Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0081;F-Elektrizitätstechnologien & -anwendung
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Zur Erhöhung der Effizienz, bzw. für die Reduktion von Betriebskosten von Antriebssystemen mit elektrischen Motoren werden Frequenzumrichter eingesetzt. Die heute eingesetzten Frequenzumrichter (FU) bestehen aus leistungselektronischen Anschnittsteuerungen, die Quellen von Oberschwingungen darstellen. Sofern die Oberschwingungen nicht mit Zusatzeinrichtungen im FU gefiltert werden, bewirken diese im speisenden elektrischen Verteilnetz Verluste. Diese Verluste schmälern die durch den FU angestrebten Effizienzsteigerungen. Nicht alle eingesetzten FU weisen Aktivfilter aus, die zur praktisch gänzlichen Reduktion der Oberschwingungen führen. Ein vermehrter Einsatz von Frequenzumformern führt daher im schweizerischen Stromverteilnetz zu einem erhöhten Blindleistungsfluss und damit zu zusätzlichen Verlusten auf den Verteilnetzen.
ie übergeordnete Zielsetzung des Projektes ist die Quantifizierung des Potentials der Blindleistungsreduktion, das durch konsequente Anwendung effizienter Massnahmen gegen Netzrückwirkungen bei Frequenzumformern erzielt werden kann.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Im laufenden Berichtsjahr sind die Projektaktivitäten für die Bestimmung der Auswirkungen von Netzrückwirkungen von Frequenzumrichter auf die Verteilnetze im Bereich der Messungen fortgeführt worden. Aufgrund einer ersten Besprechungssitzung mit Prof. Kolar vom Institut für Leistungselektronik der ETH Zürich hat sich herauskristallisiert, dass als wesentliche Grundlage für die Projektarbeiten zur Bestimmung von Verlusten im Verteilnetz, bedingt durch die Rückwirkungen von Frequenzumformern, konkrete Messungen erforderlich sind.
In Zusammenarbeit mit der Fachhochschule HESSO in Sitten und der Lonza AG in Visp konnten in einem Industriebetrieb Messungen von Netzrückwirkungen von Frequenzumformern in Industrienetzen durchgeführt werden. Erste Abschätzungen von Verlusten sind durchgeführt worden, wobei die erzielten Ergebnisse im Detail nicht verifiziert werden konnten.
Daher ist in Abstimmung mit dem Bundesamt für Energie festgelegt worden, dass in einer weiteren Phase der Zusammenarbeit mit der HESSO und der Lonza AG die Übertragungsverluste im Industrienetz zu verifizieren sind. Dieser nächste Arbeitsschritt ist aufgrund der verfügbaren Ressourcen bei der HESSO für das Jahr 2011 vorgesehen.
Aus den Ergebnissen ist anschliessend mittels einer Potenzialanalyse ein mögliches Einsparpotenzial Schweizweit zu bestimmen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Schnyder Ingenieure AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schnyder,Gilbert
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Zur Erhöhung der Effizienz, bzw. für die Reduktion von Betriebskosten von Antriebssystemen mit elektrischen Motoren, werden Frequenzumrichter eingesetzt. Die Frequenzumrichter eliminieren aus der Sicht des Netzes die Grundschwingungsblindleistung des angetriebenen Motors, produzieren aber Oberschwingungsströme, die wiederum Oberschwingungsblindleistung verursachen. Der Wirkfaktor cos von Frequenzumrichtern beträgt somit annähernd 1.0, der Leistungsfaktor PF kann hingegen abhängig von der Grösse der Oberschwingungs-ströme weit unter 1.0 liegen.
Die Oberschwingungsströme von Frequenzumrichtern verursachen Verluste im Verteilnetz. In diesem Projekt werden diese Netzverluste in der Schweiz abgeschätzt und beurteilt. Zudem werden Massnahmen aufgezeigt, wie die Netzverluste reduziert werden können.
Im Rahmen des Projektes wurden durch die HES-SO Wallis zwei Diplomarbeiten durchgeführt. In den Diplomarbeiten werden die Frequenzumrichter und auch die möglichen Massnahmen zur Reduktion der Oberschwingungsströme erläutert.
Basierend auf vorhandenen statistischem Daten und Erhebungen im Rahmen der Diplomarbeiten wurde der elektrische Energieverbrauch durch Motoren mit Frequenzumrichtern in der Schweiz abgeschätzt. Die Auswertung der unterschiedlichen Daten zeigte, dass dieser Energieverbrauch nicht eindeutig festgelegt werden kann und aktuell zwischen 3 TWh und 6 TWh pro Jahr liegt.
Ausgehend vom abgeschätzten Energieverbrauch der Motoren mit Frequenzumrichter und dem in den Diplomarbeiten erfassten Anteil der Oberschwingungsströme am Grundschwingungsstrom konnte berechnet werden, dass die durch die Oberschwingungsströme verursachten Netzverluste pro Jahr aktuell zwischen 15 GWh und 48 GWh liegen. Dies entspricht 0.25 ‰ bis 0.8 ‰ des Elektrizitätsverbrauchs der Endverbraucher der Schweiz.
Massnahmen zur Reduktion der Netzverluste, die durch Oberschwingungsströme von Frequenzumrichtern verursacht werden, sind somit nicht dringend notwendig. Trotzdem kann für den Einsatz von Frequenzumrichtern empfohlen werden, dass nur Typen mit Drosseln eingesetzt werden und auch netzseitige Filter zur Reduktion der Oberschwingungsströme der 5. und 7. Ordnung eingesetzt werden sollen. Damit kann eine sehr grosse Reduktion der durch die Oberschwingungsströme verursachten Netzverluste bewirkt werden.
Die Substitution der Grundschwingungsblindleistung von Motoren durch die Oberschwingungsblindleistung beim Einsatz eines Frequenzumrichters hat zur Folge, dass die entsprechenden Netzverluste auf einen Drittel reduziert werden können. Da jedoch die Grundschwingungsblindleistung von Motoren vielfach zu einem grossen Teil kompensiert wird, bleiben die Netzverluste, die durch die Grundschwingungsblindleistung oder durch die Ober-schwingungsblindleistung verursacht werden, in etwa gleich gross, d.h. die Frequenzumrichter verursachen keine zusätzlichen Netzverluste.
Die Reduktion der Oberschwingungsströme von Frequenzumrichtern ist nicht nur im Hinblick auf eine Reduktion der Netzverluste anzustreben, sondern liegt auch im eigenen Interesse des Endverbrauchers, um die Spannungsqualität seines Netzanschlusses nicht selbst zu verschlechtern.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Schnyder Ingenieure AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Mauchle,P.
Schnyder,G.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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For the increase of the efficiency, respectively for the reduction of operating cost of drive systems with electrical engines, motor drives are used. The motor drives consist of electric rectifier, DC voltage intermediate circuit and an inverter. The motor drives eliminate the reactive power of the propelled engine from the view of the distribution net, produce however harmonic currents, which cause again harmonic reactive power. The cos of motor drives amounts to thus approximately of 1.0, the power factor PF can however dependently of the size of the harmonic currents be much below 1.0.
The harmonic currents of motor drives cause losses in the distribution net. In this project these losses of the distribution net in Switzerland are estimated and judged. Besides actions are pointed out, how to reduce the losses.
In the context of the project two studies were done by the HES-SO Valais. In the studies the motor drives and also the possible actions to reduce the harmonic currents are described.
Based on existing statistic data and collections in the context of the studies done by the HES-SO Valais the electrical energy consumption of the motors with drives in Switzerland was estimated. The evaluation of the different data showed the fact that this energy consumption cannot be specified clearly and figures at the moment between 3 TWh and 6 TWh per year.
On the basis of the estimated energy consumption of the motors with drives and the harmonic currents according to the studies, it could be calculated that the losses of the distribution net per year, caused by the harmonic currents, lay at the moment between 15 GWh and 48 GWh. This corresponds to 0.25 ‰ to 0.8 ‰ of the electricity consumption of the final consumers of Switzerland.
Actions to reduce the losses of the distribution net, which are caused by harmonic currents of motor drives, are not urgently necessary. Nevertheless it can be recommended for the use of motor drives that only types with inductive coils are used and also filters at the feed for the reduction of the harmonic currents of the 5th and 7th order are used. Thus a very large reduction of the losses of the distribution net caused by the harmonic currents can be realized.
The substitution of the fundamental reactive power of motors due to the harmonic reactive power when using a motor driver has the consequence that the corresponding losses in the distribution net can be reduced to one third. However, since the reactive power of motors is often compensated to a large extent, the losses in the distribution net remain roughly the same size as the power losses caused by the harmonic currents of the motor drives. This means that the motor drives do not cause additional losses in the distribution net.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Schnyder Ingenieure AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Mauchle,P.
Schnyder,G.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les convertisseurs de fréquence sont de plus en plus fréquemment utilisés dans l'alimentation des moteurs électriques: ils contribuent à augmenter l'efficacité des systèmes d'entraînement et en réduisent les frais d'exploitation. Les convertisseurs de fréquence sont composés d’un redresseur, d’un circuit intermédiaire continu et d'un onduleur. Du point de vue du réseau de distribution, les convertisseurs de fréquence éliminent la puissance réactive du moteur entraîné. Cependant ils produisent des courants harmoniques qui provoquent une puissance réac-tive de distorsion. Le cos du convertisseur de fréquence est approximativement égal à 1.0, le facteur de puissance PF peut cependant être bien en-dessous de 1.0 en fonction des courants harmoniques.
Les courants harmoniques des convertisseurs de fréquence provoquent des pertes dans le réseau de distribution. Ce projet a pour objectif de caractériser et d'estimer ces pertes pour l'ensemble de la Suisse et de proposer des actions susceptibles de les réduire. L’insertion de selfs dans le circuit intermédiaire continu ou dans l'alimentation, ainsi que l’installation de filtres passifs et actifs et la compensation du facteur de puissance peuvent réduire ces courants harmoniques.
Deux étudiants de la HES-SO Valais ont récemment effectué leur travail de diplôme dans ce domaine, avec ces mêmes objectifs. L’objectif était la création d’une base de connaissance pour la détermination du potentiel de réduction des pertes dans le réseau de distribution provoquées par les courants harmoniques.
A partir de données statistiques et des résultats des études de la HES-SO Valais, la consommation d'énergie électrique des moteurs avec des convertisseurs de fréquence en Suisse a été estimée. L'évaluation des données différentes a montré que la valeur de cette consommation d'énergie ne peut pas être spécifiée précisément. Actuellement cette valeur est située entre 3 TWh et 6 TWh par an.
L'estimation de la consommation d'énergie des moteurs avec des convertisseurs de fréquence estimée et la proportion des courants harmoniques trouvée dans les travaux de diplôme ont permis de calculer les pertes provoquées par les courants harmoniques dans le réseau de distribution. La valeur se trouve entre 15 GWh et 48 GWh par année. Ceci correspond à une fourchette de 0.25 ‰ à 0.8 ‰ de la consommation d'électricité finale de la Suisse.
Ces chiffres montrent que les pertes dans le réseau de distribution provoquées par les courants harmoniques des convertisseurs de fréquence ne sont pas critiques et ne nécessitent pas impérativement la prise de mesures correctives. Néanmoins, une recommandation sur la conception des convertisseurs de fréquence pourrait être proposée: les appareils devraient être munis de selfs dans le circuit intermédiaire et de filtres dans l'alimentation; ils permettraient la réduction des courants harmoniques du 5ème et 7ème ordre, et par voie de conséquence, des pertes dans le réseau de distribution.
La substitution de la puissance réactive des moteurs entraînés par la puissance réactive de distorsion des convertisseurs de fréquence a pour conséquence que les pertes correspondant au réseau peuvent être réduites à un tiers. Toutefois, puisque la puissance réactive des moteurs entraînés est souvent compensée dans une large mesure, les pertes de réseau restent à peu près la même taille comme la puissance réactive de distorsion des convertisseurs de fréquence. Ça veut dire que les convertisseurs de la fréquence ne causent pas des pertes de réseau supplémentaire.
La réduction des courants harmoniques des convertisseurs de fréquence aura comme effet principal de réduire les pertes mais elle servira aussi l'intérêt du consommateur en maintenant une qualité de la tension dans le réseau suffisante pour le bon fonctionnement des appareils électriques.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Schnyder Ingenieure AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Mauchle,P.
Schnyder,G.
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