Die Entwicklung von Stromerzeugungsanlagen, wie z. B. großen Gleichstromgleichrichtern, unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen und Stromaggregaten, hat ebenfalls zu einer großen Diversifizierung der für den aktuellen Bedarf konzipierten Geräte geführt.
Gleichzeitig haben Unternehmen ihre Abhängigkeit von diesen elektronischen Geräten verstärkt. Diese werden immer komplexer und reagieren mitunter empfindlicher auf mangelhafte Stromqualität, die hauptsächlich durch Oberschwingungen im Stromverteilungsnetz verursacht wird und vorwiegend in den eigenen Anlagen entsteht.
All diese Lasten konzentrieren sich jedoch besonders stark in Rechenzentren, die je nach Größe unterschiedlich bezeichnet werden.
Anlagen mit ein bis fünf Racks werden als Technikräume oder Datenräume bezeichnet; kleine Rechenzentren verfügen über fünf bis zwanzig Racks; mittelgroße über zwanzig bis hundert Racks; und große über mehr als hundert Racks.
Um die Vorgänge in einem Rechenzentrum besser zu verstehen, sollten wir das einpolige Schaltbild der Anlage in Abbildung 1 analysieren.
Man erkennt, dass die elektronischen Verbraucher, die Stromoberschwingungen erzeugen, in der Regel nachgelagert zur Anlage angeordnet sind. Am Ende der Leitung fließen diese Oberschwingungen stets zur Quelle, die die Versorgungsspannung erzeugt.
Die Folge dieser Stromoberschwingungen ist die Verunreinigung der Spannungsquellen, beginnend mit der nächstgelegenen, üblicherweise der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Weiter stromaufwärts befinden sich der Mittel-/Niederspannungstransformator und der Notstromgenerator. Diese Ströme werden auch im Betrieb beeinflusst, wenn sie allgemeine, nicht kritische Verbraucher, die USV-Anlagen, die Beleuchtung, Kühllasten und die übrigen Gebäudeeinrichtungen wie Aufzüge, Zutrittskontrolle, Sicherheitstechnik, Überwachung usw. versorgen.
Eine der grundlegenden Eigenschaften dieser oberschwingungserzeugenden Geräte ist die Verschlechterung der Spannungsqualität im Stromnetz. Je schlechter die Spannungsqualität, desto größer die Verunreinigung und desto höher der Gesamtstromverzerrungsgrad (THDI).
Diese Lasten verzerren die von der Mittel-/Niederspannungs-Umspannstation erzeugte Spannung erheblich, sodass die Spannungsqualität unter Umständen einen Schwellenwert erreicht, ab dem sie für bestimmte Geräte oder Stromversorgungen nicht mehr akzeptabel ist. Die Norm IEEE 519-1992 legt fest, dass die Gesamtverzerrung der Spannung unter 5 % und die Verzerrungsrate der einzelnen Oberschwingungen mit der höchsten Amplitude unter 3 % liegen muss.
Dieser Standard gilt speziell für elektronische Geräte aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Netzspannungsverzerrungen. Übermäßige Verzerrungen führen zu unregelmäßigen Ausfällen, vorzeitigem Versagen und beschleunigter Alterung, was die durchschnittliche Lebensdauer der Produkte negativ beeinflusst. Diese wird von den Geräteherstellern selbst geschätzt, die diese Berechnung stets auf einer hochwertigen Stromversorgung basieren.
Anlagen sind in der Regel für den Normalbetrieb im Umspannwerk ausgelegt. Manchmal wird die korrekte Dimensionierung des Notstromaggregats nicht ausreichend berücksichtigt, oder die Weiterentwicklung der Anlage kann dazu führen, dass sie bei Erweiterungen oder Umbauten des Rechenzentrums nicht mehr den zulässigen Parametern entspricht. Um
die erforderliche Überdimensionierung bei der Installation eines Notstromaggregats zu verdeutlichen, betrachten wir Tabelle I. Diese zeigt die notwendige Generatorleistung in Abhängigkeit davon, ob ein PFC-Gleichrichter, ein Gleichrichter mit elektronischer Oberwellenkorrektur (THM), ein Gleichrichter mit klassischem Oberwellenfilter (FAH) oder ein Standardgleichrichter verwendet wird.
Eine USV mit einem Standard-Thyristorgleichrichter benötigt ein Generatoraggregat mit der doppelten Nennleistung der USV. Bei Verwendung eines Oberwellenfilters (FAH) muss das Generatoraggregat um 160 % überdimensioniert werden. Verfügt der Gleichrichter über eine aktive Oberwellenkompensation (THM) oder verwendet er einen IGBT-Transistorgleichrichter mit PFC (Leistungsfaktorkorrektur), so führt die minimale Verzerrung zu einer ausreichenden Überdimensionierung von 118 %.
Es ist leicht ersichtlich, dass nach der Oberwellenkontrolle ein kleinerer Generator eingesetzt werden kann, was zu Einsparungen beim Anschaffungspreis, der Wartung und dem Kraftstoffverbrauch im Betrieb führt.
Was sind Oberschwingungen?
Einleitung:
Die Planung einer Anlage, die Strom für Umgebungen mit vielen nichtlinearen oder verzerrenden Lasten und einem hohen Anteil einphasiger Lasten liefern soll, stellt eine Herausforderung dar und führt zu vielfältigen Problemen.
Eine lineare Last zeichnet sich durch einen sinusförmigen Stromverbrauch aus, der der Versorgungsspannung entspricht. Eine nichtlineare oder verzerrende Last hingegen weist einen Stromverlauf auf, der unabhängig vom Spannungsverlauf ist.
Abbildung 2 zeigt den typischen Verlauf eines einphasigen Schaltnetzteils (wie beispielsweise in einem PC). Dieser lässt sich in die Grundwelle und die darin enthaltenen Oberschwingungsströme zerlegen, die alle sinusförmig verlaufen.
Dank dieser Zerlegung können wir den Bereich und die Amplitude jeder Oberwelle bestimmen und so die optimale Lösung finden.
Es gibt zwar verschiedene elektrotechnische Lösungen, diese beheben jedoch weder das Vorhandensein von Oberwellen in der Anlage noch das eigentliche Problem: die Spannungsqualität.
Sofern die Anlage es zulässt, können die dritte und neunte Oberwelle mithilfe eines speziell dafür entwickelten galvanischen Trenntransformators auf einen bestimmten Bereich beschränkt werden. Dadurch wird verhindert, dass sie stromaufwärts zirkulieren, und die Belastung des Neutralleiters reduziert, wodurch diese Oberwellen in einem begrenzten Bereich kontrolliert werden.
Alternativ kann ein auf die gewünschte Frequenz abgestimmter Filter eingesetzt werden. Dies erfordert die Durchführung der notwendigen Messungen und die Auslegung eines Filters, der für die zu eliminierende Oberwelle geeignet ist. Solche Filter werden als passive Filter bezeichnet. Ihre volle Wirksamkeit wird bei Nennleistung erreicht; darunter nimmt ihre Wirksamkeit deutlich ab.
Eine Reiheninduktivität kann eingesetzt werden, deren Zweck nicht die Eliminierung, sondern die Dämpfung von Oberschwingungen ist. Dadurch wird eine Reduzierung der Gesamtstromverzerrung um etwa 50 % erreicht. Diese Anwendung findet vorwiegend bei Gleichrichtern und Frequenzumrichtern Verwendung. Wie bereits erwähnt, nimmt ihre Wirksamkeit mit steigender Last ab.
Um die durch Oberschwingungen verursachten Probleme effektiv und dauerhaft zu lösen, sind seit über fünf Jahren aktive Oberschwingungskompensatoren auf dem Markt erhältlich.
Wie man Netzüberlastungen reduziert: Aktive Oberwellenkompensation.
Der aktive Oberwellenkompensator analysiert kontinuierlich jede Phase unter Berücksichtigung des Verlaufs des Laststroms (I<sub>L</sub>). Aus dieser Analyse wird das Oberwellenspektrum extrahiert, das sich aus der Summe des Grundstroms und der Ströme der einzelnen Oberwellen zusammensetzt.
Der Kompensator erzeugt ein Stromsignal, das der Differenz zwischen Laststrom und Grundstrom entspricht. Diese Differenz, die der um 180° phasenverschobenen Summe der Oberwellenströme entspricht, wird in die Last eingespeist, sodass der resultierende sinusförmige Strom dem Grundstrom der Quelle entspricht.
Der Kompensator wird parallel zwischen Quelle und Last geschaltet und muss ausschließlich für die Oberwellenströme, nicht für den Gesamtstrom, dimensioniert werden.
Um hohe Zuverlässigkeit und optimale Systemleistung zu gewährleisten, werden in der Leistungsstufe IGBT-Transistoren eingesetzt.
Der aktive Oberwellenkompensator analysiert kontinuierlich jede Phase unter Berücksichtigung des Laststromverlaufs (I<sub>Last</sub>), extrahiert das Oberwellenspektrum und erzeugt ein Signal, das den Laststromverlauf ohne Berücksichtigung der Grundkomponente widerspiegelt und sich ausschließlich auf die in der Anlage vorhandenen Oberwellen (I<sub>H</sub>-Oberwellen) konzentriert.
Er trägt außerdem zur Reduzierung von Spannungsverzerrungen in der vorgelagerten THDU bei und erzeugt so eine sinusförmige Wellenform, die den Betrieb empfindlicher elektronischer Geräte mit einer hochwertigen, verzerrungsfreien Spannung ermöglicht.
Die Oberwellenkorrektur kann die Scheinleistung der Anlage um bis zu 30 % reduzieren. Je höher der zu korrigierende Gesamtanteil der Oberwellen ist, desto effektiver arbeitet der aktive Oberwellenkompensator.
Darüber hinaus kann die nicht zur Oberwellenreduzierung benötigte überschüssige Leistung zur Verbesserung des cos j genutzt werden, wodurch die Blindleistungsaufnahme der Anlage sinkt.
Fazit:
In Einrichtungen wie Rechenzentren dürfen wir nicht auf Probleme warten, sondern müssen ihnen vorbeugen.
Zunächst ist eine umfassende elektrische Prüfung der Einrichtung erforderlich. Beginnend mit dem einpoligen Schaltplan ermitteln wir, wie die stromfressendsten Verbraucher installiert sind, um welche Art von Verbrauchern es sich handelt, welche Funktion sie haben, welche Stromverzerrungen an den einzelnen Punkten auftreten und welche Spannungsverzerrungen vorliegen, um die Stromqualität zu beurteilen.
Diese Analysen sollten jährlich wiederholt werden, um Trends in der Einrichtung zu erkennen und festzustellen, wann Änderungen, Verbesserungen oder Maßnahmen zur Minderung der Auswirkungen erforderlich sind.
Durch die Prüfungen können wir viele wichtige Aspekte der Einrichtung verbessern und nicht nur die Gefahr von Oberschwingungen minimieren.
Autor: Ángel Pérez, Technischer Direktor von APC by Schneider Electric
