Richtiges Kompensieren der Blindleistung bei induktiven Vorschaltgeräten

Induktive Vorschaltgeräte verursachen eine große Menge induktiver Blindleistung. Der Blind-Anteil ist meist sogar wesentlich höher als der der Wirkleistung. Der Leistungsfaktor (für den normalen Betrieb zusammen mit der vorgesehenen Lampe) wird stets auf dem Vorschaltgerät angegeben (Bild 4.1). In der Tat weist eine Leuchte mit einer 58-W-Lampe eine gesamte Wirkleistungs-Aufnahme von 64 W bis 70 W auf. Mit dem angegebenen Nennstrom von 0,67 A ergibt sich somit eine Scheinleistung von 160 VA, und der Blind-Anteil liegt um 144 var. In Industrie und Gewerbe kommt dies praktisch einer Verpflichtung zur Kompensation gleich – alt hergebrachte Technik und weder kompliziert noch teuer. Bei Leuchtstofflampen bieten sich aber zwei verschiedene Schaltungsarten an, und die sollen hier betrachtet werden.

Allgemeines

Gewöhnlich werden als Grund für das Kompensieren die Kosten genannt, meist aber nur die Preise gemeint, nämlich der Preis, den der Blindleistungszähler am Einspeisepunkt anzeigt, nicht die Kosten, die der Blindstrom auf dem Weg vom Verbrauchsmittel bis hierhin schon verursacht hat. Nicht so bei der Beleuchtung. Ausnahmsweise ist es bei Leuchtstofflampen-Beleuchtungen tatsächlich gängige Praxis, die Blindleistung direkt am Ort der Entstehung zu kompensieren, wo es am wirkungsvollsten ist, also im Inneren der Leuchte. Dies kann durch die übliche Parallelschaltung einer Kapazität zu der (nahezu) ohmsch-induktiven Zusammenschaltung von Lampe und Vorschaltgerät geschehen. Die Nachteile oder Risiken, wie bei Kompensations-Anlagen allgemein, sind jedoch heutzutage:

  • Rundsteuer-Frequenzen zum Steuern von Straßenbeleuchtung, Nachtspeicherheizungen und dergleichen können verloren gehen.
  • Die kapazitive Reaktanz fällt umgekehrt proportional zur Frequenz, was zur Überlastung der Kondensatoren führen kann, seit jede Menge Oberschwingungen und andere Frequenzen oberhalb der Netzfrequenz der Netzspannung überlagert sind. In Bild 4.2 oben wurde die Aufnahmeleistung einer kleinen Leuchtstofflampe mit induktivem Vorschaltgerät in einem Bürogebäude ohne Kompensation aufgenommen. Die höherfrequenten Überlagerungen auf der Spannung sind nicht so groß, als dass sie hier schon sichtbar würden. Die Grundschwingungs-Blindleistung ist aber mit einem cosφ = 0,5 in der Tat sehr hoch – während dieser nahezu gleich dem Leistungsfaktor λ ist, im Bild als LF bezeichnet, was mit einem nahezu sinusförmigen Verlauf des Stroms gleichbedeutend ist. Das schreit nach Kompensation, doch ein Parallel-Kondensator überlagert dem Gesamtstrom ein unglaubliches Ausmaß an Verzerrung, also höherfrequente Bestandteile (Bild 4.2 Mitte). Obwohl die Kapazität richtig bemessen ist, gelingt es nicht, den Blindstrom auf null zu bringen. Ohne dass an der Schaltung irgendetwas geändert wird, sondern nur dadurch, dass der Stromrichter-gesteuerte Aufzug in dem Gebäude in Betrieb geht, nimmt die Verzerrung und somit der angezeigte Blindstrom abermals erheblich zu (Bild 4.2 unten). Dies zeigt, dass der zusätzliche Strom in der Tat aus höherfrequenten Anteilen bestehen muss.
Bild 4.3
Bild 4.3: Duo-Schaltung aus unkompensierter und seriell kompensierter Lampe

Nun begegnet man diesem Problem in Kompensations-Anlagen normalerweise durch Verdrosselung, also indem man die Kapazität mit einer Induktivität in Reihe schaltet, die bei Netzfrequenz nur einige Prozent der Nenn-Blindleistung wegnimmt (kompensiert). Warum aber sollte man sich bei Leuchtstofflampen mit einer weiteren Drossel abgeben, wo doch schon eine vorhanden ist? Da Strom und Phasenwinkel hierbei praktisch konstant sind, tut sich hier eine andere Möglichkeit auf, nämlich das Vorschaltgerät zugleich als Verdrosselung für den Kompensations-Kondensator zu verwenden (Bild 4.3). Das bedeutet, jede zweite Einheit aus Lampe und Vorschaltgerät mittels eines Reihenkondensators – theoretisch – derart (über-)zukompensieren, dass der Strom dem Betrag nach gleich dem einer unkompensierten Lampe ist. Der Phasenwinkel nimmt dann den gleichen Betrag an, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen.

Bild 4.4
Bild 4.4: Die Empfindlichkeit gegen Spannungs-Einbrüche ist im kapazitiven Zweig wesentlich geringer

Somit lassen sich sämtliche Nachteile der Parallel-Kompensation vermeiden. Auch der Stroboskop-Effekt wird durch die Phasen-Verschiebung zwischen dem kapazitiven und dem induktiven Zweig minimiert, die meist in ein- und derselben Leuchte eingebaut sind. Daher finden sich fast immer 2 Lampen in einer Leuchte. Als Neben-Effekt sind die kompensierten Zweige viel weniger empfindlich gegen Spannungseinbrüche (Bild 4.4) und vollkommen geschützt gegen selbst kleinste Gleichspannungs-Überlagerungen der Netzspannung, die anderenfalls unverhältnismäßig großen Einfluss auf induktive Bauteile haben können.

Bild 4.5
Bild 4.5: Aufteilung des europäischen Marktes

Der einzige Nachteil dieser Art Kompensation besteht in dem Risiko einer falschen Auslegung des Kondensators. Dies würde bei Parallel-Kompensation lediglich etwas Über- oder Unterkompensation bedeuten, was hierbei nicht von Bedeutung sein mag, doch bei der Duo-Schaltung ist es mehr als das (Bild 4.6, Bild 4.7)! Es würde falschen Lampenstrom, mögliche Überlastung von Kondensator, Vorschaltgerät und Lampe bedeuten, zumindest aber unnötig erhöhte Verluste und Früh-Ausfälle. Daher sind die Nenn-Toleranzen dieser Kondensatoren mit vormals 4%, jetzt mit den heutigen verbesserten Herstellungs-Verfahren nur noch 2%, sehr eng. In der Massenproduktion von Leuchten ist hier eine fehlerhafte Bestückung gerade so unwahrscheinlich wie jeder andere Fehler auch, doch Vorsicht ist bei Reparatur mittels Ersatzteilen geboten. Eigentlich sollte dies kein Problem darstellen, da doch die jeweils richtige Kapazität auch für die Längs-Kompensation bislang stets auf dem Vorschaltgerät angegeben war (Bild 4.2), doch in der Praxis stellt es sich manchmal als eines heraus. Neuerdings jedoch, seit die deutsche Beleuchtungs-Industrie sich zur Abschaffung der Reihen-Kompensation entschlossen hat (statt die Kapazitätswerte anzupassen, was ohne Weiteres möglich wäre, wie Messungen und Fachleute bestätigen), werden die Kapazitäts-Nennwerte (auf den Vorschaltgeräten auf Bild 4.2 und Bild 7.9 noch vorhanden) heute weggelassen.

Bild 4.6
Bild 4.6: Richtige Auslegung der seriellen Kompensations-Kapazität

Ein weiterer Nachteil – jedoch nicht des Prinzips, sondern der derzeitigen Praxis – ist, dass die beiden Ströme der Zweige nicht wirklich gleich sind. Dies wird auch in den Nennwerten als verschiedene Ströme für induktive und kapazitive Schaltung wiedergegeben (Bild 4.2). Beim Nennstrom einer 58-W-Lampe liegt die Induktivität des erforderlichen Vorschaltgeräts bei 878 mH. Dies erfordert eine Kapazität von 5,7 µF, um bei einer Resonanzfrequenz von 70,7 Hz zu landen, was theoretisch die Lampenströme bei 50 Hz mit und ohne Längs-Kondensator jeweils gleich groß werden ließe.

Bild 4.7
Bild 4.7: Bei 20 % zu hoch bemessener Kapazität liegt der Strom schon 45% über dem Sollwert!

Aus irgendwelchen Gründen jedoch, möglicherweise die extreme Verzerrung der Lampenspannung (Bild 2.19) oder Unlinearität des Vorschaltgeräts, werden sie ungleich. Standardmäßig verwendet man nur 5,3 µF oder 5,2 µF (Bild 4.2), doch dies gleicht den Unterschied bei Weitem noch nicht aus. Wie eine Messung (Bild 4.4) zeigt, wären 4,6 µF der richtige Wert, doch dieser könne nicht eingesetzt werden, wird argumentiert, um Zündprobleme der Lampen zu vermeiden, vor allem bei Unterspannung und extrem niedrigen Temperaturen. Mit dem Prinzip an sich hat dies nichts zu tun, wenn die Lampe erst einmal brennt, und die Zündprobleme ließen sich ebenso gut durch den Einsatz elektronischer Starter bewältigen, die ohnehin die bessere Wahl darstellen – sofern denn ein Startproblem überhaupt besteht. Ein weiterer Versuch erwies diese Sorge vielmehr als völlig unbegründet. Dabei wurden 3 elektronische Starter sowie 2 sehr alte, stark abgenutzte Glimmstarter mit 2 verschiedenen Typen von 58-W-Lampen, beide vom selben Hersteller, aber unterschiedlicher Farbstufe, mit einem 230-V-VVG geprüft. Dabei kamen gleichzeitig sowohl die auf 4,6 µF reduzierte Kapazität als auch verminderte Spannung zur Anwendung, und sämtliche Kombinationen zündeten problemlos schon beim ersten Versuch mit 180 V. In nur 2 Ausnahmefällen erfolgte eine Zündung »erst« bei 190 V. Die entsprechenden Normen bedürfen offenbar einer Überarbeitung, doch seitens der Beleuchtungs-Industrie hofft man langfristig wohl eher auf einen vollständigen Ersatz aller induktiver Vorschaltgeräte durch elektronische und steckt daher nicht allzu viel Ehrgeiz in die Anpassung irgendwelcher alter Normen an neue Techniken, solange sich beides auf induktive Vorschaltgeräte bezieht. Während dessen befanden sich 2005 (seither werden keine Zahlen mehr veröffentlicht), anders als es vielleicht in der Fachwelt den Eindruck macht, noch immer annähernd 70% des Marktes in der Hand induktiver Vorschaltgeräte (Bild 4.5). In den meisten Ländern sind es sogar noch viel mehr (Spanien meldet 91%). Jedenfalls an verkauften Stückzahlen gemessen ist das so. Am Umsatz gemessen sind es jedoch nur etwa 50% – wegen der bei EVG wesentlich höheren Wertschöpfung. Oder sollte man eher von Preisschöpfung sprechen? Das Interesse der Lampen- und Leuchten-Industrie geht daher verständlicherweise stark in Richtung EVG. Zu deren Ehrenrettung muss man aber auch noch erwähnen, dass EVG in größerem Umfang als KVG / VVG den Betrieb zweier Lampen an einem Gerät ermöglichen.

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Besonderheiten bei der Kompensation kleiner Lampen

Bild 4.8
Bild 4.8: Ein- und dasselbe Vorschaltgerät eignet sich für 4 verschiedene Lampen sowie 3 mögliche Tandemschaltungen (hier aus Platzgründen nur eine aufgeführt); der Leistungsfaktor steigt mit der angeschlossenen Lampen-Nennleistung erheblich

Im Allgemeinen haben kleinere, also kürzere Leuchtstofflampen gleicher Typenreihen eine niedrigere Brennspannung als die längeren Röhren der jeweiligen Familie. Somit fällt ein größerer Teil der Spannung am Vorschaltgerät ab, und dieser Anteil ist größtenteils – im Idealfall rein – induktiv. Also nimmt die kleinere Lampe einerseits zwar weniger Wirkleistung auf, andererseits aber mehr Blindleistung. Gemeinsam führen diese beiden Effekte zu einem bei kleinen Lampen erheblich schlechteren Leistungsfaktor. Der Kompensations-Aufwand ist also unverhältnismäßig höher. An TC-S-Lampen mit 5 W, 7 W, 9 W und 11 W Nennleistung lässt sich dies recht gut beobachten, da diese 4 Modelle alle mit demselben Vorschaltgerät betrieben werden (Bild 4.8).

Fig. 4.9: Power factor as the ratio of active power (grey benches) plotted against reactive power (blue benches)
Fig. 4.9: Power factor as the ratio of active power (grey benches) plotted against reactive power (blue benches)

However, the operating voltage drop across the TC-S lamps rated 5 W, 7 W and 9 W is so low that the common mains voltage of 230 V allows two of these lamps to be operated in series on one ballast. In effect, this doubles the operating voltage drop again, of course. Since the same ballast is used for this so-called tandem connection as for the single operation, the actual current when operated in tandem lies slightly below the lamp current rating – though not very much, since the inductive voltage drop still prevails. One of the advantages of this operating mode is that two lamps together use less reactive power than one of them already does in single mode (Fig. 4.9). But the tandem configuration may very well claim even more advantages than this (see section 7.3).