Kleine Veränderung – grosse Wirkung mit dem EPplus-System

ElectricPower plus ein System!   

Wie aus der Funktionsbeschreibung hervorgeht, wird im  System durch seine eigenen physikalischen Grundregeln ein neuer zusätzlicher Strom erzeugt, wofür auch die Bezeichnung  EP (Electric Power)  steht. Durch das zusätzliche (plus) an Steuerungs- und Regelungssoftware im Paket mit dem integrierten Messequipment wird es zu einem (System). Das EPplus-System gilt heute als Lösung, wenn es um die Verbesserung der Übertragung/Transmission in einem elektrischen Verbrauchernetz auf der Niederspannungsseite geht.

Der technische Aufbau und die Art und Weise wie die Wirkung erzielt wird in Kombination mit den heutigen Messmöglichkeiten macht das EPplus-System weltweit einzigartig.


Mehrere Ziele wurden bei der Entwicklung des EPplus-Systems verfolgt

Vorteile und Nachteile von nicht-linearen Verbrauchern!

Die Leistungselektronik bei nicht-linearen Verbrauchern bestimmen die Leistung die von den Verbrauchern benötigt werden. Zu solchen Geräten zählen Netzteile, elektronische Vorschaltgeräte, Frequenzumrichter oder Induktionsöfen um nur einige Beispiele zu nennen. Sie produzieren Oberwellenströme, welche die Neutralleiter belasten und sich bei ungünstigen Elektroinstallationen über die Schutzleiter als Kriechströme (vagabundierende Ströme) innerhalb des Stromnetzes ausbreiten können. Heute sind beinahe alle am Stromnetz angeschlossenen Geräte nicht-lineare Verbraucher.

Der Vorteil von nicht-linearen Verbrauchern ist, dass Sie sehr effizient sind und somit den Energieverbrauch senken.

Der Nachteil aber ist, dass sie Oberwellenströme und elektromagnetische Störungen auf den Leitungen verursachen. Je grösser der Oberwellenstrom ist , desto grösser ist das Störpotenzial. Bereits bei wenigen Milliampere können Datenleitungen gestört sein. Die nicht-linearen Ströme führen zu kurzzeitigen Spannungsabfällen, die über die gemeinsame Neutralleiterimpedanz auf andere Phasen überspringen und wiederum „dortige“ Verbraucher stören. Dieses Störpotential verursacht nicht nur Ausfälle bei hochsensiblen Bauteilen, sondern auch ein Mehrverbrauch auf der Übertragung der elektrischen Energie.

Dieser Mehrverbrauch, wurde und wird hingenommen, da die Verbesserung der Leistungselektronik auf der Verbraucherseite um ein vielfaches höher ist und die Vorteile überwiegen.  Mit dem EPplus-System ist es uns gelungen ein System zu entwickeln, dass genau auf dieses offensichtlich vorhandene Störpotential in einem gesamten  elektrische Verbrauchernetzwerk wirkt und dadurch eine Effizienzsteigerung von 2-6% auf den gesamten elektrischen Energiebedarf erreicht wird.


Was die Wellenform der momentanen Leistung p(t) bestimmt, und aus was besteht die Wellenform?

In zahlreichen Laboruntersuchungen und mit Hilfe von Fachhochschulen und Universitäten konnte die Wirkung des EPplus-Systms wissenschaftlich belegt werden. Die Veränderung der Wellenform wirkt sich positiv auf die  Transmission aus und führt zu Effizienzsteigerung auf dem  gesamten elektrischen Verbrauchernetz. D.h. verändert man p(t) verändert man den elektrischen Energieaufwand.

 

Dabei steht im Vordergrund der Berechnung  die Formel p(t) = v(t) x i(t)


In einer Periode von 20 Millisekunden und mit einem Messintervall von 5 Millionen/pro Sekunden, zeigt die Messung drei  elektrische Grössen des Augenblickswert, v(t) Blau die Momentanspannung,  i(t) Rot der Momentanstrom und p(t) die Momentanlast. Bestimmend ist die Momentlast p(t) die aus der Momentanspannung und Momentanstrom bestehet. In einem Produktionsunternehmen heute mit modernster Infrastruktur sind die elektrischen Verbraucher geregelt, so dass diese genau die benötige Leistung erhalten. Das Hauptziel des EPplus-System ist, die Glättung des Momentstrom (di/dt) und die Senkung der Stromspitze (it), da die Momentanspannung v(t) keinen Einfluss auf Verbraucher mit nicht-lineare Leistungselektronik hat.

 

Energie = p(t) x Zeit (t) = elektrischer Energieverbrauch

 


Wirkung & Effekte

Durch die Induktion und der veränderte Stromanteil werden mehrere elektrischen Parameter verändert, welche wiederum entscheidend sind und den Ipk und id/it so verbessern, dass eine Effizienzsteigerung in einem gesamten elektrischen Netzwerk zu erreicht wird.


Das EPplus-System bringt zahlreiche technische Vorteile mit sich, die sich jedoch nicht direkt in monetären Zahlen bewerten lassen.

Positive Auswirkungen hat die Begrenzung und Verbesserung von Spannungsspitzen, den  sogenannten Flicker.

Dies führt zu einer Reduzierung von Schäden an Elektronikplatinen und minimieren somit Ausfälle von Maschinen und Produktionslinien.

Eine minimale Phasenausgleichverbesserung auf allen drei Phasen und eine Verringerung des Neutralleiterstroms sorgen ebenso für eine bessere Übertragung.

Die Induktion und des Windungsverhältnisses zwischen der primären und sekundären Wicklung führt automatisch zu einer Absenkung  der Nennspannung auf der sekundären Seite. Hier ist es wichtig im  Vorfeld mit dem Kunden die untere Toleranzgrenze festzulegen. Dieser Nebeneffekt erweckt bei Nichtfachleuten häufig den Eindruck, dass durch eine niedrigere Nennspannung auf der Sekundärseite eine Energiereduzierung erreicht werden soll. Eine Reduzierung oder Erhöhung der Nennspannung, hat heute aber keinen Einfluss auf den Energieverbrauch in Unternehmen ausgestattet mit neusten Maschinen und Technologien. (siehe auch Dokument VDE-AR-E-2055:2009-10)

 

 


Labormessungen und neue Erkenntnisse in der Elektrotechnik

Alle Effekte wurden im Labor mit hochgenauen Präzisionsgeräten gemessen. Die Ergebnisse sind jedoch nur teilweise auf ein in der Realität bestehendes elektrisches Verbrauchernetz zu übertragen, da in einem Echtbetrieb die Bedingungen viel schlechter sind und somit die Effekte eine noch grössere Auswirkung auf das Einsparpotential haben. Die Veränderung  der elektrischer Parameter werden mit hochauflösenden Messinstrumenten erfasst und dokumentiert.  Mit den Messungen unter Laborbedingungen konnten genauestens gemessen   werden welche Auswirkungen das System  auf einen oder mehrere konstante elektrische Verbraucher hat

Bild 1 und Bild 2  zeigen 2 Messung gleichzeitig mit einer Auflösung von 5MS/s in 20ms. Die Wellenform zeigt was für ein elektrischer Verbrauchertyp angeschlossen ist. In Bild 1 ist die Differenz der Momentlast p(t) zwischen SAVING und BYPASS deutlich zu erkennen. Möglich macht diese Differenz der Momentstrom i(t), wird dieser i(t) verändert, verändern sich alle elektrischen Grössen und wirkt sich damit auf die elektrische Energie aus.


Feldmessungen im LIVE-Betrieb

Neben den Labormessungen wurden zahlreiche Messungen im Live-Betrieb durchgeführt, um die Wirkungen des Systems und das Verhalten in einem großen Netzwerk besser analysieren und visualisieren zu können. Mit hochpräziser, mobiler Messtechnik können die Effekte des EPplus Systems in der realen elektrischen Verbraucherstruktur gemessen werden.  Dabei wird das EPplus- System mit dem eingebauten ABB Emax2 BYPASS-System EIN und AUS unterbrechungsfrei und bei laufenden Betrieb geschaltet. Somit können die Veränderungen der  elektrischen Größen in einem kurzen Abstand gemessen werden.

 


Netzqualitätsanalysen mit mobilen High-End Geräten

DEWESoft bietet HIGH-END-Lösungen für Netzqualitätsanalysen an, welche alle elektrischen Größen in einem Millisekundenbereich erfassen und visualisieren können. Die hochauflösende Genauigkeit und die All-In-One Lösung des Messgeräts bietet Mobilität, Online-Messung und  schnelle Resultate, einfache Handhabung, ist ausbaubar und deckt alle elektrotechnisch messbaren Daten ab.

 

Highlights

 

 


Aufbau einer Feldmessung direkt beim Kunden mit Kommutationsmessung EIN / AUS

Für die Wirkung und zur Ermittlung der Reduzierung der Verlustleistung und die damit verbundene Einsparung, wird diese  Messkonfiguration aufgebaut. Hier wird der 3-phasige Wechselstromausgang des EPplus-System  «Downstream»  und die Wirkungen an allen elektrischen Grössen nach dem EPplus-System  in einem gesamten elektrischen  Netzwerk analysiert und gemessen. Bei  Feldmessung werden Momentaufnahmen in kurzer Beobachtungszeitraum herbeigezogen. Diese Analysen zeigen Effekte innerhalb wenigen Millisekunden aller veränderten elektrischen Größen und bei unstabiler Last. Momentaufnahmen zeigen den Trend der Effizienzsteigerung in einem kompletten elektrischen Niederspannungsnetz nach dem Mittelspannungstransformator bis hin zum Verbraucher.

 


Kommutationsmessung

Abgebildet ist eine Kommutationsmessung von SAVING nach BYPASS in einem Industrieunternehmen mit großem Maschinenpark. In diesem Aufnahmemoment werden Wirkleistung (Aktiv Power), Bildleistung (Reactiv Power), Scheinleistung (Apparent Power) und der  CosPhi (Power Factor) in Abstand von 20 Millisekunden pro Messpunkt visualisiert. Diese Momentaufnahme zeigt einen Mehrverbrauch in BYPASS von 12247 Watt  oder 4.14% des gesamten aktuellen Leistungsbedarf. Ebenfalls ist ersichtlich, dass während der Aufnahme von 0.36 Sekunden, kein zusätzlicher Verbraucher EIN oder AUS geschaltet worden ist, da die Kennlinie der wichtigsten elektrischen Parameter vor und nach der Schaltung weiter konstant bleiben und sich nicht verändern.

 


Verschiedene Kommutationsmessungen (Umschaltungen)

Weitere Kommutationsmessungen von SAVING nach BYPASS zeigen, dass durch die ständig wechselnden Betriebszustände der elektrischen Verbraucherarten die dazu benötigte Leistung nie die Gleiche ist. Diese weiteren Kommutationsmessungen von SAVING zu BYPASS messen die Wirkung innerhalb von 0.3 Sekunden. Da in jedem Betrieb mit grossem Maschinenpark nicht nur den Betriebszustand ein Rolle spielt, sondern auch der elektrische Verbrauchermix einen  Einfluss auf den Energieverbrauch und Verluste hat, wird die Wirkung des EPplus-System auch entsprechend verändert und nie die Gleiche sein.

 

 

 

 

 


Ergebnisse und Mehrverbrauch ohne EPplus-System im Überblick.

Zeitfenster der Messungen jeweils ca. 0.3 Sekunden bei kostantem Lastgang.

 


Messung des Eigenverbrauchs des EPplus-Systems

Die Eigenverbrauchsmessungen werden ebenfalls mit den Messinstrumenten von YOKOGAVWA oder DEWESoft gemessen. Dafür wird der 3-phasige Wechselstrom-Eingang aus dem Stromnetz «Upstream» und der 3-phasige Wechselstromausgang im EPplus-System «Downstream» gemessen. Zusätzlich werden auch die Neutral-Erdspannung und der Neutralstrom gemessen.