Trügerische Harmonie?

Die Verbrauchergewohnheiten in unseren Stromversorgungsnetzen haben sich gewandelt. Die Folgen sind Korrosion am Blitzableiter, am Fundamenterder, an Wasserohren, an Gasrohren und Armierungen. Neutralleiter werden heiß, was im Extremfall sogar zum Brand führen kann.

Jeder Elektrotechniker weiß, dass einphasige Lasten nur zu gleichen Teilen auf drei Phasen verteilt werden müssen, um einen stromlosen Neutralleiter zu erhalten. Oder ist das neuerdings nicht mehr so? Die hierbei stillschweigend gemachte Voraussetzung ist nämlich, dass es sich um lineare Lasten handelt, also ohmsche, induktive, kapazitive und ihre Mischformen, bei denen die Ströme ebenfalls sinusförmig verlaufen. Früher gab es gar keine anderen Lasten. Mit dem Siegeszug der Elektronik aber hat sich dies grundlegend geändert. Elektronik muss mit Gleichstrom versorgt werden, und zwar lückenlos. Gleichrichter durch einfaches Umpolen einer Halbwelle der Sinusspannung genügt zum Betrieb eines Gleichstrommotors, aber niemals zur Versorgung eines elektronischen Schaltkreises. Der Nulldurchgang der Wechselspannung und der ihn umgebende Bereich zu niedriger Augenblickswerte werden daher mit einem Kondensator gepuffert, der seinerseits nur während einer relativ kurzen Zeit um den Spannungsscheitelwert herum wieder geladen wird (Stromflusswinkel). Nur in diesem kleinen Zeitbereich fließt noch Strom aus dem Netz, dafür dann aber um so heftiger. Diese unlinearen Stromverläufe lassen sich auch als Summe einer unendlichen Reihe von sinusförmigen “Oberschwingungen” betrachten, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Man bezeichnet sie auch als “Harmonische”. Die Wahrheit aber ist vielmehr, dass sie allerlei Disharmonie im Netz verursachen können. Die Auswirkungen von Netzrückwirkungen im Netz und in anderen Niederspannungs-Verbrauchern äußern sich in Fehlfunktionen in Rundsteueranlagen, in elektronischen Steueranlagen und Kommunikationseinrichtungen durch Oberschwingungsströme in N- und PE-Leitern und durch Verzerrung der (sinusförmigen) Netzspannung. Weiters ergibt sich zusätzliche Verlustleistung durch Blindströme in Transformatoren, Motoren, Leitungen, Drosseln und Kondensatoren. Von daher gesehen kann die Begrenzung der Oberschwingungen nicht nur im Sinne der Stromversorger (EVU) liegen. Als Maßnahmen, durch die Oberschwingungen in Geräten begrenzt werden können bleiben den Geräteherstellern die Möglichkeiten Oberschwingungsdrosseln (passiv) in den Netzzuleitungen vorzusehen oder aber der Einbau einer (aktiven) elektronischen Regelung zur Erzeugung eines annähernd sinusförmigen Netzstromes in Form des Power-Factor-Controllers (PFC).

Funktion des Netzgerätes
Sehr viele Verbraucher am öffentlichen Stromversorgungsnetz entnehmen ihren Strom nicht ? wie vor Jahren ? sinusförmig aus dem Netz, sondern in Form kurzer, hoher Stromimpulse. Diese Netzgeräte formen die Netzwechselspannung in Gleichspannung um. Die moderne Elektronik mit Halbleitern in Regelschaltungen, Computern usw. kann nur mit Gleichspannung betrieben werden. Die Umwandlung geschieht prinzipiell mit Gleichrichtung und Speicherkondensator (Bild 1), anschließend regelt ein Transistor, ein Schaltnetzteil oder weitere Schaltungen den Energiebedarf der nachfolgenden Elektronik. Problematisch ist der kurze hohe Stromimpuls, der für alle angeschlossenen Netzgeräte zum selben Zeitpunkt anfällt, nämlich um das Maximum der Netzspannung. Die Stromspitzen bewirken an der netzeigenen Impedanz Abweichungen der Netzspannungskurve von der Sinusform. Der Speicherkondensator gibt seine Energie an die nachfolgende Schaltung ab, dadurch sinkt die Spannung an ihm, erst bei dem Zeitpunkt Netzspannung UN größer als Kondensatorspannung UC fließt ein Ladestrom. Die Dauer des Stromflusses (der Stromflusswinkel q) und die Höhe der Stromspitze hängen vom Ladungsabfluss aus dem Kondensator (Speicherkapazität des Elektrolyth-Kondensators C), und der Lastschaltung sowie den Impedanzen des Ladekreises auf der Netzseite (Zuleitungen, Sicherungen, Gleichrichter usw.) ab. Sicher ist, dass der Ladestrom von der idealen Sinuskurve abweicht und damit einen erheblichen Klirrfaktor aufweist. Der Stromimpuls kann nach der Theorie von J.-B. Fourier als Überlagerung von Sinusschwingungen, deren Frequenz ganzzahlige Vielfache der Grundschwingungen (50 Hz) sind, das sind dann die harmonischen Oberschwingungen (100 Hz, 150 Hz usw.), berechnet werden (Bild 2).
Für folgende Geräte gelten keine Grenzwerte: Geräte mit einer Bemessungsleistung <= 75 W, die keine Beleuchtungseinrichtungen sind; professionell genutze Geräte mit einer Gesamt-Bemessungsleistung > 1 kW; symmetrisch gesteuerte Heizelemente mit einer Bemessungsleistung <= 200 W; unabhängige Beleuchtungsregler für Glühlampen mit einer Bemessungsleistung <= 1 kW. Messung der Harmonischen
In einer typischen Schaltung (Bild 1) wurden Richtwerte der Harmonischen in Abhängigkeit von der aufgenommenen Leistung ermittelt, indem die Kap-Werte des Speicherkondensators und die Last verändert wurden. Der Anteil der Harmonischen 5. und 7. Ordnung steigt bei höherer Speicherkapazität. Die Stromkurve erreicht höhere Spitzenstromwerte, der Stromflusswinkel wird kleiner (Bild 3).

Norm EN 61000-3-2
Die EN 61000-3-2 ist Bestandteil der EMV Normen (zu Fachgrundnorm EN 50081 Aussendung), fällt unter die EMV-Richtlinie und unter die CE-Kennzeichnung. Seit 1.1.2001 müssen alle Geräte, die in den Verkehr gebracht werden, der Norm genügen (Achtung: nicht nur Neuentwicklungen). Da das Ausmaß der Forderungen aus der EN 61000-3-2 von der Industrie spät erkannt wurde, erfolgte auch der Aufschrei erst nach Inkrafttreten der Norm, so dass mit einem Anhang A14 eine Klärung herbeigeführt wurde, damit die größten Unsicherheiten zum 1.1.2001 ausgeräumt werden konnten und die Gerätehersteller Rechtssicherheit erhielten.
Geltungsbereich:
? Betrieb am öffentlichen Nieder- spannungs-Wechselstromnetz (private Netze, große Betriebe, Kliniken usw. ausgenommen);
? Eingangsstrom des Gerätes bis 16 A je Phase;
? Ausnahmen (Gerät hält die EN 61000-3-2 nicht ein) sind prinzi- piell möglich, müssen dem zu- ständigen Netzbetreiber ange zeigt werden
? außerhalb Europas gibt es ähnliche Bestrebungen (Entwurf IEC 61000-3-2:6/2000).

Reduzierung der Harmonischen
Die Abhilfe, d. h. die Reduzierung der Harmonischen unter den Grenzwert nach EN 61000-3-2, kann generell auf zwei Arten verfolgt werden. Einmal passiv durch Einschalten eines Speicherelementes (einer Induktivität) oder aktiv mit einer elektronischen Regelschaltung (gesteuerter Gleichrichter oder Hochsetzsteller). Im ersten Fall der Power Factor Control-Schaltung (die Drossel wird vor der Gleichrichterbrücke eingefügt) speichert die Drossel Energie aus den Netz zwischen und schwächt die Steilheit der Stromimpulse (Bild 1). Auf diese Art lassen sich insbesondere bestehende Geräte leicht nachrüsten. Hinzu kommt, dass diese Art der Verminderung des Anteils der Harmonischen einen Wirkungsgrad von 98 bis 99 Prozent besitzt. Für höhere Leistungsklassen vor allem bei einphasigen Geräten wird die Drossel sehr groß und damit schwer und platzintensiv. Im zweiten Fall einer PFC-Schaltung, kann der Eingangskondensator durch einen Hochsetzsteller vom Netz abgekoppelt werden, so dass sich der Eingangsstrom elektronisch regeln lässt. Bauteilkosten und Platzbedarf liegen höher als bei der Lösung mit Drossel. Beide Vorschläge bedeuten zusätzlichen Aufwand, der sich nach den Gegebenheiten des Gerätes richtet und durch wirtschaftliche Überlegungen bestimmt wird. Es ist weiters zu berücksichtigen, dass der Anteil der Harmonischen je nach Stromverbrauch stark schwankt. Stand-by, halbe Last bzw. Volllast ergeben in einer festen Schaltung unterschiedlichen Strombedarf und eine geänderte Stromkurve. Dann hängt die Wirksamkeit der PFC-Schaltung stark von der Dynamik ab, das bedeutet die Induktivität muss im proportionalen Bereich ausgesteuert werden bei einem Sättigungsverhalten des Kernes hat die Induktivität keine Wirkung.

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