ENP1-Netzrueckwirkun..

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und Elektrotechnik
Studiengruppe:
Eingegangen am:
Übungstag:
Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Protokollführer:
Weitere Teilnehmer:
Professor:
ENP1
Netzrückwirkungen
09/2009
Ziel dieses Versuches ist die Untersuchung von Oberschwingungsverhalten und Netzrückwirkungen an nichtlinearen Verbrauchern, z. B. elektronischen Vorschaltgeräten der
Beleuchtungsindustrie und die Kompensation von Stromoberschwingungen.
1
Versorgung eines ohmschen Verbrauchers an der von dem Energieversorgungsunternehmen (EVU) bereitgestellten Spannung
1.1
Messung des Netzstromes und der Netzspannung des Verbrauchers
Nehmen Sie die Zeitverläufe des Netzstromes und der Netzspannung auf und beurteilen Sie die Qualität der Versorgungsspannung mit Hilfe der Fourieranalyse. Lassen
sich die elektrischen Geräte mit dieser Spannung sinnvoll auf Oberschwingungsanteile analysieren?
2
Versorgung der Verbraucher mit einer sinusförmigen Spannungsquelle
2.1
Messung des Netzstromes, der Netzspannung und der Leistung der verschiedenen Verbraucher
Mit entsprechenden Messgeräten sind die Effektivwerte der Messgrößen (Strom,
Spannung) und die der signifikanten Oberschwingungsanteile bis max. zur 40. Ordnung zu ermitteln. Die Werte der Oberschwingungsanteile sind auf den Wert des Effektivwertes der Grundschwingung zu beziehen. Bei der Leistung sind die Wirkleistung, die Blindleistung und die Scheinleistung zu messen. Von Strom und Spannung
sind die Zeitverläufe aufzunehmen.
Als Verbraucher stehen zur Verfügung:
Glühlampe, Glühlampe mit Vorschaltadapter, Leuchtstofflampe mit konventionellem
Vorschaltgerät, Leuchtstofflampe mit elektronischem Vorschaltgerät, verschiedene
Kompaktlampen, Halogenlampen mit „elektronischem Transformator“, Stromversorgung verschiedener elektronischer Geräte.
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3
Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Simulation einer B2-Gleichrichter-Schaltung mit Untersuchung der Netzrückwirkungen und Kompensation der Stromoberschwingungen
Das verwendete Simulationsprogramm Simplorer V5.0 können Sie auf der Web-Seite
des AL-Labor herunterladen.
Gegeben ist eine ungesteuerte B2-Schaltung mit den Komponenten im Gleichstromkreis: R1 = 10 Ohm, L1 = 300 mH. Der Stromrichter ist an einem „weichen“ Netz mit
LN = 5,6 mH angeschlossen.
Ungesteuerte B2-Schaltung mit
ohmsch-induktiver Last und Saugkreis zur
Kompensation der 3, 5 und 7
Stromoberschwingung
D3
D1
AM1
LN
+
L := 5.6m
R1
A
R := 15
EXP1
+
VM1
V
S3
S5
S7
E1
L1
C3
C5
C7
C := 68u
C := 33u
C := 15u
R3
R5
R7
L := 300m
D2
D4
ICA:
Schalter
S3 := 0
R := 0.1
R := 0.1
R := 0.1
S5 := 0
S7 := 0
0=AUS
1=EIN
3.1
L3
L := 16.5m
L5
L := 12.3m
L7
L := 13.8m
Untersuchung der Netzrückwirkungen einer simulierten B2-GleichrichterSchaltung
Zunächst sollen die von der Schaltung hervorgerufenen Netzoberschwingungsströme
ohne Beschaltungsmaßnahmen aus der Simulation der Schaltung bestimmt werden.
Dazu sind die Schalter geöffnet.
Bestimmen Sie die Kenngrößen der Schaltung wie die Verbraucherleistung, die Leistungen auf der Netzseite, die Kurzschlussleistung des Netzes und das Kurzschlussverhältnis RSce (Verhältnis der Kurzschlussleistung des Netzes zur Bemessungsscheinleistung des Verbrauchers).
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3.2
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Untersuchung der Netzrückwirkungen der B2-Gleichrichter-Schaltung mit
Saugkreisen zur Kompensation von Stromoberschwingungen
Es werden Saugkreise für die 3., 5. und 7. Oberschwingung eingesetzt mit folgender
Dimensionierung:
3. Oberschwingung: C3 = 68 μF; L3 = 16,5 mH; R3 = 0,1 Ω
5. Oberschwingung: C5 = 33 μF; L5 = 12,3 mH; R5 = 0,1 Ω
7. Oberschwingung: C7 = 15 μF; L7 = 13,8 mH; R7 = 0,1 Ω
Bestimmen Sie die Impedanzen der einzelnen Saugkreise abhängig von der Frequenz. Bestimmen Sie die Impedanz des gesamten Netzes abhängig von der Frequenz.
Nun sollen die vom Verbraucher mit Kompensationsanlage hervorgerufenen Netzoberschwingungsströme aus der Simulation der Schaltung bestimmt werden. Dazu
sind die Schalter geschlossen. Nehmen Sie die Saugkreise stufenweise in Betrieb
und beobachten Sie deren Wirkung.
4
Auswertung
4.1
Bestimmung der Ergebnisse
Aus den oben genannten Messungen sind zu jedem der untersuchten Verbraucher
der Verschiebungsfaktor der Grundschwingung cos ϕ, der Grundschwingungsgehalt
g, der Leistungsfaktor λ, der Verzerrungsfaktor k und die Verzerrungsblindleistung D
zu berechnen. Alle Ergebnisse sind übersichtlich in einer Tabelle darzustellen. Es
sind die Kurzschlussleistungen aus der Sicht der Verbraucher bei sinusförmiger Einspeisung und bei Laboreinspeisung zu bestimmen.
4.2
Bewertung der Ergebnisse
Die Ergebnisse der einzelnen Verbraucher sind zu diskutieren (Vergleich untereinander bei sinusförmiger Einspeisung bzw. Labornetzeinspeisung, Vergleich zwischen
sinusförmiger und Labornetzeinspeisung, Vergleich mit den Normen, Bewertung, Begründung). Teilen Sie die Verbraucher in die Klassen A bis D ein.
4.3
Simulierte Schaltung
Stellen Sie die Ergebnisse übersichtlich dar! Wie unterscheiden sich die Ergebnisse
der Netzoberschwingungsströme mit und ohne Kompensation?
Kommentieren und diskutieren Sie die Ergebnisse. Welche „Gefahren“ gehen von einer Kompensationsanlage aus?
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5
Anhang:
5.1
Auszug aus der DIN Norm EN 61000-3-2
Stromoberschwingungs-Grenzwerte
Die folgenden Grenzwerte gelten mit der Ausnahme, dass für Geräte hoher Leistung
(> 1 kW) zum professionellen Gebrauch die Grenzwerte noch in Beratung sind.
Grenzwerte für Geräte der Klasse A
Für Geräte der Klasse A dürfen die Oberschwingungen des Eingangsstromes nicht
die absoluten Werte überschreiten, die in Tabelle 1 angegeben sind.
Grenzwerte für Geräte der Klasse B
Für Geräte der Klasse B dürfen die Oberschwingungen des Eingangsstromes nicht
die mit dem Faktor 1,5 multiplizierten, zulässigen Höchstwerte überschreiten, die in
Tabelle 1 angegeben sind.
Grenzwerte für Geräte der Klasse C
Beleuchtungseinrichtungen
a)
Eingangswirkleistung > 25 W
Bei Beleuchtungseinrichtungen mit einer Eingangswirkleistung > 25 W dürfen die
Oberschwingungsströme die in der Tabelle 2 angegebenen relativen Grenzwerte
nicht überschreiten.
b)
Eingangswirkleistung < 25 W
Beleuchtungseinrichtungen mit einer Eingangswirkleistung < 25 W müssen eine
der beiden folgenden Anforderungen erfüllen:
b1) Die Oberschwingungsströme dürfen die leistungsbezogenen Grenzwerte der
Tabelle 3, Spalte 2, nicht überschreiten.
ANMERKUNG: Der untere Grenzwert von 75 W oder 50 W für die Anwendung
der Klasse D (siehe 7.4) gilt in diesem Fall nicht.
b2) Der Oberschwingungsstrom 3. Ordnung, ausgedruckt als Prozentzahl des
Grundschwingungsstroms, darf 86% und der der 5. Ordnung 61% nicht überschreiten; darüber hinaus muss die Kurvenform des Eingangsstroms so beschaffen sein, dass der Strom vor oder bei, 60° zu fließen beginnt, dass er seinen letzten Spitzenwert (wenn er mehrere Spitzenwerte je Halbschwingung hat) vor oder
bei 65° erreicht und das er nicht vor 90° zu fließen aufhört, wobei angenommen
wird, dass der Nulldurchgang der Grundschwingung der Versorgungsspannung
bei 0° liegt.
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Beleuchtungsregler
Für Beleuchtungsregler, die entweder unabhängig betrieben werden oder in Lampen oder in Leuchten eingebaut sind, gelten die folgenden Bedingungen:
- Unabhängige Beleuchtungsregler
Die Oberschwingungsströme von unabhängigen Beleuchtungsreglern dürfen nicht
die in Tabelle 1 gegebenen Werte überschreiten. Wenn Zündeinsatzsteuerung für
Glühlampen angewendet wird, darf der Zündwinkel 145° nicht überschreiten, und
der Beleuchtungsregler ist entsprechend den Bedingungen in Anhang C.6 zu prüfen.
- Eingebaute Beleuchtungsregler
Für mit Glühlampen bestückte Leuchten dürfen die Oberschwingungsströme von
eingebauten Beleuchtungsreglern nicht die in Tabelle 1 gegebenen Werte überschreiten. Wenn Zündeinsatzsteuerung angewendet wird, darf der Zündwinkel
145° nicht überschreiten, und der Beleuchtungsregler ist entsprechend den Bedingungen in Anhang C.6 zu prüfen.
Für mit Gasentladungslampen bestückte Leuchten dürfen bei Höchstlast diejenigen Werte für Oberschwingungsströme nicht überschritten werden, die von den
relativen Grenzwerten in Tabelle 2 abgeleitet werden können. In jeder Dimmerstellung dürfen die Oberschwingungsströme nicht den Wert des Stromes überschreiten, der auf die oben genannte Höchstlast bezogen ist. Das Gerät ist entsprechend den Bedingungen in Anhang C.5 zu prüfen.
Grenzwerte für Geräte der Klasse D
Für Geräte der Klasse D sind die Grenzwerte der Oberschwingungsströme unter der
Bemessungs-Lastbedingung anzuwenden. Die Oberschwingungen des Eingangsstromes dürfen die Werte nicht überschreiten, die aus der Tabelle 3 abgeleitet werden können.
Die in Tabelle 3 angegebenen Grenzwerte gelten für alle Anwendungsfälle mit einer
Eingangswirkleistung > 75 W. Keine Grenzwerte gelten für Geräte mit einer Eingangswirkleistung bis 75 W. Dieser untere Grenzwert von 75 W wird vier Jahre nach
dem Inkrafttreten dieser Norm auf 50 W reduziert.
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Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Tabelle 1: Grenzwerte für Geräte der Klasse A
Oberschwingungsordnung
Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes
N
A
Ungerade Oberschwingungen
3
5
7
9
11
13
15 <= n <= 39
Gerade Oberschwingungen
2
4
6
8 <= n <= 40
2,30
1,14
0,77
0,40
0,33
0,21
0,15 * 15/n
1,08
0,43
0,30
0,23 * 8/n
Tabelle 2: Grenzwerte für Geräte der Klasse C
Oberschwingungsordnung
n
Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes, angegeben in Prozent des
Grundschwingungs-Eingangsstromes
2
3
5
7
9
11 <= n <= 39
λ ist der Leistungsfaktor der Schaltung
2
30 λ
10
7
5
3
Tabelle 3: Grenzwerte für Geräte der Klasse D
Oberschwingungsordnung
n
Zulässiger Höchstwert des
Oberschwingungsstromes je
Watt
mA / W
Zulässiger Höchstwert
des Oberschwingungsstromes
A
3
5
7
9
11
13 <= n <= 39
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3,4
1,9
1,0
0,5
0,35
3,85 / n
2,30
1,14
0,77
0,40
0,33
Siehe Tabelle 1
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5.2
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Konventionelles Vorschaltgerät (KVG)
(Induktives Vorschaltgerät für den Betrieb mit Starter; bekannt als "Drossel-StarterSchaltung")
Drossel
Leuchtstofflampe
UN
Starter
Eine weit verbreitete konventionelle Schaltung zum Betreiben einer Leuchtstofflampe
ist die Drossel-Starter-Schaltung. Hierbei ist die Betriebsspannung der Leuchtstofflampe ca. halb so groß wie die netzseitige Wechselspannung. Es gibt verschiedene Startertypen, die jedoch alle die gleiche Funktion ausüben. Wird die Netzspannung zugeschaltet, schließt nach ca. 5 sec der Starter und heizt die Lampenelektroden auf. Nach Erreichen der Emissionstemperatur des QuecksilberdampfGasgemisches unterbricht der Starter den Vorheizvorgang, und an der Induktivität
entsteht eine Spannungsspitze von 1 bis 2 kV, die die Lampe zündet. Nach Abklingen des Spannungsimpulses ist genügend Restionisation vorhanden, so dass die
Versorgungsspannung die Entladungsstrecke durchschlagen kann und die Lampe
weiter brennt. Der Starter ist so konzipiert, dass er bei der nun anliegenden Lampenspannung nicht mehr schließt.
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5.3
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Elektronisches Vorschaltgerät (EVG)
Steuerung
und Regelung
Lampenüberwachung
mit Haltefunktion und
Taktgenerator
6. Lampenkreis
Start/StopKreis
5. Wechselrichter
4. Hochsetzsteller und
Speicherkondensator
3. Überspannungsbegrenzer
2. Netzgleichrichter
1. Netzfilter
Prinzipschaltbild eines elektronischen Vorschaltgerätes für Leuchtstofflampen.
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Netzfilter
Der Hochfrequenzfilter verhindert Rückwirkungen der intern erzeugten Hochfrequenzschwingungen auf das Netz. Dadurch werden Funkstörungen gem.
EN 55015 vermieden.
Netzgleichrichter
Der Netzgleichrichter wandelt die sinusförmige Wechselspannung in eine pulsierende
Gleichspannung um.
Überspannungsbegrenzer
Der Überspannungsbegrenzer (Varistor) dämpft die im Netz auftretenden Spannungsspitzen (Spikes) und schützt die nachfolgenden Elektronikbauelemente vor
Netzüberspannungen bei Nulleiterunterbrechung.
Hochsetzsteller und Speicherkondensator
Der Hochsetzsteller (Aufwärtsregler) dient hier als aktiver Oberschwingungsbegrenzer, der den Oberschwingungsgehalt des Eingangsstromes auf die vorgeschriebenen Grenzwerte reduziert und die Ausgangsspannung und damit die Lampenleistung gegenüber Spannungsschwankungen am Netzeingang stabilisiert.
Der Kondensator glättet die pulsierende Gleichspannung und unterdrückt die netzfrequente Lichtstrommodulation.
Wechselrichter
Der geführte Wechselrichter erzeugt aus der geglätteten Gleichspannung eine hochfrequente Wechselspannung von 20 - 50 kHz. Eine Frequenz über 10 kHz verbessert
den Wirkungsgrad der Leuchtstofflampe und verhindert im Zusammenhang mit dem
Speicherkondensator das Elektrodenflimmern.
Lampenkreis und Start/Stop-Kreis
Der Lampenkreis dient der Vorheizung, Zündung und Ansteuerung (Strombegrenzung) der Lampe. Der Start/Stop-Kreis überwacht den Lampenstrom (Kurzschluss und Leerlauf). Er verhindert die Zündung bei defekter Lampe oder schaltet
das elektronische Vorschaltgerät bei Überlast ab.
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Formeln
Grundschwingungsgehalt g =
Leistungsfaktor λ =
I1
I
P
= g * cos ϕ1
S
Verschiebungsfaktor cos ϕ1 =
P
U 1 * I1
∞
∑ Iν
ν
2
Verzerrungsfaktor k = 1 − g 2 =
=2
I
Scheinleistung S = U * I
Blindleistung Q = S 2 − P 2
Verzerrungsleistung D = Q 2 − Q12
Grundschwingungsblindleistung Q1 = U * I 1 * sin ϕ1
Resonanzfrequenz ω 0 =
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1
LC
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und Leistungselektronik
Literaturhinweise:
• Daniel Manh Hung Nguyen, „Entwicklung eines Praktikumsversuches zur Untersuchung von Netzrückwirkungen elektronischer Beleuchtungsgeräte im Haushalt
und Büro, Diplomarbeit FH-HH FB E/I, 1989
• DIN VDE 0712 Teil 2,6/71
• DIN VDE 0160
• EN 60 555, Teil 2; VDE 0838, Teil 2 „Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen,
die durch Haushaltsgeräte und durch ähnliche elektrische Einrichtungen verursacht werden“ „Oberschwingungen“, Juni 1987
• EN 61000-3-2; VDE 0838, Teil 2; (engl. IEC 61000-3-2 + A1 + A2) „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)“ „Grenzwerte“ „Grenzwerte für Oberschwingungsströme“, Oktober 1998
• Albert Kloss, „Oberschwingungen“, VDE-Verlag, 1989
• Albert Kloos, „Stromrichter-Netzrückwirkungen in Theorie und Praxis“, AT-Verlag,
1981
• Günter G. Seip, „Elektrische Installationstechnik“, Siemens AG, 1993
• C. H. Sturm, E. Klein, „Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen“,
Siemens AG
• W. Hirschmann, A.Haunenstein, "Schaltnetzteile", Siemens AG
• Jäger, Stein, „Leistungselektronik“, VDE-Verlag
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