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Schäden durch Verzerrung im Stromnetz vorbeugen Frequenzumrichter vermeidet Oberschwingungen

24.08.2017

Mit Ultra Low Harmonic Drives will ABB das Stromnetz sauber halten. Die Frequenzumrichter spielen ihre Vorteile auch durch einfache Installation und moderne Bedienphilosophien aus.

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Zu hohen Blutdruck bemerkt man meistens nicht, oft bis es zu spät ist... Bei der Stromversorgung für Industriekomponenten ist es nicht anders. Idealerweise hat die Spannung im Drehstromnetz einen sinusförmigen Verlauf und ist frei von Störeinflüssen. In der Praxis müssen die elektrischen Verbraucher aber mit einer verzerrten Netzspannung arbeiten, die oft nur noch entfernt an einen Sinusverlauf erinnert. Angeschlossene Komponenten wie Motoren funktionieren zwar lange Zeit problemlos, doch Langzeitschäden sind unvermeidbar – wie bei Hypertonie.

Doch wie kommt die Verzerrung im Stromnetz zustande? Was lässt sich dagegen tun? Die Hauptschuld tragen nichtlineare Lasten wie Motorstarter und vor allem Frequenzumrichter. Theoretisch können alle Komponenten mit Leistungselektronik unsaubere Signale verursachen: verschiedene Frequenzen, Phasenlagen und Amplituden können sich dann zu oft erheblichen Oberschwingungen addieren.

Störfaktor Oberschwingungen

Je ausgeprägter die Oberschwingungen sind, desto höher ist die unnötige Verlustwärme bei Motoren, Transformatoren und anderen Komponenten. Die Geräte werden heiß, eine zusätzliche Kühlung ist notwendig. Oder die Komponenten müssen gleich überdimensioniert ausgelegt werden. Neben einer Energieverschwendung sinkt auch die Lebensdauer, schließlich sind die Bauteile für bestimmte Eingangspegel ausgelegt, die durch die Oberschwingungen deutlich überschritten werden können. Als Folge können beispielsweise Kondensatoren in der Eingangsstufe Schäden bekommen und ausfallen.

Ströme mit einer Gesamtverzerrung von oft über 100 Prozent lösen auch Leistungsschalter und Sicherungen ungewollt aus, Messgeräte zeigen falsche Werte an. Alles Symptome, die zu unerwarteten Produktionsstillständen führen können. „Nebensächlichkeiten“ wie flackernde Anzeigen sind noch das geringste von Oberwellen verursachte Problem.

Oberschwingungen verhindern

„Wenn keine Vorkehrungen gegen Oberschwingungen getroffen werden, kommt es in der Praxis irgendwann zu Störungen, irgendetwas fällt aus und im schlimmsten Fall bleibt die ganze Anlage stehen“, fasst Fred Donabauer, Leiter Produktmanagement Motoren & Antriebe bei ABB, die Oberschwingungsproblematik zusammen. Konventionelle Frequenzumrichter verursachen typischerweise eine Netzstromverzerrung von 35 bis über 100 Prozent. Soll die Netzqualität dennoch sichergestellt werden, sind oft aufwendige zusätzliche Maßnahmen erforderlich.

Genau hier will ABB mit seinen neuen Ultra Low Harmonic Drives punkten. Statt die erzeugten Oberschwingungen mit nachgeschalteten Filterlösungen wieder aufwendig glattzubügeln, vermeiden die Ultra Low Harmonic Drives diese Oberschwingungen. Mit einer Verzerrung des Stroms von nur drei Prozent reduziert ABB den Oberschwingungsgehalt um bis zu 97 Prozent im Vergleich zu konventionellen Frequenzumrichtern. Das technische Grundkonzept besteht darin, einen Ultra-Low-Harmonic-Filter, einen aktiven Netzwechselrichter mit einer intelligenten Regelung sowie einen Motorwechselrichter in eine einzige Frequenzumrichtereinheit zu packen – optimal auf einander abgestimmt.

Kompakt und effizient

Ebenso wichtig wie die Vermeidung von Oberschwingungen ist die einfache Installation und Inbetriebnahme der Frequenzumrichter. Auch hier sind ABBs Ultra Low Harmonic Drives gegenüber Lösungen mit nachgeschalteten Filtern oder Mehrpulslösungen im Vorteil. Im Vergleich zu einem „normalen“ Frequenzumrichter erhöht sich der Platzbedarf kaum, der Verkabelungs- und Installationsaufwand bleibt der gleiche. Bei externen Filterlösungen nimmt der Aufwand zu, auch eine Abstimmung der Komponenten untereinander ist zusätzlich notwendig - Zeitaufwand und Kosten steigen.

Hinzu kommt, dass die Ultra Low Harmonic Drives über den gesamten Leistungs- und Spannungsbereich die Oberschwingungen auf ein Minimum reduzieren - nicht nur bei Nennlast. Neben der Kompaktheit und einfacheren Installation ist das ein wesentlicher Vorteil gegenüber anderen Lösungen für eine saubere Stromversorgung.

Ganzheitliche Kostenbetrachtung

Natürlich ist ein Ultra Low Harmonic Drive von ABB in der Anschaffung gegenüber konventionellen Modellen etwas teurer. Allerdings muss die Kostenbetrachtung hier ganzheitlich betrieben werden. Per se sind für eine saubere Stromversorgung in kritischen Anlagen Investitionen notwendig, um Produktionsstillstände zu vermeiden. Das kann einfach mit Ultra Low Harmonic Drives erfolgen oder durch andere Umrichter in Kombination mit Aktivfiltern. Auch Mehrpulslösungen mit zugehörigen Mehrwicklungs-Transformatoren reduzieren Oberschwingungen, verursachen aber ebenfalls Mehrkosten bei höherem Aufwand.

Es müssen somit die Kosten verglichen werden, die das gleiche Ergebnis zur Folge haben. „Wir bieten unseren Kunden an, die vorhandene Infrastruktur zu analysieren und schlagen Maßnahmen vor, die sich am besten für eine saubere Signalversorgung eignen“, erläutert Donabauer das ideale Vorgehen. Oft sind in Anlagen schon Frequenzumrichter vorhanden, so dass sich hier aus Kostensicht der Einsatz eines Aktivfilters lohnen kann. Für diese Brownfield-Anlagen hat ABB ebenfalls passende Lösungen im Angebot. Aber auch bei bestehenden Anlagen und vor allem bei neuen Installationen sprechen die Gesamtkosten schnell für die Ultra Low Harmonic Drives.

User Experience im Fokus

ABB hat in seine Ultra Low Harmonic Drives auch viel Aufwand in eine benutzerfreundliche Bedienung gesteckt, schließlich sollen saubere Signale nicht durch komplexe Einrichtung erkauft werden. Die Usability fängt bei der Inbetriebnahme des Frequenzumrichters an, die einfach wie bei einem modernen Smartphone durchführbar ist. „Man muss kein Wissenschaftler sein, um einen Motor zum Laufen zu bringen, unsere Geräte sind für Anwender gemacht, die sich nicht jeden Tag mit Umrichtern beschäftigen“, hebt Donabauer hervor. Über eine für alle ABB-Antriebe einheitliche Software-Plattform lassen sich die Geräte auch über PCs oder Tablets parametrieren und überwachen – das gilt für die neuen Ultra Low Harmonic Drives ebenso wie für die konventionellen Frequenzumrichter. „Künftig werden wir anbieten die Antriebe über Cloud-Services zu managen“, blickt Dr. Sönke Kock, Leiter Digitalisierung, Geschäftsbereich Antriebe bei ABB, schon etwas in die Zukunft.

Doch Usability hört bei ABB nicht bei der Bedienung auf. Damit Antriebe schon vor dem Kauf in der geplanten Anlage auf ihre Eignung und dem Zusammenspiel mit anderen Komponenten getestet werden können, setzt ABB voll auf digitale Abbilder seiner Produkte – die sogenannten „digitalen Zwillinge“. Der Hersteller arbeitet an der Virtualisierung seines kompletten Produktportfolios, derzeit werden die Frequenzumrichter umgesetzt. Statt dass ein Simulationstool versucht, über eigene Logiken die Arbeitsweise eines Gerätes nachzubilden, läuft eine komplett virtualisierte Hardware in der Simulationsumgebung Automation Builder. Genau hierfür erzeugt ABB von seinen Produkten exakt nachgebildete virtuelle Geräte, auf denen die gleichen Parameter und Anwendungen laufen wie im realen Produkt.

Das Ziel von ABB ist, seinen Kunden in jeder Phase von der Planung bis hin zur Wartung mit digitalen Services eine möglichst durchgängige und einfache Usability zu bieten. Im nachfolgenden Interview von Fred Donabauer und Dr. Sönke Kock lesen Sie mehr über die Vorteile der Ultra Low Harmonic Drives und die digitalen Services von ABB.

Bildergalerie

  • ABB bietet seine Ultra Low Harmonic Drives in vielen Leistungsklassen für ein breites Anwendungsspektrum an.

    Bild: ABB

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