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Artikel

Nutenoberschwingungen in Stromerzeugungsanlagen

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Einleitung

Die Probleme, die eine ungenügende Netzqualität, oder genauer gesagt Oberschwingungen, mit sich bringen, sind Technikern und Ingenieuren bestens bekannt.

Die Filtersysteme dienen zur Reduzierung und Dämpfung der eigenen Oberschwingungsströme der Verbraucher, aber was geschieht, wenn die Netzqualität durch das Stromerzeugungssystem gegeben ist?.

In diesem Artikel erklären wir, was Nutenoberschwingungen sind und schildern eine Fallstudie für diese Art von durch Resonanz erzeugte Oberschwingungen. 

Nutenoberschwingungen

Durch die Gestaltung der Statorwicklung können rotierende elektrische Wechselstrommaschinen Spannungsschwankungen hervorrufen, die sogenannten „Nutenoberschwingungen".

Die vorhandenen, gleichmäßig im Innenumfang des Stators angeordneten Nuten erzeugen regelmäßige Veränderungen des magnetischen Widerstandes und Flusses längs der Statoroberfläche und dadurch eine Verzerrung der Spannungswelle.

Stator mit NutenBestandteile eines Induktionsmotors.

Nutenoberschwingungen treten bei Frequenzen auf, die durch den zwischen nebeneinanderliegenden Nuten vorhandenen Luftspalt bestimmt werden. Die Komponenten-Ordnungszahl ergibt sich aus folgender Formel:

Formel

wobei gilt:

υNut = Ordnungszahl Oberschwingung
S = Anzahl der Nuten des Stators
P = Anzahl der Pole der Maschine
M = ganze Zahl, normalerweise gleich 1, mit der die Nutenoberschwingungen der niedrigsten Frequenz auftreten 

Die wichtigsten Auswirkungen von Nutenoberschwingungen sind:

  • Induktion von Spannungsoberschwingungen in das elektrische System, wodurch die Spannungswelle verzerrt wird.
  • Anstieg der Gesamtverzerrung der Spannung THDU(%)
  • Höhere Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Resonanz mit Kondensatorbatterien
  • Verringerung der Motorenleistung (geringeres Drehmoment, Vibrationen, etc)
  • Unzureichende Leistung von empfindlichen elektronischen Geräten.

Resonanz durch Nutenoberschwingungen

In diesem Fallbeispiel handelt es sich um einen Industriebetrieb, der über eine duale Stromversorgung verfügte, die sich aus einem Generator mit 6,5 MW bei 4,16 kV/60Hz und der direkten Versorgung aus dem Stromnetz über ein primäres Stromnetz von 69 kV mittels eines Wandlers von 9 MVA und ein sekundäres Stromnetz mit 4,16 kV/60 Hz zusammensetzte. Die Anlage verfügte über ein Motor-Überwachungssystem (SMC), das mittels eines Kondensators von 50 kvar bei 4,16 kV kompensiert wurde.

Vereinfachter Schaltplan der elektrischen Anlage und elektrische Messungen

Probleme Probleme

Die Anlage wies folgende Probleme auf:

  • Wiederholte Fehlfunktion des Startermoduls des SMC-Motors.
  • Auslösung des Differentialstromschutzes und Zerstörung der Mittelspannungskondensatoren.
  • Fehler im unterbrechungsfreien Stromversorgungssystem UPS bei Niederspannung.
  • Beschädigungen der elektronischen Vorschaltgeräte.
  • Fehlalarme zu Überhitzung von Kompressoren etc.

Tests Tests

Es wurden 4 verschiedene Tests im Hinblick auf die Stromversorgung des Motors durchgeführt:

  • Versorgung durch das Stromnetz mit und ohne Kondensatorbatterie.
  • Versorgung durch den Generator mit und ohne Kondensatorbatterie.

In der Tabelle 1 wird ein Überblick über die wichtigsten gemessenen elektrischen Parameter gegeben. Hier ist zu sehen, dass die Änderung der Oberschwingungskomponenten ohne (Abb. 1 und 2) oder mit (Abb.3 und 4) Kondensatorbatterie praktisch die gleiche ist und stets korrekte Werte aufweist.

Tabelle 1

Tabelle 1

Abb1-4

In der Tabelle 2 ist das Systemverhalten bei Versorgung durch den Generator mit 6,5 MW dargestellt. Es ist ein deutlicher Anstieg der Spannungsverzerrung zu sehen, wenn der Kondensator mit 50 kvar angeschlossen wird, wobei der Anstieg hauptsächlich bei der Oberschwingung mit Ordnungszahl 37 verursacht wird.

Tabelle 2

Tabelle 2

Abb.5-8

Detailansicht des Rotors und des Stators eines Generators.

Wie in den Abbildungen 6 und 7 (ohne Kondensator) und 5 und 8 (mit Kondensator) zu sehen ist, ist die Oberschwingungsverzerrung bei einem Betrieb mit Generator größer als die auftretende Verzerrung bei einem Betrieb mit direkter Versorgung über das Stromnetz; es ist zu sehen, dass die 5. und 37. Oberschwingung mit scheinbar nicht nennenswerten Amplituden (1.89% bzw.1.26%) gezeigt wird. 

Bei funktionierender Kondensatorbatterie tritt die Resonanz bei der 37. Oberschwingung auf und erhöht deren Amplitude (>3%). Während des Tests traten verschiedene Fehler auf, unter anderen der Fehlalarm bei der Überwachung des Heizkessels, da die Spannungsverzerrung in allen durch den Generator versorgten Stromkreisen auftritt.

Die Ursache dieser Resonanz liegt bei der Kombination von Kurzschluss-Parametern im Bus von 4,16 kV, 71230 kVAcc, und der Größe des Kondensators, 50 kVAr. Tatsächlich ist die Abstimmungsfrequenz gegeben durch:

Formel

wobei gilt:

 n = Ordnung Oberschwingung Resonanz
Scc = Verfügbare Kurzschlussleistung am Verknüpfungspunkt der Kondensatorbatterie
Q = Nennleistung der Kondensatorbatterie

daher:

Formel

Abb.9

Abb.9

Wie wir gesehen haben, verfügte der Generator über 4 Pole und 72 Nute in seinem Stator. Wenn wir nun die anfängliche Formel anwenden, zeigt das Ergebnis, dass die niedrigsten Nutenoberschwingungen bei den Ordnungszahlen 35 und 37 liegen und mit der vorhandenen Resonanz in der Anlage übereinstimmen und so die entstandenen Probleme mit sich brachte. (Abb.9) 

Ein wichtiger Aspekt dieses Tests war die Tatsache, dass sich die Verzerrung der Spannungswelle bei bis auf 0 abnehmender Last steigerte, wie der Gesamtverzerrungsfaktor THD(U)% in der Abbildung zeigt.

Schlussfolgerungen

SchlussfolgerungenIn diesem Fall wurde als unverzügliche Maßnahme der Kondensator mit 50 kVAr definitiv außer Betrieb genommen und auf die Notwendigkeit verwiesen, eine Kondensatorbatterie mit Bandsperrfilter von 7% zu verwenden. Das Vorhandensein der 37. Spannungsoberschwingung lässt sich allerdings nicht beseitigen, da es sich um ein Problem im Hinblick auf die Bauform des Generators handelt. Daher trat während der Phasen von geringen Lasten der gleiche Fehlalarm bei der Kontrolle des Heizkessels auf. Zur Lösung wurde vorgeschlagen, die Steuerung des Heizkessels über ein online UPS-System zu versorgen, um auf diese Weise diese Komponente der Versorgungsspannung auszuschließen. 

Aufgrund der Zunahme von Anwendungen mit elektronischen Geräten und Leistungselektronik, deren Auswirkungen in der Aktualität nicht ignoriert werden können, wird die Verwendung von Kompensationsgeräten mit Bandsperrfilter immer wichtiger. Die Implementierung eines Überwachungssystems erleichtert die Analyse, Kontrolle und effiziente Nutzung der elektrischen Energie und dient zur Erfassung aller Störungen in unserer Anlage.

 

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