White Paper Harmonics - schaffner.com · 2014 Sechs Themen rund um Oberschwingungen und die...

2014

Sechs Themen rund um Oberschwingungen

und die Netzqualität in Stromversorgungsnetzen

Ein Whitepaper der Schaffner Gruppe

Autor: Alexander Kamenka

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Sechs Themen rund um Oberschwingungen

und die Netzqualität in Stromversorgungsnetzen

Ein Whitepaper der Schaffner Gruppe

Autor: Alexander Kamenka

Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 3


Inhalt

Oberschwingungen: Grundlagen 7

Einführung 8

Grundlegendes 9

Komposition und Dekomposition verzerrter Schwingungen 11

Klassifizierung von Oberschwingungen 13

Oberschwingungsstrom, -spannung und -impedanz 15

Netzqualität bei Oberschwingungsverzerrung 16

Leistungsfaktor und Blindleistung 18

Lineare und nichtlineare Lasten 20

Quellen für Oberschwingungen 22

Einführung 23

Oberschwingungserzeuger mit magnetischem Eisenkern 24

Transformatoren 24

Generatoren und Motoren 25

Lichtbogenöfen und -schweissanlagen 26

Leistungselektronik und elektronische Geräte 27

Schaltnetzteile 27

Frequenzumrichter 27

Geschäfts- und Wohnhäuser 29

Auswirkungen von Oberschwingungen 30

Einführung 31

Leistungsfaktor 31

Aussenleiter und Neutralleiter 32

Transformatoren 32

Motoren und Generatoren 32

Elektrische und elektronische Betriebsmittel 33

Blindleistungskompensation (PFC) 33

Schutzschalter 34

Normen und Standards für Oberschwingungen 35

Überblick 36

Normen für Betriebsmittel 37

Norm IEC 61000-3-2 für Niederspannungsgeräte mit einem Nennstrom von bis zu und

einschliesslich 16 A 37

Norm IEC 61000-3-12 für Niederspannungsgeräte mit einem Nennstrom von mehr als

16 A und maximal 75 A 39

Normen zur Qualität von Verteilnetzen 43

Norm EN 50160 43

IEEE 519 44

4 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen


Richtlinie G5/4 46

Norm D.A.CH.CZ 47

Normen bezüglich der Kompatibilität zwischen Verteilnetz und Produkten 50

Norm IEC 61000-2-2 für öffentliche Niederspannungsnetze 50

Norm IEC 61000-2-4 für Niederspannungs- und Mittelspannungs-Industrieanlagen 50

Filtertechniken für Oberschwingungen 52

Überblick 53

Vorbeugende Massnahmen 54

AC-Netzdrosseln 54

Zwischenkreisdrosseln 55

Mehrpuls-Gleichrichter 56

Abhilfemassnahmen 58

Passive Oberschwingungsfilter 58

Aktive Oberschwingungsfilter 60

Kosten aufgrund von Oberschwingungen und Leistungsverlusten in belasteten

Netzen 62

Einführung 63

Zusätzliche Verluste aufgrund von Oberschwingungsverzerrung 64

Vorzeitiges Altern von Anlagen 64



Abbildungen

Abbildung 1 – Oberschwingungsfrequenzen 10

Abbildung 2 – Verzerrte Wellenform 11

Abbildung 3 – Dekomposition einer verzerrten Wellenform 11

Abbildung 4 – Spektrum einer verzerrten Schwingung 12

Abbildung 5 – Triplen-Oberschwingungen im Neutralleiter 14

Abbildung 6 – Leistung bei Oberschwingungsbelastung 19

Abbildung 7 – Magnetisierungskurve eines Transformators 24

Abbildung 8 – Oberschwingungsstromspektrum eines Lichtbogenofens 26

Abbildung 9 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines Schaltnetzteils 27

Abbildung 10 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines B6-

Frequenzumrichters 28

Abbildung 11 – D.A.CH.CZ. Bewertungsmodell für Oberschwingungen 49

Abbildung 12 – Anschluss einer AC-Netzdrossel 54

Abbildung 13 – Zwischenkreisdrossel 55

Abbildung 14 – 12-Puls-Konfiguration 56

Abbildung 15 – 18-Puls-Konfiguration 57

Abbildung 16 – Passives Oberschwingungsfilter a.) nicht eingesetzt b.) eingesetzt 59

Abbildung 17 – Leistungskurve eines passiven Oberschwingungsfilters 59

Abbildung 18 – Funktionsweise eines aktiven Oberschwingungsfilters 60



Tabellen

Tabelle 1 – Oberschwingungsfrequenzen 9

Tabelle 2 – Ordnungszahlen 13

Tabelle 3 – Symmetrische Komponenten 13

Tabelle 4 – Lineare Lasten 20

Tabelle 5 – Nichtlineare Lasten 21

Tabelle 6 – Pulse und Oberschwingungsspektren 28

Tabelle 7 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse A 38

Tabelle 8 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse C 38

Tabelle 9 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse D 39

Tabelle 10 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für Geräte ausser

symmetrischen Dreiphasengeräten 40

Tabelle 11 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische

Dreiphasengeräte 41


Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (a,b,c) 41


Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (d,e,f) 42

Tabelle 14 – Grenzwerte der individuellen Oberschwingungsspannungen an den

Anschlusspunkten, in Prozent der Grundspannung 44

Tabelle 15 – Basisgrenzwerte für Oberschwingungsströme 45

Tabelle 16 – Stromverzerrungsgrenzwerte für Verteilsysteme (120V bis 69000V) 45

Tabelle 17 – Grenzwerte für Spannungsverzerrung 46

Tabelle 18 – Zusammenfassung der THD-Planungsebenen 46

Tabelle 19 – Planungsebenen für Oberschwingungsspannungen in 400V-Systemen 47

Tabelle 20 – Max. zulässige OS-Stromemission in Ampere-RMS für Gesamtlasten

und Geräte mit einer Nennleistung >16A pro Leiter 47

Tabelle 21 – AC-Netzdrosseln – Ordnungszahl / Eingangsimpedanz vs.

Restoberschwingungen [%] 55

Tabelle 22 – Oberschwingungen vs. Pulszahl 56



KAPITEL 1

Oberschwingungen: Grundlagen



Einführung

In einer Stromversorgung würde im Idealfall überall eine perfekte sinusförmige Spannung

vorliegen. In der Realität jedoch ist es nahezu unmöglich, derartige Verhältnisse zu errei-

chen. Die Form von Spannung und Strom weicht massiv von einer Sinusfunktion ab. Die

verzerrten Schwingungsformen werden im Allgemeinen als oberschwingungsbehaftet be-

zeichnet.

Oberschwingungsverzerrung ist ein relativ altes Phänomen, stellt jedoch heute eines der

grössten Probleme für Versorgungsbetriebe, Verteilnetzbetreiber und deren Endkunden

dar. Bereits in den ersten Betriebsjahren der elektrischen Stromverteilnetze stiess man auf

erste Störungsprobleme, anfänglich verursacht von Quecksilberdampfgleichrichtern im in-

dustriellen Umfeld. Die grösste Herausforderung damals waren die Auswirkungen der

Oberschwingungsverzerrung auf die elektrischen Maschinen. Ein weiteres bekanntes Prob-

lem waren Störungen in den Telefonleitungen. Generell kann man jedoch sagen, dass die

Oberschwingungsverzerrung zu der Zeit ein geringeres Gefahrenpotential darstellte als

heute. Besonders Maschinen wurden viel konservativer konstruiert, und die Verteilnetze ar-

beiteten nicht an ihrer Lastgrenze. Seit einigen Jahren steigt die weltweite Nachfrage nach

energieeffizienten Lösungen, die nur über den vermehrten Einsatz von Leistungselektronik

realisierbar sind. Dies neben der Tatsache, dass Stromversorgungsnetze häufig am Limit

arbeiten, führt zu einer Zunahme von Spannungsverzerrungen. Zahlreiche Probleme sind

die Folge, denen sich dieses Whitepaper umfassend widmet.



Grundlegendes

Der Begriff Oberschwingungen kommt ursprünglich aus dem Themenfeld «physische Ei-

genwertprobleme», also Wellen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grund-

schwingung sind. Ein Beispiel hierfür sind die Oberschwingungsfrequenzen bei Saitenin-

strumenten. Eine Vorstellung von Oberschwingungen im Zusammenhang mit Elektrik kam

in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auf. Wie Wellenreiter (Surfer) halten auch die

meisten elektrischen Geräte quasi nach der perfekten Welle Ausschau. Bei Wechselstrom

definiert sich Perfektion durch eine Sinuskurve, mit der elektrische Spannung gleichmässig

zwischen positiver und negativer Polarität hin- und herwechselt, und zwar 50 (50 Hz) oder

60 (60 Hz) mal pro Sekunde. Dennoch ist der Begriff «Welle» im Zusammenhang mit Ober-

schwingungen nicht ganz korrekt. Eine Welle hat eine räumliche und zeitliche Ausdehnung,

wogegen die hier betrachteten Schwingungen nur eine zeitliche Ausdehnung haben. Somit

definiert sich der Oberschwingungsanteil in einem Wechselstromsystem als ein sinusförmi-

ger Anteil einer periodischen Schwingung, deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen

(sog. Ordnungszahl) der System-Grundfrequenz entspricht:

..Ordnungszahl, n. ganze Zahl, Grundfrequenz ist 50 oder 60 Hz

Ordnungszahl Frequenz (Hz) in 50Hz Netzen Frequenz (Hz) in60Hz Netzen

1 50 60

3 150 180

5 250 300

7 350 420

11 550 660

13 650 780

…

n 50*n 60*n

Tabelle 1 – Oberschwingungsfrequenzen

Abbildung 1 zeigt eine ideale 50Hz-Schwingung mit Frequenzen des jeweils Dreifachen

(3. Ordnung), Fünffachen (5. Ordnung), Siebenfachen (7. Ordnung) und Elffachen (11. Ord-

nung) der Grundfrequenz.



3. Ordnung (n=3) 5. Ordnung (n=5)

7. Ordnung (n=7) 11. Ordnung (n=11)

Abbildung 1 – Oberschwingungsfrequenzen



Komposition und Dekomposition verzerrter

Schwingungen

Abbildung 2 zeigt eine verzerrte Schwingung. Solch eine verzerrte Schwingung lässt sich

durch die Überlagerung sinusförmiger Wellen unterschiedlicher Frequenzen und Amplitu-

den erzielen. Sie kann also aus Oberschwingungskomponenten «zusammengesetzt» wer-

den (Komposition). Das Beispiel in Abbildung 2 ergibt sich aus der Addition einer Sinus-

schwingung mit mehreren Oberschwingungen.

Abbildung 2 – Verzerrte Wellenform

Wenn sich aus Oberschwingungskomponenten beliebige verzerrte Wellenformen zusam-

mensetzen lassen, kann demnach jede periodische Wellenform in eine sinusförmige

Grundschwingung und mehrere harmonische Oberschwingungen zerlegt werden. Der fran-

zösische Mathematiker Jean Baptiste Fourier hat diese Methode als erster vorgestellt; sie

trägt daher die Bezeichnung Fourier-Transformation. Je nach Art der Wellenform kann es

Koeffizienten geben oder nicht. Nimmt man die Abbildung 2 als Beispiel, ergäbe die Zerle-

gung eine Grundschwingung, die von Oberschwingungen der 5., 7., 11. und 13. Ordnung

überlagert wird:

Abbildung 3 – Dekomposition einer verzerrten Wellenform

=

+



Auf diese Weise kann die Überlagerung perfekter Sinuskurven zu einer verzerrten Sinus-

schwingung führen. Umgekehrt heisst das, dass eine verzerrte Sinusschwingung immer als

Überlagerung einer Grundschwingung mit anderen Oberschwingungen unterschiedlicher

Frequenzen und -amplituden dargestellt werden kann. Die Dekomposition lässt sich gut an-

hand des Oberschwingungsspektren-Diagramms in Abbildung 4 visualisieren. Es stellt das

Spektrum der verzerrten Schwingung aus Abbildung 3 dar. Diese Art Spektrum wird auch in

den meisten Geräten zur Netzqualitätsmessung eingesetzt.

Abbildung 4 – Spektrum einer verzerrten Schwingung

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45

47

49

TH

D

Ob

ers

ch

win

gu

ng

en

(%

)



Klassifizierung von Oberschwingungen

Je nach Art der verzerrten Schwingung gibt es Oberschwingungen der Spannung oder des

Stroms. Oberschwingungen werden anhand von zwei gängigen Begriffen beschrieben:

symmetrische Komponenten und Ordnungszahlen. Die Bezeichnungen ungerade und ge-

rade Harmonische (bzw. Oberschwingungen) sind in der Regel bekannt; der Begriff Triplen-

Oberschwingungen weniger. Er bezieht sich auf die Komponenten, deren Ordnungszahlen

Vielfache von drei sind. In Tabelle 2 sind die Ordnungszahlen aufgeführt:

Ungerade

Oberschwingungen

Gerade

Oberschwingungen

Vielfache von 3

Ordnungszahl 5., 7., 11., 13., 17. 2., 4., 6., 8., 10., 12. 3., 9., 15., 21.,

Tabelle 2 – Ordnungszahlen

Ungerade Oberschwingungen sind die charakteristischen Oberschwingungsanteile in den

heutigen Stromversorgungsnetzen. Sie stellen Wellenformen dar, die bezogen auf die Zeit-

achse symmetrisch sind. Aufgrund der meist dreiphasigen Symmetrie der heutigen Infra-

strukturen sind nahezu alle Signale symmetrisch, obwohl es zu Verzerrung kommt. Ge-

radzahlige Oberschwingungen können nur aus Wellenformen entstehen, die nicht

symmetrisch bezogen auf die Zeitachse sind. Dreiphasensysteme haben aufgrund ihrer

Konfigurationen bestimmte Oberschwingungsmerkmale mit fast nur ungeraden Ober-

schwingungen.Oberschwingungen in einem symmetrischen Dreiphasensystem weisen zu-

dem einen einfachen Zusammenhang zwischen der Ordnungszahl und der entsprechenden

Phasenfolge auf. Ähnlich wie die Grundschwingung lassen sich Oberschwingungen in sol-

che mit Positiv-, Negativ- und Null-Sequenz einteilen (Mit-, Gegen- bzw. Nullsysteme). Ta-

belle 3 zeigt das Verhältnis zwischen symmetrischen Komponenten und Ordnungszahlen:

Symmetrische

Komponenten

Mitsystem

(+)

Gegensystem

(-)

Nullsystem

(unipolar)

Ordnungszahl

1 2 3

4 5 6

7 8 9

10 11 12

… … …

3k+1 3k+2 3k+3

k=0,1,2,3,…

Tabelle 3 – Symmetrische Komponenten

Oberschwingungen mit Positivsequenz (4., 7., 10., …) haben die gleiche Phasenfolge

wie die Grundkomponente. Diese Oberschwingungen zirkulieren zwischen den Phasen.

Oberschwingungen mit Negativsequenz (2., 5., 8., …) haben die entgegengesetzte Pha-

senfolge bezogen auf die Grundkomponente. Diese Oberschwingungen zirkulieren zwi-

schen den Phasen. Oberschwingungen mit Nullsequenz (3., 6., 9., …) erzeugen kein

Drehfeld. Sie zirkulieren zwischen der Phase und dem Neutralleiter bzw. Masse. Im Gegen-



satz zu Positivsequenz- oder Negativsequenz-Oberschwingungsströmen heben sich Ober-

schwingungen dritter Ordnung oder Nullsequenz-Oberschwingungen nicht auf, sondern

summieren sich im Neutralleiter.

Abbildung 5 – Triplen-Oberschwingungen im Neutralleiter



Oberschwingungsstrom, -spannung

und -impedanz

Nahezu jedes Einzelgerät kann ein Erzeuger für Oberschwingungsströme sein. Welches

Gerät welche Stromverzerrung erzeugen kann, wird im Abschnitt über lineare und nichtline-

are Lasten erläutert. Neben den individuellen Oberschwingungsströmen ist in der Regel

auch die gesamte harmonische Verzerrung (total harmonic distortion, THD) am Verknüp-

fungspunkt (point of common coupling, PCC) zu analysieren. Es ist also wichtig, die Interak-

tion zwischen Strom und Spannung zu verstehen, wenn man sich mit der Oberschwin-

gungsproblematik befasst und insbesondere, wenn eine Lösung gefunden werden soll, mit

der sich Oberschwingungen reduzieren lassen. Wie sich Oberschwingungsströme in einem

Stromversorgungssystem verbreiten und welche Spannungsverzerrungen die Folge sind,

hängt von den Eigenschaften der Oberschwingungserzeuger sowie den Eigenschaften aller

Geräte ab, die an das elektrische Netz angeschlossen sind, welches analysiert werden soll.

Die Auswirkungen von Impedanzen sind relativ schnell erklärt. Wenn nichtlineare Ströme

durch ein elektrisches System und Übertragungsleitungen fliessen, erzeugen die Impedan-

zen zusätzliche Spannungsabfälle. Dieser Zusammenhang ist als ohmsches Gesetz (U=Z*I)

bekannt. Die Addition der Oberschwingungsströme einzelner Geräte ist komplexer, da die

Gesamt-Oberschwingungsverzerrung des Stroms auch von der Phasenverschiebung zwi-

schen den unterschiedlichen Strömen gleicher Frequenz beeinflusst wird. Diese Phasen-

verschiebung kann bei nahezu Null oder nahe 180 Grad liegen und das Additionsergebnis

massiv beeinflussen. Die Interpretation von Oberschwingungsströmen sollte daher Spezia-

listen überlassen werden. Hohe Oberschwingungsströme in einem Kabel nahe einem Gerät

bedeuten nicht automatisch, dass die Oberschwingungen tatsächlich von diesem Gerät er-

zeugt werden. Unter Umständen ist das Gerät sogar selbst «Opfer» einer erheblichen

Spannungsverzerrung, die von einem anderen Gerät verursacht oder aus dem Netz «impor-

tiert» wurde.



Netzqualität bei Oberschwingungsverzerrung

Anhand folgender Gleichung lassen sich Oberschwingungskomponenten grundsätzlich als

Prozentzahl der Grundschwingung (%fund) oder des Effektivwerts (%r) des Gesamtstroms

darstellen:

wobei

..Amplitude der Stromschwingung n,

…Amplitude des Grundschwingungsstroms (oder Effektivwert des Gesamtstroms)

Dieser Ansatz ist auch auf Oberschwingungsspannungen anwendbar.

Total Harmonic Distortion (THD) bzw. gesamte harmonische Verzerrung ist eine häufig

verwendete Angabe, um den Oberschwingungsgehalt in Signalen zu quantifizieren. Sie gibt

das Verhältnis des Effektivwertes aller Oberschwingungen zum Effektivwert der Grund-

schwingung an. Der THD-Wert wird sowohl in Nieder-, Mittel- als auch Hochspannungssys-

temen benutzt. Üblicherweise wird die Verzerrung des Stroms als THDi und die Verzerrung

der Spannung als THDu angegeben.

Total Harmonic Current (THC) bzw. gesamter Oberschwingungsstrom ist eine Angabe,

um den Gesamteffektivwert der Oberschwingungsströme der Ordnungen 2 bis 40 zu quanti-

fizieren, die zu einer Verzerrung der Stromkurve beitragen. Dieser Wert ist besonders hilf-

reich, um die erforderlichen Eigenschaften zur Auswahl eines effizienten aktiven Ober-

schwingungsfilters zu bestimmen:

√∑

Total Harmonic Distortion of Current (THDi) bzw. gesamte harmonische Verzerrung des

Stroms gibt das Ausmass der Verzerrung des Stromes an. Der Wert ist definiert als Quoti-

ent (in %) des Effektivwertes der Oberschwingungsströme im Verhältnis zum Grundschwin-

gungsstrom, ermittelt an einem Lastpunkt zum genauen Zeitpunkt der Messung. Typi-

scherweise wird die geometrische Summe aller Strom-Oberschwingungsanteile in Bezug

auf den Grundschwingungsstrom bis einschliesslich der 40. Oberschwingung berechnet:

√∑

( )

√

( )

Alle durch die Lasten im Netzwerk erzeugten Oberschwingungsströme müssen durch Im-

pedanzen (Transformatoren, Drosseln etc.) und alle weiteren parallelen Zweige fliessen. An

den Impedanzen kommt es zu nichtlinearen Spannungsfällen. Die so erzeugten Ober-



schwingungsspannungen verbreiten sich über das gesamte Netz und verursachen an ande-

ren Geräten Verzerrungen der Versorgungsspannung. Die harmonische Verzerrung des

Stroms (THDi) ist also eine Ursache für die Verzerrung der Spannung (THDu).

Total Harmonic Distortion of Voltage (THDu) bzw. gesamte harmonische Verzerrung der

Spannung gibt das Ausmass der Verzerrung der Versorgungsspannung an. Der Wert ist de-

finiert als Quotient (in %) des Effektivwertes der Spannungsoberschwingungen im Verhält-

nis zum Effektivwert der Grundschwingung. Typischerweise wird die geometrische Summe

aller Spannungsoberschwingungsanteile bis einschliesslich zur 40. Oberschwingung bezo-

gen auf den Effektivwert der Grundschwingung berechnet:

√∑

( )

√

Ein niedriger THDu-Wert ist im Allgemeinen Synonym für eine gute Spannungsqualität.

Total Demand Distortion (TDD): Speziell in Nordamerika findet man fast immer auch die-

sen Begriff im Zusammenhang mit Oberschwingungen. Im Gegensetz zum THDi, bei dem

sich der Oberschwingungsgehalt auf den Grundschwingungsanteil des Strom-Nennwertes

bezieht, gibt der TDD das Verhältnis zwischen den gemessenen Stromoberschwingungen

zum Grundschwingungsstrom unter Volllastbedingungen an. Der Grundschwingungsstrom

unter Volllast ist der gesamte oberschwingungsfreie Strom, der von allen Lasten im System

verbraucht wird, wenn das System unter Volllast steht. Damit ist TDD der THD des Stroms

(bei einem 15- oder 30-minütigen Messintervall), normiert auf den maximal auftretenden

Laststrom. Der TDD darf dem THDi nur unter Volllastbedingungen gleich gesetzt werden.

√∑

√

wobei = Maximallaststrom.

Gewichtete Oberschwingungs-Teilverzerrung (PWHD) ist der Quotient des Effektivwertes des

Stroms oder der Spannung, gewichtet mit der Ordnungszahl n einer ausgewählten Gruppe von

Oberschwingungen höherer Ordnungen (von 14 bis 40) bezogen auf den Effektivwert der Grund-

schwingung.

√∑

( ) oder

√∑

( )



Leistungsfaktor und Blindleistung

In einem dreiphasigen System sind die Spannungsschwingungen der Phasen gegeneinan-

der um 120° verschoben. Wird jeder Aussenleiter gleich belastet, ergibt sich ein Stromwert

von Null im Neutralleiter. Bei Belastung des Netzwerkes durch Oberschwingungsströme

addieren sich die Oberschwingungen der durch drei teilbaren Ordnung im Neutralleiter.

Dadurch kann der Strom im Neutralleiter um ein bis zu Dreifaches grösser als in jedem der

Aussenleiter werden. Der Leistungsfaktor ist ein Parameter, der von Netzrückwirkungen wie

Oberschwingungsverzerrung oder Unsymmetrie beeinflusst werden kann. Er verschlechtert

sich mit fortschreitender Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und mit zu-

nehmender Verzerrung der Stromkurve. Er ist definiert als Quotient aus dem Betrag der

Wirkleistung und Scheinleistung

und ist somit ein Mass für die Effizienz, mit der eine

Last Energie nutzt. In einem elektrischen Stromversorgungssystem nimmt eine Last mit ho-

hem Leistungsfaktor bei der gleichen Menge an übertragener Nutzleistung also weniger

Leistung auf als eine Last mit niedrigem Leistungsfaktor und hat letztendlich auch einen hö-

heren Wirkungsgrad. Da sich bei Oberschwingungsbelastung kein einheitlicher Phasenver-

schiebungswinkel angeben lässt, dürfen der Leistungsfaktor λ und der häufig verwendete

Wirkfaktor nicht gleichgesetzt werden. Ausgehend von der Formel

, wobei Grundschwingungseffektivwert des Stroms, I = Gesamtef-

fektivwert des Stroms, g1 = Grundschwingungsgehalt des Stroms und = Verschie-

bungsfaktor, erkennt man, dass nur bei sinusförmiger Spannung und Strom (g=1) der Leis-

tungsfaktor λ gleich dem Verschiebungsfaktor ist. Somit ist ausschliesslich bei

sinusförmigen Strömen und Spannungen der Leistungsfaktor λ gleich dem Kosinus des

Phasenverschiebungswinkels φ und wird definiert als

Wirkfaktor. Ein schlechter

Leistungsfaktor ist gewöhnlich auf nichtlineare Lasten zurückzuführen.

Blindleistung – Versorgungsbetriebe transportieren über ihre Versorgungsnetze Energie

vom Erzeuger zum Verbraucher. Die Leistung in einer elektrischen Anlage entspricht der

Menge der Energie, die durch einen bestimmten Punkt in der Anlage fliesst. In Wechsel-

stromkreisen können Energiespeicherelemente wie z.B. Induktivitäten und Kapazitäten eine

periodische Umkehrung des Energieflusses verursachen. Der Teil der Leistung, der, gemit-

telt über einen kompletten Wechselspannungszyklus, einen Nettoenergiefluss in eine Rich-

tung erzeugt, wird als Wirkleistung bezeichnet. Der Anteil der durch Speicherenergie er-

zeugten Leistung, welche in jedem Zyklus zur Quelle zurückfliesst, wird als Blindleistung

bezeichnet. Blindleistung wird zum Aufbau des Magnetfeldes von Maschinen benötigt. Doch

überträgt die Blindleistung keine Energie, sondern verursacht Blindarbeitskosten sowie

Übertragungsverluste. Der Blindleistungsbedarf sollte daher möglichst klein gehalten wer-

den. Ausgehend von der Entstehung der Blindenergie spricht man von:



I Verschiebungsblindleistung

I Entstehung durch Winkelverschiebung zwischen Strom und Spannung

I Oberschwingungsblindleistung

I Entstehung durch Oberschwingungen in Strom und Spannung

I Modulationsblindleistung

I Entstehung durch periodische Lastfluktuationen

I Unsymmetrie-Blindleistung

I Entstehung durch ein- und zweiphasige Lasten

√

( )

( )

√

Abbildung 6 – Leistung bei Oberschwingungsbelastung



Lineare und nichtlineare Lasten

Lineare Lasten weisen sehr nah aufeinanderfolgende Spannungs- und Stromsignale auf. In

einem Wechselstromkreis bedeutet dies, dass das Anlegen einer Sinusspannung einen Si-

nusstrom erzeugt. Da sich die Momentanspannung über die Sinusperiode ändert, steigt und

fällt der Momentanstrom proportional zur Spannung, und die Stromkurve wird ebenfalls si-

nusförmig. Dieses Verhalten der Spannung und des Stroms lässt sich anhand des ohm-

schen Gesetzes erklären. Es besagt, dass der Strom, der durch einen Widerstand fliesst,

welcher von einer Wechselspannungsquelle gespeist wird, gleich dem Verhältnis zwischen

Spannung und Widerstand ist:

( ) ( )

Gäbe es in einem elektrischen Netz nur lineare Lasten, wäre die Berechnung der Span-

nungs- und Stromschwingungen einfach. Auch die Leistung liesse sich einfach aus dem

Produkt der beiden Grössen Spannung und Strom errechnen. Tabelle 4 führt einige lineare

Lasten auf. Man sieht, dass Lasten, bei denen die beiden Schwingungen phasengleich sind

(ohmsche Last), aber auch Lasten mit voreilendem Spannungsverlauf (induktive Last) oder

voreilendem Stromverlauf (kapazitive Last) als linear gelten, denn es ist keine Verzerrung

der Schwingungsform erkennbar, auch wenn die Strom und Spannung phasenverschoben

sind.

Ohmsche Lasten Induktive Lasten Kapazitive Lasten

Glühlampen

Induktionsmotoren

Blindstromkompensation

(Leistungsfaktorkorrektur, PFC)

Elektroheizer Induktionsgeneratoren

Tabelle 4 – Lineare Lasten

Die Erklärung für lineare Lasten führt direkt zu der für nichtlineare Lasten. Eine Last gilt als

nichtlinear, wenn der von der Last aufgenommene Strom nicht sinusförmig ist, auch wenn

er mit einer Sinusspannung verbunden ist. Daher kann das Verhältnis von v und i nicht

mehr anhand des ohmschen Gesetzes beschrieben werden, denn der Widerstand der Last

ist keine konstante Grösse, und der Strom ändert sich während jeder Sinusschwingung der

angelegten Spannung, wodurch eine Reihe positiver und negativer Pulse entsteht. Dieser

nichtlineare Strom enthält Frequenzkomponenten, die Vielfache der Frequenz des Strom-

versorgungssystems sind. Diese Oberschwingungsströme wirken mit der Impedanz im

Stromversorgungssystem zusammen und erzeugen eine Spannungsverzerrung, die Aus-

wirkungen auf das Stromversorgungssystem und die damit verbundenen Lasten haben

kann. Kapitel 4 widmet sich diesen Auswirkungen ausführlich. Zu nichtlinearen Lasten in ei-

nem Stromversorgungssystem zählen typischerweise Gleichrichter, beispielsweise in Netz-

teilen, oder Bogenentladungsgeräte wie Leuchtstofflampen, elektrische Schweissanlagen

oder Lichtbogenöfen. Die bei weitem gebräuchlichsten Lasten in modernen Stromversor-

gungssystemen sind energieeffiziente Frequenzumrichter und Schaltnetzteile. Diese soge-

nannte Leistungselektronik mit nicht-sinusförmigen Strömen wird heutzutage am häufigsten



eingesetzt. Die Verwendung rein linearer Lasten ist sehr stark zurückgegangen. Tabelle 5

führt einige nichtlineare Geräte auf.

Leistungselektronik Bogenentladungsgeräte

Frequenzumrichter Schweissanlagen

Schaltnetzteile Leuchtstofflampen

Batterie-Ladesysteme Lichtbogenöfen

IT-Anlagen

USV

Tabelle 5 – Nichtlineare Lasten

Quellen:

(1) IEEE Std. 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic

Control in Electric Power Systems.

(2) Baggini, A., Handbook of Power Quality, Wiley, New York, 2008.

(3) International Standard IEC 61000-4-7:2002 ed. 2.0 Electromagnetic compatibility (EMC)

– Part 4-7: Testing and measurement techniques –General guide on harmonics and

interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and

equipment connected thereto

(4) Arrillaga, J. and Watson, N., Power Systems Harmonics, 2nd ed., Wiley, New York,

2003.



KAPITEL 2

Quellen für Oberschwingungen



Einführung

Oberschwingungsströme sind im Prinzip eine Folge des nichtlinearen Verhaltens von

elektrischen Geräten. In Stromversorgungssystemen gibt es zahlreiche Quellen für Ober-

schwingungsströme und die damit verbundenen Oberschwingungsspannungen. Sie unter-

scheiden sich in ihrer Grösse (wenige KVA bis hin zu mehreren MVA) und Bedeutung. Frü-

her gehörten Geräte mit magnetischem Eisenkern, wie Transformatoren, Generatoren oder

Elektromotoren, zu den wichtigsten Erzeugern von Oberschwingungen, ebenso wie Licht-

bogenöfen und -schweissanlagen. Heute muss auch der Bedarf an energieeffizienten Gerä-

ten erfüllt werden, und so gelten die Leistungselektronik und die zugehörigen Anlagen als

wichtigste Quelle für Oberschwingungen. Neben herkömmlichen Lasten in industriellen An-

wendungen mit Anlagen, die Oberschwingungen erzeugen, sind heute auch Geschäfts- und

Wohnhäuser ernstzunehmende Quellen für Oberschwingungen. Dies gilt besonders dann,

wenn man die Auswirkungen aller Einzellasten, die von derselben Stromversorgung ge-

speist werden, in der Summe betrachtet.

Die Oberschwingungsspektren dieser nichtlinearen Lasten sind unterschiedlich, lassen sich

jedoch mit etwas Erfahrung und Fachwissen identifizieren. Daher sollte man sich mit den

Charakteristika der verschiedenen Kurvenverzerrungen, die durch bestimmte Oberschwin-

gungsquellen erzeugt werden, befassen. Diese Kenntnis ist unabdingbar, wenn Methoden

zur Reduzierung oder Beseitigung von Oberschwingungen eingeführt werden sollen. Die

nachfolgenden Kapitel geben einen kurzen Überblick über die wichtigsten Erzeuger von

Oberschwingungen.



Oberschwingungserzeuger mit magneti-

schem Eisenkern

Transformatoren

Das Verhältnis zwischen der Primärspannung und dem Strom eines Transformators ist als

Magnetisierungskurve bekannt. Diese Kurve ist erkennbar nichtlinear, besonders im Sätti-

gungsbereich. Ein Transformator stellt somit bei normalen Arbeitsbedingungen keine ernste

Quelle für Oberschwingungen dar. Bei einem Transformator im Kernsättigungszustand

steigt jedoch der Oberschwingungsgehalt erheblich und weist verschiedene ungerade

Oberschwingungen auf, wobei die dritte dominant ist. Dieser Zustand kann im Betrieb ober-

halb der Nennleistung (gewöhnlich während Belastungsspitzen) oder oberhalb der Nenn-

spannung auftreten, wenn die Spannung den Nennwert überschreitet (meist unter Teillast-

bedingungen), oder durch das Schalten grosser Blindleistungslasten (PFC) verursacht

werden. Die Ursache für den höheren Oberschwingungsgehalt im Sättigungsbereich lässt

sich leicht anhand der Magnetisierungskurve eines Transformators wie in Abbildung 7 dar-

gestellt erkennen. Ein leichter Spannungsanstieg um den nominellen Betriebspunkt des

Transformators verursacht einen leichten Anstieg des Magnetisierungsstroms. Liegt die

Spannung aber über der Nennspannung, führt schon ein leichter Anstieg zu einem hohen

Anstieg des Magnetisierungsstroms.

Abbildung 7 – Magnetisierungskurve eines Transformators



Generatoren und Motoren

Motoren können wie Transformatoren Oberschwingungen erzeugen, da auch sie ein Mag-

netfeld aufbauen müssen. Die Magnetisierungskurve eines Motors ist tatsächlich linearer

als die eines Transformators; daher ist ihr Oberschwingungsgehalt nicht von Bedeutung.

Nur sehr grosse Motoren können mässige Oberschwingungen erzeugen. Generatoren er-

zeugen aufgrund der räumlichen Verteilung der Statorwicklungen wahrnehmbare Span-

nungsoberschwingungen, weil eine andere Anordnung der Wicklungen kaum praktikabel

und vor allem nicht wirtschaftlich wäre. Generatoren erzeugen in der Regel eine dominante

Spannungsoberschwingung der 3. Ordnung, was zu Stromoberschwingungen der 3. Ord-

nung führt.



Lichtbogenöfen und -schweissanlagen

Die meisten Lichtbogenöfen und -schweissanlagen verbrauchen sehr viel Leistung. Dies

sowie ihre nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik sind die Ursache für eine erhebli-

che Oberschwingungsverzerrung, die an einem «normalen» Verknüpfungspunkt mit «nor-

maler» Kurzschlussleistung noch gravierender ist. Aus technischer Sicht arbeiten Lichtbo-

genöfen in verschiedenen Phasen (Schmelzen, Frischen, Affinieren) mit unterschiedlichen

Oberschwingungspegeln. Darüber hinaus kommt es aufgrund von zufälligen Änderungen

des Lichtbogens zu Zündverzögerungen und Spannungsschwankungen. Diese technischen

Gegebenheiten führen zu einem relativ ungewöhnlichen Oberschwingungsspektrum mit ge-

raden und ungeraden Vielfachen der Grundfrequenz. Zudem steigen und sinken diese Fre-

quenzen sehr schnell.

Abbildung 8 – Oberschwingungsstromspektrum eines Lichtbogenofens

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Ob

ers

ch

win

gu

ng

en

(%

)



Leistungselektronik und elektronische Geräte

Schaltnetzteile

Schaltnetzteile finden sich in den meisten modernen Elektrogeräten. Die Bezeichnung leitet

sich vom DC-DC-Schaltgleichrichter ab, der die ungeregelte Eingangsgleichspannung in ei-

ne geregelte Ausgangsgleichspannung wandelt. Wie schon die älteren linearen Netzteile

wandeln auch Schaltnetzteile ungeregelte AC- oder DC-Eingangsspannung in eine geregel-

te DC-Ausgangsspannung. Wenn die Versorgung über das Wechselstromnetz erfolgt, wird

die Spannung zunächst mithilfe eines Kondensators am Gleichrichterausgang gleichgerich-

tet und gefiltert. Dieser Ansatz ist hinsichtlich Grösse, Gewicht und Kosten sehr wirtschaft-

lich und eignet sich für nahezu jede Applikation. Der wesentliche Unterschied zu älteren li-

nearen Netzteilen ist, dass Schaltnetzteile Stromimpulse statt Dauerstrom aufnehmen.

Diese Impulse enthalten grosse Anteile an Oberschwingungen der dritten Ordnung oder

höher. Eine typische Kurvenform und das daraus entstehende Oberschwingungsspektrum

sind in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines Schaltnetzteils

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter verwenden statische Gleichrichter basierend auf einer dreiphasigen

Brücke. Diese wird auch als sechspulsige Brücke oder kurz B6-Brücke bezeichnet. Die glei-

che Technologie findet auch in USV-Geräten oder AC/DC-Wandlern Anwendung, z.B. in

Solarinvertern. Die Bezeichnung B6 leitet sich ab von den sechs Spannungsimpulsen je

Zyklus, d.h. ein Impuls je Halbzyklus je Phase. Da das Oberschwingungsspektrum gewöhn-

lich in Bezug zu der Pulszahl der nichtlinearen Last steht, erzeugt eine B6-Brücke Stro-

moberschwingungen der Ordnungen, also 5. und 7., 11. und 13., 17. und 19. etc.,

d.h. sogenannte Paare mit Vielfachen von 6 plus oder minus 1. Wie bereits erläutert, hängt

das Oberschwingungsspektrum von der Pulszahl ab. Demnach ergeben sich unterschiedli-

che Oberschwingungsspektren, wenn ein 12- oder ein 18-Puls-Gleichrichter verwendet

wird. Tabelle 6 stellt diesen Zusammenhang dar. Abbildung 10 zeigt eine typische Kurven-

form sowie das resultierende Oberschwingungsspektrum eines Frequenzumrichters.

0

20

40

60

80

100

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49

Ob

ers

ch

win

gu

ng

en

(%

)



Pulszahl Formel Mögliche Oberschwingungen

n ( )

2 ( ) 2,3,4,5,6,7, … (alle)

6 ( ) 5,7,11,13,17,19,… (ungerade)

12 ( ) 11,13,23,25,35,37, … (ungerade)

18 ( ) 17,19,35,37, … (ungerade)

24 ( ) 23,25,47,49, … (ungerade)

p…Anzahl der Pulse, n…ganze Zahl (1,2,3…), h…Ordnungszahl

Tabelle 6 – Pulse und Oberschwingungsspektren

Abbildung 10 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines B6-Frequenzumrichters



Geschäfts- und Wohnhäuser

Nach einer Studie der Europäischen Union werden ca. 40 % der gesamten produzierten

elektrischen Energie für die Versorgung von Wohn- und Geschäftshäusern genutzt. Dazu

zählen Appartements, Bürogebäude, Krankenhäuser, Hotels, Theater, Schulen und Sport-

anlagen. Die Systeme und Ausstattungen mögen sich von Gebäude zu Gebäude unter-

scheiden, aber all diese Infrastrukturen haben eines gemeinsam: Die effiziente und be-

darfsgerechte Energienutzung ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch ein absolutes

Muss. Die Schonung von Ressourcen und der Umwelt hat mittlerweile denselben hohen

Stellenwert wie die technische Zuverlässigkeit von Geräten, Anlagen und Systemen. Solche

Ziele können durch die Nutzung von modernen Produkten der Gebäudesystemtechnik er-

reicht werden, z.B. Dimmer, Timer, Bewegungs- und Präsenzmelder, Schalter, Thermosta-

te, Heizungssteuerungen, drehzahlgeregelte Antriebe für HLK-Anlagen, Pumpen, Lüfter und

Motoren, unterstützt durch intelligente und vernetzte Raum- und Gebäudesteuerung. Eine

positive Energiebilanz kann aber nur dann gezogen werden, wenn auch die Rückwirkungen

der eingesetzten Systemtechnik weitestgehend kompensiert werden. Das heisst, es werden

Produkte und Lösungen benötigt, die zuverlässig und effizient mit den komplexen Mischlas-

ten der Gebäudetechnik umgehen können. Die typischen Lasten in der Gebäudetechnik

sind Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik (HLK-Technik), Innen- und Aussenbeleuchtung,

Kommunikationstechnik (Telefon, Faxgeräte, Netzwerktechnik), Lift- und Aufzugstechnik,

Rolltreppen, Büromaschinen (Computer, Monitore, Kopierer), Gebäudeautomatisierungs-

systeme, Medizintechnik, audiovisuelle Entertainmentsysteme sowie Sicherheitssysteme

(Einbruch, Feuer, Rauch, Gas und Wasserschaden). Die Folge sind komplizierte Mischlast-

Verhältnisse, da verschiedenartige und zahlreiche Quellen immer mehr Oberschwingungs-

spektren erzeugen, die weder eindeutig noch einfach zu analysieren sind. Der zunehmende

Einsatz empfindlicher Elektronikprodukte – Computer, Multimedia oder Digitalkommunikati-

on – macht diese Problematik noch komplexer. Nicht zuletzt muss auch die gesamte Band-

breite der erneuerbaren Energien betrachtet werden. Photovoltaik, Wind oder Erdgas spie-

len bereits eine wichtige Rolle hinsichtlich des Leistungsbedarfs in Gebäuden und

verursachen ihrerseits selbst eine Zusatzbelastung durch Oberschwingungen.

Quellen:

(1) Phipps, Clarence A., Variable Speed Drives Fundamentals, Prentice Hall, 1999



2003.

(4) Schaffner Gruppe, Clean Grids for modern buildings, Luterbach, 2012



KAPITEL 3

Auswirkungen von Ober-schwingungen



Einführung

Die Oberschwingungsbelastung von Netzwerkinfrastrukturen samt ihrer elektrischen und

elektronischen Verbraucher ist in den vergangenen Jahren drastisch gestiegen. Weltweit

gibt es eine deutliche Tendenz: Je mehr Leistungselektronik zum Einsatz kommt, desto hö-

her die Spannungsverzerrung. Andererseits ist für einen zuverlässigen und effizienten Be-

trieb aller Geräte eine sehr hohe Netzqualität (Power Quality) unabdingbar. Anders ausge-

drückt ist die Empfindlichkeit von Geräten gegenüber Strom- und Spannungsverzerrungen

in dem Masse gestiegen, wie diese Geräte Oberschwingungsverzerrungen erzeugen. Die

meisten Anlagen sind so konstruiert, dass sie bei (nahezu) sinusförmiger Spannung / Strom

effizient arbeiten. Da die Realität jedoch anders aussieht, sollte man sich auf jeden Fall mit

den Auswirkungen von Oberschwingungen und deren Tragweite auseinandersetzen.

Um die Auswirkungen von Oberschwingungen allgemein zu beschreiben, ist eine Einteilung

nach Dauer sinnvoll, z.B. kurz- oder langzeitige Auswirkungen. Kurzzeitauswirkungen von

Oberschwingungen sind Ausfälle oder Fehlfunktionen von Geräten, die einer hohen Ober-

schwingungsverzerrung ausgesetzt sind. Die Langzeitauswirkungen von Oberschwingungen

sind thermischer Natur. Oberschwingungen verursachen einen Anstieg der Temperatur im

elektrischen Netz und in den Anlagen. Höhere Temperaturen in elektrischen oder elektroni-

schen Geräten und Maschinen, Kabeln und Transformatoren bedeuten nicht nur höhere Ver-

luste, sondern auch viel kürzere Lebenszeiten. Das nachfolgende Kapitel beschreibt Beispiele

für die Auswirkungen von Oberschwingungen auf verschiedene Parameter und Betriebsmittel.

Leistungsfaktor

Der Leistungsfaktor (power factor, PF) ist ein Parameter, der von Netzrückwirkungen wie

Oberschwingungsverzerrung oder Unsymmetrie beeinträchtigt werden kann. Er verschlech-

tert sich mit fortschreitender Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und mit

zunehmender Verzerrung der Stromkurve. Er ist definiert als Quotient aus dem Betrag der

Wirkleistung und Scheinleistung

und somit ein Mass für die Effizienz, mit der eine

Last Energie nutzt. In einem elektrischen Stromversorgungssystem nimmt - bei der gleichen

Menge an übertragener Nutzleistung - eine Last mit hohem Leistungsfaktor weniger Strom

auf als eine Last mit einem niedrigen Leistungsfaktor und hat somit auch einen höheren

Wirkungsgrad. Da sich bei Oberschwingungsbelastung kein einheitlicher Phasenverschie-

bungswinkel angeben lässt, dürfen der Leistungsfaktor λ und der häufig verwendete Wirk-

faktor nicht gleichgesetzt werden. Ausgehend von der Formel

, wobei Grundschwingungseffektivwert des Stroms, I = Gesamteffektivwert

des Stroms, g1 = Grundschwingungsgehalt des Stroms und = Verschiebungsfaktor

ist, erkennt man, dass nur bei sinusförmiger Spannung und Strom (g=1) der Leistungsfaktor

λ gleich dem Verschiebungsfaktor ist. Somit ist ausschliesslich bei sinusförmigen

Strömen und Spannungen der Leistungsfaktor λ gleich dem Kosinus des Phasenversatz-

winkels φ und wird definiert als

Wirkfaktor. Ein schlechter Leistungsfaktor ist

gewöhnlich auf nichtlineare Lasten zurückzuführen.



Aussenleiter und Neutralleiter

In einem dreiphasigen System sind die Spannungsschwingungen der Phasen gegeneinan-

der um 120° verschoben. Wenn jeder Aussenleiter gleich belastet wird, wird der Summen-

strom im Neutralleiter zu Null. Bei Belastung des Netzwerkes durch Oberschwingungsströ-

me addieren sich die Oberschwingungen der durch drei teilbaren Ordnung im Neutralleiter.

Dadurch kann der Strom im Neutralleiter um ein bis zu Dreifaches höher als in jedem der

Aussenleiter werden. Zudem kann das Vorhandensein von Oberschwingungen im Strom

letztendlich zu einer Überlastung sowohl des Aussenleiters als auch des Neutralleiters füh-

ren; auch ist die Temperatur in den Kabeln weit höher als unter Idealbedingungen. Dies

kann zu einer Überhitzung der Kabel und schlimmstenfalls zu Brand führen.

Transformatoren

Transformatoren versorgen alle linearen und nichtlinearen Lasten. Sie können durch Ober-

schwingungen auf verschiedene Weise beeinträchtigt werden, zu nennen sind hier zusätzli-

che Verluste sowie Triplen-Oberschwingungen. Die Verluste werden durch magnetische

Streuverluste im Kern sowie Wirbelstromverluste in den Wicklungen verursacht. Da Wir-

belstromverluste quadratisch proportional der Frequenz sind, spielen sie beim Vorhanden-

sein von Oberschwingungen eine wichtige Rolle. Diese zusätzlichen Verluste erzeugen

mehr Wärme, wodurch die Lebensdauer der Transformatorisolierung erheblich verkürzt

wird. Besonders in industriellen Anwendungen mit primär nichtlinearen Lasten können

Transformatoren aufgrund hoher Oberschwingungsverzerrungen häufig nicht im Nennleis-

tungsbereich betrieben werden.

In Niederspannungsverteilsystemen werden Transformatoren meist in einer Stern-Dreieck-

Schaltung miteinander verbunden. Transformatoren in einer Stern-Dreieck- oder Delta-

Delta-Schaltung verhindern Neutralleiterströme (Triplen-Oberschwingungen). Diese Ströme

sind alle in Phase und zirkulieren in den Wicklungen. Dadurch steigt der Effektivwert des

Stroms, und es wird zusätzliche Wärme erzeugt. Diese Effekte sind bei der Transformato-

rauslegung unbedingt zu berechnen und zu beachten.

Motoren und Generatoren

In Motoren und Generatoren führen Oberschwingungen zu zusätzlichen Leistungsverlusten

und somit zu einem erheblichen Temperaturanstieg in den Geräten. Grund dafür ist der Ef-

fektivwiderstand, der bei höherer Frequenz ansteigt. Infolgedessen verursacht eine Strom-

verzerrung aufgrund von Oberschwingungen höhere Verluste in den Wicklungen und somit

stärkere Wärmeentwicklung.

Ein weiterer Effekt, der grösstenteils Oberschwingungen mit Negativsequenz geschuldet ist

(siehe Kapitel 1), sind magnetomotorische Kräfte unterschiedlicher Frequenzen, die gegen

das normale Motorenwellen-Drehmoment arbeiten. Dies kann stärkere Vibrationen, eine

Abnutzung der Lager und letztendlich frühzeitige Anlagenausfälle verursachen.



Elektrische und elektronische Betriebsmittel

Diese Betriebsmittel sind eher Erzeuger von Oberschwingungen als deren «Opfer». Den-

noch sind elektrische und besonders elektronische Geräte bekanntermassen empfindlich

gegenüber Oberschwingungsverzerrungen. Die Folgen sind meist ungewollter, unsicherer

Betrieb oder Fehlfunktionen verursacht durch Oberschwingungen, darunter:

I Nulldurchgangsstörungen

I Anstieg der maximalen Versorgungsspannung aufgrund von Oberschwingungen

I Fehlerinterpretation digitaler Signale durch Störungen aufgrund von Oberschwingungen

I Fehlerhafter Betrieb oder Ausfall von IT-Anlagen einschliesslich Datenverlust und Ab-

schaltungen

I Fehlfunktionen von Schutzbauteilen durch Störungen aufgrund von Oberschwingungen

Blindleistungskompensation (PFC)

In der Regel sind Belastungen aufgrund von übermässiger Spannung, Strom, Temperatur

und Leistung die Grundursache für den dielektrischen Durchschlag bei Kondensatoren.

Diese Faktoren sind bekannt, und Kondensatorbank-Hersteller stellen meist Daten zu den

zulässigen Überlastfaktoren zur Verfügung. Doch Oberschwingungen haben auch Auswir-

kungen auf Kondensatoren zur Leistungsfaktorkorrektur. Bei einem Anstieg der Spitzen-

spannung aufgrund von hohen Oberschwingungen wird das Dielektrikum zusätzlich belas-

tet, was zu einer Teilentladung in der Isolierung (Kurzschluss innerhalb der Folie) und

letztendlich zu bleibenden Schäden am Kondensator führen kann. Häufiger jedoch lassen

sich Kondensatorprobleme durch Oberschwingungen auf den Strom zurückführen. Da die

Kapazität umgekehrt proportional zur Frequenz ist, sinkt die Impedanz bezüglich der Span-

nungsoberschwingung bei steigender Ordnungszahl. Somit absorbiert ein Kondensator

beim Vorhandensein von Spannungsoberschwingungen viel höhere Ströme. Eine Span-

nungsverzerrung kann demnach bewirken, dass von einem Kondensator Strom aufgenom-

men wird, was letztendlich zusätzliche Verluste und vorschnelles Altern der Isolierung be-

deutet und unter Umständen zu ernsten und permanenten Schäden am Kondensator führen

könnte. Noch gravierender werden die oben beschriebenen Auswirkungen, wenn sie durch

Parallel- oder Serienresonanz verstärkt werden.



Schutzschalter

Fehlauslösungen sind das Hauptproblem, das Oberschwingungen bei Schutzschaltern ver-

ursachen. Ein Fehlerstromschutzschalter (FI, RCCB) ist ein elektromechanisches Gerät,

das die Ströme im Aussen- und Neutralleiter addiert. Bewegt sich das Ergebnis nicht inner-

halb der festgelegten Grenzwerte, wird die Last vom Netz getrennt. Wenn Oberschwingun-

gen vorliegen, addiert ein FI-Schalter unter Umständen die höheren Frequenzanteile nicht

richtig und löst daher fehlerhaft aus. Ein weiterer Grund für ein Auslösen steht indirekt in

Zusammenhang mit Oberschwingungen. Die Betriebsmittel, die Oberschwingungen erzeu-

gen, erzeugen auch Schaltstörungen. Diese Störungen müssen am Stromanschluss der

Betriebsmittel herausgefiltert werden. Die entsprechenden Filter haben einen Kondensator

von allen Aussenleitern zum Neutralleiter und zur Masse und leiten so einen kleinen Leck-

strom gegen Masse ab. Dieser Strom ist durch internationale Normen auf weniger als 3,5

mA je Gerät begrenzt und liegt für gewöhnlich weit darunter. Werden solche Betriebsmittel

aber alle an denselben Stromkreis angeschlossen, kann dieser Grenzwert überschritten

werden. Da Fehlauslösungen Produktionsstillstände oder -unterbrechungen und somit Zeit-

aufwand für Neustarts verursachen können, sind sie ernstzunehmende und kostenintensive

Auswirkung von Oberschwingungen.

Quellen:

(1) Effects of Nonlinear Loads on Electrical Circuits and Equipment: Summary of a

symposium, Federal Construction Council, 1991



2003.

(4) Smith, obert L., Herman, Stephen L., Electrical Wiring Industrial, Delmar, 2004



KAPITEL 4

Normen und Standards für Ober-schwingungen



Überblick

Es liegt auf der Hand, warum Normen und Grenzwerte für Oberschwingungen entwickelt

wurden. Oberschwingungen in einem Netz müssen begrenzt werden, wenn eine Span-

nungsqualität mit akzeptablen Verzerrungspegeln geliefert werden soll. Wie bereits be-

schrieben, gilt es, die Einstreuung von Oberschwingungsströmen durch jeden einzelnen

Kunden zu limitieren, so dass keine Spannungsverzerrung im Gesamtsystem verursacht

wird. Für die Aussendung von Oberschwingungen gelten diverse Normen und Vorschriften:

I Emissionsstandards für Betriebsmittel, die Oberschwingungen erzeugen

I Verträglichkeitsnormen für Verteilnetze

I Empfehlungen von Versorgungsbetrieben hinsichtlich Anlagen

Diese Normen werden in den folgenden Kapiteln beschrieben.



Normen für Betriebsmittel

Norm IEC 61000-3-2 für Niederspannungsgeräte mit

einem Nennstrom von bis zu und einschliesslich 16 A

Die Norm IEC 61000-3-2 befasst sich mit Festlegungen für Oberschwingungsströme, die

von elektrischen und elektronischen Geräten mit einem Eingangsstrom <= 16 A je Leiter,

die zum Anschluss an ein öffentliches Niederspannungs-Stromversorgungsnetz vorgesehen

sind, verursacht werden. Die Norm definiert Grenzwerte für die Oberschwingungsanteile

des Eingangsstromes, die von unter definierten Bedingungen geprüften Geräten erzeugt

werden können. Ziel dieser Norm ist es, Grenzwerte für die Oberschwingungsaussendung

von Geräten festzulegen, so dass, unter Berücksichtigung der Emissionen anderer Geräte,

durch Einhalten der Grenzwerte sichergestellt wird, dass die Störpegel aufgrund von Ober-

schwingungen die in der Norm IEC 61000-2-2 spezifizierten Verträglichkeitspegel nicht

überschreiten. Im Kontext der Oberschwingungsstrombegrenzung werden Geräte in 4 Klas-

sen unterteilt:

Klasse A:

I Symmetrische dreiphasige Geräte

I Haushaltgeräte, die nicht in Klasse D sind

I Elektrowerkzeuge, ausgenommen tragbare Elektrowerkzeuge

I Beleuchtungsregler (Dimmer) für Glühlampen

I Audio-Einrichtungen

I Geräte, die nicht in eine der drei folgenden Klasse fallen

Klasse B:

I Tragbare Elektrowerkzeuge

I Nicht professionell genutzte Lichtbogenschweisseinrichtungen

Klasse C:

I Beleuchtungseinrichtungen

Klasse D:

I Nachfolgende Produkte mit einer Leistungsaufnahme von weniger oder gleich 600 W:

I Personalcomputer und PC-Monitore

I Fernsehempfänger (TV) und Rundfunkempfänger

Tabelle 7 zeigt die Grenzwerte für Geräte der Klasse A. Die Grenzwerte beziehen sich auf

fixe Werte für Oberschwingungsströme der 2. bis 40. Ordnung. Für Geräte der Klasse B

lassen sich diese Grenzwerte mit einem Faktor von 1,5 multiplizieren. Tabelle 8 zeigt die

Grenzwerte für Geräte der Klasse C mit einer Wirkleistung von mehr als 25W. Die maximal



zulässigen Oberschwingungsströme werden als Prozentzahl des Grundeingangsstroms an-

gegeben. Für Geräte der Klasse C mit einer Eingangsleistung von weniger oder gleich 25W

gelten entweder die Werte aus Tabelle 8, oder der Oberschwingungsstrom der 3. Ordnung

darf nicht mehr als 86% und der Oberschwingungsstrom der 5. Ordnung nicht mehr als

61% des Grundschwingungsstroms betragen (weitere Einzelheiten entnehmen Sie bitte der

Norm).

Für Geräte der Klasse D werden die Grenzwerte in Tabelle 9 in mA/W angegeben.

Ordnungszahl n Maximal zulässiger Oberschwingungsstrom A

Ungerade

3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15 ≤ n ≤ 39

Gerade

2 1,08

4 0,43

6 0,30

8 ≤ n ≤ 40

Tabelle 7 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse A

Ordnungszahl n

Maximal zulässiger Oberschwingungsstrom angegeben

als Prozentzahl des Grundschwingungsstroms

2 2

3 30* λ (λ… Schaltkreis-Leistungsfaktor)

5 10

7 7

9 5

11 ≤ n ≤ 39 3

(nur ungerade OS)

Tabelle 8 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse C



Ordnungszahl n

Maximal zulässiger Oberschwin-

gungsstrom pro Watt mA/W

Maximal zulässiger

Oberschwingungsstrom A

3 3,4 2,30

5 1,9 1,14

7 1,0 0,77

9 0,5 0,40

11 0,35 0,33

13 ≤ n ≤ 39

Siehe Tabelle 1

(nur ungerade OS)

Tabelle 9 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse D

Norm IEC 61000-3-12 für Niederspannungsgeräte mit

einem Nennstrom von mehr als 16 A und maximal 75 A

Die Norm IEC 61000-3-12 befasst sich mit Anforderungen und Grenzwerten für Ober-

schwingungsströme, die von Geräten und Einrichtungen verursacht werden, die einen Be-

messungsstrom oberhalb 16 A bis maximal 75 A haben und zum Anschluss an das öffentli-

che Niederspannungs-Versorgungsnetz folgenden Typs vorgesehen sind:

I Nennspannung bis 240 V, einphasig, zwei oder drei Leiter

I Nennspannung bis 690 V, dreiphasig, drei oder vier Leiter

I Nennfrequenz 50 Hz oder 60 Hz

Weitere Verteilsysteme sind davon ausgeschlossen. Die in dieser Norm spezifizierten

Grenzwerte sind anwendbar für Geräte bei Anschluss an 230/400V 50Hz Systeme. Die in

den Tabellen angegebenen Grenzwerte für Oberschwingungsströme gelten für alle Lei-

tungsströme, nicht jedoch für den Strom im Neutralleiter. Hat ein Gerät mehrere Nennströ-

me, wird für jede Stromstärke eine Einteilung vorgenommen.

Die Tabellen 10 bis 13 listen die Grenzwerte für Oberschwingungen auf. Geräte, die die

Grenzwerte für Oberschwingungsströme entsprechend einem Kurzschlussverhältnis =

33 einhalten, eignen sich für den Anschluss an jeder Stelle des Verteilsystems. Das Kurz-

schlussverhältnis lässt sich folgendermassen berechnen:

I

( ) für einphasige Geräte

I

( ) für zweiphasige Geräte

I

für alle dreiphasigen Geräte



wobei

= Wert der Dreiphasenkurzschluss-Leistung ermittelt aus der Nenn-Aussenleiter-

spannung und dem Betrag der Aussenleiter-Impedanz Z des Versorgungsnetzes am

Verknüpfungspunkt:

Dabei ist Z die Impedanz des Versorgungsnetzes bei Netzfrequenz.

= kalkuliert auf Basis des Gerätenennstroms wie vom Hersteller definiert und der

Bemessungs-Spannung (einphasig) oder (zwischen zwei Phasen) wie folgt:

I für einphasige Geräte

I für zweiphasige Geräte

I √ für symmetrisch dreiphasige Geräte

I √ für unsymmetrische Dreiphasengeräte, wobei der Höchst-

wert des Effektivstroms ist, der in einer der drei Phasen fliesst

= Eingangsstrom des Geräts wie vom Hersteller definiert und entsprechend auf dem

Leistungsschild des Gerätes gekennzeichnet oder in der Produktdokumentation angege-

ben.

Weiterführende Informationen finden Sie in der Normen-Dokumentation.

Mindest-

wert Zulässiger individueller OS-Strom

%

Zulässige

OS-Parameter %

THC/ PWHC/

33 21,6 10,7 7,2 3,8 3,1 2 23 23

66 24 13 8 5 4 3 26 26

120 27 15 10 6 5 4 30 30

250 35 20 13 9 8 6 40 40

≥350 41 24 15 12 10 8 47 47

Die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung dürfen 16/h % nicht überschreiten. Auch OS oberhalb der

12. Ordnung werden wie die geraden Oberschwingungen in THC und PWHC berücksichtigt.

Eine lineare Interpolation zwischen aufeinanderfolgenden Werten ist zulässig.

= Referenzstrom; = OS-Stromkomponente

Tabelle 10 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für Geräte ausser symmetrischen Dreiphasengeräten



Mindest-


% Zulässige OS-Parameter %

THC/ PWHC/

33 10.7 7.2 3.1 2 13 22

66 14 9 5 3 16 25

120 19 12 7 4 22 28

250 31 20 12 7 37 38

≥350 40 25 15 10 48 46





Tabelle 11 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische Dreiphasengeräte

Tabelle 12 lässt sich auf symmetrische dreiphasige Geräte anwenden, wenn eine der fol-

genden Bedingungen erfüllt wird:

a) Die Oberschwingungsströme der 5. und 7. Ordnung sind während der gesamten Test-

Beobachtungszeit jeweils kleiner als 5% des Referenzstroms.

b) Das Gerät ist so konstruiert, dass der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der

5. Ordnung über die Zeit keinen bevorzugten Wert hat und innerhalb des gesamten In-

tervalls jeden Wert annehmen kann [0°, 360°].

c) Der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der 5. Ordnung bezogen auf die Pha-

sen-Neutralleiter-Grundspannung liegt während der gesamten Test-Beobachtungszeit im

Bereich von 90° bis 150°.

Mindestwert

Zulässiger individueller OS-Strom

% Zulässige OS-Parameter %

THC/ PWHC/

33 10,7 7,2 3,1 2 13 22

≥120 40 25 15 10 48 46





Tabelle 12 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (a,b,c)

Tabelle 13 lässt sich auf symmetrische Dreiphasen-Geräte anwenden, wenn eine der fol-

genden Bedingungen erfüllt wird:

d) Die Oberschwingungsströme der 5. und 7. Ordnung sind während der gesamten Test-

Beobachtungszeit jeweils kleiner als 3% des Referenzstroms.

e) Das Gerät ist so konstruiert, dass der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der 5.

Ordnung über die Zeit keinen bevorzugten Wert hat und innerhalb des gesamten Inter-

valls jeden Wert annehmen kann [0°, 360°].

f) Der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der 5. Ordnung bezogen auf die Pha-

sen-Neutralleiter-Grundspannung ist während der gesamten Test-Beobachtungszeit im

Bereich von 150° bis 210°.



Mindest-


%

Zulässige OS-

Parameter %

THC/ PWHC/

33 10,7 7,2 3,1 2 2 1,5 1,5 1,5 1 1 1 1 13 22

≥250 25 17,3 12,1 10,7 8,4 7,8 6,8 6,5 5,4 5,2 4,9 4,7 35 70

Für gleich 33 dürfen die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung 16/h % nicht überschreiten. Die

Relativwerte aller OS von bis , die oben nicht genannt werden, dürfen 1 % von .nicht überschreiten.

Für ≥ 250 dürfen die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung 16/h % nicht überschreiten. Die

Relativwerte aller OS von bis , die oben nicht genannt werden, dürfen 1 % von .nicht überschreiten.



Tabelle 13 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (d,e,f)



Normen zur Qualität von Verteilnetzen

Norm EN 50160

Die Norm EN 50610 ist das wichtigste Dokument, das sich mit der Netzqualität in Europa

und weiteren Teilen der Welt befasst. Sie charakterisiert die wesentlichen Merkmale der

elektrischen Spannung in öffentlichen Verteilsystemen am Netzanschlusspunkt in öffentli-

chen Nieder- (LV), Mittel- (MV) und Hochspannungs-Wechselstromnetzen (HV) unter nor-

malen Betriebsbedingungen. Die Norm definiert also eine sogenannte Mindestqualität der

Spannung, die dem Benutzer(-gerät) am Verknüpfungspunkt zur Verfügung steht. Diese

Mindestqualität ist erforderlich, damit ein installiertes Gerät einwandfrei funktioniert. Die in

der Norm EN 50610 festgelegten Grenzwerte sind vom Versorger zu garantieren. Doch wie

schon beschrieben, selbst wenn die in EN 50160 genannten Anforderungen erfüllt werden,

bedeutet das für viele Kunden nicht automatisch eine zufriedenstellende Netzqualität und

keine Probleme. Die Norm behandelt Spannungsmerkmale bezüglich Frequenz, Grösse,

Kurvenform und Phasensymmetrie und enthält Definitionen sowie gegebenenfalls Messme-

thoden und Angaben zu Erfüllungsgraden für folgende Eigenschaften der Versorgungs-

spannung:

I Netzfrequenz

I Spannungseinbrüche

I Spannungshöhe, langsame Spannungsänderungen

I Versorgungsunterbrechungen (kurz, lang)

I Schnelle Spannungsänderungen, Flicker

I Spannungsunsymmetrie

I Transiente und netzfrequente Überspannungen

I Frequenz

I Spannungsform (Oberschwingungen)

I Signalspannungen

Die Oberschwingungsspannungsanforderungen unter normalen Betriebsbedingungen sind

für eine Dauer von je einer Woche definiert; 95% der 10-Minuten-Effektivwerte jeder indivi-

duellen Oberschwingungsspannung müssen kleiner oder gleich der Werte in Tabelle 14

sein. Resonanzen können höhere Spannungen für eine einzelne Oberschwingung verursa-

chen. Darüber hinaus muss der THD der Versorgungsspannung (einschliesslich aller Ober-

schwingungen bis zur 40. Ordnung) kleiner oder gleich 8% sein.



Ungerade OS Gerade OS

Nichtvielfache von 3 Vielfache von 3

Ordnung h

Relative

Amplitude

Ordnung h

Relative

Amplitude

Ordnung h

Relative

Amplitude

5 6,0% 3 5,0% 2 2,0%

7 5,0% 9 1,5% 4 1,0%

11 3,5% 15 0,5% 6..24 0,5%

13 3,0% 21 0,5%

17 2,0%

19 1,5%

23 1,5%

25 1,5% HINWEIS: Keine Angaben für OS einer Ordnung oberhalb 25, da diese gewöhnlich klein, aber aufgrund von Resonanzeffek-ten äusserst unvorhersehbar sind.

Tabelle 14 – Grenzwerte der individuellen Oberschwingungsspannungen an den Anschlusspunkten, in Prozent

der Grundspannung

IEEE 519

IEEE 519 ist ein gemeinsam von Versorgern und Kunden betriebener Ansatz, um die Be-

einträchtigung durch nichtlineare Lasten einzudämmen. Es werden die empfohlene Praxis

und Anforderungen an die Einhaltung von Oberschwingungsgrenzwerten in Stromversor-

gungsnetzen beschrieben. Die systemweiten Spannungs- und Stromkurvenformen werden

beschrieben und Ziele für die Entwicklungsarbeit hinsichtlich Kurvenformverzerrung defi-

niert. Der wichtigste Aspekt dieser Norm sind die darin enthaltenen Grenzwerte am Ver-

knüpfungspunkt (PCC) für Versorger (THD der Netzspannung) und für individuelle Verbrau-

cher (Kundenanlage als Ursache für Oberschwingungsströme und deren Migration in das

Stromversorgungsnetz):

1) Begrenzung der durch die einzelnen Kunden eingebrachten Oberschwingungen, so dass

keine inakzeptablen Spannungsverzerrungen bei normalen Systemkennwerten verur-

sacht werden.

2) Begrenzung der gesamten Oberschwingungsverzerrung (THDu) im Versorgungsnetz

Als Verknüpfungspunkt ist die Schnittstelle zwischen Quellen und Lasten beschrieben. Die

zulässigen individuellen Oberschwingungsströme und der gesamte Oberschwingungsgehalt

werden bezogen auf das Verhältnis des verfügbaren Kurzschlussstroms zum gesamten be-

nötigten Grundlaststrom ( ) am Verknüpfungspunkt angegeben. Die Grenzwerte wer-

den als Prozentsatz von IL für alle geraden und ungeraden Oberschwingungen ab der 2. bis

zur 40.Oberschwingung angegeben. Wenn die Ziele und Grenzwerte des Standards einge-

halten werden, lassen sich Störungen von elektrischen Geräten minimieren.

Tabelle 15 zeigt die Basisgrenzwerte für Oberschwingungsströme; Tabelle 16 die Grenz-

werte für Oberschwingungsströme basierend auf der Grösse der Last im Verhältnis zur

Grösse des Stromversorgungssystems, mit dem die Last verbunden ist. beschreibt



das Verhältnis des Kurzschlussstroms am Verknüpfungspunkt zum maximalen Grundlast-

strom. Die IEEE-Norm 519-1992 bezieht sich zudem nicht auf den THDi sondern auf den

Total Demand Distortion (TDD), den maximalen Gesamtverzerrungsfaktor. Dabei wird der

gesamte Oberschwingungsgehalt auf den Grundschwingungsanteil des maximalen Strom-

Nennwertes (15 oder 30 Minuten Intervalle) bezogen und nicht wie beim THDi auf den

jeweiligen Grundschwingungsstrom . Die in Tabelle 10-3 gezeigten Grenzwerte sollten

beim Systementwurf als Worst-Case bei Normalbetrieb berücksichtigt werden (länger als

eine Stunde andauernde Bedingungen). Für kürzere Zeiträume, während des Hochfahrens

oder unter aussergewöhnlichen Bedingungen dürfen die Grenzwerte um 50% überschritten

werden.

SCR am PCC

Maximale indiv. Frequenz-

spannungs-OS (%)

Annahme

10 2,5-3,0 Zweckbestimmtes System

20 2,0-2,5 1-2 grosse Kunden

50 1,0-1,5 Einige relativ grosse Kunden

100 0,5-1,0 5-20 mittelgrosse Kunden

1000 0,05-0,10 Viele kleine Kunden

Tabelle 15 – Basisgrenzwerte für Oberschwingungsströme

Maximale OS-Stromverzerrung in Prozent von

Individuelle Ordnungszahl (gerade OS)

<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD

<20* 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0

20<50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0

50<100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0

100<1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

>1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

Gerade OS sind limitiert auf 25% der o.a. ungeraden OS-Grenzwerte.

Stromverzerrungen, die ein DC-Offset zur Folge haben, z.B. Halbwellenwandler, sind nicht

zulässig.

*Alle energieerzeugenden Anlagen sind auf diese Stromverzerrungswerte limitiert, unge-

achtet des tatsächlichen Wertes.

Wobei

= maximaler Kurzschlussstrom am PCC.

= Maximallaststrom (Grundfrequenzkomponente) am PCC.

Tabelle 16 – Stromverzerrungsgrenzwerte für Verteilsysteme (120V bis 69000V)

Tabelle 17 zeigt die Spannungsverzerrungsgrenzwerte, die beim Systementwurf zu berück-

sichtigen sind. Auch diese Werte beziehen sich auf den Worst-Case bei Systemnormalbe-

trieb.



Busspannung am PCC

Indiv. Spannungsverzerrung

(%)

Ges.-Spannungsverzerrung THD

(%)

69KV und weniger 3,0 5,0

69.001KV bis 161KV 1,5 2,5

161.001KV und mehr 1,0 1,5

Tabelle 17 – Grenzwerte für Spannungsverzerrung

Richtlinie G5/4

G5/4 gültig für Grossbritannien und Hongkong identifiziert Verbraucher an ihrem Verknüp-

fungspunkt (PCC) mit dem Versorger, und definiert Grenzen für die Oberschwingungsver-

zerrung. G5/4-1 gilt daher für alle Verbraucher die an das öffentliche Stromversorgungsnetz

angeschlossen sind oder werden sollen. Die Richtlinie G5/4 deckt die Planungsebenen für

Oberschwingungsspannungsverzerrung ab, die beim Anschluss nichtlinearer Geräte zu be-

rücksichtigen sind. Diese Planungsebenen wurden hinsichtlich der Verträglichkeitspegel für

die Oberschwingungsspannungsverzerrung festgelegt. Es wird ein Prozess zur Etablierung

individueller kundenseitiger Emissionsgrenzwerte basierend auf diesen Planungsebenen

beschrieben. Die Planungsebenen für Oberschwingungsspannungsverzerrung sollten beim

Anschluss nichtlinearer Lasten und Erzeuger an Übertragungssysteme im Hinblick auf die

Richtlinien der Grid Codes (Netzanschlussregeln) oder an Verteilnetze im Hinblick auf die

Richtlinien der Distribution Codes nicht überschritten werden. Tabelle 18 zeigt eine Zu-

sammenfassung der THD-Planungsebenen und Tabelle 19 die Planungsebenen für Ober-

schwingungsspannungen in 400V-Systemen. In Tabelle 20 sind die Stromoberschwin-

gungsgrenzwerte für Lasten mit einem Nennstrom von >16A pro Phase aufgeführt.

Systemspannung am PCC THD-Grenzwert

400V 5%

6,6, 11 und 20kV 4%

22kV bis 400kV 3%

Tabelle 18 – Zusammenfassung der THD-Planungsebenen



Ungerade Oberschwingungen Gerade Oberschwingungen

Nichtvielfache von 3 Vielfache von 3

Ordnung h

OS-

Spannung

(%)

Ordnung h OS-Spannung

(%) Ordnung h OS-Spannung (%)

5 4,0 3 4.0 2 1,6

7 4,0 9 1.2 4 1,0

11 3,0 15 0.3 6 0,5

13 2,5 21 0.2 8 0,4

17 1,6 >21 0.2 10 0,4

19 1,2 12 0,2

23 1,2 >12 0,2

25 0,7

>25 0,2+0,5 (

)

Tabelle 19 – Planungsebenen für Oberschwingungsspannungen in 400V-Systemen

Ordnungs-

zahl h

Emissions-

strom

Ordnungs-

zahl h

Emissions-

strom

Ordnungs-

zahl h

Emissions-

strom

Ordnungs-

zahl h

Emissions-

strom

2 28,9 15 1,4 28 1,0 41 1,8

3 48,1 16 1,8 29 3,1 42 0,3

4 9,0 17 13,6 30 0,5 43 1,6

5 28,9 18 0,8 31 2,8 44 0,7

6 3,0 19 9,1 32 0,9 45 0,3

7 41,2 20 1,4 33 0,4 46 0,6

8 7,2 21 0,7 34 0,8 47 1,4

9 9,6 22 1,3 35 2,3 48 0,3

10 5,8 23 7,5 36 0,4 49 1,3

11 39,4 24 0,6 37 2,1 50 0,6

12 1,2 25 4,0 38 0,8

13 27,8 26 1,1 39 0,4

14 2.1 27 0.5 40 0.7

Tabelle 20 – Max. zulässige OS-Stromemission in Ampere-RMS für Gesamtlasten und Geräte mit einer Nenn-leistung >16A pro Leiter

Norm D.A.CH.CZ

Netzbetreibern (EVU) muss es möglich sein, Netzrückwirkungen, die von mit ihren Netzen

verbundenen elektrischen und elektronischen Geräten und Erzeugern verursacht werden,

sowie die entsprechenden Auswirkungen in einem tolerierbaren Bereich zu halten, auch

wenn sich die Rahmenbedingungen ändern (siehe EN 50160). Im Sinne einer angemesse-

nen Verteilung der sich daraus ergebenden Verantwortlichkeiten kommen folgende Aufga-

bengebiete infrage:

I Geeignete Entwurfs- und betriebliche Massnahmen in den Netzwerken unter Berücksich-

tigung der objektiven Qualitätsanforderungen und wirtschaftlichen Begründung



I Anpassung der Grenzwerte für Anforderungen an elektrische Geräte und Anlagen in den

relevanten EMV-Normen sowie deren Einhaltung

I Gegebenenfalls Verpflichtung zum Ergreifen von Abhilfemassnahmen zur Reduzierung

von Netzrückwirkungen

Die D.A.CH.CZ definiert also technische Richtlinien für die Beurteilung von Netzrückwirkun-

gen in Deutschland (D), Österreich (A), der Schweiz (CH) und Tschechien (CZ) und findet

ebenso Berücksichtigung in den Technischen und Organisatorischen Regeln für Betreiber

und Benutzer von Netzen (TOR) in Österreich, der Verordnung Nr. 306 in Tschechien, den

«Regeln für den Zugang zu Verteilungsnetzen» (Distribution Code) in der Schweiz sowie in

den «Technischen Anschlussbedingungen» (TAB) in Deutschland.

Alle Arten von Netzrückwirkungen sind am Verknüpfungspunkt V zu bewerten. Bewer-

tungsgrundlage ist in jedem Fall die Kurzschlussleistung SkV am Verknüpfungspunkt. Bei

der Ermittlung der Kurzschlussleistung ist von normalen Betriebsbedingungen auszugehen,

die die kleinste Kurzschlussleistung ergeben. Vorübergehende, betriebsbedingt ausserge-

wöhnliche Schaltzustände werden nicht berücksichtigt. Die Netzimpedanz am Verknüp-

fungspunkt V setzt sich aus der Impedanz des übergeordneten Netzes sowie den Impedan-

zen von Transformatoren und Leitungen zusammen. Die D.A.CH.CZ definiert und listet

technische Vorschriften und Grenzwerte hauptsächlich hinsichtlich Spannungsänderungen

und Flicker, Spannungsunsymmetrie und Oberschwingungen.

Tabelle 14 zeigt die Grenzwerte der individuellen Oberschwingungsspannungen an den

Anschlusspunkten wie in EN50160 definiert. Um die Anforderungen hinsichtlich der Ober-

schwingungspegel am Anschlusspunkt zu erfüllen (i.d.R. Niederspannungsschiene des

Transformators oder Klemmen des Anschlussstromunterbrechers), müssen die maximal zu-

lässigen Pegel auf der Seite der Kundenanlage niedriger sein. Damit die genormten Ver-

träglichkeitspegel für Oberschwingungsspannungen eingehalten werden können, müssen

die Oberschwingungsströme aus den einzelnen Anlagen der Netzbenutzer begrenzt

werden. Die Oberschwingungsspannung ergibt sich aus dem entsprechenden Oberschwin-

gungsstrom und der Netzimpedanz für die jeweilige Oberschwingung. Dazu werden Emis-

sionsgrenzwerte sowohl für individuelle Oberschwingungsströme als auch für die Gesamt-

heit aller Oberschwingungsströme festgelegt. Abbildung 11 zeigt das Bewertungsschema

für Oberschwingungen aus der D.A.CH.CZ. Weitere Informationen finden Sie in der Doku-

mentation der Richtlinie D.A.CH.CZ. in den in Klammern angegebenen Kapiteln.



Abbildung 11 – D.A.CH.CZ. Bewertungsmodell für Oberschwingungen



Normen bezüglich der Kompatibilität

zwischen Verteilnetz und Produkten

Diese Normen bestimmen die erforderliche Verträglichkeit zwischen den Verteilnetzen und

Produkten:

I Die von einem Gerät erzeugten Oberschwingungen dürfen das Verteilnetz nicht über be-

stimmte Grenzen hinaus stören.

I Jedes Gerät muss in der Lage sein, bei Netzrückwirkungen bis zu bestimmten definierten

Pegeln normal zu arbeiten.

Norm IEC 61000-2-2 für öffentliche Niederspannungs-

netze

Die Norm IEC 61000-2-2 legt Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte

Störgrössen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen für den Fre-

quenzbereich 0 Hz bis 9 kHz mit einer Erweiterung auf 148,5 kHz für die Signalübertragung

auf elektrischen Niederspannungsleitungen fest. Betrachtet werden u.a. Spannungs-

schwankungen und Flicker, Oberschwingungen, Zwischenharmonische, Spannungseinbrü-

che und Kurzzeitunterbrechungen der Versorgungsspannung, Spannungsunsymmetrie,

transiente Überspannungen und zeitweilige Schwankungen der Netzfrequenz. Um die Ver-

träglichkeit sicherzustellen, müssen die Immunitätspegel von Niederspannungsanlagen

über den Verträglichkeitspegeln liegen. Auch sollte der kumulative Effekt von Emissionen

keine Störungen oberhalb der Verträglichkeitspegel verursachen. Verträglichkeitspegel lie-

gen derzeit für Niederspannungsversorgungen vor. Demnach könnte die Norm IEC 61000-

2-2 zu einem Vergleich der vom EVU gelieferten Spannungsqualität herangezogen werden.

Dennoch stellt sie keine Norm für die Netzqualität dar. Im Wesentlichen definieren EVUs die

Netzqualität in Europa hinsichtlich der Spannungseigenschaften, die unter normalen Bedin-

gungen zu erwarten sind, auf Basis der CENELEC-Norm EN50160. Diese spezifiziert die

maximal akzeptablen Pegel für Mittel- und Niederspannungssysteme (<35 kV bzw. <1 kV).

Die in der Norm IEC 61000-2-2 spezifizierten Verträglichkeitspegel sind prinzipiell ver-

gleichbar oder etwas weniger streng als in der Norm EN 50160.

Norm IEC 61000-2-4 für Niederspannungs- und Mittel-

spannungs-Industrieanlagen

Dieser Teil der IEC 61000 befasst sich mit leitungsgeführten Störgrössen in einem Fre-

quenzbereich von 0 kHz bis 9 kHz. Sie spezifiziert numerische Verträglichkeitspegel für in-

dustrielle und nichtöffentliche Stromverteilnetze bis 35 kV Nennspannung und 50 Hz oder

60 Hz Nennfrequenz. Die Verträglichkeitspegel sind für elektromagnetische Störgrössen



spezifiziert, die an jedem netzinternen Verknüpfungspunkt in industriellen und nichtöffentli-

chen Netzen auftreten können, und bieten Orientierung hinsichtlich:

a) der Grenzwerte für Störemission in industriellen Anlagen;

b) der Auswahl von Immunitätspegeln für Geräte innerhalb dieser Anlagen.

Quellen:

(1) EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems,

2011

(2) Technische Anschlussbedingungen (Technical requirements of connection), VDEW

(3) IEEE Std. 519-1992: Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control

in Electric Power Systems.

(4) IEC 61000-3-2 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for har-

monic current emissions (equipment input current <= 16 A per phase) (IEC 61000-3-

2:2005 + A1:2008 + A2:2009); German version EN 61000-3-2:2006 + A1:2009 +

A2:2009

(5) IEC 61000-3-12 ed. 2 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-12: Limits - Limits

for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems

with input current >16 A and ≤ 75 A per phase

(6) IEC 61000-4-30, 2003: Power quality measurement methods

(7) IEC 61000-2-2: Electromagnetic compatibility — part 2-2, environment compatibility

levels for low-frequency conducted disturbances and signaling in public and low voltage

(8) Engineering Recommendation G5/4-2

(9) D-A-CH-CZ- Technical Rules for the Assessment of Network Disturbances, VSE 2007

(10) IEC 61000-2-2 ed. 2 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-2: Environment -

Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public

low-voltage power supply systems

(11) IEC 61000-2-4 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-4: Environment - Compati-

bility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances



KAPITEL 5

Filtertechniken für Ober-schwingungen



Überblick

Wenn Sie die vorherigen Kapitel aufmerksam gelesen haben, so sind Ihnen zahlreiche

Gründe aufgefallen, warum die Reduzierung von Oberschwingungen nicht nur ein Kann,

sondern ein Muss ist. Sie ist in jedem Fall unerlässlich, wenn entsprechende Massnahmen

durch Normen und Vorschriften vorgegeben werden. Die zusätzlichen Verluste und zahlrei-

chen Probleme, die durch Oberschwingungen verursacht werden, sind gleichermassen ein

Anlass, sich mit der Eindämmung von Oberschwingungen zu befassen. Die Methoden zur

Reduzierung von Oberschwingungen in Stromversorgungssystemen lassen sich in zwei Ka-

tegorien einteilen. Die erste beinhaltet Vorbeugungs- bzw. Vorsichtsmassnahmen und die

zweite Korrektur- bzw. Abhilfemassnahmen. In den nachfolgenden Kapiteln werden die Me-

thoden sowie die damit verbundenen Vor- und Nachtteile erörtert.



Vorbeugende Massnahmen

Vorbeugende Massnahmen haben zum Ziel, Oberschwingungen und deren Auswirkungen

zu vermeiden. Diese technischen Lösungen sind im Wesentlichen auf eine Reduzierung

der Oberschwingungsaussendung nichtlinearer Lasten ausgerichtet. Die Lösungen beste-

hen in der Regel darin, die Lasten hinsichtlich ihrer Bauweise oder Technologie zu modi-

fizieren. Die beiden häufigsten Methoden sind der Einsatz von AC-Netzdrosseln oder

Zwischenkreisdrosseln bei herkömmlichen Gleichrichtern bzw. der Einsatz von Mehrpuls-

Gleichrichtern.

AC-Netzdrosseln

Netzdrosseln sind niederohmige Spulen zur Reduzierung hochfrequenter Ströme. Durch

den Einsatz von AC-Netzdrosseln lässt sich die durch Gleichrichter verursachte Stromver-

zerrung erheblich senken. Eine Netzdrossel ist im Prinzip eine Induktivität, die ein Magnet-

feld um eine Drahtspule erzeugt, wenn Strom hindurchfliesst. Sobald sie unter Spannung

steht, ist sie ein Elektromagnet, dessen Feldstärke proportional zur Stromstärke und Anzahl

der Wicklungen ist. Eine einfache Drahtwicklung bezeichnet man als Luftspule; mehrere

Wicklungen bedeuten eine höhere Nenninduktivität. Neben der Dämpfung von Oberschwin-

gungen können Netzdrosseln Spannungstransienten absorbieren, die dazu führen könnten,

dass ein Frequenzumrichter (variable frequency drive, VFD) aufgrund von Überspannung

ausfällt. AC-Netzdrosseln werden in Serie am Eingang der Frequenzumrichter installiert.

Das Ausmass der Oberschwingungsverzerrung und das tatsächliche Oberschwingungs-

spektrum hängen von der Effektivimpedanz ab, die die Netzdrossel in Bezug auf die Last

darstellt. Durch den Einsatz einer Netzdrossel mit 4% Impedanz lässt sich nachweislich ei-

ne angemessene Oberschwingungsdämpfung erzielen. In dem Beispiel in Abbildung 12 ist

eine AC-Netzdrossel an einem Sechspuls-Gleichrichter angeschlossen.

Abbildung 12 – Anschluss einer AC-Netzdrossel

Netzdrosseln verursachen einen Spannungsfall, der wiederum zu einem leichten Anstieg

des Systemverlustes führt. Bei angemessenen Impedanzwerten können Netzdrosseln den

THDI auf maximal 35% reduzieren. Die Fähigkeit der Netzdrossel, Oberschwingungen zu

reduzieren, verringert sich zudem proportional mit kleiner werdendem Laststrom, da die



prozentuale Effektivimpedanz der Netzdrossel reduziert wird. Eine Netzdrossel mit 4% Ef-

fektivimpedanz erzielt unter Volllast eine Oberschwingungsverzerrung von 37% THDi; bei

50% Last hat sie dagegen nur 2,0% Effektivimpedanz {0,5 x 4% = 2,0%}, und der THDi be-

trägt etwa 53%. Tabelle 21 zeigt die Eingangsimpedanz im Vergleich zu den Restober-

schwingungen [%] von AC-Netzdrosseln für jede Ordnungszahl.

Ordnungs-

zahl

Gesamt-Eingangsimpedanz vs. Restoberschwingungen

0,5% 1% 1,5% 2% 3% 4%

5. 80% 60% 51% 46% 40% 34%

7. 60% 37% 28% 22% 17% 13%

11. 18% 13% 11% 9% 7,5% 6,5%

13. 10% 8% 6,5% 6% 5% 4,2%

17. 7,5% 5% 4% 3,6% 3% 2,4%

19. 6% 4% 3,3% 3% 2,3% 2%

23. 5% 3% 2,6% 2% 1,5% 1,3%

25. 2,3% 2% 1,6% 1,3% 1,1% 1%

%THDi 103% 72% 60% 53% 44% 37%

Tabelle 21 – AC-Netzdrosseln – Ordnungszahl / Eingangsimpedanz vs. Restoberschwingungen [%]

Zwischenkreisdrosseln

Zwischenkreisdrosseln sind eine kostengünstige Lösung zum Filtern der pulsierenden

Gleichspannung in einem Umrichter. Eine Zwischenkreisdrossel wird – wie der Name schon

sagt - zwischen dem Eingangsgleichrichter und Zwischenkreiskondensator installiert. Die

zusätzliche Induktivität begrenzt die Änderungsrate des Leitungsstroms in die Kondensato-

ren relativ zur Zeit (di/dt). Dadurch werden niedrigere Spitzenströme erzielt. Mit dem Ein-

satz einer Zwischenkreisdrossel kann die Oberschwingungsbelastung auf Werte im Bereich

40% THDi reduziert werden. Abbildung 13 zeigt eine Zwischenkreisdrossel, in einem

Sechspuls-Gleichrichter.

Abbildung 13 – Zwischenkreisdrossel



Mehrpuls-Gleichrichter

Höhere Pulszahlen in einem Gleichrichter wirken sich direkt auf die vorhandenen Ober-

schwingungsordnungen und damit auf den Oberschwingungsgehalt im Stromversorgungs-

system aus. Gleichrichter mit niedriger Pulszahl lassen sich miteinander verschalten.

Gleichrichter mit höherer Pulszahl, die besonders in Hochleistungsapplikationen verwendet

werden, sind 12-, 18- und 24-Puls-Konfigurationen, die bei geeigneter Auslegung die erste

charakteristische Oberschwingung auf die jeweils 11., 17. oder 23. erweitern. Ein Zwölfpuls-

Gleichrichter verwendet in der vorgeschalteten Gleichrichterschaltung 12 statt 6 Dioden, ein

18-Puls-Gleichrichter 18 statt 6 Dioden und ein 24-Puls-Gleichrichter 24 statt 6 Dioden. Ta-

belle 22 zeigt die verschiedenen Oberschwingungsspektren bei unterschiedlichen Pulszah-

len.

Pulszahl Formel Mögliche Oberschwingungen

n ( )

1 ( ) 2,3,4,5,6,7, … (alle)

2 ( ) 3,5,7,9, … (ungerade)

6 ( ) 5,7,11,13,17,19,… (Paare)

12 ( ) 11,13,23,25,35,37, … (Paare)

18 ( ) 17,19,35,37, … (Paare)

24 ( ) 23,25,47,49, … (Paare)

p…Anzahl der Pulse, n…ganze Zahl (1,2,3…), h…Ordnungszahl

Tabelle 22 – Oberschwingungen vs. Pulszahl

Der Mehrpulsbetrieb lässt sich über eine Serien- oder Parallelschaltung von Sechspuls-

Gleichrichtern realisieren, mit entsprechender Phasenverschiebung zwischen den Span-

nungen, welche die Diodenbrücken versorgen. Abbildung 14 zeigt einen Zwölfpuls-

Gleichrichter mit einer erforderlichen Phasenverschiebung von 30 Grad und Abbildung 15

einen 18-Puls-Gleichrichter mit einer Phasenverschiebung von 20 Grad.

Abbildung 14 – 12-Puls-Konfiguration



Abbildung 15 – 18-Puls-Konfiguration

Mithilfe 12- oder höherpulsigen Konfigurationen lassen sich Stromoberschwingungen nied-

rigerer Ordnungen merklich reduzieren. Diese Konfigurationen verursachen häufig soge-

nannte nichtcharakteristische Oberschwingungen z.B. der 5. oder 7. Ordnung bei 12-Puls-

Konfigurationen. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich in der ungenauen Phasenverschie-

bung der Spannungen. Doch auch Unsymmetrie und Verzerrung innerhalb der Spannung

sowie eine unsymmetrische Regelung der Brücken kann solche Auswirkungen haben. Die-

se Bauteile haben eine grosse Basisfläche und enthalten mehr Stahl und Kupfer, was höhe-

re Gesamtverluste zur Folge hat. Die Baukosten sind erheblich höher, da ein Transformator

mit zwei oder drei phasenverschobenen Ausgangswicklungen erforderlich ist, um die für ei-

nen einwandfreien Betrieb erforderliche Phasenverschiebung zu erreichen. All diese Fakto-

ren gilt es bei der Planung von Applikationen, die nur minimale Oberschwingungen aufwei-

sen sollen, zu betrachten und mit einer Filterlösung zu vergleichen.



Abhilfemassnahmen

In realen Umgebungen reichen vorbeugende Massnahmen häufig nicht aus, um die in

Normen spezifizierten Grenzwerte für Oberschwingungsverzerrung einzuhalten. In den

meisten Applikationen muss der Oberschwingungsgehalt so niedrig sein, dass ein sicherer

und zuverlässiger Betrieb der elektrischen und elektronischen Geräte sichergestellt wird.

Der Einsatz von Oberschwingungsfiltern zur Reduktion der Oberschwingungsverzerrung in

einem Stromversorgungssystem, ist heute Stand der Technik. Oberschwingungsfilter lassen

sich in passive und aktive Filter unterteilen. Beide dienen dazu, Oberschwingungen zu

kompensieren und damit den bestehenden Oberschwingungsgehalt auf das zulässige oder

gewünschte Niveau zu senken.

Passive Oberschwingungsfilter

Passive Oberschwingungsfilter sind eine wirtschaftliche Lösung zur Reduktion von lastindu-

zierten Oberschwingungen in dreiphasigen Netzen. Alle passiven Oberschwingungsfilter

haben kapazitive Eigenschaften, da sie Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstandsele-

mente enthalten, die so konfiguriert und abgestimmt sind, dass sie Oberschwingungen kon-

trollieren können. Technisch gesehen bilden solche speziell abgestimmten Filter niederimp-

edante Pfade für die Oberschwingungsströme bestimmter Frequenzen.

Passive Oberschwingungsfilter sind ausgelegt für den Betrieb mit praktisch jeder Art von

leistungselektronischen Geräten mit 6-Puls-Gleichrichterschaltung am Eingang. Aus diesem

Grund werden die Filterkreise normalerweise auf die 5., 7. 11. und 13. Oberschwingung ab-

gestimmt und stellen niederimpedante Pfade für diese Ströme mit den entsprechenden

Frequenzen dar. Abbildung 16 zeigt die Basiskonfiguration eines abgestimmten passiven

Oberschwingungsfilters. Die Herausforderung liegt darin, einen LC-Schwingkreis im Hin-

blick auf seine Position im System angemessen zu dimensionieren, um eine Resonanzfre-

quenz zu erzielen, die der Resonanzfrequenz der Oberschwingung entspricht, welche be-

seitigt werden soll. Die unerwünschten Oberschwingungen werden dann in das Filter

umgeleitet und können somit nicht zur Energiequelle fliessen. Somit werden alle Kompo-

nenten des Versorgungssystems vor dem Filter von Oberschwingungen entlastet.



Abbildung 16 – Passives Oberschwingungsfilter a.) nicht eingesetzt b.) eingesetzt

Passive Oberschwingungsfilter eignen sich zur Benutzung direkt an Einzellasten oder

Gruppen von Lasten. Daher sollten sie in der Nähe von Einzellasten oder an der zentralen

Stromversorgung der Lastengruppe installiert werden. Der gesamte Oberschwingungsstrom

fliesst dann weiterhin zwischen dem passiven Oberschwingungsfilter und den nichtlinearen

Lasten. Das heisst, Nutzniesser des Filters ist der Teil des elektrischen Systems, der

«stromaufwärts» des Filteranschlusspunktes liegt.

Maximale Filterleistung wird häufig erst bei voller Last erzielt, da Teillastbedingungen eine

Herausforderung sowohl hinsichtlich Oberschwingungsreduzierung als auch hinsichtlich des

kapazitiven Stroms darstellen können. Ein technisch ausgereiftes und angemessen dimen-

sioniertes Filter bietet also nicht nur eine sehr effiziente Oberschwingungsreduktion mit ei-

nem garantiertem THDi-Bemessungswert von maximal 5-8% über den gesamten Lastbe-

reich, sondern begrenzt zudem den kapazitiven Strom unter sämtlichen (Last-)

Bedingungen. Abbildung 17 zeigt die Leistungskurve eines hochentwickelten passiven

Oberschwingungsfilters.

Abbildung 17 – Leistungskurve eines passiven Oberschwingungsfilters



Ein Nachteil passiver Oberschwingungsfilter ist, dass sie nur die Oberschwingungen kom-

pensieren können, für die sie ausgelegt sind. Sie können sich nicht automatisch an Verän-

derungen im elektrischen Netz anpassen. Passive Oberschwingungsfilter sind also nur

dann eine effiziente und wirtschaftliche Lösung, wenn ganz bestimmte, von einem speziel-

len Gerät verursachte Oberschwingungsfrequenzen reduziert werden sollen.

Aktive Oberschwingungsfilter

Ein aktives Oberschwingungsfilter (active harmonic filter, AHF) ist ein hochentwickeltes leis-

tungselektronisches Gerät zur Kompensation von Oberschwingungsströmen in Stromver-

sorgungsnetzen. In den letzten zehn Jahren ist der Anteil an nichtlinearen Lasten drastisch

gestiegen. Infolgedessen haben Netzrückwirkungen aufgrund von Oberschwingungen in

Stromversorgungssystemen massiv zugenommen. Insbesondere willkürlich variierende

Amplituden und häufige und sehr dynamische Lastwechsel können dazu führen, dass ein

passives Oberschwingungsfilter nicht effizient arbeitet. Zudem entstehen aufgrund der

Lastbedingungen und unterschiedlichen Konfigurationen in modernen Systemen Ober-

schwingungen bis hin zur 50. Ordnung. Höher entwickelte aktive Filterkonzepte sind für ei-

nen derart breiten Frequenzbereich ausgelegt und passen sich im Betrieb an das entste-

hende Oberschwingungsspektrum an.

Aktive Oberschwingungsfilter sind Power-Quality-Geräte, die nichtlineare Lasten permanent

überwachen und einen dynamisch geregelten Kompensationsstrom liefern. Dieser Strom

hat die gleiche Amplitude wie der Oberschwingungsstrom, wird jedoch mit entgegengesetz-

ter Phasenlage eingeprägt. Damit werden die Oberschwingungsströme im elektrischen Sys-

tem ausgelöscht. Der von der Spannungsquelle zugeführte Strom bleibt sinusförmig, da die

Oberschwingungen sich gegenseitig aufheben, und die Oberschwingungsverzerrung sinkt

auf Werte unter 5% THDi. Damit sind die Anforderungen aller gängigen Netzqualitäts-

Normen weltweit erfüllt. Darüber hinaus passen sich aktive Oberschwingungsfilter kontinu-

ierlich an hochdynamische Lastschwankungen an. Abbildung 18 zeigt die Funktionsweise

eines aktiven Oberschwingungsfilters.

Abbildung 18 – Funktionsweise eines aktiven Oberschwingungsfilters



Aktive Oberschwingungsfilter kompensieren darüber hinaus gezielt, sicher und hochdyna-

misch Blindleistung und stellen so einen guten Leistungsfaktor sicher. Modernere Geräte

verfügen über IGBTs und Komponenten zur digitalen Signalverarbeitung (DSPs). Aktive

Oberschwingungsfilter lassen sich prinzipiell überall in einem Niederspannungs-

wechselstromnetz installieren und bieten meist viel mehr Funktionen als ihr passives Pen-

dant:

I Globale oder individuelle Kompensation von Oberschwingungsströmen (1.–50. Ordnung)

I Blindleistungskompensation und Leistungsfaktorkorrektur

I Kompensation von Flicker (durch Blindleistung verursacht)

I Vermeidung von Oberschwingungsresonanzen

Neben dieser Funktionalität bieten aktive Oberschwingungsfilter kleine Produktabmessun-

gen und hohe Effizienz. Somit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in zahlreichen

kommerziellen und industriellen Anwendungen. Aktive Oberschwingungsfilter sind entwe-

der:

I 3-Leiter-Geräte

I Häufig eingesetzt im Industrieumfeld mit Frequenzumrichter- und ähnlichen Anwen-

dungen mit zahlreichen nichtlinearen Lasten

I 4-Leiter-Geräte

I Eliminieren Oberschwingungen, die von einphasigen Lasten erzeugt werden, z.B.

getaktete Schaltnetzteile und IT-Anlagen

I Bieten die Möglichkeit, Triplen-Oberschwingungen im Neutralleiter zu kompensieren

Aktive Oberschwingungsfilter eignen sich zur Benutzung an einzelnen oder Gruppen von

nichtlinearen Lasten. Des Weiteren können sie eingesetzt werden, wenn …

I eine Leistungsfaktorkorrektur in oberschwingungsbehafteten Systemen mit Kondensato-

ren nicht ausreichend möglich ist,

I sowohl eine Leistungsfaktor- als auch Oberschwingungskorrektur erforderlich ist,

I Notstrom bzw. dezentrale Energieversorgung im elektrischen System vorhanden ist.



KAPITEL 6

Kosten aufgrund von Ober-schwingungen und Leistungs-verlusten in belasteten Netzen



Einführung

Die Kosten, die durch Oberschwingungen entstehen, sind weit schwieriger abzuschätzen als andere Kosten im Kontext der Netzqualität. Welche Auswirkungen Oberschwingungen auf die Wirtschaftlichkeit haben, ist im Allgemeinen bekannt, z.B.:

I Produktionsausfälle

I Unwiederbringliche Ausfallzeiten/Ressourcenverluste

I Prozessneustartkosten

I Schäden an Anlagen

I Höherer Aufwand für Fehlersuche

I Imageverlust – das Unternehmen wird als nicht «grün» bzw. «energieeffizient»

wahrgenommen

In etlichen weltweiten Studien zur Netzqualität wurden Beispiele für solche Kosten zusam-

mengetragen. Die Ergebnisse waren stets dieselben: Im industriellen Umfeld können

Netzqualitätsstörungen in elektrischen Anlagen schnell finanzielle Einbussen von mehreren

Millionen Dollar pro Störfall verursachen. Durch die Implementierung entsprechender Be-

triebsmittel, z.B. Oberschwingungsfilter, lassen sich solche Störfälle vermeiden.

Im Gegensatz zu diesen gründlich recherchierten Zahlen ist es nach wie vor schwierig, den

Anteil nicht nutzbarer Energie zu quantifizieren. Das Institute of Electrical and Electronics

Engineers (IEEE) hat dennoch eine Norm entwickelt (IEEE 1459-2000), anhand derer sich

der Leistungsverbrauch in elektrischen Dreiphasensystemen genauer segmentieren und

quantifizieren lässt. Die Auswirkungen (Verluste) von Oberschwingungen wurden in den

herkömmlichen Ansätzen nicht berücksichtigt. Einsparungen hinsichtlich der Blindleistung

sind leicht zu berechnen. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, Kosteneinsparungen zu

quantifizieren, die sich durch weniger Anlagenverschleiss, geringerem Aufwand für die Feh-

lersuche oder gar die Verhinderung von Ausfallzeiten ergeben. Studien haben gezeigt, dass

sich die weltweit damit verbundenen Kosten jährlich auf Milliardenhöhe summieren. Prinzi-

piell ist es möglich, die Auswirkungen von Spannungs- und Stromoberschwingungen auf

Betriebsmittel bzw. das gesamte Stromversorgungssystem zu identifizieren. Die wichtigsten

sind:

I Höherer (zusätzlicher) Energieverlust im Vergleich zu einem oberschwingungsfreien

Stromversorgungssystem

I Vorzeitiges Altern der Anlagen und geringere System- und Anlagenzuverlässigkeit auf-

grund von Oberschwingungen

I Geringere Leistung sowie Betriebsausfälle im Vergleich zum Sollzustand



Zusätzliche Verluste aufgrund von Oberschwingungs-

verzerrung

Wie in den vorherigen Kapiteln erläutert, bewirkt eine höhere Oberschwingungsverzerrung

höhere Effektivstromwerte und damit eine vermehrte Wärmeabgabe in den Anlagen. Dies

führt zu einer schnelleren Alterung der Isolation in Transformatoren, Motoren und Konden-

satorblöcken. Im Kontext der Oberschwingungsproblematik spielt neben den Anlagen selbst

noch ein anderer Aspekt des Stromversorgungsnetzes eine wichtige Rolle. Die Wirkleis-

tung, die an eine Last übertragen wird, ist eine Funktion der Grundkomponente des

Stroms. Der Effektivwert einschliesslich der Oberschwingungsströme muss anhand der ein-

zelnen Oberschwingungsanteile ermittelt werden. Ausgehend von der Definition von THDi:

√∑

( ) zeigt sich, dass √∑

= √

Dies führt zu der Formel: √

Es lässt sich also feststellen, dass die Gesamtverluste bei Vorliegen einer Oberschwin-

gungsverzerrung als Addition der Einzelverluste bei jeder Oberschwingungsfrequenz anzu-

geben sind. Enthält der von der Last aufgenommene Strom Oberschwingungen, so ist der

Effektivwert des Stroms höher als der Grundstrom . Einfacher ausgedrückt sind

Oberschwingungsverluste annähernd die gesamte zusätzliche Wärmeverlustbildung, die

von nichtlinearen Lasten erzeugt wird, verglichen mit linearen Lasten derselben Grösse,

wenn sie parallel von der gleichen Quelle gespiesen werden. Da die Spezifikation der meis-

ten elektrischen Anlagen auf 50-/60-Hz Parametern basiert, wird die Fähigkeit einer Anlage,

im Nennleistungsbereich zu arbeiten, durch zusätzliche Oberschwingungsverluste beein-

trächtigt.

Mittlerweile sind Messgeräte sowie Online- und Offline-Tools erhältlich, mit denen sich die

wirtschaftlichen Auswirkungen zusätzlicher Oberschwingungsverluste direkt messen und

kalkulieren lassen.

Vorzeitiges Altern von Anlagen

Elektrische und elektronische Systeme arbeiten in der Regel im Hochleistungsbetrieb. So-

gar unter normalen Verhältnissen ist dies hinsichtlich der thermischen Belastung eine Her-

ausforderung. Thermisches Management in Elektrosystemen soll permanenten und inter-

mittierenden schwerwiegenden Ausfällen, wie z.B. Verlust der elektronischen Funktion,

vorbeugen. Dazu ist es erforderlich, grosse Temperaturschwankungen zu eliminieren.

Wenn ein System nicht für den Einsatz in oberschwingungsbelasteten Stromversorgungs-

netzen ausgelegt ist, verursacht zusätzliche Wärme zahlreiche technische Probleme. Tem-

peraturen über dem Bemessungswert bedeuten hohen thermomechanischen Stress und

können zu einer übermässigen Belastung der Anlagen führen. Darüber hinaus verursachen

Temperaturen oberhalb der Gerätespezifikation eine vorzeitige Alterung der entsprechen-

den Anlagen, die infolgedessen früher ausgetauscht werden müssen. Oft werden dann



überdimensionierte Anlagen eingesetzt, die damit verbundenen Kosten sind allerdings hö-

her als beim Einsatz geeigneter Filter zur Oberschwingungsreduktion.

Quellen:

(1) European Power Quality Survey, Leonardo-Energy, 2008

(2) Benchmarking on PQ desk survey: What PQ levels do different types of customer

need? Work package 3 from Quality of Supply and Regulation Project, Arnhem, 7 June

2007

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