Maximieren der Leistung von Frequenzumrichtern und USV

Wenn Sie einen Frequenzumrichter oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) installieren oder solche Geräte bereits nutzen, sollten Sie bestimmte Parameter der Netzqualität überwachen, um die Leistung Ihrer Geräte zu maximieren. Zur Ermittlung der zu messenden Netzqualitätsparameter und der Zeitpunkte für Messung müssen Sie zunächst die Netzqualitätsprobleme verstanden haben, die mit diesen Geräten verbunden sind, da sie Strom in kurzen Impulsen aus der Eingangsstromversorgung aufnehmen. Frequenzumrichter und USV werden durch Netzqualitätsprobleme der sie speisenden Stromversorgung beeinträchtigt. Außerdem erzeugen sie Oberschwingungsströme, die auf das Stromverteilungssystem zurückwirken.

Eine bewährte Vorgehensweise ist die Überwachung der Netzqualität vor der Installation, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung zum Gerät die Spezifikationen des Herstellers erfüllt. Sammeln Sie spezifische Daten für Gerätehersteller, damit diese die Oberschwingungen analysieren und Filter konzipieren können, mit denen der Umfang des in das Stromverteilungssystem zurückwirkenden Oberschwingungsstroms begrenzt werden kann. Überwachen Sie schließlich die Netzqualität im Systembetrieb, um sicherzustellen, dass der Frequenzumrichter oder die USV die Klirrfaktor-Grenzwerte des Stromverteilungssystems nicht überschreitet. Verwenden Sie Ihre Überwachungsdaten auch, um vor der Installation sicherzustellen, dass die Stromkapazität angemessen ist.

Abb. 1. Wählen Sie im Hauptmenü des Fluke 435 „Spannung/Strom/Frequenz“ aus, um Vrms und Hz zu ermitteln. Auch wenn alle Parameter auf Inkonsistenzen überprüft werden sollten, ist besonders darauf zu achten, dass die Spezifikationen des Herstellers erfüllt werden.

Vor der Installation eines Frequenzumrichters oder einer USV messen Sie die Netzqualitätsparameter an der Speiseleitung oder der Abzweigleitung, durch die der Frequenzumrichter bzw. die USV gespeist wird. Vergleichen Sie Ihre Daten mit den Spezifikationen des Herstellers, um sicherzustellen, dass diese eingehalten werden. (Denken Sie daran, die aufgezeichneten Daten zu speichern, um Referenzdaten für die zukünftige Nutzung zu haben!)

Hier ein Beispiel mit den Eingangsleistungsanforderungen für einen typischen Hersteller:

  • Spannungseingang +10 % bis -10 %
  • Frequenz 60 Hz (±5 Hz)
  • Maximaler Spannungseinbruch von 0 % bei 1 Zyklus und bis zu 60 % Spannungseinbruch bei 10 Zyklen.
  • Minimum 0,92 Verzögerung des Leistungsfaktors bei Volllast mit nominaler Eingangsspannung

Spannungsüberhöhungen, also zu hohe Eingangsspannungen, können eine Ursache eines Überspannungsfehlers sein. Einbrüche oder Spitzen können zu einem Unterspannungsfehler am Gerät führen, durch den der Frequenzumrichter oder die USV abgeschaltet wird.

Um sicherzustellen, dass das System die Spezifikationen des Herstellers erfüllt, verwenden Sie einen Netz- und Stromversorgungsanalysator oder einen Netzqualitätsrecorder zur Überwachung und Aufzeichnung der Daten. Die Aufzeichnung der Daten über einen bestimmten Zeitraum zeigt, was während eines ganzen Werkszyklus zu erwarten ist. Die Daten können anschließend auf einen PC heruntergeladen und analysiert werden. Wenn Sie einen kombinierten Logger/Analysator wie den Netz- und Stromversorgungsanalysator Fluke 435 verwenden, können Sie auch direkte Messungen der Eingangsleistung durchführen, während Sie protokollieren:

Abb. 2. Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen können detailliert analysiert werden, indem die Tabelle der Ereignisse nach der Aufzeichnung von Spannungsschwankungen mit der Funktion „Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen“ ausgewählt wird. Prüfen Sie den Ereignistyp (Spannungseinbruch oder Spannungsüberhöhung), den erreichten Spannungspegel, die Zeitdauer, während der dieser Pegel aufrechterhalten wird, sowie ob die Änderung aufwärts oder abwärts verläuft.
  • Wählen Sie im Hauptmenü „Spannung/Strom/Frequenz“ aus und prüfen Sie, ob die Vrms- und Hz-Werte innerhalb eines Bereichs von ±10 % der Spezifikation für die Spannung und innerhalb eines Bereichs von ±5 Hz für die Frequenz liegen. (Siehe Abbildung 1)
  • Wählen Sie „Leistung und Energie“ im Hauptmenü aus und prüfen Sie, ob der Verschiebungsleistungsfaktor: die Spezifikationen erfüllt. Der Verschiebungsleistungsfaktor ist der Leistungsfaktor für die Grundfrequenz, während der Leistungsfaktor Oberschwingungen berücksichtigt. Der Verschiebungsleistungsfaktor bezieht sich in der Regel auf die Spezifikationen des Herstellers. (Siehe Abbildung 3)
  • Obwohl das möglicherweise nicht erforderlich ist, ist es sinnvoll, die Eingangsleistung auf Oberschwingungen zu überwachen, die bereits durch andere Quellen im System erzeugt wurden. In vielen Fällen muss möglicherweise festgelegt werden, dass der Frequenzumrichter oder die USV an einer eigenen Stromquelle isoliert werden, um eingehende Störungen zu minimieren. Es ist hilfreich, Oberschwingungsdaten zu haben, um solche Entscheidungen vor der Installation zu treffen und diese Daten, wie immer, für zukünftige Vergleiche zu speichern.
  • Nachdem die Protokollierung abgeschlossen ist, wählen Sie im Hauptmenü „Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen“ aus, um sicherzustellen, dass die Einbrüche (Überhöhungen) die Herstellerspezifikationen nicht überschreiten. Verwenden Sie die Tabelle „Ereignisse“, um die Größe und Dauer jedes Spannungseinbruchs zu bestimmen. (Siehe Abbildung 2)

Achten Sie auf Bedingungen, die speziell nur für Ihre Geräte gelten. So kann beispielsweise eine statische USV-Anlage zusätzliche Anforderungen an die eingehende Leistung haben. Während der akzeptable Spannungsbereich je nach Hersteller variieren kann und Spannungen von nur 30 % des Nennwerts zulässig sein können, unterbrechen einige Geräte bei einem Wert von 15 % unter der Nennspannung das Laden von Batterien. Informieren Sie sich über die Grenzwerte Ihrer Geräte in den Spezifikationen des Herstellers.

Sobald der Frequenzumrichter oder die USV in Betrieb ist, stellen sich weitere Netzqualitätsprobleme, die Ingenieure und Techniker verstehen, überwachen und korrigieren können müssen: Die Effekte von Oberschwingungen, die durch den Frequenzumrichter oder die USV generiert werden sowie der daraus resultierende Gesamtklirrfaktor (THD) im Stromverteilungssystem. Ingenieure und Techniker müssen verstehen, wie die Spannung verzerrt wird, den Punkt bestimmen, an dem der Gesamtklirrfaktor zu messen ist, und verstehen, dass Grenzwerte auf der Basis der Verzerrung der Sinuswelle der Verteilungsspannung festgelegt werden.

Abb. 3. Durch Auswählen von „Leistung und Energie“ im Hauptmenü kann der Verschiebungsleistungsfaktor (DPF) beobachtet werden, um sicherzustellen, dass die Spezifikationen für die Stromversorgung an den Frequenzumrichter eingehalten werden. Verwenden Sie den Verschiebungsleistungsfaktor, sofern der Hersteller nicht angibt, dass der Leistungsfaktor Oberschwingungsfrequenzen berücksichtigt. Verwenden Sie dann den Leistungsfaktor-Messwert (PF). Beachten Sie, dass das Induktionsspulen-Symbol in der kVAR-Linie anzeigt, dass der aktuelle Leistungsfaktor nacheilt.

Frequenzumrichter und statische USV-Anlagen arbeiten, indem sie eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Anschließend kann durch das präzise Ein- und Ausschalten dieses Gleichstroms ein Signal mit variabler Spannung und variabler Frequenz erzeugt werden. USV-Anlagen schalten auf Gleichstrom um, um eine „saubere“ Leistung in der Grundfrequenz für kritische Lasten zu liefern. Frequenzumrichter variieren Frequenz und Spannung, um die Drehzahl eines Wechselstrommotors anzupassen. Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom erfolgt in den meisten Frequenzumrichtern und USV-Anlagen durch eine Gleichrichterschaltung. Ein Kondensator befindet sich am Ausgang der Gleichrichterschaltung. Aus diesem Kondensator wird Leistung für die Gleichstromschaltung gezogen.

Der Kondensator nimmt Strom aus der Leitung (über die Gleichrichterschaltung) auf, um sich selbst während der Spitzen der positiven und negativen Halbzyklen zu laden. Dieses Aufnehmen kurzer Stromimpulse führt zu einem Spannungsabfall. Dies bewirkt ein „Abflachen“ der eingehenden Sinuswelle. Die Gleichrichterschaltung erzeugt auch Oberschwingungsströme. Diese Oberschwingungsströme fließen zurück in das Stromverteilungssystem und verursachen Spannungs- und Stromverzerrungen der Sinuswellen im Verteilungssystem.

Was bedeutet all das für den Ingenieur und Techniker? Der Klirrfaktor muss beim Einschalten des Frequenzumrichters bzw. der USV-Anlage überwacht und ggf. korrigiert werden, wenn die Grenzwerte überschritten werden. Wie bereits oben erwähnt, kann der Gerätehersteller, wenn ihm Informationen vorgelegt werden, Oberschwingungsstudien durchführen und Filter konzipieren, um den durch den Frequenzumrichter bzw. die USV-Anlage im Betrieb erzeugten Klirrfaktor zu begrenzen.

Nachdem Oberschwingungsfilter installiert sind und die Anlagen arbeiten, muss der durch den Frequenzumrichter bzw. die USV-Anlage erzeugte Klirrfaktor überwacht und aufgezeichnet werden. Da die Empfehlungen der IEEE-Norm auf dem Netzanschlusspunkt basieren, sollten Sie Einrichtung und Überwachung an diesen Punkt durchführen. In der Regel ist der Netzanschlusspunkt (PCC) der Punkt, an dem die Lastspeiseleitung des Frequenzumrichters bzw. der USV-Anlage einen Bus verlässt, versorgt durch eine Stromquelle.

Um beispielsweise die Effekte der Oberschwingungen zu messen, die durch einen Frequenzumrichter oder eine USV-Anlage erzeugt werden, richten Sie das Fluke 435 am Netzanschlusspunkt ein und wählen Sie dann im Hauptmenü „Oberschwingungen“ aus. In einem Diagramm der Oberschwingungen wird die Größe jedes Oberschwingungsstroms im Verhältnis zur Grundfrequenz von 60 Hz dargestellt. Abhängig vom Typ des Frequenzumrichters oder der Gleichrichterschaltung in den Frequenzumrichtern oder USV-Anlagen sollten die Techniker bei bestimmten Oberschwingungsfrequenzen größere Höhen erwarten. Beispiel:

  • Bei einem Frequenzumrichter mit 6-pulsiger Einspeisung ist zu erwarten, dass mehr Oberschwingungen bei der 5., 7., 11., 13. Oberschwingungsfrequenz usw. erzeugt wird.
  • Bei einem Frequenzumrichter mit 18-pulsiger Einspeisung ist zu erwarten, dass mehr Oberschwingungen bei der 17., 19., 35., 37. Oberschwingungsfrequenz usw. erzeugt wird.
  • Bei einem Schaltnetzteil ist zu erwarten, dass mehr Oberschwingungen bei der 3., 5., 7., 9. Oberschwingungsfrequenz usw. erzeugt wird.

Auf alle Fälle sollte ein Rückgang der Größe der Oberschwingungen beobachtet werden, wenn die Ordnung der Oberschwingungen höher wird. Achten Sie jedoch besonders auf jede anormale Größe bei Oberschwingungsfrequenzen, die im Diagramm der Oberschwingungen erkennbar sind. Dies könnte ein Hinweis darauf sein, dass es durch die Oberschwingungen des Frequenzumrichters oder der USV-Anlage zu einer Resonanz mit Blindleistungskompensatoren im System kommt. Korrekturmaßnahmen müssen ergriffen werden, um diese gefährliche Situation abzuwenden.

Wenn eine Prüfung des Diagramms der Oberschwingungen auf erwartete Oberschwingungsfrequenzen ergibt, dass keine Anomalitäten vorhanden sind, wählen Sie die Messgeräteanzeige, um den Gesamtklirrfaktor für die Spannung anzuzeigen. Dieser darf nicht mehr als 5 % betragen. (Siehe Abbildung 4). Sollte das der Fall sind, ermitteln Sie die beste Lösung, um den Gesamtklirrfaktor in akzeptable Grenzen zu bringen. Das könnte durch Oberschwingungsfilter, Isolation von Transformatoren oder Verschieben von Lasten auf andere Speiseleitungen oder Abzweigleitungen geschehen.

Abb. 4. Nach Betrachten des Balkendiagramms der Oberschwingungen wählen Sie die Tabelle der Oberschwingungen auf dem Fluke 435, um sicherzustellen, dass der Gesamtklirrfaktor (THD) im Rahmen der Empfehlung von IEEE 519-1992 liegt und 5 % am Netzanschlusspunkt nicht überschreitet.

Bedenken Sie, dass eine Überwachung, insbesondere am Netzanschlusspunkt, ein langfristig angelegtes Gesamtprojekt ist. Nachdem Sie die Installationsbedingungen festgelegt haben, sollten Sie nicht aufhören. Führen Sie eine regelmäßige Überwachung durch und erweitern Sie Ihren Blick auf das gesamte Energieversorgungssystem. Beurteilen Sie Ihre Spitzenlast insgesamt. Sie wird sich langfristig beträchtlich ändern. Wenn neue Geräte und Lasten eingeführt werden, kann dies Einfluss darauf nehmen, was einst eine einwandfreie Stromversorgung für Ihren Frequenzumrichter oder Ihre USV-Anlage war.

Bei der Installation, dem Betrieb und der Instandhaltung von Frequenzumrichtern und unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen gilt folgendes Grundprinzip: Diese Geräte müssen gut, sauber und zuverlässig mit Strom versorgt werden, während sie laufen, und der in das Stromverteilungssystem zurückwirkenden Klirrfaktor muss minimiert werden. Verwenden Sie vor der Installation, bei der Inbetriebnahme und im normalen Betrieb Netz- und Stromversorgungsanalysatoren, um wichtige Netzqualitätsparameter zu überwachen und aufzuzeichnen. Techniker und Ingenieure können in Zusammenarbeit mit den Herstellern die beobachteten Netzqualitätsdaten verwenden, um das höchste Ziel zu erreichen – das Maximieren der Leistung von Frequenzumrichtern und USV