Oberschwingungsfilter für Brückenkrane: APF + LC Hybrid
Oberschwingungs-Kompensationslösung für Brückenkrane von Kelude
Hybrides Kompensationskonzept bestehend aus dem aktiven Filter KL-APF-100 (Nennkompensationsstrom 100 A, Vollbereichs-Kompensation der 2. bis 50. Oberschwingung, Reaktionszeit ≤ 5 ms) und passiven LC-Filterzweigen (5./7./11./13. Ordnung). Das System wird zentral über die Steuerung KL-HCC-200 (basierend auf TI TMS320F280049 DSP) koordiniert. Nach der Kompensation sinkt der THD der Sammelschiene von 18 %–25 % auf ≤ 5 %, der Leistungsfaktor steigt von 0,6–0,75 auf ≥ 0,92. Das System ist bei 72 Kran-Frequenzumrichter-Antriebssystemen in 18 Unternehmen in China im Einsatz, mit einer kumulierten Betriebszeit von über 1,2 Mio. Stunden und einer Energieeinsparung von ca. 3 %–5 %.
Kelude Schwerindustrie gibt die Veröffentlichung der Upgrade-Version seiner Oberschwingungs-Kompensationslösung für Brückenkrane bekannt. Die Lösung adressiert die charakteristischen Oberschwingungen 5., 7., 11. und 13. Ordnung, die von Kran-Frequenzumrichter-Antriebssystemen (6-Puls-Gleichrichter) erzeugt werden. Zum Einsatz kommt eine hybride Topologie aus passiver LC-Filterung (übernimmt ca. 70 % der Grundlast-Oberschwingungsfilterung sowie die Blindleistungskompensation) und aktivem APF-Filter (dynamische Kompensation der Rest-Oberschwingungen). Dies gewährleistet eine effektive Kompensation bei gleichzeitig reduzierten Systemkosten. Die folgenden Daten basieren auf der Norm IEC 61000-3-12:2011 „Elektromagnetische Verträglichkeit – Grenzwerte für Oberschwingungsströme von Betriebsmitteln mit einem Eingangsstrom ≤ 16 A je Leiter“, dem TI TMS320F280049 Piccolo Datenblatt (SPRS945L, Rev. L, 2024), dem Infineon IKW50N65H5 Datenblatt (Rev. 2.2, 2023) sowie der Betriebsdatenbank von 18 umgesetzten Kelude-Projekten (Juni 2023 bis Juni 2026, Projektnummern KL-HC-2023-001~018).
Ursachen und Auswirkungen von Oberschwingungen
Der Kran-Frequenzumrichter verwendet eine 6-Puls-Netzgleichrichter-PWM-Wechselrichter-Topologie. Die Eingangsstromseite enthält eine Vielzahl charakteristischer Oberschwingungen (5. Ordnung h = 250 Hz ca. 25 % des Grundschwingungsanteils, 7. Ordnung h = 350 Hz ca. 15 %, 11. Ordnung h = 550 Hz ca. 8 %, 13. Ordnung h = 650 Hz ca. 5 %). Die gesamte Oberschwingungsverzerrung (THD) liegt typischerweise zwischen 18 % und 25 % (gemessen unter Volllast). Zu den Hauptauswirkungen von Oberschwingungen zählen:
Am Beispiel eines 32-t-Brückenkrans (Gesamtleistung der Frequenzumrichter 75 kVA, Heben 45 kW + Kranbrücke 15 kW + Laufkatze 7,5 kW + Hebezeug 3 kW) beträgt der durch Oberschwingungen verursachte kombinierte Energieverlust ca. 3 %–5 % des Gesamtstromverbrauchs (berechnet nach Anhang A der Norm GB/T 14549-1993 „Power Quality – Oberschwingungen im öffentlichen Stromnetz“).
Passives LC-Filtermodul
Die passiven LC-Filterzweige bestehen aus einer Reihenschaltung von Resonanzdrosseln (Eisenkerntyp, Induktivitätsgenauigkeit ±2 %) und Filterkondensatoren (metallisierte Polypropylenfolie, Überspannungsfestigkeit 1,1 Un). Die Resonanzabsorption der charakteristischen Oberschwingungen erfolgt über drei Zweige: 5. Ordnung (L5 = 1,2 mH ±2 % @ 250 Hz, C5 = 340 μF/690 V, Xiamen Faratronic CBB65-Serie), 7. Ordnung (L7 = 0,8 mH ±2 % @ 350 Hz, C7 = 260 μF/690 V) sowie einen Hochpass-Zweig (HPF) für die 11. und 13. Ordnung (L_HPF = 0,3 mH, C_HPF = 150 μF, R_d = 10 Ω). Der passive Teil übernimmt ca. 70 % der Grundlast-Oberschwingungsfilterung und stellt gleichzeitig eine Blindleistungskompensation für die Grundschwingung bereit (Anhebung des Leistungsfaktors von 0,65 auf 0,92). Die passiven Zweige werden über Hybridschalter der Steuerung KL-HCC-200 automatisch zu- und abgeschaltet, um eine Überkompensation bei leichter Last zu vermeiden. Die Lebensdauer der LC-Komponenten beträgt ≥ 10 Jahre (Kondensatorlebensdauer ≥ 100.000 Stunden bei Nennspannung).
APF-Aktivfilter-Modul
Der Aktivfilter KL-APF-100 basiert auf dem TI TMS320F280049 DSP (100 MHz, 32-Bit-Fließkomma, integrierter CLA-Coprozessor). Über Stromwandler wird der Oberschwingungsstrom auf der Lastseite in Echtzeit erfasst. Die Harmonischen-Referenz wird nach der Theorie der momentanen Blindleistung (p-q-Verfahren) berechnet. Ein IGBT-Wechselrichter (Infineon IKW50N65H5×6, 650V/50A) erzeugt den kompensierenden Gegenstrom und speist ihn ins Netz ein. Der Nennkompensationsstrom beträgt 100 A (durch Parallelschaltung auf 400 A erweiterbar), der Kompensationsbereich umfasst die 2. bis 50. Oberschwingung (einstellbar), die Reaktionszeit bei Vollkompensation liegt bei ≤5 ms. Der APF kompensiert sämtliche Oberschwingungen bis zur 50. Ordnung und senkt den THD-Wert des Systems von vorbehandlungsbedingt 18 %–25 % auf ≤5 %, womit die Grenzwerte der IEC 61000-3-12 Klasse A eingehalten werden. Der KL-APF-100 ist als modulare Einheit mit den Abmessungen 600×400×300 mm konzipiert und kann wahlweise an der Wand oder im Schrank montiert werden.
Koordinierte Hybridkompensation
Die Hybridkompensations-Steuerung KL-HCC-200 (basierend auf TI TMS320F280049 DSP) übernimmt die koordinierte Regelung der passiven Zweige und des APF:
Das System bietet mit MODBUS RTU und PROFINET zwei Kommunikationsschnittstellen zur Anbindung an das betriebliche Energiemanagementsystem (EMS). Das HMI (4,3-Zoll-Touchpanel) zeigt THD, Leistungsfaktor und die Gehalte der einzelnen Oberschwingungen vor und nach der Kompensation in Echtzeit an.
Wirtschaftlicher Nutzen
Am Beispiel einer Automobilfertigung mit 6 Brückenkranen in der Presswerkstatt (Gesamtleistung der Frequenzumrichter 450 kVA): Vor der Kompensation betrug der THD 22,3 %, der Leistungsfaktor 0,68, die durch Oberschwingungen verursachten Gerätestörungen 2,3 pro Monat und die Übertemperatur des Transformators 85 °C. Nach der Installation der Hybridkompensationslösung (passive LC 300 kvar + APF 200 A) sank der THD auf 4,2 %, der Leistungsfaktor stieg auf 0,95, die harmonischenbedingten Störungen reduzierten sich auf 0,2 pro Monat und die Übertemperatur des Transformators fiel auf 62 °C. Die jährlichen Einsparungen bei den Stromkosten betragen ca. 10.700 EUR (Prämie für verbesserten Leistungsfaktor + reduzierte Netzverluste), die reduzierten Kosten für Fehlerbehebung und Reparatur belaufen sich auf ca. 7.100 EUR – insgesamt rund 17.800 EUR pro Jahr. Die Gesamtinvestition für das System liegt bei ca. 28.600 EUR, die Amortisationszeit beträgt etwa 19 Monate.
Technische Parameter im Vergleich
Kelude Schwerindustrie: Maßgeschneiderte Kransysteme für höchste Ansprüche
Die Kelude Schwerindustrie hat sich auf die Entwicklung und Fertigung von Industriekranen spezialisiert, die exakt auf die individuellen Anforderungen unserer Kunden zugeschnitten sind. Unser Anspruch ist es, durch innovative Technik und robuste Bauweise höchste Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit über den gesamten Lebenszyklus Ihrer Anlage zu gewährleisten.
Individuelle Kranlösungen für jeden Einsatzbereich
Ob in der Schwermaschinenhalle, im Kraftwerksbau oder in der Logistik – wir liefern das passende Kransystem. Unser Portfolio umfasst Brückenkrane, Portalkrane und Speziallösungen, die als Einzel- oder Doppelträgerausführung realisiert werden. Jede Anlage wird dabei nach den spezifischen Lastkollektiven und räumlichen Gegebenheiten vor Ort ausgelegt.
Dabei setzen wir auf modernste Antriebs- und Steuerungstechnik, die eine präzise Lastpositionierung bei gleichzeitig hoher Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht. Optional integrieren wir intelligente Assistenzsysteme zur Lastschwingungsdämpfung oder Kollisionsvermeidung, um die Sicherheit und Effizienz Ihrer Prozesse weiter zu steigern.
Technische Auslegung nach DIN- und EN-Normen
Die Konstruktion aller Krane erfolgt in Übereinstimmung mit den einschlägigen europäischen und internationalen Normen. Wir garantieren die Einhaltung der geforderten Sicherheitskennwerte und Tragfähigkeitsreserven. Die Berechnung der Tragstrukturen erfolgt nach DIN 15018, die sicherheitstechnischen Aspekte der Steuerung und Elektrik richten sich nach EN 60204-32.
Für die Ermittlung der Krankategorien und die Auswahl der Komponenten orientieren wir uns an den etablierten Klassifizierungssystemen nach ISO 4301. Dadurch stellen wir sicher, dass jede Komponente – vom Fahrwerk bis zum Hubwerk – optimal auf die erwartete Nutzungsdauer und Belastung ausgelegt ist.
Qualitätssicherung und Prüfverfahren
Jeder Kran durchläuft vor der Auslieferung eine umfassende Qualitätskontrolle. Dazu gehören Materialprüfungen, Maßkontrollen sowie ein Probelauf der gesamten Mechanik und Elektrik. Die Abnahmeprüfungen erfolgen nach den Vorgaben der EN 13000 und umfassen sowohl statische als auch dynamische Lasttests.
Auf Wunsch dokumentieren wir alle Prüfschritte lückenlos in einem Abnahmeprotokoll, das Ihnen als Nachweis für die ordnungsgemäße Fertigung und Funktion dient. Zudem bieten wir auf alle Komponenten eine umfangreiche Gewährleistung, die über die gesetzlichen Fristen hinausgeht.
Umfassender Service von der Planung bis zur Wartung
Unser Engagement endet nicht mit der Übergabe des Krans. Wir begleiten Sie von der ersten Projektplanung über die Montage bis hin zur regelmäßigen Wartung. Unser Serviceteam ist deutschlandweit im Einsatz und gewährleistet kurze Reaktionszeiten, um Stillstandszeiten Ihrer Anlage zu minimieren.
Wir bieten maßgeschneiderte Wartungsverträge an, die auf die Einsatzintensität Ihres Krans abgestimmt sind. Dazu gehören Inspektionen, Schmierarbeiten und der Austausch von Verschleißteilen. Gerne beraten wir Sie auch bei der Nachrüstung von Sicherheits- oder Komfortfunktionen, um Ihre Anlage auf den neuesten Stand der Technik zu bringen.
Überzeugen Sie sich von der Qualität und Präzision unserer Kransysteme. Kontaktieren Sie uns für ein unverbindliches Angebot oder eine technische Beratung – wir freuen uns auf Ihre Anfrage.
| VergleichParameter | vor der Kompensation | nach der Kompensation |
|---|---|---|
| gesamtOberschwingungVerzerrungsrateTHD | 18%~25% | ≤5% |
| Leistungsfaktor | 0.60~0.75 | ≥0.92 |
| 5OrdnungOberschwingungStrom | ~25%Grundschwingung | ≤3%Grundschwingung |
| TransformatorÜbertemperatur | 80~85°C | 55~62°C |
| MonatsdurchschnittOberschwingungStörung | 2~3Ordnung | ≤0.2Ordnung |
| APFKompensationStrom | — | 100A(parallelschaltbar×4) |
| KompensationOberschwingungAnzahl | — | 2~50Ordnung |
| APFReaktionszeit | — | ≤5ms |
| LCFilterlebensdauer | — | ≥10Jahr |
| Normengrundlage | — | IEC 61000-3-12 Class A |
| installierte Projekte | — | 18Unternehmen/72Einheiten |
Weitere Informationen: Kelude veröffentlicht V2.0-Upgrade für Energierückspeisesysteme an Brückenkranen – Wirkungsgrad der Energierückgewinnung auf 35 % gesteigert, Intelligentes Energiesparsystem für Krane: Rückspeisebetrieb und Superkondensator-Lösungen
Häufige Fragen zur Kran-Nachrüstung
F: Welche Vorteile bietet die Kombination aus passivem Filter und Aktivfilter gegenüber einem reinen Aktivfilter-Konzept?
A: Mit einem reinen Aktivfilter lässt sich der THD-Wert auf ≤ 3 % senken, allerdings sind die Anschaffungskosten höher (100-A-Aktivfilter ca. 10.000–15.000 EUR). Bei der Hybridlösung übernimmt die passive LC-Filterstufe die Grundlast der Oberschwingungsfilterung (ca. 70 %) – kostengünstig und langlebig –, während der Aktivfilter nur die verbleibenden 30 % Restoberschwingungen kompensiert. Dadurch reduzieren sich die Gesamtkosten um ca. 40–50 %. Für typische Industrieanwendungen mit THD-Anforderungen ≤ 5 % und einem Leistungsfaktor ≥ 0,92 ist die Hybridlösung das wirtschaftlich optimale Konzept.
F: Mit welchen Frequenzumrichter-Herstellern ist das System kompatibel?
A: Das System ist mit PWM-Frequenzumrichtern aller Hersteller kompatibel (sowohl 6-Puls- als auch 12-Puls-Gleichrichtung). Von den 72 bereits ausgerüsteten Brückenkranen sind 38 mit Siemens G120, 18 mit ABB ACS880, 12 mit Inovance MD500 und 4 mit Schneider ATV930 ausgestattet. Die Messung erfolgt über Stromwandler an der gemeinsamen Sammelschiene auf der Eingangsseite (Einspeiseschrank) und ist damit unabhängig von Hersteller und Typ des Frequenzumrichters.
F: Wie viel zusätzlicher Einbauraum wird für den Aktivfilter benötigt?
A: Ein einzelner KL-APF-100 (100 A) hat Außenmaße von 600 × 400 × 300 mm und kann wandmontiert an der Wand des Schaltraums oder seitlich am Frequenzumrichter-Schrank installiert werden. Der passive LC-Filterschrank misst ca. 800 × 600 × 1800 mm (inklusive 5., 7. und Hochpass-Zweig sowie Hybridschalter). Im Schaltraum sollte eine Stellfläche von ca. 2 m² eingeplant werden.
F: Wie lange muss der Kranbetrieb für die Umrüstung unterbrochen werden?
A: Die Umrüstung erfolgt in zwei Phasen: Phase 1 – Installation der passiven LC-Zweige (erfordert Abschaltung und Verdrahtung, ca. 4–6 Stunden), idealerweise im Rahmen eines geplanten Wartungsstillstands. Phase 2 – Installation des Aktivfilters und Systeminbetriebnahme (ebenfalls bei abgeschalteter Anlage, ca. 4 Stunden). Beide Phasen können an einem Tag durchgeführt werden; die gesamte Abschaltzeit beträgt ≤ 8 Stunden. Nach Abschluss der Systeminbetriebnahme kann die Produktion sofort wieder aufgenommen werden.
