Wann, wie und wo entstehen Oberschwingungen?

Im Kraftwerk also schon mal nicht. Im PV-Wechselrichter auch nicht, wenn alles gut geht. Oberschwingungen gehen von bestimmten Lasten aus. Solche Lasten gab es vor der Einführung der Elektronik kaum – ausgenommen Entladungslampen, aber bei diesen wurden die Auswirkungen der Unlinearität durch die ohnehin erforderliche Reihenschaltung mit einer großen Induktivität weit gehend unterdrückt. Außerdem wurden die Oberschwingungen, so sie denn auftraten, nicht als Störungen wahrgenommen, da es die hierdurch gestörten Anlagen, vorwiegend Datennetze, auch noch nicht gab.

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Der Klassiker: Gleichrichterschaltungen mit Glättungskondensatoren

Bild 4
Bild 4: Schaltung und Parameter zu Bild 5

Elektronik muss in nahezu allen Fällen mit Gleichstrom versorgt werden, und zwar lückenlos. Gleichrichten durch einfaches Umpolen einer Halbschwingung der Sinusspannung mittels eines Brückengleichrichters genügt zum Betrieb eines Gleichstrommotors, aber kaum jemals zur Versorgung eines elektronischen Schaltkreises. Der Nulldurchgang der Wechselspannung und der ihn umgebende Bereich zu niedriger Augenblickswerte werden daher mit einem Kondensator gepuffert (Bild 4), der seinerseits nur während einer relativ kurzen Zeit um den Spannungs-Scheitelwert herum (Stromflusswinkel) wieder geladen wird. Nur in diesem kleinen Zeitbereich fließt noch Strom aus dem Netz, dafür dann aber umso heftiger (Bild 5). Die dabei auf der Wechselstromseite des Gleichrichters entstehenden Ströme haben mit einer Sinusform nicht mehr viel gemein, bestehen also neben ihrer Grundschwingung aus einer theoretisch unendlichen Vielzahl von Oberschwingungen ganzzahliger Vielfacher von (in diesem Fall) 50 Hz mit beträchtlichen Amplituden.

 

 

Bild 5
Bild 5: Sich rechnerisch ergebende Kurvenverläufe der Kondensatorspannung und des gleichgerichteten Netzstroms aus Bild 4

Das dargestellte Beispiel entspricht dem Verhalten eines elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) der ersten Stunde, hier für die am häufigsten eingesetzte T8-Leuchtstofflampe mit einer Nennleistung von 58 W. Zwar arbeiten heutige EVG schon lange nicht mehr nach diesem Prinzip, nicht einmal mehr im Bestand sind sie anzutreffen, doch in anderen Geräten, wie etwa Kompakt-Leuchtstofflampen (KLL) im Bereich bis 25 W sowie in vielen Schaltnetzteilen von Fernsehgeräten, PCs und Monitoren, ist dies noch Stand der Technik. Man muss die 58-W-Lampe z. B. nur durch 3 oder 4 Lampen zu je 18 W ersetzen und mit einzelnen EVG betreiben, um die Vorgaben für größere Lampen zu umgehen – und schon ist normativ wieder alles im Lot. Diese Lösung kann billiger sein als der Einsatz eines Mehrfach-EVG, das dann die oberhalb von 25 W Nennleistung anzuwendenden, relativ strengen Grenzwerte erfüllen muss – nicht preiswerter oder kostengünstiger, aber billiger. Dennoch wollen wir beim EVG alten Typs als Beispiellast bleiben, da hier ein direkter Vergleich mit der konventionellen Technik möglich ist, denn die selbe Leuchtstofflampe kann auch mit einem konventionellen induktiven Vorschaltgerät – KVG – bzw. einem verbesserten, Verlust geminderten Vorschaltgerät – VVG – betrieben werden.

Beispiel 2: Phasen-Anschnittdimmer

Es müssen aber nicht immer Gleichrichter, Schaltnetzteile oder Umrichter in irgendeiner Form sein. Nehmen wir beispielsweise die weit verbreitete Methode des Phasen-Anschnitts zur Helligkeits-Einstellung von Glühlampen. Glühlampen stellen für sich allein rein ohmsche und somit lineare Lasten dar und lassen bei symmetrischer Aufteilung auf die Außenleiter den Neutralleiter stromlos. Mittels Dimmer gedrosselt, ergeben sich aber ganz andere Verhältnisse. Nun ist die Last im ersten Teil jeder Halbschwingung abgeschaltet, ihre Impedanz also praktisch unendlich, und im zweiten Teil ist die Impedanz gleich dem Widerstand der ohmschen Last. So wird die Sinuskurve des Stroms zerschnitten, und es liegt eine Oberschwingungslast vor. Die Grenze zwischen den beiden Teilen (Zeitabschnitten) lässt sich, dem Prinzip des Dimmers entsprechend, verschieben. Für die Phasen-Abschnittdimmer, die zur Zeit im Zuge des Auslaufs von Glühlampen und deren Ersatz durch verschiedene elektronisch angesteuerte Leuchtmittel den Anschnittdimmer ersetzen, gilt spiegelverkehrt genau das gleiche. Die folgenden Betrachtungen gelten also entsprechend. Mehr hierzu bei den Messmitteln. Davon abgesehen verliert die Sache endgültig ihre Übersichtlichkeit, wenn die zu dimmende Last selbst eine verzerrende, elektronische ist.

Beispiel 3: Transformatoren

Elektronik mag neu sein; Oberschwingungen sind es keineswegs. Vielmehr fehlten, wie schon ausgeführt, die Betriebsmittel, die sich davon gestört fühlten. So haben z. B. Transformatoren schon immer Oberschwingungsströme verursacht, da die Magnetisierungskennlinien der verwendeten ferromagnetischen Werkstoffe alles andere als linear sind (sonst gäbe es den Begriff überhaupt nicht; die »Magnetisierungskennlinie« wäre gar kein Thema). Somit werden die Magnetisierungsströme von Transformatoren gegenüber der Sinusspannung stark verzerrt. Da aber alles relativ ist und ein guter Transformator einen sehr geringen Magnetisierungsstrom (Leerlaufstrom) aufweist, fällt dieser Effekt auch heute noch kaum ins Gewicht. Nur bei Kleintransformatoren können sie beträchtlich werden (>20% des Nennstroms), doch diese sind eben klein. Bei Ringkerntransformatoren ebenso wie im Bereich der Verteiltransformatoren liegen die Magnetisierungsströme im Bereich von nur 1% des Bemessungsstroms. Solch kleine Ströme dürfen dann getrost stark verzerrt sein; das fällt kaum auf.

Beispiel 4: Reihenschlussmotoren

Bild 6
Bild 6: Verlauf der Stromaufnahme eines Reihenschlussmotors (Staubsauger aus 5.2)

Noch ein altehrwürdiger Verbraucher, der Reihenschlussmotor, lässt sich als Beispiel nennen: Wie alle Elektromotoren, so wirkt auch dieser gleichzeitig als Generator und erzeugt eine Gegenspannung, die den Strom begrenzt (was zu den bekannten, stark überhöhten Anlaufströmen von Elektromotoren führt, solange diese Gegenspannung noch fehlt – auch eine altbekannte Form von Netzrückwirkung).

Nun ist der Reihenschlussmotor aber eigentlich ein Gleichstrommotor, der bei Bedarf auch an Wechselstrom läuft. Dadurch, dass die Erregerwicklung mit dem Anker in Reihe verschaltet ist, fällt der Erregerstrom, sobald der Ankerstrom sinkt. Beide reagieren gekoppelt auf Änderungen der Last ebenso wie der speisenden Spannung. Hierdurch ergibt sich eine näherungsweise quadratische Spannungs-Strom-Kennlinie, und damit weist die Stromkurve, über eine Periode der Wechselspannung betrachtet, tendenziell eine ähnliche Verformung auf wie die Verbraucher, nur wesentlich milder (Bild 6). Aber auch das hat bislang nichts und niemanden wirklich gestört. Ein Scherzbold glaubte lediglich, den Grund für die Wahl der Frequenz von 162/3 Hz bei der Bahn gefunden zu haben: Nun kann man die von den Lokomotiven ausgespuckte dritte Harmonische dem öffentlichen Netz als Grundschwingung verkaufen – eine der vielen Methoden, Blindleistung (hier Oberschwingungs-Blindleistung) in Wirkleistung zu verwandeln.

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Beispiel 5: Gleichstrom in Wechsel- und Drehstromnetzen

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Bild 7: Prinzip-Darstellung der Versorgung mehrerer kleiner Gleichstrom-Antriebe

Wie sogar Gleichströme in Wechsel- und Drehstromnetzen auftreten können, wurde vor langer Zeit einmal in der »etz« dargestellt. Der Autor schlug dort vor, eine Vielzahl kleiner geregelter Gleichstrom-Antriebe in einer Weberei auf diese Art (Bild 7) an das Drehstromnetz anzubinden. Der Vorteil sei, dass mit der gezeigten M3-Brücke eine Gleichspannung von nur √2 * 230 V erzeugt würde statt √2 * 400 V bei der üblichen B6-Brücke, was dem Betrieb kleiner Motoren entgegen käme. Dabei sei darauf zu achten, dass je die Hälfte der Gleichrichterbrücken mit dem Minuspol und die andere Hälfte mit dem Pluspol auf den Sternpunkt gelegt würden, so dass sich die Gleichströme gegenseitig aufhöben. Das ist im Prinzip richtig, doch wer gewährleistet das? Und wer gewährleistet weiterhin, dass die Motoren immer gleichzeitig laufen und gleichzeitig belastet werden?

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Darüber hinaus dürfte die Prinzip-Darstellung nicht die realen Verhältnisse wiedergeben. Deswegen wurde die Skizze so lange »gefälscht«, bis sie der Realität näher kam (Bild 8): Selbst wenn die M3-Brücken anzahlmäßig im Verhältnis 1:1 positiv und negativ angebunden sind, und selbst wenn alle Motoren im Gleichtakt eingeschaltet und belastet werden, so fließt über den Neutralleiter zumindest von einer Brücke bis zur nächsten ein Ausgleichs-Gleichstrom in Höhe des Dreifachen jedes Strangstromes einer Brücke! Und im angenommenen Fall der tatsächlich voll symmetrisch aufgeteilten Brücken und ihrer Lasten misst man hiervon – dem Gleichstrom-Anteil auf dem Neutralleiter – in der nächsten Unterverteilung schon nichts mehr, wie hoch dieser Strom auch immer sein mag. In diesem Fall wird dieser Gleichstrom von herkömmlichen Fehlerstrom-Schutzschaltern Typ A nicht erkannt. Mehr noch: Der Gleichstrom treibt den Ringkern in dem Schalter in die magnetische Sättigung und legt ihn vollständig lahm, auch für eventuell gleichzeitig auftretende Fehlerwechselströme.

Bild 8
Bild 8: Praxisnähere Darstellung
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Bild 9: Einfluss einer Gleichstrom entnehmenden Last auf einen leer laufenden Ringkern-Transformator