3. Notwendiges Fachwissen und Funk- tionsweise - VH

Ausbheft_143420
02.03.2007
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Störungen durch Netzrückwirkungen
a) Wie groß ist die magnetische Feldstärke an einem
Bildschirmarbeitsplatz in 30 cm Entfernung vom
Monitor?
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3.1 Rückwirkungen auf das Netz
Grundsätzlich muss das speisende Netz als 3-phasige
Quelle mit Innenimpedanzen angesehen werden. Jeder
angeschlossene Verbraucher wird daher auf die Spannungshöhe einen messbaren Einfluss haben. Ein einfaches
Beispiel zeigt Bild 11 für den Betrieb von einphasig angeschlossenen Verbrauchern auf die jeweils belastete Phase.
b) Wo liegt der zulässige Grenzwert der magnetischen Feldstärke für allgemeine Arbeitsplätze (50
Hz)?
3. Notwendiges Fachwissen und Funktionsweise von Frequenzumrichtern
Frequenzumrichter für Drehstrommotoren wandeln die
Wechselspannung des speisenden elektrischen Netzes in
eine Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz und
Amplitude um. Frequenz und Amplitude der bereitgestellten Wechselspannung dienen als Stellgrößen für die angeschlossenen Drehstrommotoren. Dabei ist es unerheblich,
ob es sich um Synchron- oder Asynchronmotoren handelt.
Frequenzumrichter werden derzeit fast ausschließlich als
Spannungszwischenkreisumrichter realisiert. Bild 9 zeigt
ein Antriebssystem.
Bild 11: Belastung des Netzes durch B2 Gleichrichter, einfaches
Beispiel
Dargestellt sind Netzspannung und Netzstrom, die die
einfache Schaltung verursachen. Die Stromaufnahme der
Schaltung ist, wie einfach zu erkennen, nicht sinusförmig.
Die Spannung des Netzes weicht nur dann nicht von der
idealen Sinusform ab, wenn keine Netzimpedanz wirksam
wird. Da es keine Netze ohne Impedanz gibt, wird es aber
zu Spannungsfällen kommen, die die Spannung am Verbraucher beeinflusst. Das Bild 12 zeigt die Rückwirkung
einiger solcher Verbraucher auf den Netzspannungsverlauf.
Bild 9: Antriebssystem
Bild 10 zeigt die wichtigsten Funktionsblöcke zur Erzeugung eines Spannungssystems für eine Motorlast.
Bild 12: Netzrückwirkung von 20 Leuchtstoffröhren mit EVG am
Netz
Bild 10: Spannungserzeugungssystem
Diese Anordnung erzeugt am Ausgang ein hochfrequentes Spannungsmuster, aus dem ein Motorstrom sinusförmig in einen Motor getrieben werden kann. Genaueres zu
dem Thema kann im Ausbidungsheft „Möglichkeiten der
Drehzahlverstellung“ nachgelesen werden.
1. Kundenkorrektur
Auch ein Drehstromgleichrichter beeinflusst den Netzspannungsverlauf. Bild 13 zeigt die typische Schaltung,
Bild 14 den zugehörigen Netzstrom und die Netzspannung.
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Störungen durch Netzrückwirkungen
Ähnlich gelagert ist der Fall bei Einsatz von B2-Gleichrichtern am Netz (C Bild 15):
Energie
(Wirkleistung)
Oberschwingungen
Bild 13: B6 Gleichrichterschaltung mit kapazitiver Glättung
Bild 15: Symmetrische Belastung des Netzes mit B2-Gleichrichtern
Bild 14: Typischer Stromverlauf (rot) und zugehörige Netzspannung (blau), aufgenommen an einem Umrichter (Screenshot, Linear Technologies)
Definition:
Alle Verbraucher, die bei Betrieb an sinusförmiger Spannung eine Stromaufnahme haben, die nicht sinusförmig
ist, werden als nichtlineare Verbraucher bezeichnet.
3.2 Netzseitige Innenschaltung und Stromaufnahme
Die Innenschaltung eines Frequenzumrichters ist nach
Funktionsblöcken im vorangegangenen Bild 10, Seite 13
dargestellt.
Wesentlich für die Wirkung auf das Netz ist der Eingangsgleichrichter (Bild 13). Für die Betrachtung der Netzrückwirkungen des Gleichrichters wird der Wechselrichter mit
dem angeschlossenen Motor als einfacher ohmscher Verbraucher R modelliert, der den Zwischenkreiskondensator
C kontinuierlich entlädt. Die Netzleitung vom Netztrafo
bis zum Gleichrichter wird mit einer Impedanz ZL (dargestellt als L) modelliert. Sie besteht im Wesentlichen aus
einer Reihenschaltung von einem ohmschen Widerstand
und einer Induktivität. Der Netztrafo wird als ideale Spannungsquelle angenommen.
Der Netzstrom wird vom Ladezustand des Zwischenkreiskondensators C bestimmt. Ist der Betrag der größten Leiter-Leiter-Spannung größer als die Kondensatorspannung
fließt über die im Augenblick aktiven Dioden ein Ladestrom in den Zwischenkreis. Folglich steigt die Zwischenkreisspannung an. Erreicht sie den Betrag der größten Leiter-Leiter-Spannung, kommt der Stromfluss aus dem Netz
zum Erliegen. In der Folge wird der Zwischenkreiskondensator über den Lastwiderstand R entladen und die Zwischenkreisspannung sinkt wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch mit der 6fachen Netzfrequenz und zeigt
sich als Strom in den Außenleitern wie in Bild 14.
Die Folge ist eine Rückwirkung durch Spannungsfälle auf
das speisende Netz, wie der Spannungsverlauf in Bild 14
ebenfalls zeigt.
1. Kundenkorrektur
Für jede einzelne Gleichrichterschaltung gelten die im Bild
11, Seite 13 gezeigten Gesetzmäßigkeiten, wenn sie an
sinusförmiger Spannung betrieben werden. Viele dieser
Verbraucher (moderne Beleuchtungsanlagen) oder einzelne große Verbraucher (Frequenzumrichter) können
den Netzspannungsverlauf ganz erheblich beeinflussen.
3.2.1 Grundlagen Fourier-Analyse, Oberschwingungen
Der französische Mathematiker und Physiker Fourier hat
herausgefunden, dass jede periodische Funktion (also
jeder ständig wiederkehrende Verlauf einer Kurvenform)
in eine endlose Reihe von Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen zerlegt werden kann. Die unterschiedlichen Frequenzen sind dabei ganzzahlige Vielfache
der Funktionsfrequenz. Man nennt dieses Verfahren „Fourier-Analyse“.
Geht man von einer Nicht-Sinusschwingung aus (ganz
gleich, ob es eine Rechteckschwingung, eine Impulsschwingung o. ä. ist), so kann man durch die Fourier-Analyse die beteiligten Oberschwingungen ermitteln. Die
erste sich daraus ergebende Schwingung ist die Grundschwingung.
Sie hat dieselbe Frequenz wie die Ausgangsschwingung
(also die Nicht-Sinusschwingung). Alle weiteren Schwingungen – also die Oberschwingungen dieser Ausgangsschwingung – besitzen Frequenzen, die stets ganzzahlige
Vielfache dieser Grundschwingung sind.
Mit Hilfe dieser so ermittelten Oberschwingungen kann
man eine nicht sinusförmige Stromkurve oder Spannungskurve eindeutig beschreiben. Damit hat man gleichzeitig
die Möglichkeit, die Auswirkungen von Stromverzerrungen oder auch Spannungsverzerrungen zu beschreiben.
Wird die Fourier-Analyse beispielsweise auf einen rechtekkigen Wechselstrom (C Bild 16 ) angewendet, entstehen
neben der Grundschwingung u. a. Oberschwingungen mit
der 3- und 5fachen Frequenz. Durch eine Addition aller
Augenblickswerte der Grund- und sämtlicher beteiligter
Oberschwingungen erhält man wieder die ursprüngliche
Rechteckkurve.
Da im Bild nur die Grundschwingung mit der 3. bis 17. harmonischen Oberschwingung addiert wurden, ist der
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