Frequenzumrichter Oberschwingungen vermeiden – wo bitte geht´s zur Sinusform

Frequenzumrichter erzeugen Oberschwingungen, die die Sinusform des Stromnetzes verzerren können. Welche Folgen das hat und wie sie sich vermeiden lassen, haben wir bei fünf großen Herstellern nachgefragt.

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Die ideale Stromform im Versorgungsnetz ist die Sinusform. Oberwellen verzerren diese Sinusschwingungen und können an das Netz angeschlossenen Geräte stören.
Die ideale Stromform im Versorgungsnetz ist die Sinusform. Oberwellen verzerren diese Sinusschwingungen und können an das Netz angeschlossenen Geräte stören.
(Bild: © ALEXEY FILATOV/Fotolia.com)

Der Einsatz von Frequenzumrichtern in der Industrie steigt. Das sollte den Herstellern der Geräte gefallen. Doch Frequenzumrichter erzeugen Oberschwingungen und sorgen so für eine Verschlechterung der Netzqualität. „Bedingt durch den Eingangsgleichrichter und die Glättung der Gleichspannung entsteht ein impulsförmiger Eingangsstrom, der von der idealen Sinuskurvenform abweicht“, weiß Christian Mieslinger, Manager EMC Solution Center bei Danfoss Drives. Das bedeutet, Oberschwingungen verzerren die Sinusform des Stroms im Versorgungsnetz. „Die Umrichter im Industrieumfeld selbst sind relativ resistent gegenüber den Schwingungen. Hauptaugenmerk liegt allerdings noch immer bei den restlichen Verbrauchern im gleichen Netz“, erklärt Manuel Huck, Produktmanager Sinamics-G-Series bei Siemens. „Ein zu großer Oberschwingungsgehalt kann dazu führen, dass empfindliche elektronisch Steuerungen oder Regelgeräte nicht mehr einwandfrei funktionieren oder Verbraucher vorzeitig ausfallen“, ergänzt Mieslinger.

Das wiederum dürfte den Herstellern weniger gefallen, denn klagen Anwender über Fehlfunktionen und Ausfall bei ihren Maschinen und Anlagen, entsteht Handlungsbedarf. So gibt es natürlich eine Reihe von Gegenmaßnahmen und Technologien, die Oberschwingungen reduzieren sollen.

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Integrierte Oberschwingungsdämpfung

ABB beispielsweise hat kürzlich die neue Serie Ultra Low Harmonic Drives vorgestellt, deren Frequenzumrichter mit einer integrierten Oberschwinungsdämpfung ausgestattet sind. Die Technik sei bisher einzigartig am Markt. „Wir packen das Problem an der Wurzel und lassen Oberschwingungen erst gar nicht entstehen“, erklärte Fred Donabauer, Leiter Produktmanagement AC-Drives bei ABB, auf einer Pressekonferenz. Man müsse schon mit 50 % Mehrkosten gegenüber herkömmlichen Geräten rechnen. Allerdings würde der Einsatz der neuen Umrichter Einsparungen ermöglichen, die den Mehraufwand relativieren. „Wir erreichen annähernd Sinusform. Der Oberschwingungsanteil liegt bei ca. 3 %“, sagt Donabauer. Bei konventionellen Frequenzumrichtern ohne Gegenmaßnahme liegt der Anteil bei bis zu 150 %.

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Oberschwingungen im Alltag

Auch im Alltag können Oberschwingungen störende Wirkung auf das Stromnetz ausüben. Bedenken gab es bei Energiesparlampen. Denn die Gleichrichter moderner Energiesparlampen können störende Rückwirkungen auf das mit Wechselspannung betriebenen öffentliche Stromnetz haben. Eine Studie der TU Dresden im Auftrag des VDE|FNN von 2011 allerdings zeigte: kaum störende Oberschwingungen bei Energiesparlampen im Mischbetrieb mit anderen Elektrogeräten. Weitere Informationen dazu gibt es hier.

Daher finden sich in den Portfolios aller befragten Hersteller Lösungen, die den Oberschwingungsanteil reduzieren. Bei Rockwell Automation werden Oberwellen beispielsweise mittels der Active-Front-End-Technologie reduziert. „Die Komplettlösung umfasst einen netzseitigen Gleichrichter, einen internen Oberwellenfilter und einen Wechselrichter, um die negativen Auswirkungen der Verzerrung auf benachbarte elektrische Geräte und im Steuerungssystem befindlicher Geräteausrüstung zu reduzieren“, sagt Rachid Bardach, Produktspezialist Standard Antriebe bei Rockwell Automation. Die Frequenzumrichter sollen mit dieser Technologie den Gesamtverzerrungsfaktor THD (total harmonic distortion) mit maximal 5 % erreichen. Bei Yaskawa vertraut man auf die Matrix-Technologie, mit der die Belastungen ebenfalls auf unter 5 % reduziert werden sollen.

Passive und aktive Filterlösungen

Weit verbreitet sind passive und aktive Filterlösungen. „Bei passiven Lösungen wird über Filter im Gerät selbst eine Reduzierung der Oberwellen erreicht. Bei aktiven Lösungen werden Oberwellen durch eine Regelung kompensiert“, erklärt der Siemens-Fachmann Huck. Auch mit solchen Filterlösungen sollen sich die Schwingungen auf 2 % bis 5 % (aktive Filter) bis 5 % bis 10 % (passive Filter) reduzieren lassen. Darüber hinaus ist der Einsatz von Netzdrosseln und 12-Puls-Umrichtern möglich, um Oberschwingungen zu reduzieren. Im Vergleich zur ABB-Lösung sei bei Mehrpulslösungen allerdings ein spezieller Mehrwicklungs-Transformator nötig, höhere Verkabelungs- und Installationskosten entstünden, die Lösung bräuchte mehr Platz und sei schwerer, die Wirkung sei von der Spannungssymmetrie abhängig und man müsse geringe Verluste im Frequenzumrichter verzeichnen, gibt Fred Donabauer zu Bedenken.

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Am Markt gibt es also zahlreiche Lösungen und Produkte, die Oberschwingungen reduzieren sollen. Und die Bedeutung der Oberschwingungen hinsichtlich des Schadens, den sie herbeiführen können wächst - denn auch der Einsatz von getakteten Verbraucher wie Frequenzumrichtern steigt. Bei der Auswahl sollte aber auch die wirtschaftliche Betrachtung eine Rolle spielen. „Ein zu viel an Maßnahmen ist nicht unbedingt die beste Methode, aber garantiert deutlich teurer“, sagt Danfoss-Spezialist Mieslinger.

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Oberschwingungen im Alltag

Auch im Alltag können Oberschwingungen störende Wirkung auf das Stromnetz ausüben. Bedenken gab es bei Energiesparlampen. Denn die Gleichrichter moderner Energiesparlampen können störende Rückwirkungen auf das mit Wechselspannung betriebenen öffentliche Stromnetz haben. Eine Studie der TU Dresden im Auftrag des VDE|FNN von 2011 allerdings zeigte: kaum störende Oberschwingungen bei Energiesparlampen im Mischbetrieb mit anderen Elektrogeräten. Weitere Informationen dazu gibt es hier.

Die richtige Maßnahme wählen

Er empfiehlt Betreibern einen dreistufigen Prozess:

  • 1. Analyse der Ausgangslage, Sichtung und Einschätzung mit einem Experten für Oberschwingungen, ggf. Durchführung einer normgerechten Netzanalyse.
  • 2. Planung der Maßnahmen und Beurteilung/Simulation der Auswirkungen
  • 3. Umsetzung und Validierung der Maßnahmen, um die Erfolge zu dokumentieren.

„Welche der Maßnahmen nun letztendlich die Beste ist oder ob passive oder aktive Maßnahmen generell vorteilhaft sind, lässt sich nicht pauschal beantworten, sondern ist abhängig von der jeweiligen Anlagenarchitektur und den darin enthaltenen Geräten“, schließt Mieslinger.

Vielleicht hilft zunächst ein Rundgang über die Motion, Drives & Automation auf der Hannover Messe. Denn ob ABB, Siemens, Rockwell Automation, Danfoss oder Yaskawa – dort sind sie alle vertreten und können Fragen zu Oberschwingungen beantworten, Details klären und neue Geräte vorführen. Ein reges Interesse dürfte den Herstellern sicherlich gefallen.

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Redakteurin, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht