Entstehung, Auswirkungen und Gegenmaßnahmen bei Netzrückwirkungen durch nichtlineare Verbraucher.
THD = √(U₂² + U₃² + ... + Uₙ²) / U₁Verhältnis der Oberschwingungsanteile zur Grundschwingung
Oberschwingungen sind Wechselströme oder -spannungen mit einem Vielfachen der Netzfrequenz (50 Hz). Die 3. Oberschwingung hat 150 Hz, die 5. Oberschwingung 250 Hz, usw.
Sie entstehen durch nichtlineare Verbraucher wie Schaltnetzteile, LEDs, Frequenzumrichter und Gleichrichter. In modernen Anlagen mit vielen elektronischen Geräten sind Oberschwingungen ein zunehmend wichtiges Thema.
Das Stromnetz liefert idealerweise eine reine Sinuswelle mit 50 Hz (Grundschwingung). Nichtlineare Verbraucher verzerren diese Welle und erzeugen höherfrequente Anteile:
| Ordnungszahl | Frequenz | Typische Quellen |
|---|---|---|
| 1 (Grundschwingung) | 50 Hz | Netz |
| 3 | 150 Hz | 1-phasige Schaltnetzteile, LED-Treiber |
| 5 | 250 Hz | Frequenzumrichter (6-Puls) |
| 7 | 350 Hz | Frequenzumrichter (6-Puls) |
| 9 | 450 Hz | Schaltnetzteile |
| 11, 13 | 550, 650 Hz | Große Gleichrichter (12-Puls) |
| Verbraucher | Dominante Ordnungen | THD (Strom) |
|---|---|---|
| LED-Leuchtmittel | 3, 5, 7 | 20-100% |
| PC-Netzteile | 3, 5, 7, 9 | 50-80% |
| Frequenzumrichter | 5, 7, 11, 13 | 30-50% |
| Einphasen-Gleichrichter | 3, 5, 7 | 80-100% |
| Kompaktleuchtstofflampen | 3, 5, 7 | 70-150% |
| Schweißgeräte | Breitband | 40-60% |
Bei symmetrischer Last heben sich die Ströme im N-Leiter auf. Aber: Die 3. Oberschwingung addiert sich!
Konsequenz: N-Leiter führt bis zu 173% des Außenleiterstroms!
| Problem | Ursache | Folge |
|---|---|---|
| Erwärmung von Kabeln | Skin-Effekt bei HF | Überlast, Brand |
| Erwärmung von Trafos | Eisenverluste | Lebensdauer ↓ |
| Motor-Überhitzung | Drehmomentwelligkeit | Effizienz ↓ |
| Kondensator-Schäden | Resonanzüberhöhung | Explosion |
| Fehlfunktion RCDs | Differenzströme | Fehlauslösung |
| Messgeräte-Fehler | Nicht True-RMS | Falscher Wert |
| Ordnung | Grenzwert (Klasse A) |
|---|---|
| 3 | 2,30 A |
| 5 | 1,14 A |
| 7 | 0,77 A |
| 9 | 0,40 A |
| 11 | 0,33 A |
| 13 | 0,21 A |
| Spannungsebene | THD max. |
|---|---|
| Niederspannung (< 1 kV) | 8% |
| Mittelspannung (1-35 kV) | 6,5% |
| Hochspannung (> 35 kV) | 3% |
Nur True-RMS-Messgeräte zeigen bei Oberschwingungen korrekte Werte!
| Messgerät | Messung | Ergebnis (bei THD 50%) |
|---|---|---|
| Standard-Multimeter | Mittelwert | 10% zu niedrig |
| True-RMS-Multimeter | Effektivwert | Korrekt |
| Netzanalysator | Spektrum | Alle Details |
Resonanzfrequenz: f_res = 1 / (2π√LC)
Elektronisches System, das Gegen-Oberschwingungen erzeugt. Teuer, aber effektiv für breites Spektrum.
Bei Blindleistungskompensation: Drosseln verhindern Resonanz zwischen Kondensator und Netzinduktivität.
| Maßnahme | Wirkung |
|---|---|
| 12-Puls-Gleichrichter | Kein 5., 7. OS |
| Aktive PFC | Reduziert THD auf < 5% |
| 4-Leiter-System | Separater N für OS-Ströme |
| Verstärkter N-Leiter | Bei 3. OS mind. gleich wie L |
Aufgabe
Ein Büro wird mit 100 LED-Leuchten à 30 W bestückt. Gesamtleistung 3 kW. Wie ist der N-Leiter zu dimensionieren?
Lösung
N-Leiter voll dimensionieren (gleicher Querschnitt wie L). True-RMS-Messgerät verwenden.
Aufgabe
In einer Werkstatt mit 5 Frequenzumrichtern soll eine Blindleistungskompensation installiert werden.
Lösung
Kompensation mit 7% Verdrosselung installieren. Netzanalysator-Messung nach Installation.
DIN EN 61000-3-2: Grenzwerte für Oberschwingungsströme
DIN EN 61000-2-2: Verträglichkeitspegel für Niederspannungsnetze
DIN EN 50160: Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen
Wichtige Festlegungen:
Oberschwingungen – Zusammenfassung:
Typische Quellen:
Hauptproblem:
Grenzwerte:
Gegenmaßnahmen:
Messung: Nur True-RMS-Messgeräte!
Bei der Grundschwingung (50 Hz) sind die drei Phasen um 120° zueinander verschoben und heben sich im N-Leiter auf. Die 3. Oberschwingung (150 Hz) ist aber in allen drei Phasen gleichphasig (0°, 360°, 720° = alle gleich). Daher addieren sich die 3. OS-Ströme aller drei Phasen zum dreifachen Wert im N-Leiter.
Ja, nach DIN EN 61000-3-2 müssen alle Geräte bis 16 A Oberschwingungsgrenzwerte einhalten. Qualitäts-LEDs mit aktiver PFC haben THD < 10%. Billige LEDs ohne PFC können THD > 100% haben. Achten Sie auf CE-Kennzeichnung und Qualitätsprodukte.
Ein Netzanalysator ist sinnvoll bei: unerklärlicher Erwärmung von Leitungen oder Trafos, RCD-Fehlauslösungen, vor Installation von Kompensationsanlagen, bei Messabweichungen zwischen Multimetern, und zur Abnahmeprüfung von Anlagen mit vielen nichtlinearen Verbrauchern.