So bleibt das Netz sauber

So bleibt das Netz sauber

Ein passiver Filter kann dadurch sehr groß, schwer und kostenintensiv werden. Spezialisten mit viel Erfahrung auf diesem Gebiet können hier mit zwei Maßnahmen Abhilfe schaffen:

  • Intelligente, breitbandige Auslegung der Filterkreise und
  • Minimierung des Bauvolumens: Moderne Kernmaterialien, optimierter Aufbau, mehrere Induktivitäten auf einem Kern und Auslegung der Komponenten mit den Gütekriterien Baugröße/Preis/ Filterwirkung.

Das sind die entscheidenden Parameter für einen optimalen Filterentwurf. Die Firma Block Transformatoren-Elektronik entwickelt passive Filter ständig weiter und setzt seit Jahren auf eine Kombination aus Erfahrung und Simulation. Mit modernen Simulationstools lassen sich Filterdesigns im »Virtual Prototyping «-Verfahren schneller und effektiver erstellen. Auch erlaubt die Simulation, Filter für jede erdenkliche Netzkonfiguration zu testen und nach Normen zu bewerten. Die Bewertungsparameter wie z.B. THD-Faktor (Total Harmonic Distortion), Blindleistung, Verzerrungsblindleistung und Kurzschlussleistungsfaktor rSCE bestimmen die Filterauslegung. Mittels Multisimulationen lassen sich Parametervariationen durchführen und durch geeignete Wahl von Gütekriterien optimieren. Drosseln und Kondensatoren werden über Energie- und Leistungsberechnungen thermisch ausgelegt. Dieser Ansatz minimiert den teuren und zeitintensiven Musterbau.

Als optimiertes, passives Filter produziert Block das Harmonic-Filter »HFM«. Dieses ist in verschiedenen Leistungsklassen mit Umrichterleistungen von 7 kW bis 800 kW erhältlich. Mit dem Filter lässt sich ein THD-I von 16% (FA-Version) beziehungsweise 10% (FB-Version) erreichen. Es besteht die Möglichkeit, an das Filter mehrere Umrichter parallel zu schalten. Eine Parallelschaltung der Filtermodule für höhere Leistungen ist ebenfalls möglich. (Caspar Grote)

Dennis Kampen

ist Bereichsleiter in der Grundlagenentwicklung bei
Block Transformatoren-Elektronik
Telefon 0 42 31/67 81 78
www.block-trafo.de

Siehe auch:

Bei Netzteilen den Durchblick behalten

Störquelle Netzstromanschluss

Aktive Filter sind nach Bild 4 im Grunde modifizierte, rückspeisefähige Frequenzumrichter, die parallel zum Netz eingesetzt werden. Sie erfassen im Netz vorhandene Oberschwingungen und speisen sie um 180° phasenverschoben wieder ins Netz zurück. So lässt sich laut Theorie der beste Leistungsfaktor erreichen. Die Vorteile der aktiven Filter sind:

  • Sehr guter Leistungsfaktor von nahezu 1
  • Selektive Filterung einzelner Oberschwingungen möglich, daher zentral einsetzbar
  • Verhinderung von Parallelresonanzen mit dem Netz oder anderen Verbrauchern

In den 90er Jahren entstanden sehr viele wissenschaftliche Arbeiten über aktive Filter und deren Regelverfahren. Durchgesetzt hat sich diese Technik jedoch bis heute nicht, was an verschiedenen Punkten liegt:

  • Aktive Filter sind aufgrund der Halbleiter- und Entwicklungskosten im Vergleich zu passiven Filtern sehr teuer
  • Sie reduzieren zwar die niederfrequenten Netzrückwirkungen, verschieben das Problem jedoch in den hochfrequenten Bereich der Taktfrequenzen, was einen zusätzlichen Funkentstöraufwand nötig macht
  • Sie sind nicht so prozesssicher und robust wie passive Filter
  • Filter mit konventionellen Regelverfahren eignen sich nicht für hochdynamische Anwendungen wie z.B. Schweißprozesse, da die  Reaktionszeit der aktiven Filter zu langsam ist.

Passive Filter stellen die älteste und zugleich die am häufigsten eingesetzte Filterform dar. Die Vorteile der passiven Filter sind:

  • Günstigste Filterlösung von allen hier genannten Konzepten
  • Prozesssicher, so lange Parallelresonanzen mit dem Netz oder anderen Verbrauchern bei der Entwicklung vermieden werden
  • Robust, da keine empfindlichen Bauteile vorhanden sind
  • Gute Filterwirkung, falls die Auslegung professionell erfolgt.

Im einfachsten Fall wird eine Netzdrossel nach Bild 5 benutzt. Sie stellt die günstigste Lösung von allen Filtermöglichkeiten dar, indem sie durch Verlängerung der Stromflussdauer die Stromoberschwingungen reduziert. Wenn die einfache Drossel nicht mehr ausreicht, um Grenzwerte einzuhalten, ist es notwendig, Oberschwingungen durch Filterkreise herauszufiltern. Eine Netzdrossel ist in jedem Fall zusätzlich nötig, um für die Oberschwingungen eine höhere Impedanz ins Netz zu gewährleisten. Bei hoher Oberschwingungsbelastung über ein breites Spektrum sind viele Filterkreise für jede relevante Frequenz erforderlich (Bild 6).

Jeder Hersteller muss also darauf achten, dass sein Gerät keine nennenswerten Oberschwingungen erzeugt. Dieses bewusste Handeln fordern die Normen EN 61000-3-2 und EN 61000-3-12 von den Herstellern, in denen Grenzwerte für einzelne Oberschwingungsströme festgelegt sind. Weltweit hat auch der Standard IEEE 519-1992 eine große Bedeutung. Doch mit welchen Maßnahmen lassen sich die Stromoberschwingungen reduzieren, um die Normen einzuhalten? Hierzu gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.

Die »Active Infeed Converter « (AIC) enthalten IGBT-gesteuerte Gleichrichter nach Bild 2, mit denen eine aktive Leistungsfaktorkorrektur möglich ist, so dass sie von Natur aus keine niederfrequenten Stromoberschwingungen erzeugen. Sie laufen teilweise auch unter dem Begriff »Active Front End«. Die Vorteile der AIC sind:

  • Sehr guter Leistungsfaktor von nahezu 1
  • Sie erzeugen keine Parallelresonanzen mit dem Netz oder anderen Verbrauchern
  • Sie bieten die Möglichkeit der Energierückspeisung aus dem Zwischenkreis ins Netz

Nachteile der AIC sind:

  • Hoher Preis durch kostenintensive Bauteile und höheren Entwicklungsaufwand und
  • Verlagerung der Störungen in den höheren Frequenzbereich (Taktfrequenz), wodurch weitere Entstörmaßnahmen nötig werden.

Generell lässt sich sagen, dass besonders im industriellen Bereich die einfache, passive B6-Diodenbrücke noch sehr lange erhalten bleibt und die AIC-Technologie nur für spezielle Anwendungen sinnvoll ist.