungsnetz – z.B. eine klassische Glühbirne – hat eine lineare Stromaufnahme, das heißt, dass bei Betrieb an einer sinusförmigen Spannung (was üblicherweise im öffentlichen Stromversorgungsnetz gegeben ist) ein sinusförmiger Strom fließt

• Klassische Drehstrom-Asynchronmotoren nehmen zwar zur Spannung phasenverschobene Ströme auf, die Form der Phasenströme ist aber sinusförmig

• Moderne elektronische Geräte haben diese Eigenschaften in vielen Fällen nicht mehr.

Warum ist das so?

1. Einführung




1. Einführung







• In der Antriebstechnik ist die effizienteste Methode Energie einzusparen eine bedarfsgerechte Einstellung der Drehzahl des Antriebs und damit der Abgabeleistung

• Lüftungstechnische Anlagen sind in aller Regel so ausgelegt, dass im Mittel nur 60-70% der Leistung im Normalbetrieb benötigt werden

• Somit bedeutet eine Anpassung der Drehzahl an den tatsächlichen „Luft-Bedarf“ die besten Energieeinsparungswerte

• ebm-papst hat mit der EC-Technik (elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren) die am besten geeignete Technik für eine hocheffiziente und stufenlose Drehzahlstellung

• Direkt aus dem öffentlichen Stromnetz gespeiste EC-Ventilatoren benötigen zur Erzeugung der (internen) DC-Spannung eine Gleichrichterschaltung





Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B6-Brücke)

L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-

kondensator PE


L1 EMV- Filter N Zwischenkreis-

kondensator PE





• Jede passive Gleichrichtung mit einer Diodenbrücke und einem Pufferkondensator am Wechselstromnetz stellt eine nichtlineare Last dar

• Die dadurch nicht-sinusförmige Stromaufnahme bedeutet einen Oberschwingungsanteil, welcher durch die Energieversorgung bereitgestellt werden muss

• Dies hat zu Folge, dass alle an der Stromversorgung beteiligten Komponenten (Transformatoren, Stromschienen, Verteiler, Backup-Systeme wie Generatoren oder USV-Anlagen,J) für die Bereitstellung des Oberschwingungsstromes ausgelegt sein müssen, wenn eine gute Spannungsqualität (sinusförmiger Spannungsverlauf) erhalten werden soll

� Aus Sicht der Energieversorger sollten alle Verbraucher möglichst bei einer linearen Stromaufnahme bleiben

� Besonders dann, wenn schwache (=hochimpedante) Netze oder sogar Inselnetze Anlagen versorgen, wie z.B. im Datencenter





Einspeisung / Transformatorwww.energy.siemens.com

Notstrom – GeneratorQuelle: www.gapowersolutions.co.uk

USV-AnlageQuelle: www.abb.com

Datencenter:Server und Serverkühlung



9

Starke Netzspannungsverzerrung durch Stromoberschwingungen bei schwacher Auslegung der Stromversorgung/ des Einspeisetransformators





3. Stromoberschwingungen bei 1~ gespeister Leistungselektronik



U1

I1

230 V / 50 Hz

2,01 Arms

7,2 Apeak

P1

Q1

S1

240 W

387 VAr

450 VA

LF 0,54

THD(I) 156 %


3. Stromoberschwingungen bei 3~ gespeister Leistungselektronik



U1

I1

400 V / 50 Hz

10,85 Arms

28,10 Apeak

P1

Q1

S1

5,74 kW

6,69 kVAr

9,02 kVA

LF 0,64

THD(I) 119 %


EN61000-3-2; Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom <16 A je Leiter);Klassifizierung von Geräten

4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme



Klasse A

• symm. 3~ Geräte

• Haushaltsgeräte

• Elektrowerkzeugeausgenommentragbare E.-wzge.

• Dimmer fürGlühlampen

• Audio-Einrichtungen

Klasse B

• tragbareElektro-werkzeuge

• Lichtbogen-schweiß-Einrichtungen

Klasse C

• Beleuchtungs-Einrichtungen

Klasse D

• PCs• Monitore• Fernsehgeräte• Radiogeräte


4. Normenlage und Grenzwerte für OberschwingungsströmeEN61000-3-2; Klasse A



Ordinal number of Current

harmonics n

Class A max. Value [A]

uneven current harmonics

35791113

15 ≤ n ≤ 39

2,301,140,770,400,330,21

0,15 * 15 / n

even current harmonics

246

8 ≤ n ≤ 40

1,080,430,30

0,23 * 8 / n


4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme1~ Lösung zur Einhaltung der Normenanforderungen



04.10.2018

15

1~

R1

T1 T2 T3

T4 T5 T6

C

DDR

T7

R2

M

3~

≈=

≈=U

t

U

t

U

t





Grenzwerte für Oberschwingungsströme nach EN61000-3-2; Ausnahmeregelung (Kapitel 7)

Für die nachfolgenden Arten von Geräten sind in dieser Norm keine Grenzwerte festgelegt:– Geräte mit einer Bemessungsleistung von 75 W oder weniger, die keine Beleuchtungseinrichtungen sind;– professionell genutzte Geräte mit einer Gesamt-Bemessungsleistung, die größer als ein 1 kW ist;

– symmetrisch gesteuerte Heizelemente mit einer Bemessungsleistung, die kleiner oder gleich 200 W ist;– unabhängige Beleuchtungsregler (Dimmer) für Glühlampen mit einer Bemessungsleistung, die kleineroder gleich 1 kW ist.

• Für Geräte mit einem Phasenstrom 16A< I <75A gibt es definierte Grenzwerte für den Industriebereich nach der Norm EN61000-3-12.

• Es gibt relativ zur Leistung sowohl Grenzwerte einzelner Oberschwingungsanteile als auch Absolutwerte für den Oberschwingungsstrom (Total Harmonic Current) für symmetrische 3-phasige Geräte (Tabelle 4)




Mindestwert

von Rsce

Zulässige, einzelne Oberschwingungsströme Ih/Iref in

%

Zulässige Oberschwingungsstrom-

Kennwerte in %

Iref = Bezugsstrom

I5 I7 I11 I13 THC / Iref PWHC / Iref

33 10,7 7,2 3,1 2 13 22

≥ 120 40 25 15 10 48 46

Die Größe Rsce kennzeichnet dabei das Verhältnis von Kurzschlussleistung zu angeschlossener Nennleistung des Stromversorgungsanschlusses, errechnet sich also folgendermaßen:

�� = ��

��

Rsce kennzeichnet also den Innenwiderstand des Stromversorgungsanschlusses und kann deshalb auch nach folgender Formel berechnet werden:

�� =

3× × ��





In der Norm EN 61000-3-12 werden für nichtlineare Lasten mit passiver Gleichrichterbrücke zwei verschiedenen Topologien berücksichtigt:

-konventioneller Zwischenkreis (mit vorgeschalteter Netzdrossel oder ggf. mit integrierter Zwischenkreisdrossel)

-niederkapazitiver (schlanken) Zwischenkreis

Für beide Topologien werden Grenzwerte angezogen, allerdings bei unterschiedlichem Rsce:konventioneller ZK: Rsce=33 bzw. Rsce≥120 schlanker ZK: Rsce≥250





5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzdrossel




Netz- drossel L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-

kondensator PE








U1

I1

400 V / 50 Hz

9,2 Arms

17,5 Apeak

P1

Q1

S1

5,7 kW

2,94 kVA

6,45 kVA

LF 0,89

THD(I) 45,0 %


5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: ZK-Drossel




Zwischenkreis- drossel L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-

kondensator PE




U1

I1

400 V / 50 Hz

8,5 Arms

13,8 Apeak

P1

Q1

S1

5,65 kW

1,96 kVA

5,97 kVA

LF 0,94

THD(I) 33,5 %

5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: ZK-Drossel


• Mit diesen relativ einfachen Maßnahmen können die Anforderungen der EN61000-3-12 eingehalten werden

• Es zeigt sich in immer mehr Anwendungsfällen, dass die Forderungen der Norm für bestimmte Anforderungen nicht ausreichend sind

• Denn je höher der Oberschwingungsgehalt des Stroms, desto höher die Notwendigkeit einer Überdimensionierung der Stromversorgung

• Überall dort, wo nicht direkt an ein öffentliches Netz angeschlossen wird, also separate Stromversorgungen in Form von Inselnetzen, Generatoren oder ausfallsichere Backup-Systeme notwendig sind (z.B. im Datencenter), ist es oberstes Ziel, diese Stromversorgungssysteme so knapp wie möglich zu bemessen (Kosten!)

� Forderung nach einer möglichst geringen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und einem minimalen Stromoberschwingungsgehalt

� LF > 95% und THD(I) < 5% sind heute immer häufiger Anforderungen z.B. in Daten-centern



5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen




Netz Netz- Gleichrichterbrücke Endstufe Motor filter (B6-Brücke)

L1 L2 Filter L3 Zwischenkreis-

kondensator PE

5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter








U1

I1

400 V / 50 Hz

8,45 Arms

13,50 Apeak

P1

Q1

S1

5,65 kW

0,98 kVA

5,78 kVA

LF 0,98

THD(I) 7,5 %









Netz Aktiver Gleichrichter Endstufe Motor

L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-

kondensator PE

5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Aktive PFC




U1

I1

400 V / 50 Hz

8,2 Arms

12,0 Apeak

P1

Q1

S1

5,65 kW

0,16 kVA

5,65 kVA

LF 0,998

THD(I) < 2%

6. ebm-papst 3~ Aktiv PFC Lösung










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7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel

Daten vom Typenschild desEinspeisetransformators:





Trafoleistung: 1,525MVASekundäre nominale Transformatorspannung: Unom=480VTransformatorfrequenz: f=60HzKurzschlussspannung: Uk=6,48%

I��,�� =S��

3 × U��

=1525kVA

3 × 480Vac= 1,835kA

Aus dem Nennstrom und der Kurzschlussspannung des Transformators kann der Kurzschlussstrom berechnet werden:

I��,%& =I��,�� × 100%

U(

= I��,%& =1,835kA × 100%

6,48%= 28,32kA

Die Kurzschlussleistung des Transformators beträgt dann:

S��,%& = 3 × I��,%& × U�� = 3 × 28,32kA × 480V = 23,54MVA





Damit beträgt die empfohlene maximale Scheinleistung für nichtlineare Lasten (Elko-Zwischenkreis) an diesem Transformator

S+��,��, =S��,%&

R%&.

=23,54MVA

120= 196,2kVA

Dies bedeutet bei einem durchschnittlichen Leistungsfaktor von 0,94 einer anschließbaren Last mit einer Wirkleistung von

P+��,��, = 12 ∗ S+��,��, = 0,94 ∗ 196,2kVA =184kW

Bis zu einer Belastung des Transformators mit PFan,max (Topologie herkömmlicher Zwischenkreis-kondensator mit Zwischenkreisdrossel) liegt die durch die Stromverzerrung (THD(I)) hervorgerufene Spannungsverzerrung (THD(U)) typischerweise bei ≤ 8%.Dies entspricht den Werten aus der EN 50160 (Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitäts-versorgungsnetzen).





Bei Verwendung von nichtlinearen Lasten mit schlankem Zwischenkreis (Zwischenkreis mit

niederkapazitivem Folienkondensator) beträgt die empfohlene maximale Scheinleistung an diesem Transformator

S+��,��, =%56789,:;

<:;==

>?,@ABCD

>@E= 94,2kVA

Dies bedeutet bei einem durchschnittlichen Leistungsfaktor von 0,94 einer anschließbaren Last mit einer Wirkleistung von

P+��,��, = 12 ∗ S+��,��, = 0,94 ∗ 94,2kVA =88,5kW

Bis zu einer Belastung des Transformators mit PFan,max (Topologie herkömmlicher Zwischenkreis-kondensator mit Zwischenkreisdrossel) liegt die durch die Stromverzerrung (THD(I)) hervorgerufene Spannungsverzerrung (THD(U)) typischerweise bei ≤ 8%.Dies entspricht den Werten aus der EN 50160 (Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitäts-versorgungsnetzen).


• Schon bei der Planung einer mit EC-Ventilatoren bestückten Lüftungs- oder Kälteanlage muss die vorhandene (oder neu geplante) Energieversorgung mit berücksichtigt werden.

• Je nach Anforderungen an die Spannungsqualität und abhängig von der Dimensionierung der Energieeinspeisung kann nur eine begrenzte Leistung in Form nichtlinearer Lasten abgenommen werden.

• Um die Netzrückwirkungen auf die Energieversorgung abzustimmen, stehen dem Anwender unterschiedliche Schaltungstopologien seitens ebm-papst zur Verfügung.

• Zusätzlich ist aktuell das sogenannte „Approved Filter Program“ bei ebm-papst im Aufbau. Hierbei werden Vorschaltfilter (LC-Filter) für unterschiedliche Endgeräte in Zusammenarbeit mit großen Filterherstellern entwickelt und festgelegt. Diese Filter sind in Kürze mit ebm-papst Teilenummer bestellbar.

8. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen



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Fragen?

39Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen04.10.2018

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

04.10.2018 40Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen04.10.2018

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