Bitte nicht stören!

EMV-Anforderungen bei drehzahlveränderbaren elektrischen Antrieben

ep/2019/12/ep-2019-12-1005-1007-00.jpg
ep/2019/12/ep-2019-12-1005-1007-01.jpg
ep/2019/12/ep-2019-12-1005-1007-02.jpg

pdf Artikel als PDF-Datei herunterladen

Aufgrund der wachsenden Zahl von Frequenzumrichtern und der daraus folglich steigenden Oberschwingungsbelastung in elektrischen Versorgungsnetzen werden die Normen, die sich mit der sogenannten Power Quality befassen, regelmäßig überarbeitet und den Netzbedürfnissen angepasst. Die VDE 0160-103:2019-04 [1] ist die aktuelle EMV-Produktnorm für Antriebssysteme mit einem Effektivwert der Wechselspannung bis zu 35 kV zwischen den Außenleitern.

Die Norm legt Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) für Antriebssysteme (PDS – Power Drive Systems) fest. Sie gilt für jene PDS, die in Wohn-, Geschäfts- und Industriegebieten (mit Ausnahme von Bahnanwendungen und Elektrofahrzeugen) eingesetzt werden. In ihr sind die Anforderungen an die Störaussendung von Oberschwingungen (OS) – genauer OS-Strömen – dargelegt. Denn im Speziellen erhöhen Power-Drive-Systeme die OS-Ströme und folglich, je nach Netzimpedanz, die OS-Spannungen. Diese hervorgerufenen OS-Spannungen dürfen die Funktionsfähigkeit, die Sicherheit und Zuverlässigkeit der vorhandenen Produktionsanlagen und Betriebsmittel nicht einschränken.

Zur genauen Festlegung der zulässigen Störaussendungen müssen weitere einschlägige EMV-Normen zur Hilfe genommen werden:

  • Eingangsstrom ≤16 A je Leiter: DIN EN 61 000-3-2 VDE 0838-2:2015-03 [2]

  • Eingangsstrom >16 A und ≤75 A je Leiter: DIN EN 61 000-3-12 VDE 0838-12:2012-06 [3]

  • öffentliche Niederspannungsnetze: DIN EN 61 000-2-2 VDE 0839-2-2:2019-06, [4]

  • öffentliche Mittelspannungsnetze: DIN EN 61 000-2-12 VDE 0839-2-12:2004-01, Quelle [6]

  • private Industrienetze: DIN EN 61 000-2-4 VDE 0839-2-4:2003-05 [5].

Wichtige Informationen und Maßnahmen

Um die Neuregelungen der EMV-Produktnorm richtig zu interpretieren und die im Netz verbauten Frequenzumrichter (Power Drive Systems) netzverträglich zu betreiben, haben die Netzqualitätsspezialisten von Condensator Dominit die wichtigsten Punkte, Informationen und Maßnahmen zu diesem Thema hervorgehoben:

Auszüge aus der Norm. Abschnitt C1.4.1 in [1]:

1. „Falls Kondensatoren zur Leistungsfaktorkorrektur in Netzen mit OS-Stromquellen installiert werden müssen, wird empfohlen, dass Drosseln in Reihe mit Kondensatoren geschaltet werden.“

Dies wird u. a. wie folgt begründet:

2. „c) Eine hohe OS-Spannung an den Anschlussklemmen einer Industrieanlage kann zu außergewöhnlichen Betriebszuständen von Geräten mit empfindlicher Elektronik und zur Überhitzung von Motorwicklungen führen.“

d) Das Auftreten von OS-Spannungen führt zur Erzeugung von OS-Strömen im Verteilungsnetz und in anderen Kundenanlagen.“ (Abschnitt C1.4.4 in [1])

Folgen für das Netz und den Industrienetzkunden:

Zu 1: Unverdrosselte Kondensatoren in Blindleistungskompensationen sind generell unzulässig, denn die fehlende Drossel begünstigt eine Resonanzsituation (siehe ep 4/2019, S. 283–290). Diese unverdrosselten Kompensationen können, auch nach vielen Jahren des problemlosen Betriebes, plötzlich zu Quellen von Resonanzerscheinungen werden. Dies geschieht sowohl durch veränderte Konstellationen von induktiven und kapazitiven Elementen im Netz sowie durch das Auftreten anderer Oberschwingungsprofile. Dabei ist unerheblich, ob die Oberschwingungspegel selber erzeugt werden (sozusagen „hausgemacht“ sind) oder vom vorgelagerten Netz (der MS-Ebene) stammen. Eine Resonanz des Schwingkreises „unverdrosselte Kondensatoren + induktive Netzimpedanz“ wird durch Schaltvorgänge oder durch Oberschwingungen in einem benachbarten Netz ausgelöst.

Zu 2: Mögliche Auswirkungen von Resonanzen sind:

  • Mehrfache Nulldurchgänge der Spannung. Folge: Fehlfunktion von komplexen Industrieanlagen sowie elektronischen Steuerungen

  • Überbelastung von EMV-Filtern, Dioden und Zwischenkreiskondensatoren der eingesetzten Frequenzumrichter (PDS). Folge: Ausfallgefahr dieser (Produktionsstopp)

  • Zerstörung von Netzteilen

  • „Surren“ bzw. „Dröhnen“ der elektrischen Betriebsmittel

  • Einkopplungen von Störsignalen (Störspannungen) in Datenverbindungen (Datenleitungen). Folge: z. B. elektromagnetische Störungen des Firmenintranets

  • Unkontrolliertes Ansprechen (Auslösen) von Schutzeinrichtungen (Sicherungen)

  • „Aussteigen“ von Generatorreglern im Inselnetz

  • Überspannungen (Spannungsanstiege) und dadurch Überschläge an Wicklungen von Motoren oder Transformatoren.

Sofortige Maßnahmen. Unverzügliche Abschaltung aller unverdrosselter Kondensatoren, wie z. B. in Blindleistungs-Kompensationsanlagen verbaut. Durch die Verkettung von sehr unglücklichen Umständen und Netzzuständen können angeregte Resonanzen für Leib und Leben ein unmittelbares Risiko darstellen und sollten auf keinen Fall mehr weiter betrieben oder in den Umlauf gebracht werden!

Aktive und passive Filter

Auszüge aus der Norm. Für den typischen Fall, dass in einem Netz mehrere PDS betrieben werden, wird darauf hingewiesen:

3. „Die Filterung jedes PDS vervielfacht die Gefahr von Resonanzen… warum eine gemeinsame Kompensation (Anm.: gemeint ist ein passives Filter) bevorzugt werden sollte.“ (Abschnitt C.1.5.2 in [1])

4. „Das Filtern jedes PDS kann erhöhte Gefahren mehrerer Resonanzfrequenzen verursachen. ... Daher sollte eine globale Näherung zur Filterung der gesamten Anlage verwendet werden.“ (Abschnitt B.3.1 in [1])

Folgen für das Netz und den Industrienetzkunden:

Zu 3 und 4: Wird jedem PDS ein eigenes handelsübliches Durchgangsfilter vorgeschaltet (wie auch z. B. EMV-Filter) erhöht sich im Vergleich zu einer zentralen Filtermaßnahme nicht nur die kapazitive Gesamtlast (Gesamtleistung ausgehend von dem jeweiligen Filterkonzept) des Netzes, sondern es entstehen auch mehrere Resonanzstellen (bei verschiedenen Frequenzen) im Netz, womit eine massive Gefahr von unkontrollierten Resonanzschwingungen einhergeht, die in weiterer Folge zu erheblichen Produktionsstörungen führen.

Um Industrienetze zielführend und effektiv zu befiltern, sollten heutzutage hauptsächlich leistungsstarke passive Filter (bestehend aus Serienschaltung von Kondensatoren, Induktivitäten und ggf. Widerständen) und aktive Filtersysteme zum Einsatz kommen.

Weitere Maßnahmen.Aktive Filter (Bild 1)kompensieren vorhandene OS-Ströme, indem sie betragsmäßig gleiche, aber um 180° verschobene OS-Ströme einspeisen und folglich keine OS-Spannungen zusätzlich entstehen können. Neben den relativ hohen Investitions- und Betriebskosten von aktiven Filtern ist im Normalfall im Netz noch die Installation von Stromwandlern erforderlich, um die Regelgröße Strom den Aktivfiltern zuzuführen. „Letztlich erhöhen aktive Lösungen die Anzahl der kommutierten elektronischen Leistungsbauelemente und sind für eine Erhöhung der Hochfrequenzstöraussendungen verantwortlich“ (Abschnitt C.2.2.4 in [4]).

Passive Filter (Bild 2) haben bei ihrer Abstimmfrequenz eine niedrige Impedanz. Deshalb nimmt das Filter OS-Ströme in der Umgebung der Abstimmfrequenz auf. Die können dann nicht mehr über die Netzimpedanz abfließen und folglich keine OS-Spannungen erzeugen. Bezüglich passiver Filter werden in [1] eine Reihe von Problemen genannt, die die Bemessung derartiger Filter als einen „ziemlich komplexen Vorgang“ bezeichnen (Abschnitt C1.5.1 in [1]). Darüber hinaus ist die Wirksamkeit von der Stabilität der Netzfrequenz abhängig (Abschnitt C1.5.2 in [1]). „Der Hauptnachteil passiver Filter liegt häufig in ihrer Unfähigkeit, sich an die Netzänderungen und Änderung der Filterbauteile (Alterung, Temperatur usw.) anzupassen“ (Abschnitt C.2.2.1 in [1]).

Mögliche Lösungen

Sofia-Filter nutzen die Vorteile beider Filter-Systeme. Sie sind, rein physikalisch gesehen, passive Oberschwingungsfilter (Frequenzbereich < 2 kHz) mit einer aktiven intelligenten Steuerung, die sich durch das Zu- und Abschalten von Kapazitäten (Kondensatoren) und einer Induktion (Drossel) automatisch den aktuellen Netzbedürfnissen anpasst. Technisch gesehen verfügt es über eine automatische Impedanzregelung, mit der das Filter die auf das Netz ausgeübte Saugwirkung selbstständig einstellt (Bilder 3 und 4). Merkmale dieses Filtersystems sind:

  • geringe Verlustleistung

  • keine Abschaltung bei Überlast

  • sowohl netz- als auch lastseitige Filterung

  • Filterung von höheren Frequenzanteilen (oberhalb der 53. Harmonischen)

  • Filterung von mehreren Frequenzen mit einem Filtermodul

  • Keine Aussendung von Hochfrequenzstörungen.

Resonanzen selber können von handelsüblichen Oberschwingungsfiltern nicht befiltert werden. Deshalb müssen hochfrequente Störungen wie Resonanzstellen mit Hilfe von Widerständen bedämpft und eliminiert werden. Eine Empfehlung ist der Einsatz von Sofia (Befilterung von harmonischen Oberschwingungen < 2 kHz) und dem Bedämpfungsfilter Resi (Bedämpfung von supra-hamonischen Oberschwingungen > 2 kHz), um durch eine breitbandige Befilterung ein belastbares und normgerechtes Netz zu erzielen (Bild 5).

Literatur

n


Bilder:


(1) Aufbau und Arbeitsweise eines aktiven Oberschwingungs-Filters (Quelle: Condensator Dominit)

(2) Aufbau und Arbeitsweise eines passiven Oberschwingungs-Filters (Quelle: Condensator Dominit)

(3) Prinzip der intelligenten Impedanzregelung. In Abhängigkeit des Oberschwingungspegels werden über das Steuergerät Kondensatorstufen in Reihe zu der Induktivität R0 zu- oder abgeschaltet. Hierdurch wird die resultierende Abstimmfrequenz des vorliegenden Reihenschwingkreises variiert und dementsprechend dessen Impedanz (Quelle: Condensator Dominit)

(4) Impedanzverlauf eines Sofia-Filtersystems für die 5. Oberschwingung (250 Hz) mit vier Abstimmungsstufen. Je nach Schaltung der Kondensatorstufen verschiebt sich der Impedanzverlauf und somit das Impedanzminima hin zu niedrigeren oder höheren Frequenzen (Quelle: Condensator Dominit)

(5) Sofia- und Resi-Filtersystem (Quelle: Condensator Dominit)

Literatur:

[1] DIN EN IEC 61 800-3 VDE 0160-103:2019-04 Drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme. Teil 3: EMV-Anforderungen einschließlich spezieller Prüfverfahren.
[2] DIN EN 61 000-3-2 VDE 0838-2:2015-03 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 3-2: Grenzwerte - Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom ≤ 16 A je Leiter).
[3] DIN EN 61 000-3-12 VDE 0838-12:2012-06 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 3-12: Grenzwerte – Grenzwerte für Oberschwingungsströme, verursacht von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom > 16 A und ≤ 75 A je Leiter, die zum Anschluss an öffentliche Niederspannungsnetze vorgesehen sind.
[4] DIN EN 61 000-2-2 VDE 0839-2-2:2019-06 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 2-2: Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Nieder-spannungsnetzen.
[5] DIN EN 61 000-2-4 VDE 0839-2-4:2003-05 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 2-4: Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen.
[6] DIN EN 61 000-2-12 VDE 0839-2-12:2004-01 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 2-12: Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Mittelspannungsnetzen.

Anzeige

Fachartikel zum Thema

  1. Elektrofahrzeuge – Ladung (1)

    DIN EN IEC 61980-1 2021-09 (VDE 0122-10-1)

    Kontaktlose Energieübertragungssysteme (WPT) für Elektrofahrzeuge – Teil 1: Allgemeine Anforderungen

    10/2021 | Energietechnik, Elektromobilität, Normen und Vorschriften

  2. Elektrofahrzeuge – Ladung (2)

    DIN CLC IEC/TS 61980-3 2021-10 (VDE V 0122-10-3)

    Kontaktlose Energieübertragungssysteme (WPT) für Elektrofahrzeuge – Teil 3: Spezifische Anforderungen für die kontaktlosen Energieübertragungssysteme mit Magnetfeld

    10/2021 | Energietechnik, Elektromobilität, Normen und Vorschriften

  3. Systemtechnik

    E VDE-AR-E 2849-7 2021-10 (Anwendungsregel)

    Elektrische Systemtechnik in Heim und Gebäude – Technischer Informationsaustausch an der Schnittstelle zur Liegenschaft und den darin befindlichen Elementen der Kundenanlagen: Umsetzung Use Cases mittels EN 50090 – ISO/IEC 14543-3-1 bis ISO/IEC 14543-3-7 – DIN EN ISO 22510 (KNX) ...

    10/2021 | Gebäudeautomation, Energietechnik, Installationstechnik, Gebäudesystemtechnik, Energieverteilung, Hausanschluss und Zählerplatz, Normen und Vorschriften

  4. Wie funktioniert die Energiewende?

    Teil 1: Ziele, Begriffe und Einheiten

    Die „Energiewende“ ist in Fach- und Tagespresse, Funk und Fernsehen schon lange allgegenwärtig – doch was ist das eigentlich? Was will sie, was kann sie, und wie geht das?

    luk 10/2021 | Energietechnik, Regenerative/Alternative Energien, Energieerzeugung, Energieverteilung, Energiespeicher, Batterieanlagen

  5. Energie – Erzeugung, Handel und Transport

    Teil 16: Erfolgversprechende Zukunft für die HGÜ-Technologie

    Der Transport von Offshore-Windstrom von Nord- und Ostseeküste in den Süden Deutschlands erfordert einen innovativen Netzausbau. Eine der Optionen dafür ist die Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).

    09/2021 | Energietechnik/-anwendung, Energietechnik, Energieverteilung, Energieerzeugung, Leistungselektronik

  6. Energie – Erzeugung, Handel und Transport

    Teil 15: Stromnetze – von den Anfängen bis zur Liberalisierung

    Die Stromversorgung für private Haushalte sowie Industrie-, Gewerbe- und Verkehrsbetriebe fußt in Deutschland und Europa größtenteils auf miteinander verbundenen Wechselstromnetzen. Hinzu kommen seit einigen Jahren 
in steigendem Maße Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlagen 
(HGÜ-Anlagen)...

    08/2021 | Energietechnik, Energieverteilung, Energieerzeugung

  7. Elektromobilität

    VDE-AR-E 2532-100 2021-07

    Anforderungen an eine Authentifizierung zur Nutzung von Versorgungseinrichtungen der Elektromobilität

    08/2021 | Energietechnik, Elektromobilität

  8. Wie Wechselrichter Netzausfälle erkennen

    ?Wie erkennen Wechselrichter mit Einspeisefunktion den Netzausfall, um dann die Einspeisung abzuschalten?

    ep 08/2021 | Energietechnik, Regenerative/Alternative Energien, Energieerzeugung, Wechselrichter für PV, Photovoltaik

  9. Stromspeicher-Inspektion 2021

    Neue Testsieger und Techniktrends

    20 Solarstromspeicher von 15 Herstellern hat die Hochschule für Technik 
und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin) in der vierten Auflage der Stromspeicher-Inspektion unter die Lupe genommen. An dem diesjährigen Speichervergleich haben sich neben E3/DC, Growatt, Sonnen und Viessmann sechs weitere...

    08/2021 | Energietechnik, Energiespeicher, Batterieanlagen

  10. Integration von Speichern in Kundenanlagen

    Die neue VDE-AR-E 2510-2 – Teil 1: Komponenten und Netzanschluss

    Die neue Ausgabe der Anwendungsregel VDE-AR-E 2510-2 ist am 1. Februar 2021 in Kraft getreten. Sie löst die bisher gültige Anwendungsregel VDE-AR-E 2510-2 mit Ausgabe vom September 2015 mit einer Übergangsfrist bis zum 31. Juli 2021 ab. Die Anwendungsregel enthält Sicherheitsanforderungen für...

    07/2021 | Energietechnik, Energiespeicher, Batterieanlagen

Anzeige

Nachrichten zum Thema

+++ News +++ Präsenzmesse Gelungener Neustart

Vom 6. bis 8. Oktober 2021 fand in München unter der Dachmarke „The smarter E Europe Restart“ die 30. Auflage der Intersolar Europe statt.

Weiter lesen

Neue Produkte Sicherer Adapter

Der Mobility Dock fungiert als mobile Ladestation. Das platzsparende Gerät erlaubt in Kombination mit Typ-2-Kabeln das Laden an einer Haushaltssteckdose.

Weiter lesen

Aus dem Facharchiv: Leseranfrage Einsatz eines mobilen Stromerzeugers

Ist es möglich, ein TN-S-System unter Einsatz eines mobilen Stromerzeugers, der über Schutztrennung mit Potentialausgleich verfügt, zu betreiben?

Weiter lesen

Nach drei erfolgreichen Tagen zieht The smarter E Europe Restart 2021 eine positive Bilanz. Im Corona-bedingten kompakten Restart-Format war die Innovationsplattform der neuen Energiewelt ein voller Erfolg.

Weiter lesen

+++ News +++ Podcast aus der Umweltforschung Klimaschutz auch beim Heizen in der Industrie

Uta Weiß vom ifeu erzählt im Podcast „ifeu update“, was wir tun müssen, um die Wärmewende noch zu schaffen.

Weiter lesen

Die ees Europe Conference am 6. und 7. Oktober 2021 gibt Orientierung in den dynamischen Batteriespeicher-Märkten. Im Conference Center Nord (CCN) auf dem Messegelände München informieren hochkarätige Experten über Markt- und Technologietrends für...

Weiter lesen

Das kompakte Steuergerät für DC-Wallboxen und Einzelladepunkte vSECC.single regelt die Ladekommunikation für das Combined Charging System (CCS) gemäß ISO 15118-2 und DIN SPEC 70121 und ist als Aufsteckplatine verfügbar.

Weiter lesen

+++ News +++ Erneuerbare Energien Kooperation zum Klimaschutz

Die Velux-Gruppe und Schneider Electric erweitern Partnerschaft zur Beschleunigung der Lifetime-Carbon-Neutral-Verpflichtung.

Weiter lesen

+++ News +++ Heizungstechnik Digitaler Service direkt vom Hersteller

Das Unternehmen Brötje bietet ein umfangreiches Portfolio an digitalen Tools in Form von Smartphone-Apps und Web-Anwendungen. Dabei steht nicht nur der SHK-Fachhandwerker im Fokus, sondern auch der Endkunde. 

Weiter lesen

Eine aktuelle Analyse von EuPD Research zeigt: Der verstärkte Ausbau der erneuerbaren Energien ist dringend notwendig. Nicht nur die Klimakrise, sondern auch der steigende Strombedarf im Zuge der Sektorkopplung stellt das klar heraus.

Weiter lesen