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  jL  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
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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 
LI2
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
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