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Florian Groß, Produktmanager Antriebs- und Steuerungstechnik bei ABB Motion: „Wir verhindern Überhitzung von Komponenten durch die Eliminierung von Oberwellen. Das spart dem Anwender Zeit und Geld.“

Bild: ABB

Ultra-Low Harmonic Drives verhindern störende Oberwellen „Im Endeffekt sparen wir Zeit und Geld“

04.07.2022

Frequenzumrichter können das Stromnetz arg verschmutzen und so für schleichende Schäden sorgen, Ausfälle verursachen und unnötig Energie vergeuden. Doch das muss nicht sein, wie Florian Groß, Produktmanager Antriebs- und Steuerungstechnik bei ABB Motion im Gespräch mit A&D erläutert. Denn Ultra-Low 
Harmonic Drives verhindern störende Oberwellen und sorgen 
für ein sauberes Stromnetz.

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Sind „normale“ Frequenzumrichter die Hauptübeltäter für die Verschmutzung von den Netzen in Produktionsbetrieben?

Allgemein gibt es viele Quellen von Oberquellen innerhalb elektrischer Netze, beispielsweise Kopierer, PCs und Schaltnetzteile. Frequenzumrichter reihen sich hier ein – allerdings fallen hier im Gegensatz zu den oben genannten Beispielen mit 100 Kilowatt sehr hohe Leistungen an. Deshalb können diese Störquellen einen großen Beitrag zu der Verschmutzung von Produktionsnetzen beitragen.

Wie lässt sich eigentlich feststellen, ob im eigenen Stromnetz überhaupt starke Verzerrungen herrschen?

Es gibt zum einen Analysegeräte, die Verzerrungen anhand von spektralen Darstellungen sichtbar machen können. Zum anderen lässt sich dies aber auch berechnen, sodass man einen Anhaltspunkt hat, wie hoch die Oberwellenbelastung sein wird und so gleich in der Planung berücksichtigen kann.

Welche Auswirkungen haben Oberwellen auf die Infrastruktur?

Das Stichwort ist Überhitzung. Angeschlossene Motoren, aber auch Kabelzuleitungen und Transformatoren haben aufgrund der thermischen Überbelastung eine geringere Lebensdauer. Weiterhin können sehr empfindliche Infrastrukturen gestört werden. Kritisch sind auch falsche Messwerte von Sensoren, die durch Oberwellen verursacht werden.

Wie sensibel ist der Markt bezüglich dieser verschmutzen Stromnetze?

Der Maschinenbauer selbst kann das Thema nur schlecht abschätzen. Anders beim Anlagenbetreiber – hier nehmen wir sehr wohl eine Sensibilisierung wahr, sodass zukünftige Anlagen unter Berücksichtigung von Oberwelligkeit geplant werden. Die Ultra-Low Harmonic Drives von ABB bieten in dem Zusammenhang ein gutes Werkzeug, um eine Bestandsanlage aufzurüsten.

Wie schwer sind weiche Faktoren wie längere Lebensdauer von Komponenten und zuverlässiger Betrieb dem Kunden vermittelbar?

Wenn ein Anwender schon einmal das Thema Oberwellenbelastung miterlebt hat und Komponenten vorzeitig aufgrund der Überhitzung den Geist aufgegeben haben, dann ist das Thema leicht vermittelbar. Schwer wird es tatsächlich, wenn noch keine offensichtlichen Probleme auftraten. Unsere Ultra-Low Harmonic Drives zeichnen sich aber neben der Oberwellenelimierung auch beispielsweise durch die Kompensation von Spannungsschwankungen und -einbrüchen bei langen Kabelwegen aus. Außerdem bieten sie einen Pluspunkt bezüglich der Energieeffizienz, was aktuell wichtiger denn je ist. Dies sind Punkte, die unsere Kunden schätzen und mit denen sich das Thema sehr gut vermitteln lässt.

Von welchen Netzverzerrungen sprechen wir eigentlich bei konventionellen Umrichtern und beim Ultra-Low Harmonic Drive?

Ein 6-Puls-Frequenzumrichter ohne Filter weist einen THDi-Wert von circa 90 bis 110 Prozent auf – kombiniert mit einer Drossel, die häufig auch bei unseren Standardgeräten verbaut ist, circa 45 Prozent. Mit Passivfilter erreicht man typischerweise zehn bis 20 Prozent. Diese Werte betreffen allerdings lediglich den Nennbetrieb. Sobald der Lastzustand variiert und beispielsweise 50 Prozent Teillast erreicht werden, können sich diese Werte erhöhen – so kann ein Passiv­filter dann auch 20 oder mehr Prozent erreichen. Unser Ultra-Low Harmonic Drive hat hingegen einen Wert von drei Prozent oder sogar weniger – und das über den gesamten Lastbereich.

Gibt es je nach Branche auch bestimmte Normen, die Frequenzumrichter bzgl. der maximalen Netzverzerrung erfüllen müssen?

Diese Vorgaben geben die Netzbetreiber, diese unterscheiden sich beispielsweise je nach Leistungsaufnahme. Auf größer 16 Amper und kleiner gleich 75 Amper trifft die Norm IC61000-12 zu; größer als 75 Amper geht häufig auf die TAR41000 zurück – hier spricht man dann aber nicht mehr von einzelnen Normen, sondern von einer Gesamtsystembetrachtung: Hier werden ebenfalls die Normen 61002-2, 61002-4 sowie IEEE519 herangezogen.

Oft kommen Passiv- und Aktivfilter oder eine Mehrpulslösung zur Dämpfung von Oberschwingungen zum Einsatz. Was nutzen Sie eigentlich?

Nein, diese Technologien benötigen wir hier nicht. Unser Ultra-Low Harmonic Drive verwendet eine sogenannte aktive Einspeiseeinheit, um die geringen Oberwellen zu gewährleisten. Passiv- und Aktivfilter sind hingegen Lösungen, die von außen herangeführt werden. Unser Ultra-Low Harmonic Drive kann ohne zusätzliche Komponenten sofort betriebsfertig arbeiten.

Was genau ist die aktive Einspeiseeinheit und können damit auch Spannungsabfälle am Motor kompensiert werden?

Die Einspeiseeinheit gestaltet aktiv die Stromaufnahme aus dem Netz und stellt damit geringe Netzrückwirkungen sicher. Der Ultra Low Harmonic Drive bietet aber mehr Vorteile als nur geringe Oberwellenmessrückwirkungen. Wir können durch die aktive Einspeiseeinheit die DC-Zwischenkreisspannung anheben. Auf der einen Seite können so kleine Netzschwankungen ausglichen werden. Auf der anderen Seite haben wir vor dem Motor oftmals lange Kabelwege oder Sinusfilter, die auch einen gewissen Spannungsabfall verursachen - und diese können wir durch Anheben der Motorspannung kompensieren. So stellen wir einen optimalen Leistungspunkt sicher.

Gibt es denn Szenarien, für die Sie dennoch Drosseln und Passivfilter statt des Ultra Low Harmonic Drive empfehlen?

Wenn der Anwender eine Anlage betreibt, in der sich bereits viele Lasten vorfinden lassen, die jedoch nicht an Oberwellen beitragen, kann eine Mischung aus Passivfilter, Drossel und Umrichtern den Umlastanteil kompensieren. Anders hingegen ist die Situation, wenn man keine Details über die Lastsituation seiner Anlage hat. Hier ist der Ultra Low Harmonic Drive auch in Teillast die Lösung, die man wählen sollte.

Frequenzumrichter mit Passivfilter schwanken in der Reduzierung der Oberschwingung je nach Lastbereich. Arbeitet Ihre Lösung in jedem Lastbereich mit gleich effektiver Dämpfung?

Im Nennbetrieb arbeitet der Passivfilter relativ gut, aber sobald es in die Teillast geht, gibt es eine Reduzierung der Performance im THDi-Wert. Dies ist ein großer Nachteil des Passivfilters. Außerdem kann der Blindleistungsbezug durch einen Passivfilter enorm steigen. Ein Ultra-Low Harmonic Drive ist hingegen frei regelbar, aktiv geschaltet und liefert auch im unteren Teillastbereich eine sehr hohe Performance im Bereich der Netzqualität. Außerdem reduziert das Ultra-Low Harmonic Drive die Blindleistung in den Anlagen.

Agieren Unternehmen mit den Drives auch nachhaltiger, weil die Motoren immer im optimalen Effizienzbereich arbeiten und Überdimensionierung verhindert wird?

Absolut. Wir haben durch die optimale Führung der Motoren auch bei langen Kabelwegen stets die beste Energieeffizienz, die man erreichen kann. Und was man nicht vergessen darf: Das Ultra-Low Harmonic Drive hat, wie schon erwähnt, deutlich weniger Oberwellen. In einer Gesamtsystembetrachtung ist das Ultra-Low Harmonic Drive somit effizienter als passive oder klassische Methoden.

ABB bietet das Tool Drive Size an, das Oberschwingungen berechnen kann. Wie funktioniert es, wann empfehlen Sie den Einsatz?

Das Drive Size ermöglicht es, verschiedene Lasten und Antriebsstränge innerhalb einer Anlage oder bei der Planung einer Anlage zu simulieren. Anhand dessen lässt sich voraussagen, wie die Netzqualität später aussehen wird. Aus meiner Sicht ist es immer wichtig, sich hier bei der Planung bereits Gedanken zu machen, denn das spart einiges an Geld und Aufwand im Nachhinein.

Für welche Leistungsklassen gibt es die Ultra-Low Harmonic Drives und für welche Anwendungen eignen sie sich besonders?

Das ist das Besondere: Wir fangen bereits bei 4,5 KW an. Und das Ultra Low Harmonic Drive lässt sich überall einsetzen. Wir bieten neben den 880er-Serien nun auch die ACH580- und ACQ580-Serien an und haben damit auch segmentpezifische Umrichter für HLK- und Wasser-Anwendungen im Sortiment.

Gibt es die ULH Drive speziell für verschiedene Branchen/Applikationen zugeschnitten?

Jede Branche hat seine individuellen Anforderungen. Diese werden typischerweise nicht von einem Maschinenbauer abgefragt, weshalb wir diverse Variationen für diese Segmente eingebracht haben.

Fassen Sie nochmals zusammen: Welche Vorteile bietet das 
Ultra-Low Harmonic Drive?

Wir verbessern die Systemeffizienz deutlich, eine Blindleistungskompensation ist im Umrichter integriert, außerdem ermöglichen die Ultra-Low Harmonic Drives eine Platzersparnis gegenüber passiven Lösungen um bis zu 70 Prozent. Aufgrund des reduzierten Verkabelungsaufwands sparen wir bei der Installation Zeit, aber auch Kosten. Der Aufwand beim Engineering ist sehr gering, da keine Abstimmungen notwendig sind. Wir kompensieren Spannungsabfälle bei Motoren oder über lange Kabelwege hinweg und bieten die volle Leistung auch bei schwachen Netzen. Und – last but not least – wir liefern eine konstante Performance im Bereich der THDI-Werte von typischerweise drei Prozent.

Was planen Sie demnächst noch rund um die ULH Drives?

Wir entwickeln unsere Produkte stetig weiter und verbessern diese in ihrer Performance und versuchen in Zukunft weitere Funktionen. So haben wir für die HK-Branche den Ultra Low Harmonic Drive so erweitert, dass er, wie ein rückspeisefähiger Umrichter, die Energie aus dem Antriebsstrang für eine kurze Zeit ins Netz zurückspeisen kann.

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