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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.

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