Unser neues Fallbeispiel zeigt wie Generatornetze mit modernen Verbrauchern durch den Einsatz eines AHF (Active Harmonic Filter) verbessert werden können.

Mobile Generatoren stellen in der Film- und Veranstaltungsindustrie und auch bei Notfall-Einsätzen die elektrische Energieversorgung sicher. Heute werden an diesen Generatoren zunehmend Geräte mit einer nichtlinearen Stromaufnahme angeschlossen. Das führt zu unsymmetrischer Belastung und einer starken Verzerrung der Spannung. Das Aggregat, der Dieselmotor und der Generator fangen an zu „pumpen“ und werden überlastet. Hier schafft ein Aktivfilter AHF (Active Harmonic Filter) Abhilfe und optimiert die Last. Ein Testszenario mit realen Lasten bei der Sparks Filmtechnik GmbH in München bestätigt die positiven Effekte.

Generatornetze weisen gegenüber Normalnetzen mit Trafoeinspeisung einen um etwa Faktor 3 höheren Innenwiderstand auf. In der Folge führt der Betrieb von Verbrauchern mit nichtlinearer Lastcharakteristik zu wesentlich höheren Spannungsverzerrungen an den Generatorklemmen. Abbildung 1 zeigt die Kurvenformen der Spannungen und Ströme in einem Generatornetz. Der Generator hat eine Nennleistung von 100 kVA. Er wird mit elektronischen Dimmern und Schaltnetzteilen belastet, die eine Gesamtleistung von 40 kVA haben. Durch den ungleichmäßigen Anschluss der zumeist einphasigen Geräte auf den drei Phasen kommt es zu einer stark unsymmetrischen Belastung des Generators. Dies zeigt der rechte Teil des Diagrammes „Effektivstrom“ in Abbildung 2. Die Unsymmetrie hat einen Neutralleiter-Strom (blau) zur Folge, der die Leitungen und den Generator-Sternpunkt belastet.
Die deutlich sichtbaren Spannungsverzerrungen erhöhen das Risiko für die Zerstörung von empfindlichen Verbrauchern, es kommt zu einer mechanischen Belastung des Aggregates und einer thermischen Überlastung der Statorwicklungen. Diesen negativen Effekten wird häufig durch die bewusste Auswahl eines überdimensionierten Generators begegnet.

Abbildung 1 Kurvenform von Spannung (oben) und Strom (unten) ohne AHF

Die Netzanalyse zeigte, dass sich die Stromaufnahme der Leuchten für den Normalbetrieb und den Batteriebetrieb stark unterscheidet. Während im Normalbetrieb der tatsächliche Laststrom dargestellt ist, kommt im Wechselrichterbetrieb eine massive Überlagerung des Resonanzstroms hinzu. Die Versorgungsspannung war derart verzerrt, dass der Wechselrichter nicht stabil arbeitete. Wie die Power Quality Messung zeigte, verschiebt sich die Resonanzstelle mit Zuschaltung jeder Leuchte. Sobald acht Leuchten über das Batterienetz gespeist werden, fließt ein erheblicher Oberschwingungsstrom, der die Sicherungsautomaten erwärmt und somit das vorzeitige Auslösen begünstigt.

Abbildung 2 Effektivspannung (oben) und Effektivstrom (unten)

In der Vergangenheit standen für die Filterung von Spannungsverzerrungen vor allem passive Oberschwingungsfilter zur Verfügung. Diese sogenannten Filterkreise werden als Reihenschaltung aus Drosseln und Kondensatoren aufgebaut. Um eine ausreichende Filterwirkung zu erzielen, wird ein erheblicher Anteil kapazitiver Blindleistung in Kauf genommen. Aber gerade Generatornetze sollen nicht im kapazitiven Bereich betrieben werden. Der Grund wird in der Abbildung 3 veranschaulicht. Bei einem cos  = 0,6 kapazitiv kann z.B. nur 40 % der Generator-Nennleistung abgefragt werden. Bei höherer Belastung vermindert sich das maximal mögliche Drehmoment bei gleichzeitig gefährlich erhöhter Klemmenspannung. Daher sollten die Verbraucher, die an einen Generator angeschlossen werden, im optimalen Arbeitsbereich des Generators bei einem Verschiebungsfaktor cos  zwischen 0,95 kapazitiv und 0,8 induktiv liegen.

Abbildung 3 Maximal zulässige Leistung eines Generators in Abhängigkeit des cos φ

Heute stehen mit der Leistungselektronik Aktivfilter zur Verfügung, die den Generator nicht mit kapazitiver Blindleistung belasten, sondern vielmehr die Verbraucher-Blindleistung vollständig kompensieren können. Diese AHF werden parallel zu den Geräten angeschlossen und beseitigen deren Rückwirkungen mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Millisekunde. AHF sind universelle Trouble-Shooter im Strom-versorgungsnetz und können

Diese elektronischen „Last-Optimierer“ werden von PQ ENGINEERING mit verschiedenen Filterströmen von 15 A bis 300 A und in den verschiedensten Bauformen angeboten, als Wandgerät AHF-W, als Einschubmodul AHF-R für die Rackmontage oder als Standanlage AHF-C in Outdoor-Gehäusen. Gerade die Außenaufstellung vereinfacht den Einsatz bei temporären Installationen und Events.

Abbildung 4 Testszenario mit AHF-C-100 in Outdoor-Gehäuse

Durch den Einsatz eines Aktivfilters AHF kann auf die häufig gewählte Überdimensionierung des Aggregates verzichtet werden. Mit der Netzbereinigung des AHF erzielt man folgende Vorteile:

Und so sieht das gleiche Generator-Netz bei Betrieb mit einem AHF aus: Eine im Vergleich zu Abbildung 1 deutlich sauberere Spannung bei symmetrischer, sinusförmiger Stromaufnahme.

Abbildung 5 Kurvenform von Spannung (oben) und Strom (unten) mit AHF

Abbildung 6 Aktivfilter AHF-W für Wandmontage und AHF-R für Rackmontage