Oberschwingungen: Eine Herausforderung für Netze und Anlagen

Da immer mehr Geräte und Maschinen im Spannungsnetz betrieben werden, die Oberschwingungen verursachen, nehmen auch die Auswirkungen auf Netze und Verbraucher zu. Die Folgen sind vielfältig und fangen schon bei Kabeln an: Sie werden durch die zusätzliche Belastung erhitzt, was zu Kabelschäden und zu unerwünschten magnetischen Feldern führen kann.

Auch Motoren, Generatoren und Kondensatoren können durch den zusätzlichen Stromfluss von Oberschwingungen überhitzen. In Transformatoren und Drosselspulen verursachen Oberschwingungen Eisenverluste; an Spulen können Spannungsfälle entstehen. Selbst Stromausfälle, die durch Oberschwingungen verursacht werden, sind möglich – mit oft schwerwiegenden Auswirkungen auf die Infrastruktur.

Aufgrund der Gefahren für Maschinen und Anlagen liegt es im Interesse aller Betreiber, deren Equipment als Verbraucher Teil des Stromnetzes ist, die Verursachung von Oberschwingungen so weit wie möglich zu reduzieren. Doch auch viele Netzbetreiber geben für Oberschwingungen Grenzwerte vor. Dadurch soll zum einen die Störaussendung von oberschwingungserzeugenden Maschinen in erträglichen Grenzen gehalten. Zum anderen soll aber auch die Störfestigkeit von Maschinen, die in Netzen mit Oberschwingungen betrieben werden, festgelegt werden.

Oberschwingungen zu erkennen und zu bekämpfen, ist jedoch nicht einfach, denn nicht immer treten Probleme sofort und eindeutig sichtbar auf. Häufig ist das Phänomen bei Betreibern kaum bekannt, sodass auftretende Probleme erst gar nicht auf Oberschwingungen zurückgeführt werden.

Sinn und Zweck von Frequenzumrichtern ist es, die aufgewendete elektrische Energie durch die Regelung der Motordrehzahl genau an die Erfordernisse des Prozesses anpassen. Dieses Vorgehen kann sehr viel Energie sparen – doch gleichzeitig kann es auch zur Entstehung von Oberschwingungen führen.

Der Einfluss von Oberschwingungen auf das Stromnetz und die daran angeschlossenen Geräte dürfen Betreiber deshalb nicht vergessen. Der Vorteil dabei: Wird bei der Planung neuer Anlagen oder einem Retrofit – zum Beispiel der nachträglichen Ausrüstung des Anlagenbestands mit Frequenzumrichtern – darauf geachtet, dass die Anlage möglichst wenige Oberschwingungen verursacht, lassen sich kurz- und langfristig Kosten sparen.

So bedeutet ein geringer Oberschwingungsgehalt zum Beispiel, dass Kabel nicht überdimensioniert ausgeführt werden müssen. Auch der Leistungspuffer des Transformators als eine der teuersten Komponenten im Stromnetz kann kleiner dimensioniert werden.

Wo ein geringer Oberschwingungsgehalt von hoher Bedeutung ist, sollten Anlagenbetreiber also auf Frequenzumrichter setzen, die geringe THDi-Werte gewährleisten. Im Mittelpunkt stehen dabei sogenannte AFE-Frequenzumrichter. AFE bedeutet Active Front-End: eine Technologie zur Gleichrichtung des Stroms, bei der statt Diodengleichrichterbrücken Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT) verwendet werden. Die Eingangs-IGBTs solcher Frequenzumrichter können besonders präzise gesteuert werden. Diese Fähigkeit bewirkt, dass der aus dem Netz entnommene Strom sinusförmig bleibt: Oberschwingungen werden vermieden und die Spannungskurve nimmt einen nahezu perfekten Sinusverlauf.

Noch ein weiterer Faktor mindert die Auswirkungen von AFE-Frequenzumrichtern aufs Stromnetz: Ein integrierter LCL-Filter (Spule-Kondensator-Spule) vor den Front-End-IGBTs entfernt auch hochfrequente Störungen. Zusammengenommen bewirken diese Technologien, dass THD-Werte von typischerweise 3 Prozent erreicht werden. Zum Vergleich: Bei herkömmlichen Frequenzumrichtern mit integrierter Drossel, einer weit verbreiteten Lösung zur Oberschwingungsbekämpfung, kann der THDi-Wert bis zu 40 Prozent erreichen.

Durch die Kombination verschiedener fortschrittlicher Technologien bieten Ultra-Low Harmonic Drives von ABB viele Vorteile: Sie

• senken die Gesamtbetriebskosten,
• halten das Stromnetz sauber,
• reduzieren das Risiko von Störungen,
• können Schäden an den Anlagen verhindern und
• reduzieren den Platzbedarf bei der Installation.

In einer perfekten Welt der Energieversorgung gäbe es keine Oberschwingungen. Doch auch in der Praxis des betrieblichen Alltags lassen sich die THDi-Werte so weit reduzieren, dass keine Gefahren mehr für das Equipment entstehen und die Netzverschmutzung auf ein Minimum reduziert wird. Durch den Einsatz von Ultra-Low Harmonic Drives handeln Betreiber verantwortungsbewusst und verschaffen sich Vorteile für ihre Kosten und die Sicherheit der Anlage – näher kann man einem perfekten Betrieb kaum kommen.