Gebäudetechnik by Schaffner Group

Saubere Netze für moderne Gebäude

Gebäudetechnik Saubere Netze für moderne Gebäude

Schaffner Gruppe

Die Schaffner Gruppe ist international führend in der Entwicklung und Produktion von Lösungen, die den effizienten und zuverlässigen Betrieb elektronischer Systeme sicherstellen. Die vielseitige Angebotspalette umfasst EMV-Komponenten, Oberwellenfilter und magnetische Bauteile sowie die Entwicklung und Realisierung von kundenspezifischen Lösungen. Schaffner Komponenten finden Anwendung in energieeffizienten Antriebssystemen und elektronischen Motorsteuerungen, in Wind- und Fotovoltaikanlagen, in der Bahntechnik, in Werkzeugmaschinen und Robotern sowie in Stromversorgungen einer Vielzahl elektronischer Geräte, zum Beispiel in der Medizintechnik oder in der Telekommunikation. Mit einer leistungsfähigen globalen Organisation betreut Schaffner Kunden weltweit vor Ort und baut die international führende Marktstellung mit kontinuierlichen Investitionen in Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb konsequent aus.

Weltweit alles aus einer Hand EMV-Filter

Power-Quality-Produkte

– Printfilter

– Netzdrosseln

– IEC-Steckerfilter

– dv/dt-Drosseln und -Filter

– DC-Filter

– Sinusfilter

– Einphasenfilter

– Oberwellenfilter

– Dreiphasenfilter

– Rückspeisedrosseln und -filter

– Dreiphasen- und Neutralleiterfilter

– Transformatoren

– Open Frame Einbau-Filter EMV-Entstördrosseln Durchführungsfilter und -kondensatoren Automotive Components Kundenspezifische Lösungen

Kundenspezifische Lösungen

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Power Quality in der Gebäudetechnik

Konzerthäuser, Kongresszentren, Hotels, Bürogebäude, Banken und Versicherungen, Wohn- und Geschäftshäuser – sie alle sind auf das jederzeit absolut zuverlässige Funktionieren von elektrischen und elektronischen Systemen angewiesen. Höchste Anforderungen an Zuverlässigkeit und Effizienz. In der modernen Gebäudetechnik kommen eine Vielzahl ein- und dreiphasiger Verbraucher zum Einsatz. Dazu gehören Be leuchtungstechnik, wie z.B. Lichtregler für Scheinwerfer oder Energiesparlampen, zahlreiche Fre quenzumrichter für Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlagen, Frequenzumrichter für Aufzüge sowie die gesamte IT-Infrastruktur mit den typischerweise verwendeten geregelten Netzteilen. Vielerorts findet man heute auch Wechselrichter für Photovoltaikanlagen (PV) und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Das zuverlässige Betreiben solcher Anlagen setzt eine gute Netzqualität (Power Quality) voraus und stellt im Besonderen hohe Anforderungen an die Spannungsqualität. Auf der anderen Seite hat die Belastung der Netzinfrastruktur durch solche elektrischen und elektronischen Verbraucher mit Netzrückwirkungen in den letzten Jahren markant zugenommen. Je nach Art der Erzeugungsanlage und der Betriebsmittel (Netzeinspeisung mit Umrichter, Generator) entstehen dabei unterschiedliche Netzrückwirkungen und Beeinflussungen. Folgende Punkte sind dabei von Bedeutung: I Oberschwingungen I Unsymmetrie durch unsymmetrische Belastungszustände I Spannungsschwankungen und Flicker I Leistungsfaktor (Power Factor) und Blindleistungsbedarf Der Einfluss der Netzrückwirkungen auf die Effizienz der Gebäudetechnik ist unterschiedlich gross. Dem Trend zur stetigen Optimierung der Gebäudeleistung und damit der Erhöhung der Energieeffizienz stehen sie aber alle entgegen. Auch können sie Einfluss haben auf I Komfort und Umgebungsqualität für die Gebäudenutzer I Energie- und Betriebskosten I Zuverlässigkeit und Effizienz der Gebäudesysteme I Lebensdauer technischer Einrichtungen I Sicherheit von Investitionen I die Umwelt Nicht zuletzt fordert und fördert der permanente Überwachungs- und Optimierungsprozess der Netzbetreiber und die Implementierung neuer Normen und Grenzwerte für Power Quality ein Handeln im Sinne hoher Zuverlässigkeit und Effizienz. Mit dem Know-how und der Erfahrung aus mehr als 50 Jahren bietet Schaffner Produkte und Lösungen, um diese Anforderungen zu erfüllen.

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Normen und Grenzwerte in der Gebäudetechnik Alle Systeme in der Gebäudetechnik müssen heute nahezu perfekt funktionieren und dabei Ressourcen sparen und so die Umwelt schonen. Betrachtet man die technischen Infrastrukturen innerhalb von Gebäuden, findet man fast überall Lüftungen, Liftanlagen, Sicherheitssysteme oder Beleuchtungseinrichtungen, Rechentechnik und viele andere nichtlineare Verbraucher, die mit elektrischer Energie sehr hoher Qualität versorgt werden müssen. Eine gute Netzqualität ist somit von herausragender Bedeutung für einen sicheren und umweltschonenden Betrieb. Die Anforderungen bezüglich Störunempfindlichkeit und hinreichend geringer Störaussendung von Betriebsmitteln waren schon sehr lange durch EMV-Richtlinien und EMV-Normen geregelt. Der Bereich der Netzqualität dagegen hat sich von einer reinen Verfügbarkeitsanforderung hin zu einer wirklichen qualitativen Beschreibung von Energieversorgung entwickelt. Nicht umsonst spricht man auch im deutschen Sprachraum von Power Quality. Es ist unbestritten, dass eine hohe Netzqualität Menschen und Werte schützt. Und so muss die Beurteilung der Auswirkungen und Einflüsse von Oberschwingungen, Unsymmetrien, Spannungsschwankungen und Flicker auf die Netzqualität sowohl für die jeweiligen Netzbetreiber als auch für die Verbraucher bindend geregelt und normiert werden. Die wichtigsten nationalen und internationalen Normen sind: Gerätenormen: I IEC/EN 61000-3-2 Grenzwerte für Oberschwingungsströme für Elektrogeräte mit einer Stromaufnahme <16 A I IEC/EN 61000-3-4 Grenzwerte für Oberschwingungsströme für Elektrogeräte mit einer Stromaufnahme >16 A I IEC/EN 61000-3-12 Grenzwerte für Oberschwingungsströme, verursacht von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom >16 A und ≤ 75 A je Leiter, die zum Anschluss an öffentliche Niederspannungsnetze vorgesehen sind I EN 61800-3 Elektromagnetische Anforderungen (EMV) für spezielle Geräte wie z. B. drehzahlveränderbare elektrische Antriebe

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Normen zur Verträglichkeit zwischen elektrischen Netzen und Verbrauchern: I IEC/EN 61000-6-1 Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe I IEC/EN 61000-6-2 Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom ≤ 16 A je Leiter) I IEC/EN 61000-6-3 Störaussendung für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe I IEC/EN 61000-6-4 Störaussendung für Industriebereiche I IEC/EN 61000-2-2 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Umgebungsbedingungen; Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrössen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen. Diese Norm lehnt sich grösstenteils an die EN 50160 bzw. DIN EN 61000-2-4 Klasse 2 an. I IEC 61000-2-4 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Teil 2: Umgebungsbedingungen; Hauptabschnitt 4: Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrössen in Industrieanlagen. Norm mit Klasseneinteilung für verschiedene Betriebsumgebungen. Klasse 1 für z. B. Rechenzentren; Klasse 2 für z. B. Gewerbebetriebe, Bürobereiche; Klasse 3 für z. B. Schwerindustrie, Frequenzumrichter. Normen zur Netzqualität: I EN 50160 mit Festlegung der Spannungscharakteristik öffentlicher Niederspannungsnetze und Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen. Selbstverpflichtungsnorm für die Energieversorger. I D.A.CH.CZ. Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen in Deutschland, Österreich, der Schweiz und der Tschechischen Republik. I TOR D2 Technische und organisatorische Regeln für Betreiber und Benutzer elektrischer Netze; Teil D: Besondere technische Regeln; Hauptabschnitt D2: Richtlinie zur Beurteilung von Netzrückwirkungen. I IEEE 519 (Recommended Practices for Harmonics Control in Electrical Power Systems) als gemeinsame Empfehlung von EVUs und Betreibern zur Begrenzung der Auswirkungen nichtlinearer Lasten durch Reduzierung von Oberschwingungen. I ENGINEERING RECOMMENDATION G5/4-1 (planning levels for harmonic voltage distortion to be used in the process for the connection of non-linear equipment) als Richtlinie der Energy Networks Association (UK) zur Begrenzung der Auswirkungen nichtlinearer Lasten durch Reduzierung von Oberschwingungen am Übergabepunkt (PCC). Gültig in Grossbritannien und Hong Kong.

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Harmonische, Oberwellen? – Oberschwingungen! Bereits in den ersten Betriebsjahren der elektrischen Stromverteilungsnetze stiess man auf Störungsprobleme. Anfänglich verursacht von Quecksilberdampfgleichrichtern, die in der Industrie eingesetzt wurden ist in den letzten Jahren die Anzahl von Betriebsmitteln, die Oberschwingungen erzeugen, sehr stark angestiegen und wird weiter steigen. Der Begriff Oberschwingungen selbst wurde erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts im deutschsprachigen Raum geläufig. Vorher sprach man von Oberwellen oder Harmonischen. Auch heute wird der Begriff Oberwellen noch häufig an Stelle von Oberschwingungen verwendet. Der Begriff Welle im Zusammenhang mit Oberschwingungen ist aber falsch. Eine Welle hat eine räumliche und eine zeitliche Ausdehnung, während die hier betrachteten Schwingungen nur eine zeitliche Ausdehnung haben. Oberschwingungen werden in jedem nichtlinearen Verbraucher erzeugt. Lineare Verbraucher beziehen bei sinusförmiger Spannung auch einen sinusförmigen Strom. Das sinusförmige Stromsignal besteht dabei nur aus der Grundschwingung. Es besitzt also kein Oberschwingungsspektrum. Das heisst, die gesamte Energie wird auf der Grundschwingung übertragen. Nichtlineare Verbraucher sind Geräte, die nichtsinusförmigen Strom aus dem Netz beziehen. Die meisten Verbraucher in der Gebäudetechnik gehören zu den nichtlinearen Verbrauchern und beziehen daher grösstenteils nichtsinusförmige Ströme vom Netz. Sie beeinträchtigen die Netzqualität wesentlich, denn die stark oberschwingungsbehafteten Ströme sind verbunden mit typischen Nebenerscheinungen, von denen sowohl Energielieferanten als auch Verbraucher betroffen sind. Da Oberschwingungsströme zusätzlich zur «aktiven» Sinusschwingung fliessen, sorgen sie für Verluste innerhalb der elektrischen Installation, was bis zur thermischen Überlast führen kann. Aber dies ist bei weitem nicht die einzige mögliche Folge von Oberschwingungen, vielmehr zeigen sich viele weitere Probleme: I Zusätzliche Verluste im Verbraucher führen zu Er- oder Überhitzung und somit zu Lebenszeitverkürzung. I Derating von Transformatoren auf Grund der Erwärmung durch Oberschwingungen. Hersteller von Transformatoren geben hier 10 % bei Abgabe von mehr als 30% der Nominalleistung an nichtlineare Lasten an. I Dieselben Annahmen gelten für Generatoren. I Kondensatoren und Kompensationsanlagen werden überlastet oder sogar zerstört. I Störbeeinflussungen im Audio- Bereich durch Oberschwingungen im höheren Frequenzbereich. I Störbeeinflussungen in der Telekommunikation. I Überlast im Neutralleiter. I Nulldurchgangsstörungen von elektronischen Betriebsmitteln, die sich an den Nulldurchgängen orientieren. I Fehlauslösung von Leitungsschutzschaltern / Leistungsschaltern.

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Klassifizierung und Beurteilung der Oberschwingungsbelastung in Gebäuden Oberschwingungen sind Ströme oder Spannungen, deren Frequenz oberhalb der 50/60Hz-Grundschwingungsfrequenz liegen und die ein ganzzahliges Vielfaches dieser Grundschwingungsfrequenz sind. Die Stromoberschwingungen haben keinen Anteil an der Wirkleistung, sie belasten das Netz nur thermisch. Jede in der Energietechnik vorkommende, periodische Schwingung kann mit Hilfe der diskreten Fourier-Analyse in eine Reihe mit Sinusschwingungen der Grundschwingungsfrequenz und den ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz zerlegt werden. Hierbei ergibt sich für jede Oberschwingungsfrequenz ein Winkel- und Amplitudenwert. Diese Oberschwingungen führen zu einer Verzerrung des Sinusverlaufs. Point of Common Coupling (PCC) Die Beurteilung der Oberschwingungsbelastung erfolgt meist am Anschluss- oder Übergabepunkt zum öffentlichen Versorgungsnetz des jeweiligen Energieversorgers (EVU). Im englischen Sprachraum, aber auch immer mehr im deutschsprachigen Raum spricht man dann vom Point of Common Coupling (PCC). Es kann aber unter gewissen Umständen auch wichtig sein, die Oberschwingungsbelastung durch einzelne Betriebsmittel oder Betriebsmittelgruppen zu bestimmen und zu analysieren, um interne Netzqualitätsprobleme und eventuell deren Verursacher aufzuzeigen. Zur Beurteilung der Oberschwingungsbelastung werden folgende Parameter eingesetzt: Total Harmonic Distortion (THD) bzw. Gesamte Harmonische Verzerrung ist eine Angabe, um die Grösse der Anteile, die durch nichtlineare Verzerrungen eines elektrischen Signals entstehen, zu quantifizieren. Er gibt also das Verhältnis des Effektivwertes aller Oberschwingungen zum Effektivwert der Grundschwingung an. Der THD-Wert wird sowohl in Nieder-, Mittel- als auch Hochspannungssystemen benutzt. Üblicherweise wird für die Verzerrung des Stroms THDi und für die Verzerrung der Spannung THDu verwendet. Total Harmonic Current (THC) bzw. Gesamter Oberschwingungsstrom ist eine Angabe, um den Gesamteffektivwert der Oberschwingungsströme der Ordnungen 2 bis 40 zu quantifizieren:

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Total Harmonic Distortion of Current (THDi) bzw. Gesamte Harmonische Verzerrung des Stroms ist eine Angabe, um das Ausmass der Verzerrung des gemessenen Oberschwingungsstroms anzugeben. Er ist definiert als Quotient (in %) des Effektivwertes der Strom-Ober schwingungen im Verhältnis zum Grundschwingungseffektivwert. Typischerweise wird die geometrische Summe aller Strom-Oberschwingungsanteile in Bezug auf den Grundfrequenzstrom bis einschliesslich zur 40. Oberschwingung (bis 2 kHz) berechnet:

Alle durch die Lasten im Netzwerk erzeugten Oberschwingungsströme müssen durch Impe danzen (Transformatoren, Drosseln etc.) und alle weiteren parallelen Zweige des Stromkreises fliessen. An den Impedanzen kommt es zu nichtlinearen Spannungsfällen. Die so erzeugten Oberschwingungsspannungen verbreiten sich über das gesamte Netz, und es kommt zu Verzerrungen der Versorgungsspannung anderer Geräte. Die Harmonische Verzerrung des Stroms (THDi) ist also eine Ursache für die Verzerrung der Spannung (THDu). Total Harmonic Distortion of Voltage (THDu) bzw. Gesamte Harmonische Verzerrung der Spannung ist eine Angabe, um das Ausmass der Verzerrung der Versorgungsspannung anzugeben. Er ist definiert als Quotient (in %) des Effektivwertes der Spannungs-Oberschwingungen im Verhältnis zum Grundschwingungseffektivwert. Typischerweise wird die geometrische Summe aller Spannungs-Oberschwingungsanteile bis einschliesslich zur 40. Oberschwingung bezogen auf den Effektivwert der Grundschwingung berechnet:

Ein geringer THDu kann im Prinzip mit einer guten Spannungsqualität gleichgesetzt werden. Total Demand Distortion (TDD) Speziell in Nordamerika findet man fast immer auch den Ausdruck TDD in Zusammenhang mit der Oberschwingungsproblematik. Er ist eine Angabe, die sich auf den THDi bezieht, allerdings wird hier der Oberschwingungsgehalt auf den Grundschwingungsanteil des Strom-Nennwertes bezogen. Der TDD gibt also das Verhältnis zwischen den Strom-Oberschwingungen (analog zum THDi) und dem in einem bestimmten Intervall auftretenden Stromeffektivwert unter Volllastbedingungen an. Übliche Intervalle sind 15 oder 30 Minuten.

maximal im Messintervall auftretender Grundschwingungsanteil des Strom-Nennwertes

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Unsymmetrie

Von Symmetrie in einem dreiphasigen System spricht man, wenn die drei Aussenleiterspannungen und -ströme gleich gross und gegeneinander um 120° phasenverschoben sind. Unsymmetrie entsteht, wenn eine oder beide Bedingungen nicht erfüllt sind. In den meisten Fällen liegt die Ursache für Unsymmetrien in den Lasten begründet. Bei Hoch- und Mittelspannung sind die Lasten normalerweise dreiphasig und symmetrisch, obwohl auch grosse ein- oder zweiphasige Lasten angeschlossen sein können (zum Beispiel Netzfrequenz-Induktionsöfen, Widerstandsöfen etc.). Im Niederspannungsbereich sind die Lasten in der Regel einphasig (zum Beispiel PCs, Beleuchtungssysteme etc.), und die zugehörigen Laststromkreise werden innerhalb der elektrischen Verkabelung auf die drei Aussenleiter verteilt. Das Ausmass der Unsymmetrie wird heute üblicherweise in allen gängigen Normen auf den Unsymmetriegrad ku der Spannung referenziert. Für Zweiphasenlasten zwischen Aussenleiter-Aussenleiter oder Einphasenlasten zwischen Aussenleiter-Neutralleiter kann näherungsweise angenommen werden:

Unsymmetriegrad der Spannung Anschlussleistung der Ein- bzw. Zweiphasenlast Kurzschlussleistung am Verknüpfungspunkt in kVA Der Verträglichkeitspegel für den Unsymmetriegrad im stationären Betrieb verursacht von allen Netzverbrauchern ist mit

≤ 2 % festgelegt. Bezogen auf einzelne Verbraucheranlagen ist

der resultierende Unsymmetriegrad mit ist.

= 0.7 % begrenzt, wobei über 10 Minuten zu mitteln

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Die Folgen von Unsymmetrien sind: 1.5 1.5

1.5 1.5

I Erhöhung der Strombelastung und der Verluste im 1 Netz

0.5

0.5 • 0 Bei gleicher Verbraucherleistung können die Phasenströme den 2- bis 3-fachen Wert, die Ver0

0.5

0 luste den 2- bis 6-fachen Wert erreichen. Leitungen und -0.5 Transformatoren können dann nur

-0.5

-0.5 -1 zur Hälfte bzw. zu einem Drittel ihrer Nennleistung belastet werden.

-1

-1.5

time

-1.5

Zeit

-1.5

time I Verluste und Rüttelmomente in elektrischen Maschinen

Zeit

• Das vom Gegensystem der Ströme aufgebaute Feld läuft gegen die Drehrichtung des Läufers 1

0.5

und induziert in diesem Ströme, die zu erhöhter thermischer Belastung führen. 1

1.5

• Eine weitere Wirkung der Unsymmetrie sind Rüttelmomente in elektrischen Maschinen, die 0.5

0.5

-0.5

1 zu erhöhten mechanischen Beanspruchungen führen. 0

0.5

-0.5

-1

I Gleich- und Wechselrichter

-1

time

-1 -1

Zeit

time Zeit • Gleich- und Wechselrichter reagieren auf eine unsymmetrische Versorgungsspannung mit

-0.5

uncharakteristischen Oberschwingungsströmen.

-1 -1.5 I Dreiphasensysteme

time

■ Cooling ■ Lighting ■ Office equipmentZeit ■ Ventilation ■ Other Dreiphasensystemen Sternschaltung ■ Cooling• I■nLighting ■ Office equipment mit ■ Ventilation ■ Other fliesst

ein Strom durch den Neutralleiter.

Demand (kW)

1 0.5 0

120°

-0.5 -1 time

24-hour period = midnight to midnight 24-hour period = midnight to midnight Zeit

120° Ia

120°

■ Kühlung ■ Beleuchtung ■ Büro-Ausstattung ■ Belüftung ■ Andere ■ Kühlung ■ Beleuchtung ■ Büro-Ausstattung ■ Belüftung ■ Andere

1.5

time

Verbrauch (kW)

ing ■ Office equipment ■ Ventilation ■ Other

Verbrauch (kW)

-0.5

-1 -1.5

1 0.5 0 -0.5

24-hour period = midnight to midnight

0.5

-1

Zeit 24-Stunden-Periode = 0.00 bis 24.00 Uhr 24-Stunden-Periode = 0.00 bis 24.00 Uhr

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Spannungsschwankungen und Flicker

Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker sind Begriffe, die in einer gewissen Relation zueinander stehen. Obwohl sie häufig gleichzeitig auftreten, handelt es sich um unterschiedliche Phänomene mit klaren Unterscheidungen: Eine Spannungsänderung U bezeichnet eine einzelne Änderung des Spannungseffektivwerts ermittelt über eine Halbperiode (10 ms). Die quantitative Beschreibung erfolgt über die Differenz zwischen den Effektivwerten der Netzspannung U vor und nach einer Spannungsänderung. Durch Bezugnahme von U auf den ungestörten Effektivwert der Netzspannung U vor Beginn einer Spannungsänderung wird die relative Spannungsänderung

bestimmt.

Eine Spannungsschwankung U(t) bezeichnet eine regelmässige oder unregelmässige Folge von Spannungsänderungen mit Amplituden kleiner 10%. Sie können in einem Drehstromnetz sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch auf die drei Aussenleiter verteilt sein. Verursacht werden Spannungsschwankungen durch: I Ein- und Ausschaltvorgänge grosser Lasten I anlaufende Antriebe (grösserer Last) I Laständerungen bei Antrieben I gepulste Leistungen (Schwingungspaketsteuerungen, Thermostatsteuerungen) I Lichtbogenöfen I Schweissmaschinen I Windenergieanlagen im Netzparallelbetrieb Spannungsschwankungen können den Betrieb empfindlicher Geräte und Einrichtungen stören. Der Haupteinfluss liegt aber im Hervorrufen von Helligkeitsschwankungen in Beleuchtungseinrichtungen. Man spricht dann von so genannten Flickererscheinungen oder kurz Flicker. Flicker bezeichnet «den subjektiven Eindruck von Leuchtdichteänderungen» oder auch den «Eindruck der Unstetigkeit visueller Empfindungen, hervorgerufen durch Lichtreize mit zeitlicher Schwankung der Leuchtdichten oder der spektralen Verteilung». Technisch gesehen verursachen Spannungsschwankungen Leuchtdichteänderungen von Lampen, die eine optisch wahrnehmbare, als Flicker bezeichnete Erscheinung hervorrufen können. Ab einem bestimmten Grenzwert wirken Flickererscheinungen störend. Die Störwirkung von Spannungsschwankungen hängt dabei von der Höhe, der Wiederholrate und der Kurvenform der Spannungsänderungen ab. Als Mass für die Störwirkung sind die Kurzzeit-Flickerstärke

und die Langzeit-Flickerstärke

definiert. Spannungsschwankungen, hervorgerufen durch einzelne Geräte (am Niederspannungsnetz) sind zulässig, wenn der daraus resultierende Flickerstörfaktor 1 wird. Ein Langzeit-Flickerstörfaktor

gemittelt aus zwölf

nicht grösser als

-Werten, darf den Wert von 0,65

nicht überschreiten. Die einfachste Methode zur Bewertung des

-Wertes ist der Gebrauch der

= 1 p.u.-Kurve. P.u. steht dabei für «unit of perception» und ist der maximale Verträglichkeitslevel für die Störempfindlichkeit des menschlichen Auges betreffend die Wahrnehmung von Lichtschwankungen. Der Wert überschritten werden.

= 1 p.u. darf auch unter Zusammenwirkung aller Störer nicht

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Leistungsfaktor und Blindleistung

In einem dreiphasigen System sind die Spannungsschwingungen der Phasen gegeneinander um 120° verschoben. Wird jeder Aussenleiter gleich belastet, ergibt sich der Summenstrom im Neutralleiter zu null. Bei Belastung des Netzwerkes durch Oberschwingungsströme addieren sich die Oberschwingungen der durch drei teilbaren Ordnung im Neutralleiter. Dadurch kann der Strom im Neutralleiter grösser als in jedem der Aussenleiter werden. Der Leistungsfaktor (Power Factor) ist ein Parameter, der von Netzstörungen wie Verzerrung oder Unsymmetrie beeinflusst werden kann. Er verschlechtert sich mit fortschreitender Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und mit zunehmender Verzerrung der Stromkurve. Er ist definiert als Quotient aus dem Betrag der Wirkleistung und Scheinleistung λ =

und ist somit ein Mass

für die Effizienz, mit der eine Last Energie nutzt. Ein höherer Leistungsfaktor stellt also eine höhere Nutzung der elektrischen Energie und letztendlich auch den höheren Wirkungsgrad dar. Da sich bei Oberschwingungsbelastung kein einheitlicher Phasenverschiebungswinkel angeben lässt, dürfen Leistungsfaktor λ und der häufig verwendete Wirkfaktor cosφ1 nicht gleichgesetzt werden. Ausgehend von der Formel λ =

cosφ1 = g1cosφ1 mit

= Grundschwingungseffektivwert

des Stroms, I = Gesamteffektivwert des Stroms, g1 = Grundschwingungsgehalt des Stroms und cosφ1 = Verschiebungsfaktor erkennt man, dass nur bei sinusförmiger Spannung und Strom (g=1) der Leistungsfaktor λ gleich dem Verschiebungsfaktor cosφ1 ist. Somit ist ausschliesslich bei sinusförmigen Strömen und Spannungen der Leistungsfaktor λ gleich dem Kosinus des Phasenverschiebungswinkels φ und wird definiert als cosφ =

= Wirkfaktor. Ein schlechter Leistungsfaktor ist

immer mit nichtlinearen Lasten verbunden. Blindleistung. Energie vom Erzeuger zum Verbraucher zu transportieren, ist Aufgabe des Energielieferanten und dessen Versorgungsnetz. In mit Wechsel- bzw. Drehstrom betriebenen Netzen pendelt zusätzlich zur nutzbaren Wirkleistung auch Blindleistung. Blindleistung wird zum Aufbau des Magnetfeldes von Maschinen benötigt und pendelt zwischen Erzeuger (Kraftwerk) und den elektrischen Verbrauchern wie beispielsweise erwähnte elektrische Maschinen. Sie hat aber keinen Anteil an der Wirkleistung und ist daher nicht nutzbar. Die Folgen der Blindleistung sind Blindarbeitskosten und zusätzliche Übertragungsverluste. Der Blindleistungsbedarf sollte möglichst klein gehalten werden. Ausgehend von der Entstehung der Blindenergie spricht man von:

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I Verschiebungsblindleistung • Entstehung durch Winkelverschiebung zwischen Strom und Spannung I Oberschwingungsblindleistung (Verzerrungsblindleistung) • Entstehung durch Oberschwingungen in Strom und Spannung I Modulationsblindleistung • Entstehung durch periodische Lastfluktuationen I Unsymmetrieblindleistung • Entstehung durch ein- und zweiphasige Lasten Durch Blindleistung entstehen meist erhebliche Kosten, da die Energieversorgungsunter nehmen die Blindarbeit verrechnen. Die Kompensation der Blindleistung kann diese Kosten reduzieren und bietet zusätzlich weitere Vorteile wie: I Verbesserte Auslastung der Netze I Entlastung von Trafos, Leitungen und Versorgungseinrichtungen I Erhöhung der Lebensdauer von elektrischen Verteilungseinrichtungen I Spannungsstabilisierung I Reduzierung der CO2-Emissionen � 1 1 �� = � � �� = � �� = � � �� = �1 � 1�� = � � �� = �1 � �� 1 � �� = �� = �� = � �� = � � � �� = � � � �� = � � � � � � � �� = �� = �� = � � � � � �� = �� = �� = �� = �� = � �� = �� = � �� = �� = � � � �� = � �� = �� = �� 1�� = � �� = � �� = �� = � � �1 � �� = �� = � �� = �� = � � � � = ��

� �� = � � � ��

SPQ

� = ��

�� = ��

� �� = �� = �

�� =

� ��

�� = �� =

� �

Q P

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Komplexe Mischlasten – Lastprofile der Gebäudetechnik Nach einer Studie der Europäischen Union werden ca. 40 % der gesamten produzierten elektrischen Energie für die Versorgung von Wohn- und Geschäftshäusern genutzt. Dazu zählen Appartements, Bürogebäude, Krankenhäuser, Hotels, Theater, Schulen und auch Sportanlagen. Die Systeme und Ausstattungen mögen sich von Gebäude zu Gebäude etwas unterscheiden, aber all diese Infrastrukturen haben eines gemeinsam: Die effiziente und bedarfsgerechte Energienutzung ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch ein absolutes Muss. Die Schonung von Ressourcen und der Umwelt hat mittlerweile denselben hohen Stellenwert wie die technische Zuverlässigkeit der Geräte, Anlagen und Systeme. Erreicht werden können solche Ziele durch die Nutzung von modernen Basisprodukten der Gebäudesystemtechnik wie Dimmer, Timer, Bewegungs- und Präsenzmelder, Schalter, Thermostate, Heizungssteuerungen, Drehzahlgeregelte Antriebe für HLK-Anlagen, Pumpen, Lüfter und Motoren, unterstützt durch intelligente und vernetzte Raum- und Gebäudesteuerung. Eine positive Energiebilanz kann aber nur dann gezogen werden, wenn auch die Rückwirkungen der eingesetzten Systemtechnik weitestgehend kompensiert werden. Das heisst, es werden Produkte und Lösungen benötigt, die zuverlässig und effizient mit den komplexen Mischlasten der Gebäudetechnik umgehen können. Die typischen Lasten in der Gebäudetechnik sind: I Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik (HLK-Technik) I Innen- und Aussenbeleuchtung I Kommunikationstechnik (Telefon, Faxgeräte, Netzwerktechnik) I Lift- und Aufzugstechnik, Rolltreppen I Büromaschinen (Computer, Monitore, Kopierer) I Gebäudeautomatisierungssysteme I Medizinische Einrichtungen I Audiovisuelle Entertainmentsysteme I Sicherheitssysteme (Einbruch, Feuer, Rauch, Gas und Wasserschäden)

0.5

Saubere Netze für moderne0.5 Gebäude

-0.5

-1

-1.5

time

-1.5

0.5

Die Lösungskonzepte für eine energieeffiziente Gebäudetechnik beinhalten also immer eine 0

Vielzahl von Produkten und Systemen. Dabei wird der Einhaltung der geltenden EMV-Normen -0.5 mit dem Einsatz von Einphasen- oder Dreiphasenfiltern Genüge getan. Eine -0.5 weitere zumeist

technische Lösung ist der Einsatz von Sinusfiltern zum Schutz von Motoren vor Zusatzbelas -1

-1

tungen durch PWM und zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit. Zwei Aspekte, die häufig time

wenig Beachtung finden, sind Oberschwingungen und der Leistungsfaktor. Sie wirken sich direkt auf Verbrauch, Kosten und Lebensdauer von Geräten aus. Und auch unter Einhaltung der in den meisten Ländern verbindlich geregelten Normen für Oberschwingungen gibt es eine Beeinträchtigung der Stromversorgungsinfrastruktur durch reflektierte Oberschwingungen. Im Sinne einer guten Energieeffizienz gibt es also eine Verantwortung der Gebäudebetreiber jenseits der Rechtsvorschriften und ausserhalb des Einflusses der Energieversorgungsunternehmen. Auch ■ Cooling ■ Lighting ■ Office equipment ■ Ventilation ■ Other ein schlechter Leistungsfaktor hat grossen und direkten Einfluss auf die Energiebilanz. Verbraucher mit einem schlechten Leistungsfaktor verschwenden Strom und verursachen Zusatzkosten. Als international führend in der Entwicklung und Produktion von Lösungen ist die Schaffner Gruppe in der Lage, optimale Produkte und Konzepte für den effizienten und zuverlässigen BeDemand (kW)

trieb gebäudetechnischer Systeme zu bieten. Die vielseitige Angebotspalette umfasst EMVKomponenten, Oberschwingungsfilter und magnetische Bauteile sowie die Entwicklung und Realisierung von kundenspezifischen Lösungen. Schaffner-Kunden haben die Wahl zwischen Einzellösungen oder Systemen zur unkomplizierten und sicheren Erfüllung von EMV-Normen bis hin zu umfassenden und komplexen Power-Quality-Konzepten. Produkte und Lösungen stehen je nach Einsatzgebiet und Ziel für die meisten Anwendungen innerhalb von Gebäuden als auch für Anwendungen in deren Aussenbereichen zur Verfügung. Dabei betreut Schaffner seine Kunden mit einer leistungsfähigen globalen Organisation weltweit vor Ort und baut die international führende Marktstellung mit kontinuierlichen Investitionen in Forschung und Entwicklung, 24-hour period = midnight to midnight Produktion und Vertrieb konsequent aus.

Verbrauch (kW)

■ Kühlung ■ Beleuchtung ■ Büro-Ausstattung ■ Belüftung ■ Andere

24-Stunden-Periode = 0.00 bis 24.00 Uhr

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Saubere Netze für moderne Gebäude

Oberschwingungs- und BlindleistungsKompensation sowie Lastsymmetrierung in der Gebäudetechnik Energieeffizienz und Zuverlässigkeit sind die Themen der modernen Gebäudetechnik. Zur Optimierung der Energieeffizienz in Gebäuden sind unterschiedliche Konzepte und Vorgehensweisen möglich. Unverzichtbarer Teil der Umsetzung ist dabei immer der Einsatz von energie effizienten Geräten mit Leistungselektronik und geregelten Antrieben. Die von diesen Geräten mit nichtlinearer Kennlinie verursachten Netzrückwirkungen müssen zuverlässig begrenzt werden. Schaffner bietet daher mit seinen modernsten Produkten und Dienstleistungen verschiedene Konzepte zur Begrenzung von Oberschwingungsströmen, zur Blindleistungskompensation und zur Laststromsymmetrierung an. Mit seinen Produkten und Lösungen trägt Schaffner aktiv zur Verbesserung der Spannungsqualität bei. Dadurch kann eine maximale Energieeffizienz und gleichzeitig höchste Zuverlässigkeit für die Verbraucher und Systeme in der Gebäudetechnik erreicht werden.

ECOsine™ und ECOsine™ Active – Perfekte Lösungen für die Gebäudetechnik Die passiven Oberschwingungsfilter ECOsine™ sind die ideale Lösung für Dreiphasen-Geräte mit 6-Puls-Gleichrichterschaltung am Eingang, wie z. B. AC- und DC-Motorantriebe. Aufgrund der erheblichen Reduzierung des Gesamtstromoberschwingungsanteils auf einen THDi-Wert unter 5% gewährleisten ECOsine™-Filter die Einhaltung der strengsten Anforderungen nach IEEE 519 und anderer internationaler Standards für Netzqualität. Gleichrichterspitzenstrom und RMSEingangsstrom werden reduziert, so dass dem Netz ein reiner Sinusstrom entnommen wird. Die Reduzierung des Stromverbrauchs bei gleicher Eingangsleistung führt zu Energieeinsparungen und verhilft zu einer besseren Kapazitätsauslastung bestehender Elektroinstallationen. Bei Neuinstallationen kann durch den Einsatz von ECOsine™-Filtern der Leiterquerschnitt sowie die Auslegung von Sicherungen und Unterbrechern reduziert werden, oder es kann eine grössere Anzahl Motorantriebe von einem Verteilertransformator einer bestimmten Grösse gespiesen werden. ECOsine™ Oberschwingungsfilter sind in sieben Ausführungen erhältlich, vier für 50Hz-Netze (FN-3410-, 3411-, 3416 und 3410 HV-Serie) und drei für 60-Hz-Systeme (FN-3412-, 3413 und FN3418-Serie). Sie können leicht auf der Grundlage der tatsächlichen Eingangsleistung eines einzelnen nichtlinearen Verbrauchers oder einer Gruppe von Verbrauchern ausgewählt werden. Durch ihre kompakte Bauform können sie direkt im Schaltschrank neben dem Antrieb installiert werden. Ein einfaches Plug-und-play-Konzept ermöglicht die schnelle Installation, Verdrahtung und Inbetriebnahme, ohne dass eine Systemanalyse erforderlich ist oder Spezialisten hinzu gezogen werden müssen.

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ECOsine™ – Passives Oberschwingungsfilter

Der Industriestandard für 6-PulsGleichrichterschaltungen und Motor antriebe zur Oberschwingungs kompensation I Erhöhte Energieeffizienz I Erfüllung von Power Quality Normen (IEEE519, IEC 61000-3-12) I Geringere Installationskosten durch effizientere Kapazitätsauslastung I Überdurchschnittliche Performance auch unter Teillastbedingungen

ECOsine™ – Economy Line Passives Oberschwingungsfilter

«Reduced to the max» – für Anwendungen in denen die THDi <5 %-Anforderungen nicht nötig und nicht ökonomisch sind. I Erfüllung von Power-QualityNormen IEEE-519, Tabelle 10-3 (TDD) und EN61000-3-12, Tabelle 3 (THD) I Verhilft zu einer besseren Kapazitäts auslastung bestehender Elektro installationen I Ideale Lösung für DreiphasenGeräte mit 6-Puls-Gleichrichterschaltung am Eingang I Ein Filter für Dioden- und Thyristorumrichter (SCR)

FN 3410, FN 3411 und FN 3410HV 50 Hz und FN 3412 und FN 3413 60 Hz Oberschwingungsfilter I Spannung: bis zu 3 x 690 VAC I FN 3410: bis 250 kW I FN 3412: bis 250 HP I THDi <5 % I Zulassungen: CE, UL

I Spannung: bis zu 3 x 500 VAC I FN 3416 bis 200 kW I FN 3418 bis 250 HP I THDi <10 % mit Ldc I THDi <15 % ohne Ldc I Zulassungen: CE, UL

Saubere Netze für moderne Gebäude

Aktive Oberschwingungsfilter sind in der Lage, ausgewählte Oberschwingungen zu kompensieren. Schaffner ECOsine™ Active Filter kompensieren Oberschwingungsströme bis zur 50. Ordnung. So können mit aktiven Oberschwingungsfiltern die besten Ergebnisse im Hinblick auf eine gute Power Quality erreicht werden. Weitere Vorteile gegenüber der Verwendung von Passivfiltern sind: I Sparsame Nutzung der Filterressourcen durch selektive Auswahl einzelner Oberschwingungen und Vorgabe von Grenzwerten I Möglichkeit zur hochdynamischen Kompensation von kapazitiver und induktiver Blindleistung I Blindstromkompensation mit einstellbarem cosφ I einfache Anpassung und/oder Erweiterbarkeit an den sich ändernden Filterbedarf I Resonanzüberwachung integriert I Laststromsymmetrierung zwischen den Phasen (alle Typen) I Laststromsymmetrierung zwischen Phase und Neutralleiter (4-Leiter-Geräte) I Reaktionszeit von weniger als 300 μs I Kompensation der dritten und aller durch drei teilbaren Oberschwingungen bis zur 50. Ordnung I Keine kapazitive Belastung durch ECOsine™ Active Filter im Teillastbetrieb I Parallelschaltung von bis zu 5 Filtereinheiten möglich (alle Typen)

Saubere Netze für moderne Gebäude

ECOsine™ Active 30 A/50 A 3-Leiter

ECOsine™ Active 30 A/60 A 4-Leiter

Das kompakte Filter ist leicht zu installieren.

N 3420-50-200-3 FN 3420-30-480-3 und FN 3420-50

I Kompakte Abmessungen und geringes Gewicht I Sowohl Wand- als auch Schaltschrankmontage

I 200 VAC– 480 VAC I 30 A oder 50 A I Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen I Blindleistungskompensation

Die Lösung in der Gebäudetechnik.

FN 3420-30-200-4 und FN 3420-60-200-4 FN 3420-30-400-4 und FN 3430-60-200-4

I Kompensiert auch die im Neutralleiter auftretenden Oberschwingungen I Reduzierte Geräuschentwicklung speziell für die Gebäudetechnik

ECOsine™ Active 100 A/120 A

Der Standard in 3- und 4-Leiter-Technik passt fast immer. I Kaum grösser und schwerer als die 30/60-A-Modelle I Mehr Leistung und zentrale Ankopplung an Verbraucher

ECOsine™ Active 200 A/250 A/300 A

Das Industriemodell in Schalt schrankausführung. I Schrankausführung mit InnenraumLuftkühlung plus interner Flüssigkeits kühlung für die Leistungselektronik mit integriertem Wasser-Luft-Wärmetauscher I Höchste Leistung auf kompaktem Raum

I 200 VAC-415 VAC I 30 A oder 60 A I Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen I Blindleistungskompensation

FN 3420-100-200-3 (100A) FN 3420-100-480-3 und FN 3420-120-480-3 FN 3430-100-400-4 und FN 3430-120-400-4 I 200 VAC/380 VAC– 415/480 VAC I 100 A oder 120 A I Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen I Blindleistungskompensation

FN 3420-200-480-3, FN 3420-250-3, FN 3420-300-480-3 und FN 3430-200-400-4, FN 3430-250-400-4, FN 3430-30 I 380 VAC– 480 VAC I 200 A, 250 A oder 300 A I Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen I Blindleistungskompensation I Schutzklasse: IP 54

Saubere Netze für moderne Gebäude

Weitere Schaffner-Produkte und Lösungen für die Gebäudetechnik Der hohe technische Stand und die Komplexität der elektrotechnischen Ausrüstung von Gebäuden und deren Infrastrukturen haben in den letzten Jahren enorm zugenommen. Somit ergibt sich zwangsläufig eine sehr grosse Dichte von elektrischen und elektronischen Systemen. Durch die Vernetzung der Systeme und Komponenten untereinander steigt die Gefahr grosser (ökonomischer) Schäden, selbst bei kleineren technischen Problemen. Da elektromagnetische Einflüsse in beide Richtungen wirken, beeinflussen sich in einem Gebäude alle Komponenten wechselseitig. Jedes Gerät stört nicht nur, sondern wird auch gestört. Durch gezielte Massnahmen und Lösungen muss gewährleistet werden, dass sich empfindliche Systeme nicht gegenseitig beeinflussen. Alle in der Gebäudetechnik eingesetzten Geräte und Baugruppen müssen daher nach Art und Umfang ihrer Störaussendung als auch nach ihrer Störfestigkeit gegen Einflüsse benachbarter Baugruppen geprüft und abgesichert werden. Schaffner bietet auch im Bereich der EMV verlässliche und effiziente Produkte und Lösungen an:

Saubere Netze für moderne Gebäude

EMV Einphasen- und Zweileiter-Filter

Kleine bis mittelgrosse einphasige Komponenten in der Gebäudetechnik

FN 2410 und FN 2412 Einphasen- und Zweileiter-EMV-Filter

Hervorragende Filtereigenschaften für Anwendungen mit hohem Störpegel wie:

I Spannung: 1 x 250 VAC oder 2 x 520 VAC (H-Versionen) I FN 2410: 8–100 A I FN 2412: 8–45 A I Zulassungen: ENEC, UL, CSA

I Frequenzumformer I Schrittmotor-Antrieb I USV-Anlagen I Stromrichter I High-end-Einphasen-Netzteile

EMV Dreiphasenfilter

Antriebe und Systeme in der Gebäudetechnik

FN 3258 und FN3270 DreiphasenEMV-Filter

Hervorragende Filtereigenschaften auf kompaktestem Raum für:

I Spannung: 3 x 520 VAC I FN 3258: 7–180 A I FN 3270: 10–1000 A I Zulassungen: ENEC, UL, CSA

I Klima- und Lüftungsgeräte I Aufzüge I Servomotoren

EMV Dreiphasen- und Neutralleiterfilter

Dreiphasen- und NeutralleiterfilterApplikationen in der Gebäudetechnik

FN 3256 und FN 3280 Kompakte Vierleiter-EMV-Filter

Sehr hohe Dämpfungsleistung bei geringem Ableitstrom und kompakter Bauform für:

I Spannung: 3 x 520 VAC I FN 3256: 8–160 A I FN 3280: 8–600 A I Zulassungen: ENEC, UL, CSA

I Vierleiter-Anwendungen I Netzteile I IT-Anwendungen I USV

LC Sinusfilter

Schutz von Motoren und Verbesserung der Systemzuverlässigkeit in der Gebäudetechnik Reduktion von Spannungsspitzen und Glättung des Ausgangssignals für: I Frequenzumrichter I Pumpen I Ventilatoren I Kompressoren I Liftmotoren

FN 5040 und FN 5045 Sinusfilter I Spannung: 3 x 520 VAC I 1.1 bis 630 kW I Bis zu 2000 m Motorkabellänge möglich I Zulassungen: UL

Saubere Netze für moderne Gebäude

Weltweite Präsenz, 50 Jahre Erfahrung und einzigartige Kundennähe Die Schaffner Gruppe ist international führend in der Entwicklung und Produktion von Lösungen, die den effizienten und zuverlässigen Betrieb elektronischer Systeme sicherstellen. Die vielseitige Angebotspalette umfasst EMV-Komponenten, Oberschwingungsfilter und magnetische Bauteile sowie die Entwicklung und Realisierung von kundenspezifischen Lösungen. Und da Produkte und Lösungen von höchster Qualität auch entsprechende Dienstleistungen verlangen, unterstützt Schaffner sowohl OEM-Kunden, Gerätehersteller, Systemintegratoren und Endkunden bei der Entwicklung von Lösungen und Systemen, die die Anforderungen an die effiziente Nutzung elektrischen Stroms erfüllen. Mit einem internationalen Netzwerk aus Verkaufs-, Applikations- und Produktionszentren, Forschungs- und Entwicklungsteams sowie mit einer effizienten Logistik unterstützt Schaffner regional und global tätige Kunden weltweit vor Ort.

Unternehmenszentrale Entwicklungs- und Produktionszentren Verkaufs- und Applikationszentren

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Schaffner – energy efficiency and reliability. Vertrauen auch Sie unseren Lösungen und Produkten für eine effiziente und verlässliche Gebäudetechnik und profitieren Sie von einer kompetenten und umfassenden Beratung und dem gewohnt guten Schaffner-Service. Nehmen Sie noch heute mit uns Kontakt auf. Gerne unterstützen wir Sie bei der Lösung der Herausforderungen der modernen Gebäudetechnik. Alle Schaffner-Niederlassungen, -Verkaufspartner und die jeweiligen Ansprechpartner sowie sämtliche Produktinformationen finden Sie auch im Internet unter www.schaffner.com. Wir freuen uns auf Sie.

Literaturnachweis: 1. VEÖ, VSE, AES: Kompendium Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen, 2. Ausgabe 2007 2. Harmonic Limits IEEE Std. 519-1992, www.IEEE.org 3. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, www.IEEE.org 4. Application guide to the European Standard EN 50160 on «voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems», eurelectric, 1995 5. Technische und organisatorische Regeln für Betreiber und Benutzer von Netzen, Teil D, Hauptabschnitt D2, Version 2.2.2006

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