Oberschwingungen in der Elektrotechnik

Oberschwingungen entstehen durch nichtlineare Verbraucher im elektrischen Netz. Diese Verbraucher nehmen den Strom nicht proportional zur angelegten Spannung auf, was zu Verzerrungen des Strom- und Spannungsverlaufs führt.

1. Nichtlineare Lasten: Geräte wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, LED-Treiber oder elektrische Schweißgeräte besitzen nichtlineare Kennlinien. Sie ziehen Strom impulsartig oder nur während bestimmter Phasen der Netzspannung.

2. Verzerrungsströme: Diese nichtlinearen Stromaufnahmen verursachen Verzerrungen im Netzstrom. Der resultierende Stromverlauf enthält neben der Grundfrequenz (50 Hz, bzw. 60 Hz) zusätzliche Frequenzanteile.

3. Fourier-Analyse: Mathematisch betrachtet lässt sich jeder verzerrte Strom- oder Spannungsverlauf als Summe von sinusförmigen Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen darstellen. Diese zusätzlichen Frequenzanteile sind die Oberschwingungen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind (z. B. bei 50 Hz Grundfrequenz: 150 Hz für die 3. Harmonische, 250 Hz für die 5. Harmonische, usw.).

4. Rückwirkung auf das Netz: Die erzeugten Oberschwingungen speisen sich ins Versorgungsnetz zurück und haben einen negativen Einfluss auf andere Verbraucher oder Betriebsmittel.

Besonders betroffen sind Netze mit einem hohen Anteil an Leistungselektronik, da moderne elektronische Geräte oft nicht sinusförmige Ströme aufnehmen. Dadurch steigt der Verzerrungsgrad, und das Netz kann zunehmend belastet werden.

Oberschwingungen verursachen eine Reihe von Problemen in elektrischen Netzen und Betriebsmitteln. Die wichtigsten sind:

 Erhöhte Erwärmung reduziert die Lebensdauer von Elektrogeräten

 Überlastung des Stromnetzes und Resonanzeffekte

• Oberschwingungen können mit der Netzimpedanz in Resonanz treten, was zu gefährlichen Spannungsverzerrungen und Überströmen führt.
• Dadurch steigt das Risiko für Geräteschäden oder Netzinstabilitäten.

 Fehlfunktionen elektronischer Geräte

• Steuerungen, Schutzrelais und empfindliche Messgeräte können durch Oberschwingungen gestört oder falsch ausgelöst werden.
• In IT-Systemen können Datenverluste oder Kommunikationsfehler auftreten.

 Beeinträchtigung der Spannungsqualität

• Verzerrungen der Netzspannung durch Oberschwingungen können andere Verbraucher im Netz negativ beeinflussen.
• Ein hoher Verzerrungsgehalt (THD – Total Harmonic Distortion) führt zu schlechter Netzqualität.

 Reduzierte Energieeffizienz

• Die zusätzliche Blindleistung und die höheren Verluste durch Oberschwingungen führen zu einem ineffizienten Energieverbrauch (reduzierter Leistungsfaktor).
• In großen Anlagen kann dies zu erheblichen Mehrkosten führen.

Zur Vermeidung dieser Probleme sind Oberschwingungsfilter, aktive Kompensationssysteme und optimierte Netzstrukturen notwendig.

Oberschwingungen verursachen eine spezielle Form von Blindleistung, die als Verzerrungsblindleistung (Distortion Reactive Power, Qd) bezeichnet wird.

• In einem idealen Netz mit rein sinusförmiger Spannung und Strom gibt es nur Verschiebungsblindleistung (Q1), die durch Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung entsteht.
• Oberschwingungen erzeugen zusätzliche Verzerrungsströme, die nicht zur Wirkleistung beitragen, aber dennoch das Netz belasten.
• Diese Verzerrungsströme führen zu Verluste durch Wirbelströme und Ummagnetisierung, was eine erhöhte Erwärmung von Transformatoren, Leitungen und Motoren verursacht.

Da konventionelle Blindleistungskompensationsanlagen (z. B. Kondensatorbänke) meist nur für die Verschiebungsblindleistung ausgelegt sind, können sie die durch Oberschwingungen verursachte Verzerrungsblindleistung nicht ausgleichen. Stattdessen sind aktive Filter oder spezielle Drosseln erforderlich.

Generell können Oberschwingungen durch verschiedene Maßnahmen reduziert werden. Häufig werden dafür technische Lösungen eingesetzt.

Beispiele für Maßnahmen zur Reduzierung von Oberschwingungen:

• Auswahl von Produkten mit integrierten Lösungen
  Active Power Factor Correction (aPFC): Besonders geeignet bei variablen Lasten.
   
• Externe Oberschwingungsfilter
  Aktive Oberschwingungsfilter (AH-Filter) können Oberschwinungsströme erkennen und gezielt kompensieren
  Passive Filter: Z.B. Netzdrosseln oder Kondensatoren und Induktivitäten kompensieren Oberschwingungsfrequenzen
   
• Einsatz leistungsfähigerer Transformatoren
  Transformatoren mit möglichst hohem RSC-Wert (Kurzschlussverhältnis)

Optimal für kritische Infrastruktur, wie Krankenhäuser, Rechenzentren oder industrielle Produktionsanlagen: Aktive Oberschwingungsfilter von ZIEHL-ABEGG schützen Ihre Anwendung vor Netzverzerrungen und Leistungsverlusten!

Oberschwingungen spielen eine entscheidende Rolle in der Lufttechnik, insbesondere bei Lüftungsanlagen, die in Gebäuden, Industrieanlagen und kritischer Infrastruktur eingesetzt werden. Sie beeinflussen nicht nur die Effizienz und Langlebigkeit der Systeme, sondern auch die Versorgungssicherheit und Betriebssicherheit.

Moderne Lüftungsanlagen bestehen aus drehzahlgeregelten Antrieben, die oft mit integrierter Regelelektronik (EC-Motoren) oder externen Frequenzumrichtern (AC-Motoren) betrieben werden. Diese Umrichter sind typische Erzeuger von Oberschwingungen, da sie den Netzstrom nichtlinear belasten.

Besonders in der kritischen Infrastruktur, wie Krankenhäusern, Rechenzentren, Flughäfen oder Reinräumen sind stabile Lüftungsanlagen essenziell für Betriebssicherheit und Gesundheitsschutz.

• Effizienz: Reduzierung von Energieverlusten und unnötig höheren Betriebskosten.
• Lebensdauer: Schutz von Motoren, Umrichtern und Steuerungen vor Überlastung.
• Betriebssicherheit: Kritische Infrastruktur darf nicht durch Netzverzerrungen gefährdet werden.
• Nachhaltigkeit: Hohe Netzqualität ist Voraussetzung für energieeffiziente Gebäude der Zukunft.