Projekt PEPA 2

Zum Gelingen der Energiewende ist der massive Einsatz von Leistungselektronik essentiell:

Einerseits dient der Einsatz der Leistungselektronik der Erhöhung der Energieeffi-zienz in Anwendungen. Ca. 2/3 der elektrischen Energie werden in der Industrie in elektrischen Antrieben gewandelt. Die Effizienz von elektrischen Antrieben in der Fertigungs- und Prozessindustrie wird erheblich gesteigert, wenn drehzahlverän-derliche Antriebe eingesetzt werden, die eine dem jeweiligen Prozess angepasste Drehzahl bereitstellen und Wirkungsgrade von über 98% für die Wandlung der elektrischen Energie erreichen. Seit 2021 ist für Frequenzumrichter die Energieeffi-zienzklasse IE2 nach der harmonisierten Norm EN 50598 verpflichtend. In diesem Zusammenhang ist ebenfalls zu erwähnen, dass flächendeckend eingesetzte elekt-rische Antriebe mit ihrer Sensorik Daten über den Energieeinsatz von ganzen Ferti-gungs- oder Prozessanlagen erheben können und damit auch eine übergreifende Optimierung des Energieeinsatzes erlauben. Dieses Potential wird mit Industrie 4.0-Methoden gehoben, ist aber Gegenstand anderer Forschungsvorhaben.

Andererseits muss die durch Photovoltaik- oder Windkraftanalagen erzeugte elektri-sche Energie gewandelt werden, um diese in das 50 Hz- Energieversorgungssys-tem einspeisen zu können. Schon heute bestehen über 50% der installierten Kraft-werksleistung (225 GW) in Deutschland aus Photovoltaik- (65 GWp) und Windkraft-anlagen (66 GWp). Dieser Anteil wird in den nächsten Jahren massiv zunehmen (müssen), um die Klimaschutzziele erreichen zu können.

Durch das der Leistungselektronik innewohnende Prinzip des elektronischen Schaltens, welche eine sehr hohe Effizienz erlaubt, werden neben den eigentli-chen Nutzsignalen (z.B. eine symmetrische, dreiphasige Wechselspannung) auch zusätzliche sog. Gleichtakt-Spannungen und -ströme (engl.: common mode, kurz CM) erzeugt. Diese CM-Spannungen bewirken eine gleichzeitige Fluktuation der drei Außenleiterspannungen gegenüber Erdpotential. Hierdurch werden Ströme angeregt, die über Potentialausgleichs-(PA) und Protective Earth (PE)-Leiter fließen und damit zu einer Auslösung vorgelagerter FI-Schutzschalter (RCDs = Residual Current Device) führen können. Darüber hinaus können die CM-Ströme über Kon-struktionsteile, Rohre oder Schirmleitungen von Datenleitungen fließen und dort zu Störungen oder zu elektrochemischer Korrosion führen.

In den häufig eingesetzten Frequenzumrichtern, die aus einem Gleichrichter (GR) und einem Pulswechselrichter (PWR) bestehen, wirken zwei CM-Spannungsquellen. Demzufolge werden CM-Ströme sowohl durch den GR als auch den PWR angeregt, die sich überlagern. Im Falle eines häufig eingesetzten Dioden-GR weisen die hierdurch verursachten CM-Ströme Frequenzen von 150 Hz, 450 Hz, 750 Hz etc. auf. Im Falle eines PWR werden Frequenzen im Bereich der Pulsfrequenz und deren Vielfache angeregt.

Zusätzlich kann es zu Anregungen von EMV-Filterkreisen kommen, die dann eben-falls resonante CM-Ströme verursachen können. Weiterhin kann es durch Ober-schwingungen in der Netzspannung oder Unsymmetrien in den X-Kondensatoren ebenfalls zu CM-Strömen kommen, die dann über die Y-Kondensatoren der EMV-Filter auf PE abfließen.

Die Ursachen und Erscheinungsformen (Frequenzen) der PE-/PA-Ströme sind sehr vielseitig, was deren Verständnis und damit auch deren Reduktion erschwert. In der Praxis werden häufig rein phänomenologische Messungen in Form von Effektiv-werten vorgenommen, die oft sehr hohe Werte von einigen 10 A ergeben, aber na-turgemäß in dieser Form keinen Hinweis auf die konkrete Ursache zulassen. Oft ist es dann noch nicht einmal möglich, die PE-/PA-Ströme einem bestimmten Gerät zuzuordnen, geschweige denn geeignete Abhilfemaßnahmen zu definieren.

Hinzu kommt, dass in den letzten Jahren entsprechend DIN VDE 0100-530 in Net-zen mit Leistungselektronik vermehrt RCDs des Typs B eingesetzt werden, die Feh-lerströme von DC (0 Hz) bis 100 kHz detektieren können und die auch bei PE-/PA-Strömen im höheren Frequenzbereich auslösen.

In einem Vorgängerprojekt „PEPA 1“ (FKZ: 03EI6007A) wurden die wesentlichen Ursachen und Ausbreitungspfade von PE-/PA-Strömen erstmals systematisch un-tersucht.

Im Folgeprojekt „PEPA 2“ soll die bisher erfolgte systematische Analyse auf komple-xere Systeme, wie sie in der Praxis vornehmlich vorkommen, erweitert werden und damit das Verständnis über die Wirkungsmechanismen und Abhilfemaßnahmen komplettiert werden. Aus heutiger Sicht ist darüber hinaus keine weitere Fortset-zung im Rahmen der Förderung durch das BMWK vorzusehen.