Oberschwingungen

Abb.: Netzrückwirkungen durch Frequenzumrichter
Abb.: Netzrückwirkungen durch Frequenzumrichter

Die stetig steigende Anzahl nicht linearer Verbraucher in unseren Stromnetzen verursacht eine zunehmende „Netzverschmutzung”. Man spricht auch von Netzrückwirkungen, ähnlich wie man es aus der Umwelt bei der Wasserund Luftverschmutzung kennt. Generatoren produzieren im Idealfall einen rein sinusförmigen Strom an den Abgangsklemmen. Diese sinusförmige Spannungsform wird als ideale Wechselspannungsform betrachtet, jegliche Abweichung davon wird als Netzstörung bezeichnet.

Mehr und mehr Verbraucher entnehmen dem Netz einen nicht sinusförmigen Strom. Die FFT-Fast-Fourier-Transformation dieser „verschmutzten“ Stromformen ergibt ein breites Spektrum an Oberschwingungsfrequenzen – üblicherweise auch als Oberschwingungen bezeichnet.

Oberschwingungen sind für elektrische Netze schädlich, bisweilen sogar gefährlich und angeschlossene Verbraucher leiden darunter, ähnlich wie verschmutztes Wasser ungesund für unseren menschlichen Körper ist. Es kommt zur Überlastung, reduzierter Lebensdauer und unter Umständen sogar zu Frühausfällen von elektrischen und elektronischen Verbrauchern.

Abb.: Oberschwingungsanalyse (FFT)
Abb.: Oberschwingungsanalyse (FFT)

Oberschwingungsbelastungen sind die Hauptursache für unsichtbare Spannungsqualitätsprobleme mit enormen Kosten für Instandsetzung und Investitionen für den Ersatz von defekten Geräten. Unzulässig hohe Netzrückwirkungen und daraus resultierende schlechte Spannungsqualität können somit zu Problemen in Fertigungsprozessen bis hin zu Fertigungsstillständen führen.

Oberschwingungen sind Ströme oder Spannungen, deren Frequenz oberhalb der 50/60-Hz-Grundschwingungsfrequenz liegt und die ein ganzzahliges Vielfaches dieser Grundschwingungsfrequenz sind. Die Stromoberschwingungen haben keinen Anteil an der Wirkleistung, sie belasten das Netz nur thermisch. Da Oberschwingungsströme zusätzlich zur „aktiven“ Sinusschwingung fließen, sorgen sie für elektrische Verluste innerhalb der elektrischen Installation, was bis zur thermischen Überlast führen kann. Zusätzliche Verluste im Verbraucher führen zudem zu Er- oder Überhitzung und somit zu Lebenszeitverkürzung.

Die Beurteilung der Oberschwingungsbelastung erfolgt meist am Anschluss oder Übergabepunkt zum öffentlichen Versorgungsnetz des jeweiligen Energieversorgers (EVU). Im englischen Sprachraum, aber auch immer mehr im deutschsprachigen Raum, spricht man dann vom Point of Common Coupling (PCC). Es kann aber unter gewissen Umständen auch wichtig sein, die Oberschwingungsbelastung durch einzelne Betriebsmittel oder Betriebsmittelgruppen zu bestimmen und zu analysieren, um interne Netzqualitätsprobleme und eventuell deren Verursacher aufzuzeigen.

Zur Beurteilung der Oberschwingungsbelastung werden folgende Parameter eingesetzt:


Abb.: Zerstörte Kondensatoren durch Oberschwingungen
Abb.: Zerstörte Kondensatoren durch Oberschwingungen

Total Harmonic Distortion (THD)

Total Harmonic Distortion (THD) bzw. gesamte Harmonische Verzerrung ist eine Angabe, um die Größe der Anteile, die durch nichtlineare Verzerrungen eines elektrischen Signals entstehen, zu quantifizieren. Er gibt also das Verhältnis des Effektivwertes aller Oberschwingungen zum Effektivwert der Grundschwingung an. Der THD-Wert wird sowohl in Nieder-, Mittel- als auch Hochspannungssystemen benutzt. Üblicherweise wird für die Verzerrung des Stroms THDi und für die Verzerrung der Spannung THDu verwendet.


Verzerrungsfaktor für die Spannung

  • M = Ordnungszahl der Oberschwingung
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Grundschwingung fund entspricht n = 1

Verzerrungsfaktor für den Strom

  • M = Ordnungszahl der Oberschwingung
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Grundschwingung fund entspricht n = 1

Total Demand Distortion (TDD)

Speziell in Nordamerika findet man fast immer auch den Ausdruck TDD in Zusammenhang mit der Oberschwingungsproblematik. Er ist eine Angabe, die sich auf den THDi bezieht, allerdings wird hier der Oberschwingungsgehalt auf den Grundschwingungsanteil des Strom-Nennwertes bezogen. Der TDD gibt also das Verhältnis zwischen den Strom-Oberschwingungen (analog zum THDi) und dem in einem bestimmten Intervall auftretenden Stromeffektivwert unter Volllastbedingungen an. Übliche Intervalle sind 15 oder 30 Minuten.

TDD (I)

  • TDD gibt das Verhältnis zwischen den Stromoberschwingungen (THDi) und den Stromeffektivwert bei Volllast an.
  • IL = Voll-Laststrom
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)

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