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Artikel

Sind alle Kondensatorbatterien geeignet?

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Warum sind nicht alle Batterien im gleichen Maße für die Blindstromkompensation geeignet?

Die Bedeutung eines geeigneten Bandstoppfilters

In diesem Artikel erklären wir, warum der Einbau einer Kondensatorbatterie eine wesentliche Veränderung der Elektroinstallation darstellt; diese Änderung kann bei der Auswahl einer falschen Kondensatorbatterie aufgrund von Oberschwingungen das gesamte System aus dem Gleichgewicht bringen; Folgen sind schwere Probleme der Kondensatorbatterie und der Anlage, die zu Produktionsausfällen führen und mit hohen wirtschaftlichen Verlusten verbunden sind.

Nachfolgend versuchen wir, die verschiedenen Abstimmfrequenzen und die Folgen einer fehlerhaften Abstimmungen zu erläutern und Ihnen einige Tipps zur Vermeidung dieser Problemen zu geben.

Die Verbesserung der Energieeffizienz mit Kondensatorbatterien

Aufgrund der allgemeinen Bemühungen bei der Verbesserung der Energieeffizienz und des Anstiegs der Stromtarife finden Systeme zur Blindstromkompensation mittels Kondensatorbatterien immer häufiger Anwendung. Wie alle elektrischen Geräte beinhaltet der Einsatz von Kondensatorbatterien elektrische Auswirkungen auf die Gesamtanlage, in der sie installiert werden. Neben der Kompensation des Blindleistungsverbrauchs ist die Änderung des Verhaltens gegenüber Oberschwingungen der wichtigste Effekt innerhalb des jeweiligen Stromnetzes. Diese Änderung kann mittelfristig eine Verringerung der Blindstromkompensation und somit eine Beeinträchtigung des elektrischen Gleichgewichts der Anlage beinhalten und sogar zu Produktionsausfällen führen.

Elektrische Anlagen werden immer komplexer und umfassen verschiedene induktive, kapazitive und elektronische Verbrauchslasten, die in den betroffenen Netzen hohe Oberschwingungsverzerrungen verursachen. Dies führt dazu, dass die überwiegende Mehrheit der Hersteller von automatischen Blindlast-Kompensationsanlagen ihr Produktangebot um geeignete Geräte für den Einsatz in Netzen dieser Art erweitert.

Die Bedeutung der Abstimmungsfrequenz der Kondensatorbatterien

Diese allgemeine Übereinstimmung gilt allerdings nicht bei der Abstimmungsfrequenz, die sowohl von den automatischen Blindlast-Kompensationsanlagen als auch von den stationären Kompensationseinheiten mit Bandstoppfilter verwendet werden (auch als verdrosselte Filter bezeichnet).

In den eher seltenen Fällen, in denen Oberschwingungen der 3. Ordnung (150 Hz in 50 Hz-Netzen) vorherrschen, ist es allgemein üblich, Bandstoppfilter mit einer Abstimmungsfrequenz von 134 Hz zu verwenden (Verdrosselungsfaktor p = 14 %) zu verwenden; aber im Falle der meisten Anlagen, in denen eine Batterie mit geeignetem Bandstoppfilter für Oberschwingungen der 5. Ordnung (250 Hz in 50-Hz-Netzen) benötigt wird, die normalerweise durch die üblichen Quellen von Oberwellenströmen – dreiphasige Stromverbraucher mit 6-Puls-Gleichrichterbrücke am Eingang wie z. B. Drehzahl- oder Frequenzregler, AC/DC-Gleichrichter, Induktionsöfen – verursacht werden, ist die verwendete Abstimmungsfrequenz sehr unterschiedlich und variiert in der Regel zwischen 170 und 215 Hz (von p = 8,7 % bis p = 5,4 %).

Allerdings gibt es zwei häufig verwendete Abstimmungsfrequenzen, mit Verdrosselungsfaktor p = 7 % (Abstimmungsfrequenz von 189 Hz in 50-Hz-Netzen) bzw. p = 5,67 % (Abstimmfrequenz von 210 Hz in 50-Hz-Netzen).

Aus den genannten Gründen könnte man davon ausgehen, dass die Auswahl eines Wertes von p = 7 % oder p = 5,67 % in Bezug auf das Verhalten der Anlage beim Anschluss an das Stromnetz keine relevanten Auswirkungen zur Folge hat. Das ist allerdings nicht ganz richtig.

Bandstoppfilter und ihre Wirkung auf die Installation

Bevor wir diese letzte Aussage näher beleuchten, möchten wir kurz die Funktionsweise der Bandstoppfilter erläutern. Bei Betrachtung des Impedanz/Frequenz-Diagramms einer Reihenschaltung aus Filterdrossel und Kondensator mit p = 7 % (grüne Linie der Abb. 1) zeigt sich, dass dieser Verdrosselungsfaktor die geringste Impedanz bei 189 Hz aufweist, während der Faktor von p = 5,67 % (rote Linie Abb. 1) die geringste Impedanz bei 210 Hz besitzt. In beiden Fällen steigt die Impedanz schrittweise in beide Richtungen an, mit der Besonderheit, dass die Impedanz bei Frequenzen unter 189 Hz kapazitiver Art und bei höheren Frequenzen induktiver Art ist. Genau dieser induktive Charakter ist es, der bei Oberschwingungsfrequenzen der 5. Ordnung oder höher die Möglichkeit verhindert, dass bei irgendeiner dieser Frequenzen ein Resonanzeffekt auftritt. Ein Schlüsselparameter für die ordnungsgemäße Funktion des Bandstoppfilters ist jedoch auch der Wert dieser Impedanz bei den verschiedenen Oberschwingungsfrequenzen. Dementsprechend ist in dem Impedanz-Frequenz-Diagramm der Abb. 1 eindeutig der Impedanzunterschied der einzelnen Abstimmungen bei einer Oberschwingung von 250 Hz erkennbar, was wie bereits erwähnt, den am häufigsten anzutreffenden Spannungs- oder Frequenzoberschwingungen in Stromnetzen entspricht. Bei p = 5,67 % beträgt der Impedanzwert praktisch nur die Hälfte als bei einem Verdrosselungsfaktor von p = 7 %.

Fig. 1 Gráfica impedancia-frecuencia de un filtro de rechazo con p = 7 % (189 Hz) y p = 5,67 % (210 Hz)

Abb. 1 Impedanz-Frequenz-Diagramm eines Bandstoppfilters mit einem Verdrosselungsfaktor von p = 7 % (189 Hz) und p = 5,67 % (210 Hz)

Was ist die wichtigste Folge des Impedanzunterschiedes zwischen beiden Abstimmungsfrequenzen? Man kann einfach daraus schlussfolgern, dass die Absorption der Oberwelleströme im Netz bei p = 5,67 % höher sein wird als bei p = 7 %. Dies könnte als Vorteil für die Anlage gelten, wenn es nicht gleichzeitig damit verbunden wäre, dass der Oberschwingungsgehalt der 5. Ordnung ab dem Netzanschlusspunkt der Batterie geringer ist als das bei einer Batterie mit ähnlicher Leistung, jedoch mit einer Abstimmungsfrequenz von p = 7 %, der Fall wäre; daher kann man aufgrund der Erfahrungen und insbesondere angesichts der Eigenschaften der Netze, die sich häufig weit von den idealen Voraussetzungen entfernen, sagen, dass dieser Eindruck in vielen Fällen nicht der Realität entspricht.

Der Einsatz von passiven Oberwellenfiltern sollte im Vorfeld stets genau überprüft werden, da ihr Verhalten von den Eigenschaften des jeweiligen Netzes abhängig ist. Aus diesem Grund sollte dies auch bei der Angleichung eines Filters mit einer Abstimmungsfrequenz von 210 Hz an einen Filter mit einer Abstimmungsfrequenz von 225 Hz – also die übliche Frequenz von Absorptionsfiltern für Oberwellenströme in 50-Hz-Netzen der 5. Ordnung – berücksichtigt werden, was allerdings nur äußerst selten der Fall ist. Demzufolge ist es wesentlich schwieriger, den tatsächlichen Verbrauch einer Batterie mit Filtern des Typs p = 5,67 % als den Verbrauch einer ähnlichen Batterie mit Filtern des Typs p = 7 % zu bestimmen, obwohl sie im selben Netz installiert werden.

Andere Auswirkungen der Filterabstimmung

Es müssen noch andere Punkte beachtet werden. Ein wesentlicher Punkt, den es hinsichtlich eines möglichen Mehrbrauchs der Oberschwingungsströme bei einem Verdrosselungsfaktor von 5,67 % zu beachten gilt, ist, dass die Elemente, insbesondere die Filterdrossel und der zugehörige Kondensator, für die jeweilige Überlast, Stromstärke und Temperatur ausgelegt sein müssen. Und dies ist der Punkt, der uns beim Einbau dieser Filter vor die größten Probleme stellt. Im konkreten Fall der Filterdrosseln – wie auch im Falle einer Leistung von p = 7 %, sofern die Auslegung nur unter Berücksichtigung dieses Wertes erfolgt – ist das Ergebnis eine kleinere, leichtere und somit auch kostengünstigere Filterdrossel. Dieser Anreiz kann auch insofern für die Kondensatoren gelten, dass der Überspannungswert, dem sie ausgesetzt werden, 25 % weniger als bei einem Verdrosselungsfaktor von p = 7 % betragen wird, was die Verwendung von Kondensatoren mit niedriger Nennspannung zu rechtfertigen scheint. Um es auf den Punkt zu bringen: es besteht die Gefahr, dass die aus empfindlicheren Elementen bestehende Batterie wesentlich höheren harmonischen Lasten ausgesetzt wird, was unweigerlich zu einer rascheren Abnutzung als bei einer Batterie mit einem Verdrosselungsfaktor von p = 7 % führen wird.

Der nach Ansicht von CIRCUTOR wichtigste Punkt, den es unbedingt zu berücksichtigen gilt, ist allerdings der Einfluss der Kapazität der Kondensatoren auf die Abstimmung der Reihenschaltung aus Filterdrossel und Kondensator (siehe Formel der Abbildung 2).

Fig. 2 Fórmula para el cálculo de la frecuencia de resonancia de un circuito serie L-C

Abb. 2 Formel für die Berechnung der Resonanzfrequenz einer Reihenschaltung L-C

Daraus lässt sich einfach ableiten, dass die Abnahme der Kapazität des Kondensators zu einer höheren Resonanzfrequenz der Baugruppe führen wird. Kondensatoren sind Elemente, deren Kapazität entweder durch die Art der Benutzung (Spannung, Temperatur, Impulse der Schaltspiele,…) oder aufgrund des natürlichen Schwundes des Polypropylen-Nichtleitermaterials im Laufe der Zeit abnimmt. Ein und derselbe Kapazitätsverlust bei einem Filter von p = 5,67 % und einem Filter von p = 7 % hat zur Folge, dass sich der erste Filter wesentlich mehr dem Bereich der 5. Ordnung annähert als der zweite Filter. Dabei gilt, je mehr sich die Frequenz dieser Ordnung annähert, desto höher ist die Aufnahme von Blindleistung und somit auch die Überlast, die wiederum eine stärkere Abnutzung zur Folge hat. Das heißt, der Sicherheitsfaktor in Bezug auf das Phänomen des Kapazitätsverlustes ist bei einem Filter mit p = 7 % wesentlich höher.

Schlussfolgerungen für die richtige Auswahl der Kondensatorbatterien

Als logische Konsequenz empfiehlt CIRCUTOR daher die Verwendung von Filtern des Typs p = 7 % anstelle von p = 5,67 % in allen Anlagen, in denen dies aufgrund des hohen Oberschwingungsgehaltes erforderlich ist.

Ziel dieser Empfehlung ist es, Gefahren im Zusammenhang mit dem Kapazitätsverlust der Kondensatoren und das vorzeitige Auftreten von Überströmen der Kondensatorbatterie zu vermeiden. Darüber hinaus möchten wir darauf hinweisen, dass wie bei allen technischen Einrichtungen Wartungsarbeiten stets rechtzeitig durchgeführt und entsprechende Korrekturmaßnahmen zeitnah umgesetzt werden sollten, damit die vollständige Zerstörung der Einrichtungen und somit höhere wirtschaftliche Verluste vermieden werden.

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