Energieeffizienz: Zwölf-Puls-Umrichter reduzieren Netzrückwirkungen

Die thüringische Stadt Suhl setzt bereits seit Ende der 1960er Jahre auf eine umweltfreundliche Fernwärmeversorgung. Mehr als 300 Abnehmer aus Industrie und Wohngebieten beziehen ihre Wärme mithilfe einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage von den ansässigen Stadtwerken Suhl/Zella-Mehlis: Drei Umwälzpumpen mit einer Leistung von jeweils 400 kW können 650 m³ pro Stunde durch die Rohre befördern. Frequenzumrichter an zwei der drei Pumpen regeln dabei den jeweils benötigten, aktuellen Bedarf an Wärme. Das Besondere daran ist, dass hier nicht wie oftmals üblich Frequenzumrichter mit Sechs-Puls-Brückengleichrichtern zum Einsatz kommen, sondern Umrichter mit einer Zwölf-Puls-Schaltung. Diese erfordern auf der Sekundärseite der Transformatoren entsprechende Abgänge, die die Phasenlage der verschiedenen Ausgänge auf eine Verschiebung von 30° bringen. Diese Schaltung innerhalb der Anlage reduziert die Oberschwingungsbelastung netzseitig auf etwa 10 bis 15 % und ist daher optimal für Großantriebe mit eigener Trafoversorgung geeignet. Im Vergleich: Die gesamte harmonische Verzerrung des Stroms (THDi) bei Sechs-Puls-Umrichtern beträgt in der Regel zwischen 40 und 80 %.

Nach einer über 15-jährigen Betriebslaufzeit stand eine Modernisierung des Systems an: Die Möglichkeit der Ausfälle der Frequenzumrichter nahm zu, zumal mittlerweile Ersatzteile für die eingesetzten Umrichter nicht mehr erhältlich sind. Gemeinsam mit dem Automatisierungsspezialisten BN Automation entschieden sich die Stadtwerke für eine elektrische Antriebstechniklösung von Danfoss. Denn die Antriebstechniksparte des dänischen Konzerns bot mit ihrer Zwölf-Puls-Frequenzumrichterlösung die Möglichkeit, die vorhandene Infrastruktur zu übernehmen und weiter zu nutzen. Im Vergleich dazu hätten andere Lösungen einen erheblichen Mehraufwand durch den Umbau beziehungsweise Austausch der vorhandenen Transformatoren mit ihren Zwölf-Puls-Abgängen bedeutet, erklärt Matthias Marschall, Leiter der Technik im Heizkraftwerk. „Als Folge hätte auch die gesamte Verkabelung komplett erneuert werden müssen, was nicht zuletzt auch das vorhandene Budget gesprengt hätte“, sagt er.

Um die Stillstandszeit des kritischen Anlagenteils so gering wie möglich zu halten, bereitete das Team des Automationsunternehmens den Austausch der Geräte vor, indem es vor der eigentlichen Umstellung alle Schnittstellen testete, die elektrischen Anschlüsse prüfte und Einbau und Anschluss der neuen Geräte konstruktiv vorbereitete. Dabei half auch eine zweitägige Schulung durch den Antriebstechnikspezialisten.

Da in der Anlage noch keine Bustechnik installiert war, sondern die gesamte Ansteuerung noch über analoge Signale erfolgte, musste eine Vielzahl von zusätzlichen Relaisausgängen geschaffen werden. Der neu eingesetzte VLT-Frequenzumrichter sorgte mit einer Erweiterungskarte für die notwendigen Anschlüsse. Daraus ergab sich, dass das System alle bisherigen Signal-Leitungen weiterverwenden konnte und keine Umstellung oder Anpassung des Leitsystems notwendig war.

Der eingesetzte Frequenzumrichter VLT Automation Drive FC 300 von Danfoss ist trotz seiner Nennleistung von 450 kW eines der kleinsten Geräten seiner Leistungsklasse. Alle für die kleineren Baureihen verfügbaren Optionsmodule lassen sich auch in dem High-Power-Gerät verwenden. Das ermöglicht dem Anwender, das Gerät auch zu einem späteren Zeitpunkt vor Ort mit weiteren Optionen nachzurüsten. Außerdem kann der Frequenzumrichter einfach montiert und in Betrieb genommen werden. Alle wichtigen Baugruppen sind von vorn durch Türen zugänglich und lassen sich leicht austauschen – auch bei einer Montage Seite an Seite unter beengten Platzverhältnissen. Viele Zusatzoptionen wie beispielsweise Leistungsschalter, Lasttrenner, Schütze, Sicherungen, Versorgungsabgänge für Hilfsantriebe und weitere Funktionsgruppen lassen sich im Optionsschrank integrieren. So kann der Anwender auf zusätzliche Schaltschränke weitgehend verzichten.

Frequenzumrichter erzeugen eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung. Die dadurch entstehenden Spannungsspitzen und hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten verkürzen die Lebensdauer von Motorwicklung sowie -lagern. Der Einsatz von Sinusfiltern minimiert diesen Verschleiß. Diese sind speziell an den Frequenzumrichter angepasst und begrenzen die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an der Motorisolation und die Amplitude der Spannungsspitzen. Das schützt wiederum die Wicklungen des Motors vor Überschlägen. Zusätzlich erzeugen die Sinusfilter im Gegensatz zu den einfacheren du/dt-Filtern eine sinusförmige Motorspannung. So lassen sich kostengünstige, ungeschirmte Motorleitungen einsetzen, was gerade bei Um- oder Nachrüstung bestehender Anlagen zu einer Kostenersparnis führt. Außerdem reduzieren Sinusfilter auch die Geräuschbelastung im Motor und wirken sich positiv auf die Drehmomentwelligkeit und Lagerströme aus.

„Aufgrund der optimalen Vorbereitung konnte der gesamte Austausch eines Frequenzumrichters in nur drei Tagen erfolgen“, erklärt Marschall.

Danfoss Drives gehört zu den führenden Anbietern in der Antriebstechnik. Das Portfolio des Unternehmensbereichs umfasst die Lieferung einzelner Antriebskomponenten, ebenso wie Planung und Bereitstellung kompletter Antriebssysteme in einem Leistungsbereich von 0,18 kW bis 5,3 MW. Der dänische Konzern beschäftigt in insgesamt vier Sparten (Heating, Cooling, Power Solutions und Drives) weltweit 25 000 Mitarbeiter. Der Gesamtumsatz des Konzerns lag 2016 bei rund 5,3 Mrd. Euro.