© ©Sergey Nivens / Adobe Stock

Aktive Gleich­rich­tung mini­miert Netz­rück­wir­kungen

Dank inte­grierter aktiver Gleich­rich­tung (PFC) erfüllen drei­phasig gespeiste Green­Tech EC-Venti­la­toren die hohen Anfor­de­rungen, die in Rechen­zen­tren bezüg­lich der Netz­rück­wir­kungen bzw. des Ober­schwings­ge­haltes des Aufnah­m­e­stroms gelten.


Die Welt braucht ener­gie­spa­rende Lösungen, ange­fangen bei Leucht­mit­teln bis hin zu elek­tri­schen Antrieben. Bereits die Anpas­sung der Dreh­zahl von Antriebs­sys­temen auf die tatsäch­liche Dreh­mo­ment-/Leis­tungs­­­an­for­de­rung spart unnö­tigen Ener­gie­ein­satz. Durch den Einsatz von effi­zi­enten EC-Motoren erschließen sich zudem weitere Einspar­potentiale, was der Umwelt und dem Geld­beutel des Betrei­bers glei­cher­maßen zugu­te­kommt. Diese an sich sehr begrü­ßens­werte Entwick­lung hat jedoch einen Haken: Die in aller Regel nicht sinus­för­migen sondern puls­för­migen und phasen­ver­scho­benen Aufnahme­ströme der neuen Energie­spar­geräte erzeugen zusätz­liche Verluste in den Gene­ra­toren, Leitungen und Trans­for­ma­toren der Ener­gie­ver­sor­gung. Die durch Phasen­ver­schie­bung und Ober­schwingungs­ströme verur­sachte Blind­leis­tung muss bereit­ge­stellt werden. Vor allem bei soge­nannten Insel­netzen, z. B. in einem Rechen­zen­trum, wird das zum uner­wünschten Kosten­faktor. Hier gilt es Abhilfe zu schaffen.

Bild 1: Beispiel für ein Strom­ver­sor­gungs­system in einem Rechen­zentrum. (Quelle: ebm-papst)

Netz­rück­wir­kungen durch Stro­m­ober­schwin­gungen

Die Strom­ver­sor­gung eines Rechen­zen­trums besteht im Wesent­li­chen aus den Kompo­nenten Netz-Einspei­se­trafo,  USV-Anlage und Notstrom­ge­ne­rator (Bild 1). Diese Kompo­nenten müssen eine zuver­läs­sige Ener­gie­ver­sor­gung (durch Redun­danz) gewähr­leisten. Die Bereit­stel­lung von zusätz­li­cher Blind­leis­tung bedingt jedoch eine leis­tungs­seitig größere Ausle­gung aller an der Strom­ver­sor­gung betei­ligten Kompo­nenten. Eine solche unnö­tige Über­di­men­sio­nie­rung ist aus Kosten­gründen uner­wünscht. Energie­verbrauchs­optimierte EC-Venti­la­toren haben nun aber – genauso wie frequenz­umrichter­geregelte Asyn­chron­mo­toren – aufgrund ihrer Schal­tungs­technik ohne Zusatz­maß­nahmen keine sinus­för­mige, sondern eine puls­för­mige Strom­auf­nahme. Jede Abwei­chung von einer sinus­för­migen Strom­auf­nahme bedingt Strom­oberschwingungen welche in Summe zu einer sog. Verzer­rungs­blindleistung führen. Diese belastet das Versor­gungs­netz zusätz­lich und führt zu erhöhten Verlusten in allen an der Strom­ver­sor­gung betei­ligten Kompo­nenten.

BILD 2: Netz­rück­wir­kungen durch Ober­schwin­gungen bei zwei Venti­la­toren mit 3 kW Leis­tung. (Quelle: ebm-papst)

Bild 2 zeigt als Beispiel den Aufnah­m­e­strom einer Server­küh­lung mit zwei parallel geschal­teten Venti­la­toren mit jeweils ca. 3 kW Aufnah­me­leis­tung. Die Blind­leis­tung liegt mit 6,69 kVA hier über der Wirk­leis­tung mit 5,74 kW, der Leis­tungs­faktor, also der Quotient Wirk- zu Schein­leis­tung, liegt bei schlechten 0,64 und die gesamt­harmonische Verzer­rung des Stroms (THD(I)) bei knapp 120 %. Das bedeutet, dass die geome­tri­sche Summe aller Ober­schwingungs­ströme größer ist als die Grund­schwin­gung selbst. Dass solche Ströme alle in der Strom­ver­sor­gungs­kette notwen­digen Kompo­nenten – also Trans­for­ma­toren, USV-Anlage, Gene­ra­toren und auch die Leitungen – stark belasten, kann man sich leicht vorstellen. Die Verzerrungs­blindleistung muss am Einspei­se­punkt vorge­halten werden. Im Inter­esse einer opti­malen Ausle­gung der Strom­ver­sor­gung und des Backup-Systems soll die Strom­ver­zer­rung möglichst gering sein, also der Leis­tungs­faktor nahe 1 liegen.

Ein Ausflug in die Welt der Normen

Dafür reichen die von der in übli­chen Indus­trie­an­lagen geltenden Norm EN 61000-3-2 gefor­derten Werte nicht aus. Sie klas­si­fi­ziert Geräte bis zu einem Phasen­strom von 16 A und defi­niert für diese Klassen Grenz­werte für die Ober­schwingungs­ströme. Venti­la­toren fallen unter die Gerä­te­gruppe A, zu der neben symme­tri­schen drei­pha­sigen Geräten z. B. auch Haus­halts­ge­räte gehören. Je höher die Aufnah­m­e­ströme werden, umso schwie­riger wird es, die Grenz­werte der Klasse A einzu­halten, da es sich um abso­lute Grenz­werte handelt (also nicht relativ zur Leis­tung), welche für die einzelnen Ordnungen des Strom­oberschwingungs­spektrums defi­niert sind. Ab einem bestimmten Aufnah­m­e­strom helfen dann nur noch aktive Filter­lö­sungen. Bei drei­pha­sigen Geräten sind diese jedoch recht aufwendig und für „normale“ Indus­trie­an­wen­dungen wirt­schaft­lich nicht attraktiv. Vermut­lich deshalb sind drei­pha­sige Geräte mit Leis­tungen über 1 kW in der Norm nicht berück­sich­tigt. Das führt dazu, dass es für drei­pha­sige Geräte mit Leis­tungen von 1 bis ca. 10 kW schlicht keine Grenz­werte gibt.

Bild 3: Verrin­ge­rung von Netz­rück­wir­kungen durch Vorschalten einer Netz­drossel. (Quelle: ebm-papst)

Werden aller­dings mehrere Geräte, für die als Einzel­ge­räte keine Grenz­werte gelten, zusam­men­ge­schaltet und der Phasen­strom liegt im Bereich zwischen 16 A und 75 A, gilt dann eine weitere Norm: Die EN 61000-3-12 defi­niert die Grenz­werte für einzelne Ordnungen des Strom­oberschwingungs­spektrums und die gesamt­harmonische Verzer­rung des Stroms. Inter­es­sant dabei ist, dass die zuläs­sigen Werte von der Netz­qua­lität abhängen. Je „weicher“ die Netze sind – je höher also der komplexe Innen­wi­der­stand des Netzes ist – umso nied­riger liegen die Grenz­werte für den Ober­schwin­gungs­ge­halt des Stromes. Das ist auch verständ­lich, denn ein nicht­li­nearer Strom verzerrt die Span­nungs­form umso stärker, je höher der Innen­wi­der­stand des Netzes ist. Um dann die Forde­rungen zu erfüllen, sind auch für klas­si­sche drei­phasig versorgte Frequenz­um­richter Maßnahmen notwendig. Da man in Indus­trie­netzen in den meisten Fällen von einem nied­rigen Innen­wi­der­stand ausgehen kann, gilt nach EN 61000-3-12 für den Oberschwingungs­gehalt des Aufnah­m­e­stroms ein Grenz­wert von 48 %.

Netz- und Zwischen­kreis­drossel helfen nur bedingt

Dieser Wert, der aller­dings den Bedürf­nissen heutiger Rechen­zen­tren keines­wegs genügt, lässt sich relativ einfach errei­chen, z. B. durch Vorschalten einer Netz­drossel (Bild 3). Die Drossel braucht aller­dings Platz und es ist eine zusätz­liche Verka­be­lung notwendig. Für das oben genannte Beispiel mit 2 Venti­la­toren mit je ca. 3 kW lassen sich mit einer 2 %-igen Netz­drossel für den Leis­tungs­faktor ca. 0,9 und die gesamt­harmonische Verzer­rung des Aufnah­m­e­stroms THD(I)-Werte von ca. 45 % errei­chen.

Bild 4: Verrin­ge­rung von Netz­rück­wir­kungen durch Inte­gra­tion einer Zwischen­kreis­drossel. (Quelle: ebm-papst)

Inte­griert man eine Zwischen­kreis­drossel (Bild 4) in der Leis­tungs­elek­tronik (dies ist bei ebm-papst für drei­phasig versorgte EC-Venti­la­toren mit hoch­ka­pa­zi­tivem Zwischen­kreis der Stan­dard), lassen sich sogar etwas bessere Werte errei­chen: Mit einem Leis­tungs­faktor von ca. 0,94 und einem THD(I)-Wert von 34 % sind die Forde­rungen der Norm EN61000-3-12 einge­halten, zumin­dest die Grenz­werte für „harte“, also nieder­impedante Indus­trienetze. Wenn aller­dings geringste Netz­span­nungs­ver­zer­rungen proble­ma­tisch sind und/oder die Netz­im­pe­danzen hoch sind, müssen die Ober­schwingungs­anteile im Strom auf ein Minimum redu­ziert werden. Und so ist heute in vielen Data­center-Anwen­­dungen oft die Rede von Ziel­werten für den Leis­tungs­faktor von über 0,95 bei einem THD(I)-Wert von unter 5 %.

Der Ziel­wert für den THD(I) liegt unter 5 %

Eine prin­zi­pi­elle Möglich­keit, sich diesen Werten anzu­nähern, sind Vorschalt­lösungen in Form von Ober­schwingungs­filtern, die oft auch als Harmo­nics-Filter bezeichnet werden (Bild 5). Diese Filter sind je nach Eigen­schaft und Güte bezüg­lich des notwen­digen Mate­ri­al­ein­satzes recht impo­sant, was sich nicht zuletzt im Preis nieder­schlägt. Die erreich­baren Werte sind jedoch schon sehr nah am Ziel­wert: Hier im Beispiel werden 0,98 im Leis­tungs­faktor und 7,5 % Ober­schwin­gungs­ge­halt des Phasen­stroms erreicht; die Strom­form sieht dabei nähe­rungs­weise sinus­förmig aus.

Bild 5: Verrin­ge­rung von Netz­rück­wir­kungen durch Vorschalten eines teuren Ober­schwin­gungs­fil­ters. (Quelle: ebm-papst)

Aller­dings haben solche Filter den Nach­teil, dass sie nur auf einen einzigen Betriebs­punkt optimal ausge­legt sind, in aller Regel auf die Nenn­leis­tung. Im Teil­last­be­reich liegen die THD(I)-Werte oftmals fast doppelt so hoch. Auch der Leis­tungs­faktor wird bei kleinen Leis­tungen schlechter. Im Teil­last­be­reich werden dadurch die Blind­ströme sehr hoch. Außerdem gibt es einen deut­li­chen Span­nungs­ab­fall über den Filter; die Nenn­dreh­zahlen und Leis­tungs­werte der Venti­la­toren werden dadurch unter Umständen nicht erreicht.

Die Nach­teile der passiven Filter lassen sich durch eine aktive Filter­lö­sung weit­ge­hend vermeiden. Hierfür gibt es Vorschalt­ge­räte, die aller­dings noch­mals teurer sind und zusätz­li­chen Platz und Verdrahtungs­aufwand bedeuten.

Aktive Gleich­rich­tung im Venti­lator als Plug & Play-Lösung

Die Motoren- und Ventilatoren­spezialisten von ebm-papst haben deshalb als erster Venti­la­to­ren­her­steller eine drei­pha­sige Aktiv-PFC-Stufe in Form eines aktiven Gleich­rich­ters in ihren EC-Venti­la­toren inte­griert, um dem Anwender zusätz­li­chen Aufwand zu ersparen (Bild 6). Begonnen wurde mit der Motor­bau­größe 150 (3 kW), die in den neuen RadiPac Venti­la­toren der Baugrößen 450, 500, 560 und in den RadiCal Venti­la­toren der Baugrößen 500, 560 und 630 einge­setzt sind.

Die Werte, die sich errei­chen lassen, über­erfüllen sogar die Anfor­de­rung: Der Leis­tungs­faktor liegt bei Nenn­last bei über 0,99, der THD(I)-Wert bei typisch ca. 2 %. Dieser bleibt sogar bis herab zu 10 % der Nenn­leis­tung bei unter 5 %.

Bild 6: Verrin­ge­rung von Netz­rück­wir­kungen durch aktive Gleich­rich­tung. Ein drei­pha­siges Aktiv PFC ist in der Elek­tronik des EC-Motors inte­griert. (Quelle: ebm-papst)

Die Motoren sind in Achs-Rich­tung durch die Inte­gra­tion der drei­pha­sigen Aktiv-PFC-Gleich­rich­tung nur unwe­sent­lich länger und der Wirkungs­gradverlust ist bei Nenn­leis­tung mit gut 2 % nur gering. Dabei hat der Anwender jedoch den Nutzen, dass der bei herkömm­li­chen Lösungen puls­för­mige Aufnah­m­e­strom der EC-Motoren in einen sinus­för­migen Aufnah­m­e­strom umge­wan­delt wird, ohne zusätz­liche Kompo­nenten zu verdrahten und ohne dass Filter- und Motoren aufein­ander abge­stimmt werden müssen. Die Plug & Play-fähigen, hoch­ef­fi­zi­enten EC-Venti­la­toren senken den Ener­gie­ver­brauch in Rechen­zen­tren und erfüllen zudem den Wunsch, die Strom­ver­sor­gung der Anlagen ledig­lich auf die Nenn-Wirk­leis­tung der Venti­la­toren auszu­legen.

Bitte füllen Sie folgende Felder aus: Kommentar, Name & E-Mail-Adresse (Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht). Bitte beachten Sie dazu auch unsere Datenschutzerklärung.