Techniken zur Kompensation und Filterung von harmonischen Störungen

Nichtlineare Lasten wie z. B.: Gleichrichter, Wechselrichter, Frequenzumrichter, Öfen usw. absorbieren nicht-sinusförmige Netzströme.  Diese Ströme entstehen durch eine Grundfrequenzkomponente von 50 oder 60 Hz und eine Reihe von überlagerten Stromfrequenzvielfachen der Grundfrequenz, die wir als ELEKTRISCHE OBERSCHWINGUNGEN  bezeichnen und die erhebliche  technische und wirtschaftliche Kosten zur Folge haben.

Das Ergebnis ist eine Stromverzerrung, die aufgrund der Spannung eine Reihe von Nebeneffekten zur Folge hat.

Auswirkungen der Oberschwingungen

Die wichtigsten Auswirkungen der Spannungs- und Stromoberschwingungen in einem Stromversorgungssystem sind u. a.:

• Möglichkeit der Verstärkung von Oberschwingungen durch Reihen- und Parallelresonanz
• Die Verringerung der Leistung in Systemen zur Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Energie
• Die Alterung der Isolierung der Netzkomponenten und demzufolge die Reduzierung des Stroms,

Moderne Computer- und Elektrogeräte bieten allgemein eine bessere Leistung bei der Durchführung der aktuellen Prozesse und Aufgaben.

Installationsbeispiel mit elektrischen Geräten, die Stromoberschwingungen im Netz erzeugen

Andererseits besitzen diese Geräte einen wesentlich komplexeren internen Aufbau mit Komponenten wie z. B. Schaltnetzteile, Gleichrichtern, die in der Regel nicht-sinusförmige, verzerrte und deformierte Stromwellen verbrauchen.

Ideale Wellenform und verzerrte Wellenform

Man kann sagen, dass diese Geräte zweifelsohne unsere Lebensqualität verbessern, allerdings gleichzeitig zu einer höheren Verschmutzung unserer elektrischen Anlagen beitragen und infolgedessen das normale Betriebsverhalten dieser Einrichtungen beeinträchtigen.

Alle  nicht  sinusförmigen  Wellenformen  können als  Summe  von Sinuswellen  dargestellt  werden,  deren  Frequenz  ein  ganzzahliges  Vielfaches einer Grundfrequenz ist, was als Oberschwingungen bezeichnet wird.

Oberschwingungszerlegung

Diese Oberschwingungen beeinflussen insbesondere die Qualität der Spannungswellenform und können sich auf viele Maschinen und Geräte und auch auf die Anlage selbst negativ auswirken.

Oberschwingungen werden durch nichtlineare Lasten erzeugt, die nicht sinusförmige Ströme absorbieren. Zu den häufigsten oberschwingungserzeugenden Lasten in industriellen und häuslichen Umgebungen gehören:

• Drehzahlregler/Frequenzwandler 
• Entladungslampen (Quecksilberdampf-, Natriumdampf-, Energiespar-, Leuchtstofflampen usw.) 
• Gleichrichter 
• Wandler AC/DC 
• Lichtbogenschweißgeräte 
• Induktionsöfen 
• USV 
• Computer 
• usw.

Andererseits erzeugen die Oberwellenströme beim Durchfließen linearer Lasten eine Verzerrung der Spannungswelle, die von der Art der Oberwellenströme, dem Stromnetz selbst und den Lasten abhängig ist.

Gelegentlich ist harmonische Verzerrung nicht auf interne Gegebenheiten unserer Anlage, sondern auf externe Einflüsse wie z. B. eine benachbarte Anlage zurückzuführen. Im nächsten Kapitel beschreiben wir die erforderlichen Messungen zum Lokalisieren dieser Störungen und ihrer anschließenden Behebung.

Oberschwingungen sind daher Störungen und mit Kosten verbunden, die nicht immer einfach identifiziert und beurteilt werden können. Diese Kosten lassen sich in zwei Klassen aufteilen:

• Technische Kosten 
• Wirtschaftliche Kosten

Technische Kosten sind jene Kosten, die einen Leistungsverlust der Anlage beinhalten, wie z. B.:

• Verlust der Kapazität der Stromversorgungsleitungen 
• Überlast der Stromwandler 
• Überlast der Leitungen 
• Derating der Stromwandler 
• Verluste durch Joule-Effekt in Linien und Maschinen 
• Magnetische Verluste in elektrischen Maschinen 
• Erhöhung der Leckströme

In der Regel sind die technischen Kosten mit wirtschaftlichen Kosten verbunden, sodass es diese technischen Kosten zu kontrollieren gilt.

Die wirtschaftlichen Kosten sind jene Kosten, die sich in Geldbeträgen ausdrücken lassen, obwohl sie nicht immer einfach zu berechnen sind. Zudem können diese Kosten sichtbar oder versteckt sein:

Sichtbare Kosten: 
• Erhöhter Stromverbrauch 
• Stromverbrauchsspitzen 
• Entgelte für Blindleistung in der Stromrechnung

Versteckte Kosten:
• Verteilungsverluste 
• Strom- und Energieverluste (durch Joule- und Magnet-Effekt) 
• Ausbau der Anlage 
• Unterbrechung der Produktionsprozesse

Diese Kosten sind abhängig von der Art der Installation und der angeschlossenen Lasten.

Wie können wir feststellen, ob unsere Anlage durch harmonische Störungen beeinträchtigt wird? Wie können sie vermieden bzw. ihre negativen Auswirkungen eingeschränkt werden? Dies werden wir in den nachfolgenden Abschnitten näher behandeln.

Nicht alle Probleme der Netzqualität von Anlagen sind auf Stromoberschwingungen zurückzuführen, obwohl sie natürlich zu den häufigsten und schwerwiegendsten Problemen gehören. Wie der folgenden Grafik zu entnehmen ist, gibt es mehrere Ursachen für Schwachpunkte in Anlagen und Netzen:

Klassifizierung der wichtigsten Schwachpunkte in Anlagen und Netzen

Die wichtigsten Effekte der Spannungs- und Stromoberschwingungen in einem Stromversorgungsnetz sind in der Regel:

• Die mögliche Verstärkung von Oberschwingungen durch Resonanzen* in Reihe oder parallel
• Die Verringerung der Leistung in den Systemen zur Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Energie
• Die frühzeitige Abnutzung der Isolation der Komponenten des Netzes und demzufolge die Reduzierung des Stroms
• Störungen der Anlage und einiger ihrer Komponenten

* Resonanzen sind ein physikalischer Effekt, bei dem verschiedene Elemente mit bestimmten Werten zusammenwirken und Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz erzeugen und verstärken. Diese Verstärkung führt zu einem höheren Energieverbrauch und zwingt das System und einige Teile der Anlage, die maximal zulässigen Spezifikationen zu überschreiten. Wenn die Resonanz nicht kontrolliert wird, kann sie die teilweise oder vollständige Zerstörung der Anlage zur Folge haben.

Hauptprobleme und Effekte, die Oberschwingungen an den Komponenten oder Elementen eines Stromnetzes verursachen