Dienstag, 12. April 2011

Wie ist das eigentlich mit der Netzfrequenz?

In einem wie immer sehr lesenswerten Beitrag in ef-online schreibt der hochgeschätzte Edgar L. Gärtner etwas über die Probleme von Stromnetzen bei schwankender Erzeugung, wie sie z.B. durch Windstromeinspeisung entstehen. Ihm ist dabei aber ein kleiner Fehler unterlaufen, den ich hier mal berichtigen möchte. Er schreibt:
Das europäische Verbundnetz der UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity) ist so ausgelegt, dass Frequenzschwankungen von mehr als 2,5 Hertz ausgeschlossen werden, um empfindliche und lebenswichtige Elektromotoren in Personenaufzügen, Klimaanlagen, Wasserpumpen und so weiter vor dem Durchbrennen zu schützen. Deshalb werden schon bei Frequenzänderungen von nur einem Hertz aus Sicherheitsgründen Lasten abgeworfen oder zusätzliche Kraftwerke hochgefahren, um die Frequenz zu stabilisieren.
Das ist so nun nicht richtig, was man einfach auch schon daraus herleiten kann, dass die 50 Hz Netzfrequenz und deren entsprechender Schutz ja schon bestand, bevor es überhaupt eine "empfindliche Elektronik" gab. Auch macht es wenig Sinn, einen Personenaufzug vor Orientierungsstörungen zu schützen, indem man ihm ganz den Saft abdreht.
Es ist richtig, dass moderne Aufzüge Schwierigkeiten bekommen, ihren genauen Stockwerk-Haltepunkt zu finden, wenn die Netzfrequenz nicht stimmt. Es ist auch richtig, dass drehzahlgeregelte Motoren frequenzabhängig sind, und dass Elektronik-Bauteile allgemein bei Netzschwankungen Problemchen bekommen könnten. Aber deshalb schaltet man keine Erzeuger oder Verbraucher aus Sicherheitsgründen ganz ab.

Das Problem ist hier sowohl in der Ursache, als auch in der möglichen Wirkung ein ganz banales mechanisches. Um das zu erklären, muss ich ein bissl weiter ausholen, aber kompliziert wirds nicht.

Ganz einfach geht es hier um den Schutz vor Zerstörung der Turbosätze (Turbine plus Generator) in den Erzeugerkraftwerken.
Die Netzfrequenz von (bei uns) 50 Hz resultiert ja aus der Drehbewegung der Generatorwelle mit den Rotorwicklungen im Generatorständer (dem Stator). Dort wird die Spannung induziert, die dann abgeleitet und ins Überlandnetz eingespeist wird. Bei einer Drehzahl von 3000 u/min entspricht dies 50 u/sec und das bedingt dann unsere Frequenz von 50 Hz (Schwingungen/sec). Das ist in fossilen Kraftwerken der Normalfall. In KKW ist die Drehzahl nur halb so hoch (1500 u/min), dafür hat der Generatorrotor aber doppelt soviele Polpaare und erzeugt bei jeder Umdrehung halt zwei Schwingungen und nicht nur eine.

So, warum soll am Ende nun immer eine Frequenz von 50 Hz rauskommen? In Japan haben sie z.B. 60 Hz, und im Bahnstromnetz wird auch schonmal mit 16,66 Hz gefahren. Wieder ganz einfach, man braucht einen Standard für alle Erzeuger die ins selbe Netz einspeisen, weil die Einspeisung synchron erfolgen muss. Alle Generatoren im selben Netz laufen deshalb mit exakt der gleichen Phasenlage, egal wie die nun räumlich verteilt sind. Der Grund hierfür ist, dass das große Netz jeden einzelnen kleinen Generator sozusagen "einnordet". Würde man einen Generator asynchron zuschalten, gäbe es einen Riesenruck, und das Netz würde ihn entweder sofort "hochziehen" oder abbremsen, bis er synchron zur Netzfrequenz läuft.

Gut, also die gleiche Frequenz und Phasenlage ist zwingend, aber das Netz könnte doch auch mit einer anderen Standardfrequenz schwingen. Wäre doch egal, oder?

Prinzipiell schon, wie ja Japan oder die Bahn beweisen. Es geht aber darum, eine sozusagen "gesunde" und passende Frequenz für alle Turbosätze als Standard zu definieren.
Der Grund hierfür liegt in den benötigten Dampfdurchsatzmengen und dem Eigenschwingverhalten der Turbinen. Wenn man möglichst viel Dampf in einer Turbine abbarbeiten möchte, muss dieser sie ja auch in einer entsprechenden Geschwindigkeit passieren. Man kann also eine Turbine kaum mit lediglich 100 u/min betreiben, denn da würde der schnelle Dampf ja auf ein quasi fast stehendes System treffen. Sie muss also schon hurtig rotieren.
Zu hohe Rotationsgeschwindigkeiten bedeuten aber auch, dass die letzten Turbinenschaufeln ganz am Ende (das sind die breitesten und längsten) einer zunehmend größeren Fliehkraftbelastung unterliegen. Die Schaufelspitzen können schon im Normalfall durchaus Schallgeschwindigkeit erreichen, wenn man dies noch erhöhen würde bräuchte man extrem stabiles Material, oder es würde das ganze Ding einfach auseinanderreißen.
Als das mal anfing mit der Standard-Drehzahl war an solch hochfeste Materialien gar nicht zu denken, da waren die 3000 u/min einfach ein gut zu erreichender Wert für alle handelsüblichen Dampfturbinen.

Okay, die 3000 u/min als Richtwert sind ja okay, aber warum darf diese Drehzahl denn nun nicht zu sehr sinken? Zu schnell ist ja klar, da zieht es die Schaufeln in die Länge, aber zu langsam? Und, wie kommt es überhaupt dazu?

Man muss sich vorstellen, dass die ganzen Stromverbraucher im Netz wie eine Bremse wirken, gegen die die Turbine permanent annarbeitet. Wenn jetzt große Verbraucher zugeschaltet werden, oder andere Erzeuger plötzlich ausfallen, dann wird diese Bremslast größer. Die Drehzahl geht sozusagen erstmal ein wenig in die Knie, und wird dann so schnell wie möglich durch zusätzliche Dampfzufuhr wieder auf die 3000 u/min gebracht. Da geht es aber nicht um Größenordnungen, sondern vielleicht um eine oder zwei Umdrehungen. Eine Betriebsstörung ist das nicht, da ist mehr notwendig. So z.B. der flächendeckende Ausfall von Windparks bei Starkwind. Da muss man sich vor Augen führen, dass die Dinger normalerweise bloss so ein bissl rumrotieren, aber bei kräftigerem Wind plötzlich so richtig zum Leben erwachen. Da wird richtig reingepowert, und die geregelten Erzeuger drosseln sich immer weiter ein, bzw müssen ganz vom Netz.
Wenn jetzt der Wind aber zu stark auffrischen sollte, dann gehen die Windmühlen ins Sicherheits-AUS. Das wird dann zum Problem, wenn sonst kaum noch Erzeugungskapazität da ist, die diesen Ausfall kompensieren kann.

Unser Netz ist bis 47,5 Hz (entspricht 2850 u/min) nach unten, und bis 51,5 Hz (entspricht 3090 u/min) nach oben abgesichert. Bei Überschreitungen dieser Grenzwerte muss heftig eingegriffen werden. Zwangs-Lastabwürfe von Verbrauchern wären z.B. die Folge, wenn die Frequenz zu stark sinkt.
Das passiert dann aber nicht, um irgendwelche Elektronik zu schützen, sondern um die Turbinendrehzahl nicht zu sehr absinken zu lassen.

Hier geht es nämlich um sogenannte "kritische Drehzahlen", die ebenso verhindert werden müssen wie Überdrehzahlen.
Jedes Bauteil hat ja eine bestimmte Eigenfrequenz, mit der es zu schwingen beginnt, wenn man es anregt. Das ist wie bei einer Glocke, einer Stimmgabel oder einer Klavierseite. Bei unserer Nenndrehzahl von 3000 u/min passiert da nix. Alle Turbinen werden so gebaut, dass sie in diesem Bereich ganz ruhig laufen.
Aber wehe, man kommt in den Frequenzbereich der Eigenschwingung irgendeiner Teilturbine oder Schaufelstufe. Dann entstehen Resonanzen, und die sowieso schon angeregte Eigenschwingung wird immer weiter verstärkt.
Vielleicht kann man sich das mit einem riesigen Stahlblech mal vorstellen. Das Ding muss so groß sein, dass seine Eigeschwingung genau 1 Hz beträgt. Und wir stehen jetzt mit einem Hammer daneben und hauen jede Sekunde genau einmal drauf, wenn die Ausschwingweite gerade maximal von uns weg ist. Dann verstärken wir somit diese Schwingung immer weiter, bis dann letztendlich das Material nachgibt.

Bei einer Turbine ist es ähnlich, nur würde da wohl nicht das Material an sich nachgeben, sondern sie würde erstmal irgendwo anecken, anschleifen, ihre Lager wegsprengen oder ähnliches. Das gäbe jedenfalls einen Riesenknall mit Totalschaden.

Wen interessieren da schon Personenaufzüge, die 20 cm zu spät halten?

Wichtiger Nachtrag: Im etwas kraftwerkspanischen Deutschland muss man heutzutage aufpassen, dass man ja alles richtig beschreibt, deshalb hier noch was zur Beruhigung:
Wenn die Netzfrequenz zu stark abfallen sollte, ist nicht zu befürchten dass da jetzt reihenweise die Turbinen in die Luft gehen. Die sind schon alle selbst vor Ort mehrfach abgesichert. Das Netzmanagement greift nur deshalb schon vorher ein, damit sich nicht noch mehr Erzeuger wegen eigener Sicherheitsabschaltungen vom Netz trennen müssen. Damit würde die "Bremslast" für die verbliebenen Kraftwerke, deren Drehzahlen noch nicht im kritischen Bereich sind, ja noch größer. So ist das gemeint.

Kommentare:

  1. Hach ja, wieder so ein toller Beitrag. Ich lese sie wirklich gerne.
    Aber kann es sein, dass Sie sich bei einer Zahl verrechnet haben? Müsste es nicht heissen "und bis 52(!),5 Hz (entspricht 3150 u/min) nach oben abgesichert"?

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  2. Sehr interessant, danke Calimero!

    Daß man bei Aufzügen heute ganz auf irgendwelche Positionsmelder verzichtet, hätte ich nicht vermutet. Bei den uralten Modellen hört man ja noch in jedem Stockwerk das Klackern der mechanischen Taster, und die, dachte ich immer, wurden jetzt einfach durch irgendwelche berührungslosen Kontakte ersetzt.

    Im Prinzip kann man also heute einen modernen Aufzug als Messgerät betrachten, das über die aktuelle Netzbelastung Auskunft gibt. ;-) (Oh, zu hoch angekommen, dann mache ich noch schnell einen Backup und stelle die Klimaanlage ab...)

    Man könnte aber natürlich auch frequenzunabhängige ( windparkkompatible ;-) Steuerungen bauen, die einfach nur die Anzahl der für die Fahrt notwendigen Zyklen zählen, egal wie schnell die auch kommen mögen. (Ob da schon ein Patent angemeldet ist?)

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  3. Oha, danke für den Tipp. Habs sofort geändert. Nachgerechnet hatte ich gar nicht, sondern nur die Werte aus dem Kopf und der Hüfte geschossen.

    Die 47,5 und 51,5 Hz sind aber die offiziellen VDE-Zahlen soweit ich weiß.

    Hier gibts Näheres.

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  4. Hallo Ungelt,

    wir hatten letztens so einen Fall im Kraftwerk selbst. Da waren wir im "Inselbetrieb", also vom Netz abgekoppelt, aber mit selbsterzeugter Stromversorgung. Zuviel Erzeugung, zuwenig Verbrauch ... da haben die Aufzüge gesponnen und teilweise wohl auch mal zwischen den Etagen gehalten.

    Ich war da aber nicht dabei, hat man mir nur früh erzählt.

    Beste Grüße, Calimero

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  5. Nicht dass ich klugsch. will...
    aber das Bahnstromnetz wird in D gewöhnlich mit 16,66 Hz betrieben.

    @Ungelt
    Aufzüge haben schon Positionsmelder. Das ist zum einen der Lagemelder des Motors. Und außerdem gibt es jede Menge Referenzsensoren.
    Es ist heute nur alles schicker als vor Jahrzehnten. Der Antrieb realisiert ein fast ruckfreies Anfahren und Anhalten, weil er sich an der kontinuierlichen Rückmeldung des Lagemelders (Resolver oder Absolutwinkelgeber) orientiert. Und die Referenzsensoren (induktiv oder Lichtschranken) kommen ohne Kontakte aus (deshalb hört man nichts mehr).

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  6. Hi Volker,

    danke fürs klugsch... ;-)

    Die Dreiunddreißigeindrittel habe ich genauso im Kopf wie die Zahl Pi. Ich weiß gar nicht woher, hatte mit Bahnstrom noch nie zu tun. Lehre vielleicht?

    Hm, sie scheinen aber Recht zu haben, was Deutschland betrifft (sonst 25 Hz, wenn ichs richtig überflogen habe). Sollte ich mir vielleicht 33 1/3 * 50 Hz merken? Das wären dann 1000 u/min.

    Und weiterhin, wenn sie da Ahnung haben - hängt die niedrige Frequenz damit zusammen, dass die E-Loks so ein ruckiges Lastverhalten haben? Da gab/gibt es ja auch Turbinen mit Torsionswellen, soweit ich weiß.

    Beste Grüße, Calimero

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  7. Hallo Volker, Das klugsc.. geht weiter ;-)

    "Und außerdem gibt es jede Menge Referenzsensoren... "

    Dann muß es sich da um einen falsche Priorisierung handeln, denn sanftes Anfahren ist zwar schön und gut, und u.U. notwendig um die Materialbelastung niedrig zu halten, wenn die Kabine aber nicht am Ziel ankommt dann aber doch irgendwie für die Katz ;-) Wenn man sich schon auf die korrekte Netzfrequenz verläßt, dann sollte doch zumindest noch eine Art Positionskorrektur vorhanden sein, mit der die Kabinenlage notfalls per Schleichgang nachgebessert wird. Hardwaremäßig scheint ja dafür alles vorhanden zu sein. (Ich glaube auch solche Aufzuge zu kennen, die zuerst sanft abbremsen und dann noch einige Centimeter langsam auf Position fahren.)

    Naja, ist vermutlich längst erkannt und korrigiert, ein Problem der Steuerungssoftware in der Version 4.25.854 vom 20.10.92 als noch Keiner solche windparkbedingten Netzprobleme für möglich gehalten hatte ;-)

    Dieser "Resolver oder Absolutwinkelgeber" aber - ist der mit der Seiltrommel gekoppelt? Kommt es da nicht durch Temperaturänderungen und Alterung ebenfalls zu Ungenauigkeiten bezüglich Kabinenlage?

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  8. Hallo Calimero,

    zur Frage
    "Und weiterhin, wenn sie da Ahnung haben - hängt die niedrige Frequenz damit zusammen, dass die E-Loks so ein ruckiges Lastverhalten haben? "
    überlasse ich das klugsch. einfach mal Wikipedia:
    http://de.wikipedia.org/wiki/Bahnstrom
    Das ist erst mal ein Teil der Erklärung.
    Inwieweit die E-Loks ein ruckiges Lastverhalten haben, weiß ich nicht. Aufgefallen ist mir das jedenfalls noch nicht.
    Aber denkbar wäre, dass alte Modelle ruppig sind, weil es früher noch nicht die heute üblichen Regler gab. An der Frequenz kann es (mein gefährliches Halbwissen) eigentlich nicht liegen.

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  9. Hallo Ungelt,

    Steuerungs-, Antriebs- und Regelungstechnik ist ein weites Feld.
    Ich arbeite seit 20 Jahren als Automatisierungstechniker. Und ich muss sagen, mir ist bis heute kein System untergekommen, dass sich auf die Netzfrequenz verlässt. Das heißt nicht, dass es solche nicht gäbe; aber die sind selten.
    Die Schwankungsbreite der Netzfrequenz liegt bei bis zu 2,5Hz. Ein Gerät, das die Netzfrequenz als Normal nutzt, realisiert damit eine Genauigkeit von 95%. Das ist für nahezu alle Anwendungen zu wenig. Selbst wenn das Endprodukt 5% Fehler verkraftet, muss die Abweichung in den einzelnen technologischen Schritten viel kleiner sein, weil sich die Fehler addieren.

    Üblicherweise sind die Geräte der Steuerungs- und Antriebstechnik für große Spannungs- und Frequenzbereiche ausgelegt. Das muss auch sein. Ansonsten müsste man vor jedem Exportvorhaben alle Teile auf Tauglichkeit überprüfen.
    Als Beispiel mal ein Katalog von modernen Servos. Auf Seite 8 ist der Versorgungsspannungsbereich angegeben:
    1*100V AC-1*250V AC; 45-65Hz
    (http://tinyurl.com/6ky2oo5)

    Wenn eine starre Verbindung von Antrieb zum Verfahrgut existiert, kann man sich 100% auf den am Antrieb angebauten Lagegeber verlassen. Dann ist im System nur ein Referenzsensor erforderlich (für die Erstinbetriebnahme und nach Wartungsarbeiten).
    So gut geht es einem aber selten. Beim Fahrstuhl (und vielen anderen Anwendungen) wird der Wert durch mehrere Faktoren verfälscht; je mehr Leute drin sind, umso länger wird das Seil, die Wärme spielt ebenfalls eine Rolle.
    Grundsätzlich wird das Verfahren vom Servocontroller gesteuert. Aber Sensoren werden trotzdem benötigt. Einer sagt, wann das Bremsen einzuleiten ist. Und natürlich einer, der das Verfahrende meldet (anders darf die Tür gar nicht aufgehen).

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  10. Hi Volker,

    das mit dem "ruppigen Verhalten" war ja früher wohl der Fall, als diese niedrige Netzfrequenz gewählt wurde. Mir hat das mein Turbinendozent mal so in etwa erklärt.

    Ich weiß ja nicht, inwieweit es bei den ersten elektrifizierten Bahntrassen eine Grundlast gab. Aber so doll wird es erstmal nicht gewesen sein. Also hängen nur ein paar Verbraucher dran, aber die halt mit mächtigen induktiven Verbrauchern.
    Wenn jetzt so eine Lok anzieht (siebenfacher Anlaufstrom), dann gibts halt auch einen "Ruck" im Netz. Sollten die Motoren Last wegnehmen, dann dasselbe andersherum.

    So ist also ein stetiger Drehzahlausgleich an den Turbinen erforderlich, und es wäre besser, wenn die im sehr unterkritischen Bereich (halt 1000 u/min) rotieren, wenn sie immer in Gefahr von Drehzahlsprüngen sind.

    Daher die Frage, ob sie das bestätigen können.

    Beste Grüße, Calimero

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  11. Hallo Volker,

    "Und ich muss sagen, mir ist bis heute kein System untergekommen, dass sich auf die Netzfrequenz verlässt."

    So hätte ich es auch von Anfang an vermutet, nur sprach da eben der von Calimero beobachtete Effekt dagegen. Es ist aber sicher denkbar, daß es sich dabei entweder um einen Zufall oder einen nicht optimal ausgelegten Einzelfall handelte. Außerdem kommen bei dem beschriebenem "Inselbetrieb" vermutlich noch weitere Störfaktoren in Frage.

    Danke übrigens für die interessanten Einblicke. Ich bin zwar Maschinenbauer, aber meine aktive Zeit liegt sehr weit zurück. (Es war mehr so der gute alte Maschinenbau der Dampfmaschinenzeit ;-)

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  12. Hallo Calimero,

    nein, so tief stecke ich da nicht drin.
    Dass eine Lok in einem kleinen Netz beim Anfahren alles runterzieht, ist nachvollziehbar. Aber wie die Systeme heute ausgelegt ist, weiß ich nicht aus der kalten.
    Einer meiner Kollegen hat was mit der Bahn zu tun. Vielleicht weiß der mehr, werde ihn mal fragen.

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