Verbesserung der Stromqualität zum Schutz der elektrischen Infrastruktur von Wasseraufbereitungsanlagen

Die Stromkosten können bis zu 40 % des Betriebsbudgets einer Wasseraufbereitungsanlage ausmachen. Daher ist es wichtig, dass die Anlage mit höchster Effizienz arbeitet. Die Pumpen, Motorantriebe, Beleuchtungsanlagen und Kompressoren des Kraftwerks sind jedoch mit Problemen der Netzqualität (PQ) konfrontiert, wie z. B. harmonische Verzerrungen, Leitungseinbrüche, Spannungsabfälle und -überhöhungen sowie elektrische Störungen. Diese Netzqualitätsprobleme führen zu Ineffizienzen, Ausfällen und Anlagenschäden.

Komponenten zur Schadensbegrenzung lösen Probleme in Wasseraufbereitungsanlagen. Produkte wie Trenntransformatoren, Festspannungsregler, Netzfilter, Überspannungsschutzkomponenten (SPDs) und aktive Nachführfilter verbessern die Effizienz, verhindern Ausfälle und schützen wertvolle elektrische Anlagen vor Schäden.

Dieser Artikel beschreibt kurz die Netzqualitätsprobleme, mit denen Konstrukteure von elektrischen Anlagen in einer Wasseraufbereitungsanlage konfrontiert sind. Anschließend werden Komponenten zur Schadensbegrenzung von SolaHD vorgestellt, die eingesetzt werden können, um diese Probleme zu beheben und die Effizienz zu maximieren.

Netzqualitätsprobleme

Auch wenn die Energieversorgung einer Wasseraufbereitungsanlage (Abbildung 1) im Allgemeinen zuverlässig ist, treten häufig Netzqualitätsprobleme auf. Solche Probleme äußern sich in unerwünschten harmonischen Verzerrungen, Spannungsabfällen und -überhöhungen sowie elektrischem Rauschen.

Abbildung 1: Die Energieversorgung einer Wasseraufbereitungsanlage kann Netzqualitätsproblemen unterliegen, die zu Ineffizienzen, Ausfällen und Anlagenschäden führen können. (Bildquelle: SolaHD)

Netzqualitätsprobleme in einer Wasseraufbereitungsanlage können von externen Quellen wie Blitzschlag oder internen Quellen wie den elektrischen Geräten selbst ausgehen. So können beispielsweise Frequenzumrichter minderer Qualität Oberschwingungsverzerrungen erzeugen, die entstehen, wenn eine nichtlineare Last Strom pulsweise bezieht (Abbildung 2). Oberschwingungen zwingen die Leiter, Ströme mit anderen Frequenzen als den 60 Hz der Standardversorgung zu führen.

Abbildung 2: Oberschwingungen entstehen, wenn eine nichtlineare Last Strom pulsweise bezieht und Leiter dazu zwingt, Ströme mit anderen Frequenzen als den 60 Hz der Standardversorgung zu führen. (Bildquelle: SolaHD)

Durch die Entnahme eines nichtlinearen Stroms an bestimmten Punkten der Spannungs-Sinuskurve anstelle der gesamten Sinuskurve erzeugen elektrische Geräte Oberschwingungsfrequenzen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind. Niederfrequente Oberschwingungen (z. B. 180 Hz, 300 Hz oder 420 Hz) werden durch niederfrequente Stromverzerrungen und phasenverschobene Ströme verursacht, die durch das Stromnetz fließen. Hochfrequente Oberschwingungen (zwischen 1 kHz und 3 kHz) werden durch das Schalten hoher Ströme in leistungsstarken, nichtlinearen, elektronisch geschalteten Lasten verursacht.

Ein weiteres Oberschwingungsphänomen, die Netzkerbe, wird durch das Schalten von Stromgleichrichtern in Wasseraufbereitungsanlagen wie Gleichstrommotorantrieben, Motorstartern und Netzteilen verursacht. Leitungskerben entstehen in der Regel durch die Kommutierung in siliziumgesteuerten Gleichrichtern (SCRs). Während der kurzen Zeit, in der Strom von einem leitenden SCR zu einem anderen übertragen wird, entsteht ein Kurzschluss. Der neue SCR beginnt zu leiten, während der vorherige SCR für eine kurze Zeit weiterleitet. Dies führt zu einem Phasenkurzschluss, typischerweise für einige Mikrosekunden (µs), der lang genug ist, um die Spannung zu verringern. Die Kerbwirkung kann an jedem beliebigen Punkt während des AC-Halbzyklus auftreten, da der Kommutierungswinkel nicht konstant ist, sondern sich je nach den Anforderungen der Last ändert.

Es gibt zwar mehrere externe und interne Quellen für Netzqualitätsprobleme, aber rund 80 % werden durch Spannungseinbrüche verursacht. Die IEEE definiert einen Spannungseinbruch als eine 10- bis 90-prozentige Verringerung der Spannung unter der normalen Spannung bei 60 Hz. Die Dauer eines Spannungseinbruchs beträgt weniger als 60 Sekunden (s), aber mehr als 8 Millisekunden (ms) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Spannungseinbruch ist ein Spannungsabfall von 10 % bis 90 % und ist für 80 % der Netzqualitätsprobleme verantwortlich. (Bildquelle: SolaHD)

Spannungsschwellungen treten zwar seltener auf als Spannungseinbrüche, sind aber genauso störend. Eine Spannungsschwellung ist ein Überspannungszustand mit einem vorübergehenden Anstieg der Spannung von einem halben Frequenzzyklus bis zu einigen Sekunden (Abbildung 4). Diese Störungen können durch das Abschalten großer Ausrüstungslasten in der Wasseraufbereitungsanlage oder andere Ereignisse wie das Umschalten von Kondensatoren zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) verursacht werden.

Abbildung 4: Eine Spannungsschwellung ist ein vorübergehender Anstieg der Spannung für die Dauer eines halben Frequenzzyklus bis zu einigen Sekunden. (Bildquelle: SolaHD)

Andere Spannungsprobleme und Rauschen

Elektrische Geräte und Verteilersysteme können andere Spannungsprobleme verursachen, z. B. Spannungsspitzen, Unterbrechungen und Unsymmetrie. Transienten werden auch als Spannungsspitzen bezeichnet und sind erhebliche Spannungsanstiege, die nur wenige µs andauern (Abbildung 5). Blitzeinschläge, mechanische Schaltvorgänge, das Umschalten von Kondensatoren oder Kondensatorbatterien, das Wiedereinschalten von Stromnetzen nach einem Ausfall, das Umschalten von Transformatoren und das plötzliche Abschalten bestimmter Geräte sind allesamt Quellen von Transienten.

Abbildung 5: Transienten sind erhebliche Spannungsanstiege, die nur wenige µs andauern. (Bildquelle: SolaHD)

Bei Spannungsunterbrechungen handelt es sich um Unterbrechungen der Versorgung, die einige wenige bis mehrere Dutzend Sekunden dauern können. Unterbrechungen, die länger als fünf Sekunden dauern, werden in der Regel als anhaltende Unterbrechungen bezeichnet. Typische Ursachen sind Unfälle oder Ausfälle von Anlagen im Erzeugungs- oder Verteilungsnetz des Energieversorgers.

Spannungsungleichheit ist eines der häufigsten Probleme bei Dreiphasensystemen. Ein normaler ausgeglichener Zustand liegt vor, wenn die drei Phasenspannungen betragsmäßig identisch sind und die Phasenwinkel um 120° versetzt sind. Wenn eine Phase im Vergleich zu den anderen zu stark belastet wird, ist die Spannung auf dieser Phase niedriger, was zu einer Unsymmetrie führt.

Elektrisches Schaltrauschen kann von jedem Gerät beim Ein- und Ausschalten durch den Zu- oder Abfluss von Spannung oder Strom erzeugt werden. Rauschen erzeugt schnelle Spannungsschwankungen, die unerwünschte Auswirkungen haben oder elektronische Schaltungen beschädigen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Elektrisches Rauschen erzeugt schnelle Spannungsschwankungen, die elektronische Schaltungen beschädigen können. (Bildquelle: SolaHD)

Die Auswirkungen von Netzqualitätsproblemen auf die Anlagenausstattung

Netzqualitätsprobleme äußern sich auf unterschiedliche Weise und beeinträchtigen die Effizienz, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Wasseraufbereitungsanlagen. Oberschwingungen können sich beispielsweise auf die Ausrüstung von Wasseraufbereitungsanlagen auswirken, indem sie Neutralleiter und Transformatoren überhitzen, Schutzschalter auslösen, einen hohen Neutralstrom erzeugen, die Systemkapazität verringern und sogar elektrische Anschlüsse lockern.

Bei der Netzkerbung von Leitungen entstehen hochfrequente Oberschwingungen, die die empfindliche Logik- und Kommunikationselektronik in einer Wasseraufbereitungsanlage beschädigen können. Außerdem überlastet der durch die Netzkerbung erzeugte zusätzliche Stromfluss die Filter für elektromagnetische Störungen (EMI) und die Netzfilter. Darüber hinaus können Spannungseinbrüche zusätzliche Verluste in PFC-Kondensatoren verursachen und zu erhöhten Betriebstemperaturen führen.

Zu den Problemen bei einem Spannungseinbruch gehören Wasserpumpen, die Wechselstrommotoren mit konstantem Drehmoment verwenden, die mehr Strom ziehen, den Wirkungsgrad verringern und manchmal Überlastrelais auslösen.

Spannungsschwellung führen in der Regel nicht zu einem unmittelbaren Ausfall der Geräte, aber die Systeme können durch wiederholte Exposition überlastet und geschwächt werden. Schwellungen können auch zu Fehlauslösungen von Leistungsschaltern und anderen Schutzeinrichtungen führen. Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit Spannungsschwellungen ist die Verschlechterung der Isolierung, die den sicheren Betrieb einer Wasseraufbereitungsanlage gefährden und Brände verursachen kann.

Stromunterbrechungen unterbrechen den Betrieb von Wasseraufbereitungsanlagen und können die Lebensdauer der elektrischen Ausrüstung verkürzen. Außerdem sind viele Motorsteuerungsschaltungen und Prozesssteuerungssysteme nicht für einen automatischen Wiederanlauf nach einer Spannungsunterbrechung ausgelegt.

Unsymmetrische Spannungen können zu schweren Geräteschäden führen. Wird beispielsweise ein Asynchronmotor mit einer unsymmetrischen Spannung gespeist, sind die Netzströme in der Regel um ein Vielfaches größer als die Unsymmetrie der Spannung. Das bedeutet, dass ein Motor, der mit einer Spannungsunsymmetrie von 5 % gespeist wird, eine Stromunsymmetrie von 20 bis 30 % aufweisen kann. Der zusätzliche Strom verursacht Widerstandsverluste (I²R) im Motor, was zu einem Temperaturanstieg von mehreren zehn Grad führt.

Elektrisches Rauschen ist ein ernsthaftes Problem für Halbleitersensoren und -steuerungen in Wasseraufbereitungsanlagen, da sie mit hohen Geschwindigkeiten und extrem niedrigen Leistungspegeln arbeiten. Je niedriger die Signalspannung ist, desto geringer ist die Amplitude der Rauschspannung, die toleriert werden kann.

Entschärfung von Netzqualitätsproblemen

Oberschwingungsreduzierung kann durch den Einsatz von Frequenzumrichter-Trenntransformatoren erreicht werden, die drei wesentliche Funktionen erfüllen: Spannungsänderung, Reduzierung des vom Frequenzumrichter induzierten Erdstroms und Reduzierung des Gleichtaktrauschens. Die Transformatoren müssen in der Lage sein, der Wärme nichtlinearer Lasten standzuhalten. Ein Beispiel dafür ist der Antriebs-Trenntransformator 23-22-112-2 von SolaHD. Dieser Transformator nimmt eine Eingangsspannung von 120 V oder 240 V auf, liefert eine Ausgangsspannung von 120 V und bietet eine harmonische Ausgangsverzerrung (bei Volllast im Eingangsbereich) von 3 % des gesamten Effektivwerts. Der Effektivwert oder RMS-Wert einer Oberschwingung beschreibt die durchschnittliche Leistung der Oberschwingungskomponente über eine Periode.

Der Antriebstrenntransformator hat einen nahezu oberschwingungsfreien Ausgang, da er mit einer Neutralisierungsspule ausgestattet ist (Abbildung 7). Um zu sehen, wie das funktioniert, betrachten Sie das Gerät als einen herkömmlichen Transformator mit abgeschalteter Neutralisierungsspule. In der nun offenen Spule wird eine Spannung induziert, wenn ein Teil des magnetischen Flusses durch den mittleren Schenkel des Kerns zu den äußeren Schenkeln gelangt. Diese Spannung hat aufgrund des Streuflusses der Ausgangswicklung einen hohen Anteil an ungeraden Oberwellen.

Abbildung 7: Der Antriebstrenntransformator 23-22-112-2 hat dank einer zusätzlichen Neutralisierungsspule einen nahezu oberwellenfreien Ausgang. (Bildquelle: SolaHD)

Der Streufluss kann auf zwei Wegen zur Ausgangswicklung zurückkehren. Ein Pfad umgeht die Neutralisierungsspule und der andere Pfad ist mit der Neutralisierungsspule verbunden. Durch die Steuerung der Reluktanz dieser magnetischen Pfade kann der Grad des an die Neutralisierungsspule gekoppelten Sekundärflusses gesteuert werden. Die Neutralisierungsspule wird mit additiver Polarität an die Sekundärspule (oder Ausgangsspule) angeschlossen.

Der Ausgang dieses Trenntransformators hat eine konstante Spannung und ist fast völlig frei von Oberwellen. Die Oberschwingungen sind in der Neutralisierungsspule immer noch vorhanden; da jedoch der Fluss der Sekundärwicklung diese Oberschwingungen induziert, sind die Oberschwingungen in jeder Spule um etwa 180° phasenverschoben, was zu ihrer Auslöschung führt.

SolaHD bietet auch den festverdrahteten MCR-Regler 63-23-125-4 für 250 Voltampere (VA) (Abbildung 8) zur Reduzierung von Oberschwingungen an. Der Regler bietet Eingänge für 120 V, 208 V, 240 V oder 480 V mit einem Ausgang für 120 V. Die harmonische Ausgangsverzerrung (bei Volllast im Eingangsbereich) beträgt 3 % des gesamten RMS-Anteils.

Abbildung 8: Der festverdrahtete MCR-Regler 63-23-125-4 liefert eine harmonische Ausgangsverzerrung von 3 % des gesamten RMS-Anteils. (Bildquelle: SolaHD)

Der festverdrahtete Regler ist mit der ferroresonanten Transformatortechnologie von SolaHD aufgebaut. Bei der Ferroresonanz handelt es sich um eine Transformatortechnik, die zwei getrennte magnetische Pfade im Gerät mit begrenzter Kopplung zwischen ihnen erzeugt. Ein Vorteil der Konstruktion ist, dass der Eingangsstrom einen vernachlässigbaren Oberschwingungsstrom im Verhältnis zur Grundschwingung enthält. Die Ausgangsseite des Transformators verfügt über einen Parallelschwingkreis und entnimmt der Primärseite Leistung, um die an die Last abgegebene Leistung zu ersetzen.

Der Ferroresonanztransformator bildet einen nichtlinearen Stromkreis, bei dem die Resonanz genutzt wird, um Änderungen in der Versorgungsspannung zu reduzieren und so eine gleichmäßigere Spannung an die Last zu liefern.

Die Reluktanz des Transformators ändert sich ab einer bestimmten magnetischen Flussdichte (Sättigung) schlagartig. Der Transformator ermöglicht es, dass ein magnetischer Pfad (der Resonanzpfad) in Sättigung geht, während der andere ungesättigt bleibt. Bei dieser Betriebsweise führen weitere Änderungen der Primärspannung nicht zu einer Änderung der Sättigungs- oder Sekundärspannung, so dass eine Regelung erreicht wird.

Signalaufbereiter werden eingesetzt, um kritische Prozesssysteme vor Spannungseinbrüchen zu schützen.

Spannungsregler und Stromversorgungen mit Immunität gegen Spannungseinbrüche schützen auch vor Einbrüchen der Versorgungsspannung.

Spannungsschwellungen können durch Überspannungsschutzkomponenten (SPDs) abgefangen werden, die am Netzeingang, in Abzweigkästen oder in der Nähe empfindlicher elektronischer Lasten installiert werden können. Bei Spannungsspitzen leitet die SPD den Strom in die Erdungsleitung ab. Bei transienten Impulsen, die einen Schwellenwert überschreiten, wird der Strom effektiv gegen Erde kurzgeschlossen, während der normale Stromfluss nicht beeinträchtigt wird.

Die SPD STCHSP121BT1RU von SolaHD (Abbildung 9) bietet Überspannungsschutz für Wechselstrom- und Niederspannungssignalleitungen. Die Schutzkomponente filtert Gleichtakt- und Gegentaktstörungen und bietet einen Metalloxidvaristor(MOV)-Schutz. Die Reaktionszeit auf eine Transiente beträgt weniger als 5 Nanosekunden (ns), und die maximale Stoßstromfestigkeit beträgt 39 Kiloampere (kA). SPDs bieten auch Schutz vor transienten Spannungen durch Ereignisse wie Blitzeinschläge, obwohl sie kein umfassendes Blitzschutzsystem ersetzen.

Abbildung 9: Die SPD STCHSP121BT1RU bietet die Filterung von Gleichtakt- und Gegentaktstörungen sowie MOV-Schutz. (Bildquelle: SolaHD)

Zur Rauschminderung werden aktive Nachlauffilter wie der STFV025-24L von SolaHD eingesetzt. Diese Komponente überwacht kontinuierlich die Eingangswechselstromleitung und reagiert, wenn es hochfrequentes Rauschen feststellt. Der Filter eliminiert Niederspannungs-/Hochfrequenzrauschen über einen Tiefpass-Induktivität-Kondensator-Filter (LC). LC-Widerstandsfilter (LCR-Filter) werden zur Rauschunterdrückung bei niedrigen Energien und hohen Frequenzen eingesetzt. Die Drosselspulen auf jeder Phase und den Nullleitern sind so dimensioniert, dass sie die maximale Stromaufnahme auf der Leitung bewältigen können. Die Ansprechzeit des STFV025-24L beträgt <5 ns, und die Einschwingreduzierung für typische Ringwellen der Kategorie A (6 kV, 200 A, 100 kHz) beträgt <10 V Spitze.

Fazit

Es ist von entscheidender Bedeutung, Netzqualitätsproblemen vorzubeugen, um die Effizienz zu steigern, Ausfälle zu vermeiden und sich vor Schäden an wertvollen elektrischen Anlagen zu schützen. Zu diesen Problemen gehören harmonische Verzerrungen, Spannungseinbrüche und -schwellungen, transiente Spannungen und elektrisches Rauschen. Der Umgang mit diesen Problemen erfordert einen vielschichtigen Ansatz. Die Zusammenarbeit mit einem Anbieter wie SolaHD, der eine Reihe von Schutzausrüstungen anbieten kann, darunter Antriebstrenntransformatoren, festverdrahtete Regler, Leistungsregler, SPDs und aktive Netzfilter, macht es einfacher, die erforderlichen Schutzmaßnahmen zu treffen.