Die Überwachungsfunktionen

Aufgrund der besonderen Kenndaten des Generators und dessen Regelung müssen die Betriebsparameter des Ersatzstromerzeugers überwacht werden, wenn besondere Verbraucher in den Prozess integriert sind.

Das Betriebsverhalten des Generators unterscheidet sich von dem des Transformators:

• Die von ihm gelieferte Wirkleistung wird für einen Leistungsfaktor = 0,8 optimiert.
• Bei einem Leistungsfaktor unter 0,8 kann der Generator durch eine erhöhte Erregung einen Teil der Blindleistung liefern.

Kompensationsanlage

Bei einem nichtbelasteten Generator, der an eine Kompensationsanlage angeschlossen ist, kann es zu einer Selbsterregung des Generators kommen, wodurch sich seine Spannung erhöht.

Die zur Blindleistungskompensation verwendeten Kompenationsanlagen müssen daher abgeschaltet werden. Diese Abschaltung kann einerseits durch die Weitergabe des Ausschaltsollwertes an den Blindleistungsregler durchgeführt werden (wenn dieser an das System zur Steuerung der Netzumschaltung angeschlossen ist) oder durch Öffnen des Leistungsschalters, der die Kondensatoren versorgt.

Sind Kondensatoren weiterhin erforderlich, ist in diesem Fall keine Regelung des Relais zur Blindleistungskompensation durchzuführen (falsche und zu niedrige Einstellung).

Wiederanlauf und erneute Beschleunigung des Motors

Ein Generator kann bestenfalls im transienten Zustand einen Strom liefern, der dem 3- bis 5-Fachen seines Nennstroms entspricht. Ein Motor nimmt ca. 6 I_n für 2 bis 20 s während des Anlaufs auf.

Ist die Summe der Motorleistungen hoch, erzeugt das gleichzeitige Einschalten von Verbrauchern einen hohen Einschaltstrom, der zu Beschädigungen führen kann: großer Spannungsfall aufgrund des hohen Wertes der Transienten- und Subtransienten-reaktanzen des Generators (20 % bis 30 %). Es besteht das Risiko:

• eines Nichtanlaufens von Motoren,
• eines Temperaturanstieges durch die längere Anlaufzeit aufgrund des Spannungsfalls,
• einer Auslösung der thermischen Schutzeinrichtung.

Desweiteren kommt es durch den Spannungsfall zu Störungen in dem durch Ersatzstromversorgung betriebenen Netz.

Anwendung

(siehe Abb. N7)

Abb. N7 – Wiederanlauf ersatzstromberechtigter Motoren (ΣP > 1/3 P_n)

Ein Generator versorgt eine Anzahl von Motoren.

Kurzschlusskenndaten des Ersatzstromgenerators:

S_n = 130 kVA; Leistungsfaktor: 0,8; I_n = 150 A = P_n = 104 kW

x’_d = 20 % (z.B.), daher I_sc = 750 A.

• Die Σ P_Motoren beträgt 45 kW (45 % der Generatorleistung)

Berechnung des Spannungsfalls beim Anlauf:

P_Motoren = 45 kW, I_n = 81 A bei cos φ = 0,8; daher ein Anlaufstrom I_d = 480 A für 2 bis 20 s.

Spannungsfall an der Sammelschiene für gleichzeitige Motoranläufe:

[math]\displaystyle{ \frac {\Delta U}{U}=\left ( \frac{I_d-I_n}{I_{sc}-I_n} \right ) in\ \%\ , }[/math]

∆U = 55 %

Dieser Wert ist für Motoren nicht zulässig (Anlaufstörung).

• Die Σ P_Motoren beträgt 20 kW (20 % der Generatorleistung)

Berechnung des Spannungsfalls beim Anlauf:

Σ Motoren = 20 kW, I_n = 36 A bei cos φ = 0,8; daher ein Anlaufstrom I_d = 210 A für 2 bis 20 s.

Spannungsfall an der Sammelschiene:

[math]\displaystyle{ \frac {\Delta U}{U}=\left ( \frac{I_d-I_n}{I_{sc}-I_n} \right ) in\ \%\ , }[/math]

ΔU = 10 % Dieser Wert ist hoch, jedoch zulässig (je nach Verbrauchertypen).

Hinweise zum Wiederanlauf

• Ist P_max des größten Motors > , [math]\displaystyle{ \frac{1}{3}P_n, }[/math]ist ein Sanftanlasser in diesen Motorstromkreis einzubauen.
• Ist die Σ P_Motoren > ,[math]\displaystyle{ \frac{1}{3}P_n, }[/math] muss ein kaskadierter Wiederanlauf der Motoren durch eine SPS gesteuert werden.
• Ist die Σ P_Motoren < , [math]\displaystyle{ \frac{1}{3}P_n, }[/math]ist ein problemloser Wiederanlauf möglich.

Nichtlineare Verbraucher – Beispiel einer USV-Anlage

Nichtlineare Verbraucher

Die wichtigsten nichtlinearen Verbraucher sind:

• gesättigte magnetische Kreise,
• Entladungslampen, Leuchtstofflampen,
• elektronische Stromrichter,
• EDV-gestützte Systeme: PC, Computer usw.

Diese Verbraucher erzeugen Oberschwingungen. Bei einer Versorgung durch einen Ersatzstromgenerator kann es aufgrund der niedrigen Kurzschlussleistung des Generators zu hohen Spannungsverzerrungen kommen.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage (USV)

(siehe Abb. N8)

Abb. N8 – Kombination Ersatzstromgenerator - USV-Anlage zur Erhöhung der Versorgungssicherheit

Die Kombination aus USV-Anlage und Ersatzstromgenerator ist die beste Lösung zur Gewährleistung einer qualitativ hohen Versorgungssicherheit mit einer langfristigen eigenständigen Versorgung ersatzstromberechtigter Verbraucher bei Fehlern in der Netzversorgung des Netzbetreibers.

Die USV ist aufgrund des Eingangsgleichrichters als ein nichtlinearer Verbraucher zu betrachten. Bei Netzumschaltung müssen auch bei USV-Betrieb das Einschalten und der Anschluss des Ersatzstromgenerators möglich sein.

Leistung der USV-Anlage

Die Einschaltleistung einer USV-Anlage muss Folgendes berücksichtigen:

• Nennleistung der nachgeschalteten Verbraucher:

Dies ist die Summe der von jeder Anwendung aufgenommenen Scheinleistungen S. Weiterhin müssen zur Vermeidung einer Überdimensionierung der Anlage die Überlastfestigkeiten auf USV-Ebene betrachtet werden (z.B.: 1,5 I_n für 1 Minute und 1,25 I_n für 10 Minuten)

• Die Leistung zum Wiederaufladen der Batterie:

Dieser Strom ist proportional zu der für eine gegebene Leistung erforderlichen Autonomiezeit der USV-Anlage. Der S_r-Wert einer USV wird bestimmt durch:

S_r = 1,17 x S_n

Abbildung N9 legt die Einschaltströme und Schutzeinrichtungen zur Versorgung des Gleichrichters (Netz 1) und des Reservenetzes (Netz 2) fest.

Nennleistung Sn (kVA)	Stromwert (A)
	Netz 1 mit 3Ph-Batterie 400 V - I1	Netz 2 oder 3Ph-Anwendung 400 V - Iu
40	86	60,5
60	123	91
80	158	121
100	198	151
120	240	182
160	317	243
200	395	304
250	493	360
300	590	456
400	793	608
500	990	760
600	1180	912
800	1648	1215

Abb. N9: Einschaltstrom zur Versorgung des Gleichrichters und des Ersatznetzes

Kombination Ersatzstromgenerator/USV-Anlage

• Erneutes Einschalten des Gleichrichters bei Betrieb eines Ersatzstromgenerators:

  Der Gleichrichter der USV-Anlage sollte mit einer Vorrichtung zum Sanftanlauf des Gleichrichters ausgerüstet werden, um die Kompatibilität mit dem Ersatzstromgenerator sicherzustellen (siehe Abb. N10).

Abb. N10 – Sanftanlauf eines USV-Gleichrichters Typ 2

• Oberschwingungen und Spannungsverzerrung

  Die gesamte Spannungsverzerrung τ wird definiert durch:

  τ(%) = [math]\displaystyle{ \frac {\sqrt {\Sigma U^{\ 2}_{h}}}{U_1} }[/math]

  wobei U_h die Oberschwingungsspannung der Ordnung h ist.

• Dieser Wert hängt ab von:
  • den vom Gleichrichter erzeugten Oberschwingungsströmen (proportional zur Leistung S_r des Gleichrichters),
  • der subtransienten Reaktanz X”_d des Generators,
  • der Leistung S_g des Generators.

Wir definieren [math]\displaystyle{ U^{'}R_{sc}\ (\%)= X^{''}_d\ \frac{S_r}{S_g} }[/math] als die generatoreigene Kurzschlussspannung, bezogen auf die Gleichrichterleistung, d.h. t = f(U’R _sc).

Anmerkung 1: Da die subtransiente Reaktanz groß ist, ist die harmonische Verzerrung, verglichen mit dem Toleranzwert (7 bis 8 %), normalerweise für eine angemessene wirtschaftliche Dimensionierung des Generators zu hoch: Eine geeignete und kostengünstige Lösung ist die Anwendung eines entsprechenden Filters.

Anmerkung 2: Die harmonische Verzerrung wirkt nicht schädigend auf den Gleichrichter, kann jedoch schädigend auf die anderen Verbraucher wirken, die parallel zum Gleichrichter versorgt werden.

Anwendung

Zur Bestimmung der Verzerrung τ bezogen auf U’R_sc wird ein Diagramm verwendet (siehe Abb. N11).

Abb. N11 – Diagramm zur Berechnung der harmonischen Verzerrung 3. Ordnung

Das Diagramm gibt an:

• entweder τ als Funktion zu U’R_sc
• oder U’R_sc als Funktion zu τ

Somit kann die Dimensionierung (S_g) des Generatorsatzes durchgeführt werden.

Beispiel: Generatordimensionierung

• 300 kVA-USV-Anlage ohne Filter, subtransiente Reaktanz von 15 %

Die Leistung S_r des Gleichrichters beträgt S_r = 1,17 x 300 kVA = 351 kVA.

Für eine τ < 7 % gibt das Diagramm an: U’R_sc = 4 %, Leistung S_g beträgt:

[math]\displaystyle{ S_g=351 \times \frac{15}{4}\approx 1320 }[/math]  kVA

• 300 kVA-USV-Anlage ohne Filter, subtransiente Reaktanz von 15 %

Für eine τ = 5 % gibt die Berechnung an: U’R_cc = 12 %, Leistung S_g beträgt:

[math]\displaystyle{ S_g=351 \times \frac{15}{12}\approx 440 }[/math]  kVA

Anmerkung: Mit einem vorgeschalteten 630 kVA-Transformator an der 300 kVA-SV-Anlage ohne Filter erhält man einen Wert von 5 %.

Folglich muss der Betrieb mit einem Ersatzstromgenerator kontinuierlich auf Oberschwingungsströme geprüft werden.

Ist die harmonische Verzerrung der Spannung zu groß, ist die Verwendung eines Filters im Netz die wirkungsvollste Lösung, um eine Verzerrung zu erhalten, die für empfindliche Verbraucher zulässig ist.