Hochfrequente Störungen in elektrischen Installationen
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Weitnauer Messtechnik „Dirty Power“ Gesamtheit aller Störungen durch elektrische Systeme, welche in erster Linie über die elektrischen Verbindungen leitungsgebunden ausgesandt werden. Im amerikanischen Sprachraum Synonym für „Elektrosmog“. 1 Netzqualität -Spannung (Effektivwert über eine Periode) -Frequenz -Kurvenform (Verzerrungen) -Transienten -Spannungsschwankungen (Flicker)* *(erster EMV-Aspekt!) Strom als Handelsgut Ein Handelsgut besitzt definierte Qualität: Beim elektrischen Strom: EN 50160 Schlechte Netzqualität? In den meisten Fällen ist der Kunde selber Ursache schlechter Netzqualität! Beispiele: Schalten grosser Lasten Schweissgeräte, grosse Motoren Elektronische Geräte Warum? 2 Passive elektrische Elemente Elektrischer Widerstand u(t ) R i(t ) Stets konstantes Verhältnis U und I Spannung und Strom sind in Phase Widerstand ist unabhängig von der Frequenz Passive elektrische Elemente Kapazität C u (t ) u 1 i(t ) dt C 1 i j C Kapazität speichert Ladungen; hält Spannung konstant Strom eilt Spannung um 90° voraus Impedanz wird mit steigender Frequenz kleiner 3 Passive elektrische Elemente Induktivität L u(t ) L d i(t ) dt u jL i Induktivität hält Strom konstant Spannung eilt Strom um 90° voraus Impedanz wird mit steigender Frequenz grösser Ideale elektrische Quellen Spannungsquelle Spannung ist konstant Kurzschlussstrom unendlich Beispiele: Autobatterie Labornetzgerät Ideale elektrische Quellen Stromquelle Strom ist konstant Leerlaufspannung unendlich Beispiele: Weidezaun-Gerät Solarzellen LED-Vorschaltgeräte 4 Reale elektrische Quellen Spannungsquelle Leerlaufspannung Kurzschlussstrom UL = U0 Ik = U0/R Spannung allgemein U = U0 – I•R Reale elektrische Quellen Stromquelle Leerlaufspannung Kurzschlussstrom UL = I0•R Ik = I 0 Spannung allgemein U = (I0 – I)•R Der elektrische Stromkreis Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Spannung an der Last Leistung an der Last Verlustleistung U0 Ik = U0/R U = U0 – I•R P = U•I Pv = (U0 – U)•R 5 Der Wechselstromkreis Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Spannung an der Last Leistung an der Last Verlustleistung U0(t) Ik(t) = U0(t)/Z U(t) = U0(t) – I(t)•Z P(t) = U(t)•I(t) Pv(t) = (U0(t) – U(t))•Z Der Wechselstromkreis Spannung und Strom ändern sich zeitlich Aus Widerständen wurden komplexe Impedanzen Spannung und Strom sind NICHT mehr in Phase -> Neue Begriffe: Wirkleistung und Blindleistung Reine Nutzleistung 10 8 6 4 2 Spannung 0 Strom 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Leistung -2 -4 -6 -8 -10 6 Induktiver Anteil 10 8 6 4 2 Spannung 0 Strom 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Leistung -2 -4 -6 -8 -10 Reine induktive Blindleistung 10 8 6 4 2 Spannung 0 Strom 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 330 360 Leistung -2 -4 -6 -8 -10 Wirkarbeitsrücklieferung 10 8 6 4 2 Spannung 0 Strom 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Leistung -2 -4 -6 -8 -10 7 Wirkleistung P und Blindleistung Q Q P arctan cos( ) P S Wirkleistung P und Blindleistung Q Grundschwingung ? Eine harmonische Schwingung besitzt immer eine Sinusform. Damit hat sie eine einzige Frequenz! 8 Allgemeine Schwingung? Eine Schwingung muss nicht harmonisch sein, sondern kann beliebige Formen haben. Allgemeine Schwingung! Jede periodische Schwingung lässt sich in ein Gemisch aus einzelnen harmonischen Schwingungen mit ganzzahligen Frequenzverhältnissen zerlegen. -> Fourier-Analyse Oberwellen Oberwellen sind Harmonische, also ganzzahlige Vielfache, der Grundfrequenz einer Schwingung. Woher kommen die ? 9 Oberwellen Oberwellen entstehen an nichtlinearen Impedanzen: -Halbleiter (Dioden, Thyristoren etc.) -Magnetische Komponenten (Drossel, Trafo) Asynchrone Komponenten Sobald Signalanteile hinzukommen, die zeitlich keinen Zusammenhang mit der Netzspannung haben, oder gar völlig zufällig sind, spricht man von asynchronen Komponenten. Herkunft: Elektronik mit Taktgeneratoren. Allgemein: Schalthandlungen & Transienten Störmodell Spannungsquelle, Last, Störstromquelle ui u0 Z L (i iS ) 10 Netzrückwirkung Jede Last bewirkt durch ihren Stromfluss einen Spannungsabfall Ui auf dem Innenwiderstand des Stromnetzes. Spannungsänderung* = Netzrückwirkung *in Folge Stromfluss durch die Last Komplexe Impedanzen Sobald Schaltungen mehrere Grundelemente umfassen, sind dies „komplexe Impedanzen“. Resonanzen ! Schwingkreis (1) Elektrisches Feld speichert Energie WE C U 2 2 11 Schwingkreis (2) Magnetisches Feld speichert Energie WM LI2 2 Schwingkreis Im Schwingkreis ist die Summe der elektrischen und der magnetischen Energie stets gleich gross. Resonanzfrequenz: f0 1 2 LC Parallelresonanz i(t ) u (t ) 1 d u(t ) dt C u (t ) R L dt 12 Serieresonanz u (t ) i(t ) R L d 1 i(t ) i(t ) dt dt C Impedanz-Analyse: Reales Netz Nächstes Problem: Laufzeiteffekte ! 13 Elektrische Leitung Wellenimpedanz: Wellengeschwindigkeit: Offene Leitung 20m Kurzgeschlossene Leitung 20m 14 Leiterschleife an Leitung 20m Starkstromkabel 20m Offene Leitung 20m 15 Kurzgeschlossene Leitung 20m Übel: Zusammengesetzt, 40m Am Ende kurzgeschlossen! Dritter Block: - Beispiele aus der Praxis … 16 Netzrückwirkung: TV-Gerät AUS 400 10 8 300 6 200 4 100 2 0 U AUS [V] I AUS [A] 0 -2 -100 -4 -200 -6 -300 -8 -400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 -10 0.04 Netzrückwirkung: TV-Gerät EIN 400 10 8 300 6 200 4 100 2 0 0 U EIN I EIN -2 -100 -4 -200 -6 -300 -8 -400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 -10 0.04 „Smart-Home“: alles elektronisch! Blau: Spannung an einer Fassung der Essplatz-Lampe (Dimmer voll ausgesteuert) Rot: geschaltete Steckdose (Dimmer voll ausgesteuert, ohne Last) 17 Kaffeemaschine ! Eingangsfilter: Resonanz auf 24VDC 50 40 30 20 Uc IL 10 0 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 -10 -20 LC-Eingangsfilter 18 Umrichter Umrichter 400 300 200 100 UL1 UL2 UL3 IL1 IL2 IL3 0 -100 -200 -300 -400 0.2 0.202 0.204 0.206 0.208 0.21 0.212 0.214 0.216 0.218 0.22 0.222 0.224 0.226 0.228 0.23 Glühlampe 200W 19 Philips SL 18W (CFL 1. Generation) Philips CFL 22W Philips LED 2W 20 Glühlampe 200W Philips SL 18W (CFL 1. Generation) Philips CFL 22W 21 Philips LED 2W Stetzer-“Filter“ OHNE Last Stetzer-“Filter“ OHNE Last 22 Zwischen Lampe & Stetzer-“Filter“ Zwischen Lampe & anderem “Filter“ USV für Datenserver: N-PE 23 USV für Datenserver: N-PE Spürt ein Mensch das? Herzlichen Dank 24
