Wie lässt sich die harmonische Verzerrung in großen Kunststoffextrusionsanlagen begrenzen?
Die Grenzen herkömmlicher passiver Lösungen
In der Kunststoffverarbeitungsindustrie hängt die Kontinuität der Extrusionsprozesse wesentlich von der Qualität der elektrischen Energieversorgung ab.
Große AC-Antriebe mit 1300 A bei 690 V verwenden häufig 6-Puls-Gleichrichter. Um die durch diese Konfiguration erzeugten Oberschwingungen zu begrenzen, werden üblicherweise dreiphasige Netzdrosseln in Serie zu den Gleichrichtermodulen installiert.
Diese Lösung stellt eine erste Stufe der Oberschwingungsreduzierung dar, ihre Wirksamkeit ist jedoch eng an die Betriebsbedingungen der Anlage gebunden.
Unter Volllastbedingungen des Extruders kann die verbleibende harmonische Verzerrung THDi-Werte zwischen 30 % und 35 % erreichen. Während Teillastphasen, beispielsweise bei der Temperaturhaltung der Extrusionsköpfe oder während Werkzeugwechseln, sinkt der Grundstrom und die relative Dämpfungswirkung der Drossel nimmt ab.
Unter diesen Bedingungen können erhöhte harmonische Verzerrungen, Überhitzungen der 690-V-Leitungen sowie Spannungsabfälle an der MS/NS-Transformatorstation auftreten.
Warum stellen variable Oberschwingungen eine kritische Herausforderung für die Anlage dar?
Bei einem Nennstrom von 1300 A bedeutet eine harmonische Verzerrung von 30–35 %, dass mehr als 400 A an Oberschwingungsströmen in das interne Versorgungsnetz der Anlage eingespeist werden.
Obwohl die erzeugten Oberschwingungsfrequenzen im Wesentlichen konstant bleiben, variiert ihre Amplitude kontinuierlich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Extruders.
Diese Variabilität macht herkömmliche passive Kompensationssysteme, die für relativ stabile Betriebsbedingungen ausgelegt sind, deutlich weniger wirksam.
Wie funktioniert die von IREM entwickelte modulare AHF-Architektur?
Um variable harmonische Verzerrungen wirksam zu beherrschen, hat IREM eine modulare AHF-Lösung (Aktive Oberschwingungsfilter) in Parallelschaltung entwickelt, die speziell für industrielle 690-V-Anwendungen konzipiert wurde.
Das System arbeitet als geregelte Stromquelle: Mithilfe von Echtzeit-Algorithmen zur Oberschwingungsanalyse auf Basis der Fast-Fourier-Transformation (FFT) identifiziert die Steuerelektronik die im Netz vorhandenen Oberschwingungen und veranlasst die Wechselrichter, Kompensationsströme mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase zu erzeugen.
Auf diese Weise werden die Oberschwingungen direkt am Netzanschlusspunkt neutralisiert und der THDi innerhalb der für die Anwendung geforderten Grenzwerte gehalten.
Welche Vorteile bietet die modulare Parallelschaltung?
Die AHF-Module arbeiten auf einem gemeinsamen Sammelschienensystem und verteilen den Kompensationsanteil gleichmäßig. In einer Konfiguration mit vier Modulen zu je 100 A können mehr als 400 A an Oberschwingungsströmen kompensiert werden, ohne die thermische Belastung auf ein einzelnes Gerät zu konzentrieren.
Zentralisierte Einspeisung in das Sammelschienensystem
Die AHF-Module arbeiten auf einem gemeinsamen Sammelschienensystem und verteilen die Kompensationslast gleichmäßig.
In einer typischen Konfiguration werden mehr als 400 A an Oberschwingungsströmen durch vier 100-A-Module kompensiert, wodurch die thermische Belastung der Leistungshalbleiter ausgewogen verteilt wird.
Selektive Trennung der Module
Jedes Modul ist über einen eigenen Lasttrennschalter mit Hochleistungs-Sicherungen an das Hauptsystem angeschlossen.
Im Falle einer Störung wird das betroffene Modul selektiv isoliert, ohne den Betrieb der 690-V-Hauptleitung zu beeinträchtigen.
Betriebskontinuität und Wartung ohne Anlagenstillstand
Die modulare Struktur ermöglicht die Isolierung und den Austausch eines einzelnen Moduls, während das Filtersystem mit reduzierter Leistung weiterarbeitet.
Dadurch können Wartungs- oder Reparaturarbeiten durchgeführt werden, ohne den Extruder abzuschalten oder den Produktionsprozess zu unterbrechen.
Welche normativen und energetischen Vorteile werden erzielt?
Die Integration der Aktiven Oberschwingungsfilter AHF von IREM mit den bereits vor dem Gleichrichter installierten Netzdrosseln ermöglicht die Nutzung der Vorteile der bestehenden Erstausrüstung und die Reduzierung des THDi auf Werte unter 8 %. Gleichzeitig wird die Einhaltung der Anforderungen internationaler Normen, insbesondere IEEE 519, sichergestellt.
Aus energetischer Sicht führt die Reduzierung der Oberschwingungsströme zu:
- geringeren Verlusten durch den Joule-Effekt in den Leitungen;
- reduzierten Zusatzverlusten im MS/NS-Transformator;
- geringerer thermischer Belastung der 690-V-Kabel;
- reduziertem Risiko unerwünschter Auslösungen von Schutzeinrichtungen;
- höherer Zuverlässigkeit des gesamten Energieversorgungssystems.
Die Einführung einer modularen AHF-Lösung verbessert somit die Power Quality der Anlage, erhöht die Gesamteffizienz des Extrusionsprozesses und gewährleistet eine höhere Betriebskontinuität.
