Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen zur
Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
5. ebm-papst Ventilatoren-SymposiumMartin Bürkert, Abteilungsleiter in der Elektronikentwicklung
1. Einführung
2. Ursachen für Stromoberschwingungen
3. Auswirkungen von Stromoberschwingungen
4. Normenlage und Grenzwerte für Stromoberschwingungen
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen
6. ebm-papst Lösungen
7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme
8. Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Agenda
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
• Ein ohm‘scher Widerstand am öffentlichen Stromversorgungsnetz – z.B. eine klassische Glühbirne – hat eine lineare Stromaufnahme, das heißt, dass bei Betrieb an einer sinusförmigen Spannung (was üblicherweise im öffentlichen Stromversorgungsnetz gegeben ist) ein sinusförmiger Strom fließt
• Klassische Drehstrom-Asynchronmotoren nehmen zwar zur Spannung phasenverschobene Ströme auf, die Form der Phasenströme ist aber sinusförmig
• Moderne elektronische Geräte haben diese Eigenschaften in vielen Fällen nicht mehr.
Warum ist das so?
1. Einführung
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
1. Einführung
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
2. Ursachen für Stromoberschwingungen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
• In der Antriebstechnik ist die effizienteste Methode Energie einzusparen eine bedarfsgerechte Einstellung der Drehzahl des Antriebs und damit der Abgabeleistung
• Lüftungstechnische Anlagen sind in aller Regel so ausgelegt, dass im Mittel nur 60-70% der Leistung im Normalbetrieb benötigt werden
• Somit bedeutet eine Anpassung der Drehzahl an den tatsächlichen „Luft-Bedarf“ die besten Energieeinsparungswerte
• ebm-papst hat mit der EC-Technik (elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren) die am besten geeignete Technik für eine hocheffiziente und stufenlose Drehzahlstellung
• Direkt aus dem öffentlichen Stromnetz gespeiste EC-Ventilatoren benötigen zur Erzeugung der (internen) DC-Spannung eine Gleichrichterschaltung
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2. Ursachen für Stromoberschwingungen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B6-Brücke)
L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-
kondensator PE
Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B4-Brücke)
L1 EMV- Filter N Zwischenkreis-
kondensator PE
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2. Ursachen für Stromoberschwingungen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
• Jede passive Gleichrichtung mit einer Diodenbrücke und einem Pufferkondensator am Wechselstromnetz stellt eine nichtlineare Last dar
• Die dadurch nicht-sinusförmige Stromaufnahme bedeutet einen Oberschwingungsanteil, welcher durch die Energieversorgung bereitgestellt werden muss
• Dies hat zu Folge, dass alle an der Stromversorgung beteiligten Komponenten (Transformatoren, Stromschienen, Verteiler, Backup-Systeme wie Generatoren oder USV-Anlagen,J) für die Bereitstellung des Oberschwingungsstromes ausgelegt sein müssen, wenn eine gute Spannungsqualität (sinusförmiger Spannungsverlauf) erhalten werden soll
� Aus Sicht der Energieversorger sollten alle Verbraucher möglichst bei einer linearen Stromaufnahme bleiben
� Besonders dann, wenn schwache (=hochimpedante) Netze oder sogar Inselnetze Anlagen versorgen, wie z.B. im Datencenter
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2. Ursachen für Stromoberschwingungen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
Einspeisung / Transformatorwww.energy.siemens.com
Notstrom – GeneratorQuelle: www.gapowersolutions.co.uk
USV-AnlageQuelle: www.abb.com
Datencenter:Server und Serverkühlung
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Starke Netzspannungsverzerrung durch Stromoberschwingungen bei schwacher Auslegung der Stromversorgung/ des Einspeisetransformators
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1004.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
3. Stromoberschwingungen bei 1~ gespeister Leistungselektronik
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U1
I1
230 V / 50 Hz
2,01 Arms
7,2 Apeak
P1
Q1
S1
240 W
387 VAr
450 VA
LF 0,54
THD(I) 156 %
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3. Stromoberschwingungen bei 3~ gespeister Leistungselektronik
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
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U1
I1
400 V / 50 Hz
10,85 Arms
28,10 Apeak
P1
Q1
S1
5,74 kW
6,69 kVAr
9,02 kVA
LF 0,64
THD(I) 119 %
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EN61000-3-2; Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom <16 A je Leiter);Klassifizierung von Geräten
4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme
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Klasse A
• symm. 3~ Geräte
• Haushaltsgeräte
• Elektrowerkzeugeausgenommentragbare E.-wzge.
• Dimmer fürGlühlampen
• Audio-Einrichtungen
Klasse B
• tragbareElektro-werkzeuge
• Lichtbogen-schweiß-Einrichtungen
Klasse C
• Beleuchtungs-Einrichtungen
Klasse D
• PCs• Monitore• Fernsehgeräte• Radiogeräte
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4. Normenlage und Grenzwerte für OberschwingungsströmeEN61000-3-2; Klasse A
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Ordinal number of Current
harmonics n
Class A max. Value [A]
uneven current harmonics
35791113
15 ≤ n ≤ 39
2,301,140,770,400,330,21
0,15 * 15 / n
even current harmonics
246
8 ≤ n ≤ 40
1,080,430,30
0,23 * 8 / n
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4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme1~ Lösung zur Einhaltung der Normenanforderungen
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04.10.2018
15
1~
R1
T1 T2 T3
T4 T5 T6
C
DDR
T7
R2
M
3~
≈=
≈=U
t
U
t
U
t
4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme
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Grenzwerte für Oberschwingungsströme nach EN61000-3-2; Ausnahmeregelung (Kapitel 7)
Für die nachfolgenden Arten von Geräten sind in dieser Norm keine Grenzwerte festgelegt:– Geräte mit einer Bemessungsleistung von 75 W oder weniger, die keine Beleuchtungseinrichtungen sind;– professionell genutzte Geräte mit einer Gesamt-Bemessungsleistung, die größer als ein 1 kW ist;
– symmetrisch gesteuerte Heizelemente mit einer Bemessungsleistung, die kleiner oder gleich 200 W ist;– unabhängige Beleuchtungsregler (Dimmer) für Glühlampen mit einer Bemessungsleistung, die kleineroder gleich 1 kW ist.
• Für Geräte mit einem Phasenstrom 16A< I <75A gibt es definierte Grenzwerte für den Industriebereich nach der Norm EN61000-3-12.
• Es gibt relativ zur Leistung sowohl Grenzwerte einzelner Oberschwingungsanteile als auch Absolutwerte für den Oberschwingungsstrom (Total Harmonic Current) für symmetrische 3-phasige Geräte (Tabelle 4)
4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
Mindestwert
von Rsce
Zulässige, einzelne Oberschwingungsströme Ih/Iref in
%
Zulässige Oberschwingungsstrom-
Kennwerte in %
Iref = Bezugsstrom
I5 I7 I11 I13 THC / Iref PWHC / Iref
33 10,7 7,2 3,1 2 13 22
≥ 120 40 25 15 10 48 46
Die Größe Rsce kennzeichnet dabei das Verhältnis von Kurzschlussleistung zu angeschlossener Nennleistung des Stromversorgungsanschlusses, errechnet sich also folgendermaßen:
���� = ���
���
Rsce kennzeichnet also den Innenwiderstand des Stromversorgungsanschlusses und kann deshalb auch nach folgender Formel berechnet werden:
���� =
3× × ���
4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme
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In der Norm EN 61000-3-12 werden für nichtlineare Lasten mit passiver Gleichrichterbrücke zwei verschiedenen Topologien berücksichtigt:
-konventioneller Zwischenkreis (mit vorgeschalteter Netzdrossel oder ggf. mit integrierter Zwischenkreisdrossel)
-niederkapazitiver (schlanken) Zwischenkreis
Für beide Topologien werden Grenzwerte angezogen, allerdings bei unterschiedlichem Rsce:konventioneller ZK: Rsce=33 bzw. Rsce≥120 schlanker ZK: Rsce≥250
4. Normenlage und Grenzwerte für Oberschwingungsströme
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
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5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzdrossel
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B6-Brücke)
Netz- drossel L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-
kondensator PE
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzdrossel
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
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5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzdrossel
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
U1
I1
400 V / 50 Hz
9,2 Arms
17,5 Apeak
P1
Q1
S1
5,7 kW
2,94 kVA
6,45 kVA
LF 0,89
THD(I) 45,0 %
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5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: ZK-Drossel
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
Netz Gleichrichterbrücke Endstufe Motor (B6-Brücke)
Zwischenkreis- drossel L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-
kondensator PE
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
U1
I1
400 V / 50 Hz
8,5 Arms
13,8 Apeak
P1
Q1
S1
5,65 kW
1,96 kVA
5,97 kVA
LF 0,94
THD(I) 33,5 %
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: ZK-Drossel
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• Mit diesen relativ einfachen Maßnahmen können die Anforderungen der EN61000-3-12 eingehalten werden
• Es zeigt sich in immer mehr Anwendungsfällen, dass die Forderungen der Norm für bestimmte Anforderungen nicht ausreichend sind
• Denn je höher der Oberschwingungsgehalt des Stroms, desto höher die Notwendigkeit einer Überdimensionierung der Stromversorgung
• Überall dort, wo nicht direkt an ein öffentliches Netz angeschlossen wird, also separate Stromversorgungen in Form von Inselnetzen, Generatoren oder ausfallsichere Backup-Systeme notwendig sind (z.B. im Datencenter), ist es oberstes Ziel, diese Stromversorgungssysteme so knapp wie möglich zu bemessen (Kosten!)
� Forderung nach einer möglichst geringen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und einem minimalen Stromoberschwingungsgehalt
� LF > 95% und THD(I) < 5% sind heute immer häufiger Anforderungen z.B. in Daten-centern
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zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen
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Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
Netz Netz- Gleichrichterbrücke Endstufe Motor filter (B6-Brücke)
L1 L2 Filter L3 Zwischenkreis-
kondensator PE
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
U1
I1
400 V / 50 Hz
8,45 Arms
13,50 Apeak
P1
Q1
S1
5,65 kW
0,98 kVA
5,78 kVA
LF 0,98
THD(I) 7,5 %
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Netzfilter
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Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
Netz Aktiver Gleichrichter Endstufe Motor
L1 EMV- L2 Filter L3 Zwischenkreis-
kondensator PE
5. Maßnahmen zur Reduktion von Stromoberschwingungen: Aktive PFC
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Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
U1
I1
400 V / 50 Hz
8,2 Arms
12,0 Apeak
P1
Q1
S1
5,65 kW
0,16 kVA
5,65 kVA
LF 0,998
THD(I) < 2%
6. ebm-papst 3~ Aktiv PFC Lösung
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Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
6. ebm-papst 3~ Aktiv PFC Lösung
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
6. ebm-papst 3~ Aktiv PFC Lösung
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
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7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel
Daten vom Typenschild desEinspeisetransformators:
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Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel
Trafoleistung: 1,525MVASekundäre nominale Transformatorspannung: Unom=480VTransformatorfrequenz: f=60HzKurzschlussspannung: Uk=6,48%
I�����,��� =S���
3 × U���
=1525kVA
3 × 480Vac= 1,835kA
Aus dem Nennstrom und der Kurzschlussspannung des Transformators kann der Kurzschlussstrom berechnet werden:
I�����,%& =I�����,��� × 100%
U(
= I�����,%& =1,835kA × 100%
6,48%= 28,32kA
Die Kurzschlussleistung des Transformators beträgt dann:
S�����,%& = 3 × I�����,%& × U��� = 3 × 28,32kA × 480V = 23,54MVA
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Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel
Damit beträgt die empfohlene maximale Scheinleistung für nichtlineare Lasten (Elko-Zwischenkreis) an diesem Transformator
S+��,��, =S�����,%&
R%&.
=23,54MVA
120= 196,2kVA
Dies bedeutet bei einem durchschnittlichen Leistungsfaktor von 0,94 einer anschließbaren Last mit einer Wirkleistung von
P+��,��, = 12 ∗ S+��,��, = 0,94 ∗ 196,2kVA =184kW
Bis zu einer Belastung des Transformators mit PFan,max (Topologie herkömmlicher Zwischenkreis-kondensator mit Zwischenkreisdrossel) liegt die durch die Stromverzerrung (THD(I)) hervorgerufene Spannungsverzerrung (THD(U)) typischerweise bei ≤ 8%.Dies entspricht den Werten aus der EN 50160 (Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitäts-versorgungsnetzen).
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Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
zur Reduktion der Netzrückwirkungen von EC-Ventilatoren
7. Anforderungen an Stromversorgungssysteme - ein Beispiel
Bei Verwendung von nichtlinearen Lasten mit schlankem Zwischenkreis (Zwischenkreis mit
niederkapazitivem Folienkondensator) beträgt die empfohlene maximale Scheinleistung an diesem Transformator
S+��,��, =%56789,:;
<:;==
>?,@ABCD
>@E= 94,2kVA
Dies bedeutet bei einem durchschnittlichen Leistungsfaktor von 0,94 einer anschließbaren Last mit einer Wirkleistung von
P+��,��, = 12 ∗ S+��,��, = 0,94 ∗ 94,2kVA =88,5kW
Bis zu einer Belastung des Transformators mit PFan,max (Topologie herkömmlicher Zwischenkreis-kondensator mit Zwischenkreisdrossel) liegt die durch die Stromverzerrung (THD(I)) hervorgerufene Spannungsverzerrung (THD(U)) typischerweise bei ≤ 8%.Dies entspricht den Werten aus der EN 50160 (Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitäts-versorgungsnetzen).
04.10.2018 Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen
• Schon bei der Planung einer mit EC-Ventilatoren bestückten Lüftungs- oder Kälteanlage muss die vorhandene (oder neu geplante) Energieversorgung mit berücksichtigt werden.
• Je nach Anforderungen an die Spannungsqualität und abhängig von der Dimensionierung der Energieeinspeisung kann nur eine begrenzte Leistung in Form nichtlinearer Lasten abgenommen werden.
• Um die Netzrückwirkungen auf die Energieversorgung abzustimmen, stehen dem Anwender unterschiedliche Schaltungstopologien seitens ebm-papst zur Verfügung.
• Zusätzlich ist aktuell das sogenannte „Approved Filter Program“ bei ebm-papst im Aufbau. Hierbei werden Vorschaltfilter (LC-Filter) für unterschiedliche Endgeräte in Zusammenarbeit mit großen Filterherstellern entwickelt und festgelegt. Diese Filter sind in Kürze mit ebm-papst Teilenummer bestellbar.
8. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Anforderungen an die Stromversorgung und Maßnahmen
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Fragen?
39Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen04.10.2018
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
04.10.2018 40Martin Bürkert; Entwicklung Elektronik EE-3; ebm-papst GmbH & Co. KG; D-74673 Mulfingen04.10.2018