Verständnis elektrischer Oberschwingungen: Teil 1 – Grundlagen & Auswirkungen

Colin Hargis, Chefingenieur bei Control Techniques, bietet eine Einführung in Oberschwingungen in diesem zweiteiligen Blog. Teil 2 ist hier verfügbar.

Dieser Blog führt in das Thema elektrische Leistungsoberwellen ein, mit besonderem Bezug auf Frequenzumrichter. Er zielt darauf ab, zu erklären, was sie sind und was sie bewirken, in verständlichen Begriffen, und sie von anderen EMV-Effekten wie Funkstörungen und elektrischem „Rauschen“ abzugrenzen.

Der Einfachheit halber nehmen die Beispiele meist eine 50-Hz-Netzfrequenz an. Wenn Sie in einem 60-Hz-Gebiet arbeiten, müssen Sie die Frequenzen entsprechend skalieren.

Einführung in Oberschwingungen

Eine Oberschwingung einer periodischen Funktion hat eine Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist. In der elektrischen Energietechnik wird diese Idee primär genutzt, um die Wirkung nichtlinearer Lasten zu verstehen, wo die Spannungsquelle sinusförmig ist, der Strom aber verzerrt, jedoch mit derselben Periode. Mit dem Konzept der Fourier-Reihe können wir eine verzerrte periodische Wellenform als Summe mehrerer Oberschwingungen darstellen.

Zum Beispiel zieht eine einfache einphasige Brückengleichrichterschaltung einen Strom, der eine Reihe kurzer Pulse an den Spannungsspitzen ist, wie in Abbildung 1 gezeigt;

Abbildung 1: Stromkurve für einfache einphasige Brückengleichrichterschaltung

Der Strom kann in seine Bestandteilefrequenzen zerlegt werden. Er umfasst eine Reihe ungerader Oberschwingungen wie in Abbildung 2 gezeigt;

Abbildung 2: Frequenzanalyse des Stroms aus Abbildung 1

Der Nutzen dieser Analyse liegt darin, dass das Verhalten elektrischer Bauteile am einfachsten in Bezug auf spezifische sinusförmige Frequenzen zu verstehen und zu definieren ist.

Bei 50 Hz Netzfrequenz sieht man, dass Oberschwingungsströme bis zu Ordnungen von ca. 30, also 1500 Hz, recht signifikant sind. Darüber nehmen sie schnell ab. Die niedrigen Oberschwingungen der Ordnungen 3, 5, 7 und 9 haben sehr hohe Amplitude und sind nicht viel kleiner als die Grundschwingung (50 Hz).

Wenn negative und positive Halbwellen dieselbe Form haben, sind nur ungerade Oberschwingungen vorhanden. In Drehstromkreisen fehlen auch die dreifachen Harmonischen (3, 6, 9, 12 etc.), da sie gleichphasig (kophasal) sind und kophasale Ströme in einem Dreileiterkreis blockiert werden.

Strenge Definition und Arbeitsdefinition für Oberschwingungen. Zwischenharmonische.

Eine echte Oberschwingung kann nur eine Frequenz haben, die ein exaktes ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist. Die meisten einfachen nichtlinearen Bauelemente wie Gleichrichter und eisenkernbehaftete magnetische Komponenten erzeugen echte Oberschwingungsströme.

In modernen Leistungselektronikschaltungen mit aktivem Schalten, die nicht mit der Netzfrequenz synchronisiert sein müssen, können neue Frequenzen auftreten, die keine echten Oberschwingungen sind. Zum Beispiel, wie ich in Blogs Nr. 4 und 5 zu regenerativen Umrichtern zeigte, erzeugt ein Inverter mit 4 kHz Schaltfrequenz bei 60 Hz Netzfrequenz Ströme bei 3880 Hz und 4120 Hz sowie viele andere, die keine ganzzahligen Vielfachen von 60 Hz sind und daher keine echten Oberschwingungen sind. Der korrekte Begriff dafür ist Zwischenharmonische (Interharmonics). Sie sind dennoch unerwünschte Frequenzen, und einige ihrer Effekte sind dieselben wie bei Oberschwingungen, daher werden sie in der allgemeinen Diskussion oft einfach als „Oberschwingungen“ bezeichnet. Dies kann Verwirrung stiften, daher ist es am besten, klarzustellen, ob wir über echte Oberschwingungen oder alle Arten von Verzerrung sprechen.

Welche Auswirkungen haben sie?

Betrachten wir Abbildungen 1 und 2 wieder: Ein Gleichrichter ist ans Netz angeschlossen. Das Netz ist sinusförmig mit einer Frequenz von 50 Hz. Der Gleichrichter erzeugt Oberschwingungsströme, die im Netz fließen. Der Gleichrichter ist eine Stromquelle bei den Oberschwingungsfrequenzen, die zurück ins Netz emittiert werden und sich im Stromnetz ausbreiten. Abbildung 3 veranschaulicht dies. Der Oberschwingungsstrom wird von der Last emittiert und verursacht eine Oberschwingungsspannung in der Quellenimpedanz des Netzes. Diese Spannung erfahren andere Stromnutzer, die am selben Common Coupling Point (PCC) angeschlossen sind.

Abbildung 3: Ausbreitung von Oberschwingungen im Stromnetz

Die Oberschwingungen haben Frequenzen von 100 Hz bis ca. 2500 Hz (man betrachtet allgemein bis zur 50. Ordnung, manche Behörden bis 100 oder 200. Der Messstandard endet bei 9 kHz). Der erste interessante Punkt: Dies sind sehr niedrige Frequenzen im elektromagnetischen Spektrum. Dies zeigt das Spektrum in Abbildung 4;

Abbildung 4: Vereinfachtes elektromagnetisches Spektrum mit Position der Leistungsoberwellen

„Funkfrequenz“ beginnt allgemein bei 9 kHz, und es gibt kaum Funkapplikationen unter ca. 100 kHz wegen der Schwierigkeit, eine nutzbare elektromagnetische Welle zu erzeugen. Das bedeutet, Oberschwingungen werden nicht als Wellen propagiert, sie bewegen sich nur leitend durch die Netzverdrahtung. Sie verursachen keine Störungen durch Streukopplung, nur durch Leitung in andere Geräte über die Stromleitungen. Der Grund, warum sie betrachtet werden müssen: Sie sind kumulativ – ein Gleichrichter in einem TV-Gerät hat winzigen Effekt, aber wenn Millionen TV-Geräte gleichzeitig laufen, haben ihre Oberschwingungen dieselbe Frequenz und Phase, sodass sie sich im Stromnetz addieren. Der Gesamteffekt ist eine Verzerrung der sinusförmigen Spannungswelle. Abbildung 5 zeigt die Art der „Flachkopf“-Verzerrung durch Gleichrichter;

Abbildung 5: Spannungsverzerrung durch Gleichrichter-Oberschwingungen

Ein moderater Oberschwingungsstrom im Stromnetz ist unproblematisch, wird er übermäßig, kann es zu Schwierigkeiten kommen. Einige mögliche Auswirkungen übermäßiger Oberschwingungen im Stromnetz sind:

• Erhöhte Erwärmung frequenzempfindlicher elektrischer Geräte, besonders:
  • Kondensatoren für Blindleistungskompensation
  • Asynchronmotoren
  • Transformatoren
  • Generatoren (z. B. kleine lokale Generatoren wie Notstromversorgungen)
• Akustisches Rauschen in Transformatoren, Sammelschienen etc.
• Fehler in Geräten, die Netzfrequenz für Timing nutzen (heute selten)
• Unerwünschtes Auslösen von USV-Systemen, die auf Wellenformverzerrung reagieren
• Störeinkopplung in analoge Tonsysteme, z. B. Theater oder Kirche
• Unerwünschtes Auslösen von Netzschutzrelais, was zum Verlust der öffentlichen Versorgung führt

Schwere Schwierigkeiten mit Oberschwingungen sind ungewöhnlich, außer in speziellen Fällen. Ein Beispiel: Ein Schiff mit eigenem Generator begrenzter Leistung und vielen Umrichtern oder anderen Gleichrichtern. Doch Netzbetreiber erleben eine Akkumulation von Oberschwingungen durch Millionen kleiner Geräte im Betrieb, und es gibt Standorte, wo die 5. Oberschwingung im öffentlichen Netz ihren Grenzwert erreicht.

„Rauschen“ (Noise)

Beachten Sie, dass die Wirkung von Oberschwingungen nicht die Art von Störung elektronischer Schaltungen umfasst, die allgemein als „elektrisches Rauschen“ bezeichnet wird, was zu Rauschen und Vibration in analogen Antriebssystemen und/oder Datenfehlern in digitalen Datenverbindungen führt. Die Gründe:

• Die Frequenz der Oberschwingungen ist zu niedrig für signifikante Streukopplung durch Induktion zwischen benachbarten elektrischen Kreisen. Die meisten elektrischen Störungen werden durch viel höhere Frequenzen verursacht, die elektromagnetisch oder durch Streuinduktivität von Erdverbindungen gekoppelt werden.
• Oberschwingungen breiten sich als Serienmodus-Ströme im Stromkreis aus, d. h. sie fließen in den Stromleitern des Netzes und nicht in den Erdverbindungen. Hochfrequentes „Rauschen“ liegt meist im Gleichtaktmodus vor, d. h. es fließt in Leitern und der Kreis wird über die Erde geschlossen. Siehe Abbildung 6 zur weiteren Erklärung;

Abbildung 6: Serienmodus (a) und Gleichtaktmodus (b) in einem einphasigen Stromkreis

Oberschwingungsdaten: Ein- und Ausgang, Spannung und Strom

Umrichternutzer fordern manchmal Oberschwingungsdaten für einen Umrichter an. Es besteht Verwechslungsgefahr, da sie sich auf Ein- oder Ausgang, Strom oder Spannung beziehen können. Die folgende Tabelle fasst die relevanten Daten für jeden Ort zusammen.

Tabelle: Oberschwingungsdaten an Ein- und Ausgang

Manchmal resultiert eine Anfrage nach Ausgangsoberwellendaten aus der Erfahrung des Nutzers mit Umrichtern früherer Generationen, die die Quasi-Quadrat-Technik nutzten und die nicht-dreifachen Harmonischen der Arbeitsfrequenz enthielten. Bei PWM sind die Oberschwingungen vernachlässigbar.

Zusammenfassend: Die einzigen Oberschwingungsdaten, die ein Merkmal eines bestimmten Umrichtermodells sind, sind die Eingangsstromdaten. Diese sollten auf Anfrage vom Lieferanten verfügbar sein.

In Teil 2 des Oberschwingungs-Blogs betrachten wir, wie Oberschwingungen gemessen und bewertet werden, wie sie sich mit der Umrichterlast ändern, und was getan werden kann, wenn sie reduziert werden müssen.