Oberschwingungen im elektrischen System und THD erklärt

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Oberschwingungen in einem elektrischen System sind Spannungs- oder Stromkomponenten, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. In einem 50 Hz-System beträgt die 3. Oberschwingung 150 Hz und die 5. 250 Hz; in einem 60 Hz-System sind es 180 Hz beziehungsweise 300 Hz. Diese Komponenten überlagern sich mit der Grundschwingung und führen dazu, dass die Spannung oder der Strom von einer idealen Sinusform abweicht.

Gesamtoberschwingungsgehalt (THD) fasst den kombinierten Oberschwingungsgehalt in einem Prozentwert zusammen. Er ist nützlich für Prüfungen, Trendanalysen und den Vergleich von Messungen, aber ein THD-Wert allein identifiziert weder die Quelle, die dominante Oberschwingungsordnung, den Konformitätspunkt noch die richtige Abhilfemaßnahme. Eine fundierte Bewertung muss zwischen Spannungsverzerrung und Stromverzerrung unterscheiden, den Messort bestätigen, das Oberschwingungsspektrum überprüfen und die Installation unter repräsentativen Lastbedingungen bewerten.

Wichtigste Erkenntnisse

Nichtlineare Lasten erzeugen einen Oberschwingungsstrom, da sie Strom in Impulsen und nicht proportional zur angelegten Spannung aufnehmen.
Oberschwingungsstrom, der durch die Systemimpedanz fließt, verursacht eine harmonische Spannungsverzerrung.
THDv, THDi und der gesamte bedarfsbezogene Oberschwingungsgehalt (TDD) verwenden unterschiedliche Zähler oder Referenzwerte und sollten nicht als austauschbar betrachtet werden.
IEEE 519 wendet Grenzwerte für die stationäre Spannungs- und Stromverzerrung am Verknüpfungspunkt des Anwenders (PCC) an und nicht als universelles Bestehen/Nichtbestehen-Limit für jede Anschlussklemme eines Geräts.
Ein hoher THDi-Messwert bei geringer Last kann irreführend sein, da der Nenner des Grundstroms klein ist; TDD bietet eine bedarfsbasierte Referenz für die Bewertung am PCC.
Minderungsmaßnahmen sollten auf Messungen folgen. Drosseln, passive Filter, aktive Oberwellenfilter, Multipuls-Gleichrichter und Antriebe mit Active-Front-End lösen unterschiedliche Probleme.
Eine Standard-Kondensatorbatterie zur Blindleistungskompensation ist nicht automatisch ein Oberwellenfilter und kann ein Resonanzrisiko darstellen, wenn sie ohne vorherige Oberwellenanalyse eingesetzt wird.

Oberwellen, THD und TDD auf einen Blick

Menge	Was es beschreibt	Referenzwert	Beste Verwendung	Häufiger Interpretationsfehler
Einzelne Oberwelle	Größe einer einzelnen Oberwellenordnung, wie z. B. der 5.	Grundschwingung oder ein anderer definierter Referenzwert	Identifizierung dominanter Quellen und Auswahl von Filtern	Betrachtung nur des THD bei Vernachlässigung einer dominanten Ordnung
THDv	Kombinierte Oberschwingungsspannungsverzerrung	Grundschwingungsspannung	Bewertung der Wellenformqualität an einer Sammelschiene oder Anschlussklemme von Betriebsmitteln	Anwendung eines Spannungsgrenzwerts an jedem Standort
THDi	Kombinierte Oberschwingungsstromverzerrung	Grundschwingungsstrom zum Messzeitpunkt	Bewertung einer Last und Nachverfolgung ihres Betriebsverhaltens	Vergleich von THDi bei Teillast und Volllast ohne Kontext
TDD	Kombinierter Oberschwingungsstrom bezogen auf den Laststrom	Maximaler Laststrom, IL	IEEE 519-style current assessment at the PCC	Dies als einen anderen Namen für THDi behandeln
Harmonisches Spektrum	Größe jeder gemessenen harmonischen Ordnung	Grundschwingung oder Referenz des Messgeräts	Diagnose der Quelle und Auswahl der Abhilfemaßnahmen	Verwendung eines einzigen Gesamtwerts ohne Überprüfung der Ordnungen

Was erzeugt Oberschwingungen in einem elektrischen System?

Eine lineare Last nimmt eine Stromkurvenform auf, die weitgehend proportional zur angelegten Spannung ist. Widerstandsheizungen sind ein einfaches Beispiel. Eine nichtlineare Last ändert ihre Impedanz während jedes Zyklus oder verwendet Schaltung und Gleichrichtung, sodass ihr Strom in Impulsen oder zerhackten Segmenten aufgenommen wird. Die Fourier-Analyse stellt diese verzerrte periodische Kurvenform als Grundschwingungskomponente zuzüglich Oberschwingungskomponenten dar.

Die Frequenz der Oberschwingungsordnung h ist:

fh = h x f1

wobei:
fh = Oberschwingungsfrequenz
h  = Oberschwingungsordnung: 2, 3, 4, 5...
f1 = Grundfrequenz: normalerweise 50 Hz oder 60 Hz

Typische oberwellenerzeugende Lasten umfassen:

Sechs-Puls-Frequenzumrichter (VFDs) und andere Gleichrichterlasten;
unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs);
Schaltnetzteile in Computern, Servern und Steuerungsgeräten;
LED-Treiber und elektronische Beleuchtungsvorschaltgeräte;
Batterieladegeräte und Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge;
Schweißgeräte, Lichtbogenöfen und andere nichtlineare industrielle Prozesse;
gesättigte magnetische Betriebsmittel unter anormalen Betriebsbedingungen.

Die Last speist im Allgemeinen zuerst den Oberschwingungsstrom ein. Während dieser Strom durch Transformator, Kabel, Sammelschiene und Quellenimpedanz fließt, erzeugt er Oberschwingungsspannungsabfälle. Die resultierende Spannungsverzerrung kann dann andere am selben Bus angeschlossene Geräte beeinträchtigen. Diese Unterscheidung ist wichtig, da der Austausch einer empfindlichen Last keine Quelle auf Systemebene beseitigt, während das Hinzufügen eines Filters am falschen Bus nur eine geringe Verbesserung bewirken kann.

Wie Oberschwingungen eine AC-Wellenform verzerren

Eine ideale sinusförmige Wellenform enthält nur die Grundfrequenz. Eine reale nichtlineare Last kann einen Grundstrom plus 3., 5., 7. und höherfrequente Komponenten ziehen. Zu jedem Zeitpunkt addieren sich diese Komponenten algebraisch. Das Ergebnis kann flach, spitz, eingekerbt oder anderweitig verzerrt aussehen, obwohl die RMS-Spannung nahe am Nennwert liegt.

Grund- und Oberschwingungskomponenten, die sich zu einer verzerrten Wellenform im elektrischen System kombinieren

Die Wellenform und das Spektrum liefern unterschiedliche Informationen:

Die Zeitbereichs-Wellenform zeigt Einkerbungen, Abflachungen, einen hohen Scheitelfaktor und Schaltverhalten.
Das Frequenzbereichsspektrum zeigt, welche Harmonischen-Ordnungen dominieren.
THD liefert einen praktischen Gesamtwert, zeigt jedoch nicht, ob die Verzerrung hauptsächlich durch die 3., 5., 7. Harmonische verursacht wird oder sich über viele Ordnungen verteilt.

Für die Planung von Minderungsmaßnahmen ist das Spektrum in der Regel aussagekräftiger als der Gesamtwert allein.

Wie wird der gesamte harmonische Klirrfaktor berechnet?

Spannungs-THD

Der Spannungs-THD ist der quadratische Mittelwert der harmonischen Spannungen dividiert durch die Grundschwingungsspannung:

THDv = [sqrt(V2^2 + V3^2 + ... + Vh^2) / V1] x 100%

V1 = RMS-Grundschwingungsspannung
Vh = RMS-Spannung der Harmonischen-Ordnung h

THDv gibt an, wie weit die Spannungswellenform am Messpunkt von ihrer Grundschwingungskomponente abweicht. Er wird durch den harmonischen Strom und die Impedanz zwischen der Quelle und dem Messpunkt beeinflusst.

Strom-THD

Der Strom-THD verwendet dieselbe Struktur, bezieht den Oberschwingungsstrom jedoch auf den zum jeweiligen Zeitpunkt gemessenen Grundschwingungsstrom:

THDi = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / I1] x 100%

I1 = Effektivwert des Grundschwingungsstroms zum Messzeitpunkt
Ih = Effektivwert des Oberschwingungsstroms der Ordnung h

THDi ist nützlich bei der Bewertung des Verhaltens einer einzelnen nichtlinearen Last. Das Ergebnis kann jedoch bei geringer Last stark ansteigen, da I1 klein wird, selbst wenn der absolute Oberschwingungsstrom nicht den schlechtesten Systemzustand darstellt. Protokollieren Sie neben dem THDi immer auch den Laststrom und den Betriebszustand.

Total Demand Distortion

TDD bezieht den Oberschwingungsstrom auf einen Laststrombedarfswert anstatt auf den momentanen Grundschwingungsstrom:

TDD = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / IL] x 100%

IL = maximaler Laststrom am PCC, definiert für die anwendbare Bewertungsmethode

Dieser stabilere Nenner macht TDD geeignet für die Bewertung, wie der Oberschwingungsstrom einer Anlage zu ihrem Bedarf am PCC in Beziehung steht. Das korrekte IL, Aggregationsintervall, Beobachtungszeitraum und Kurzschlussverhältnis müssen der anwendbaren Norm und der Projektstudie entsprechen. Ersetzen Sie ohne Begründung keine Leistungsschalter-Bemessung, keinen Transformator-Nennstrom oder eine bequeme Punktmessung.

Warum THDv und THDi unterschiedliche Ergebnisse liefern können

Eine hohe Stromverzerrung bedeutet nicht automatisch eine hohe Spannungsverzerrung. Ein steifes elektrisches System mit niedriger Quellenimpedanz kann erhebliche Oberschwingungsströme aufnehmen und dabei eine relativ saubere Spannungswellenform beibehalten. Ein schwaches System oder eine lange Zuleitung mit hoher Impedanz kann durch einen geringeren Oberschwingungsstrom eine stärkere Spannungsverzerrung entwickeln.

Die umgekehrte diagnostische Unterscheidung ist ebenfalls nützlich:

Ein hoher THDi an einem Abzweig bei gleichzeitig akzeptablem THDv an der Sammelschiene deutet häufig auf eine lokale nichtlineare Last mit begrenzten Auswirkungen auf das System hin.
Ein erhöhter THDv über mehrere Zuleitungen hinweg deutet auf eine Verzerrung an einer gemeinsamen vorgelagerten Sammelschiene oder einen Resonanzzustand hin.
Ein erhöhter THDv am Einspeisepunkt vor dem Betrieb der Hauptlasten der Anlage kann auf einen vorgeschalteten Störfaktor hinweisen, der eine Untersuchung seitens des Versorgungsunternehmens erfordert.
Ein hoher THDi, der nur während eines bestimmten Betriebsmodus auftritt, deutet auf eine prozessbedingte Quelle hin, wie z. B. Antriebslasten, Gleichrichterleitfähigkeit oder den Betrieb von Ladegeräten.

Welche Probleme können Oberschwingungen verursachen?

Oberschwingungen erzeugen kein universelles Symptom. Ihre Auswirkungen hängen von der Oberschwingungsordnung, der Amplitude, der Impedanz des elektrischen Systems, dem Lastprofil, der Erdungskonfiguration, der Resonanz und der Gerätekonstruktion ab.

Zusätzliche Erwärmung in Leitern, Sammelschienen und Transformatoren

Der Oberschwingungsstrom erhöht den gesamten Effektivstrom und damit die Erwärmung der Leiter. Höherfrequente Anteile verstärken zudem Wirbelstrom- und Skin-Effekt-Verluste in magnetischen und leitfähigen Bauteilen. Transformatoren, die eine erhebliche nichtlineare Last versorgen, können zusätzliche Wicklungs- und Streuverluste aufweisen, selbst wenn der durchschnittliche kW-Bedarf normal erscheint.

Anschlussklemmen, die bereits durch einen hohen Widerstand beeinträchtigt sind, sind besonders anfällig, da der verzerrte Effektivstrom zusätzlich zu I²R Erwärmung führt. Die Diagnosemethoden im Leitfaden von VIOX zu Überhitzung der Anschlussklemme helfen dabei, harmonische Belastung von losen oder verschlechterten Verbindungen zu unterscheiden.

Überhitzung des Neutralleiters

In einem symmetrischen Dreiphasen-Vierleitersystem heben sich die Grundschwingungsströme ähnlicher einphasiger Lasten im Neutralleiter weitgehend auf. Triplen-Oberschwingungen, einschließlich der 3., 9. und 15., sind Nullsystemkomponenten und können sich im Neutralleiter addieren, anstatt sich aufzuheben. Ein symmetrischer Phasenstrommesswert garantiert daher keinen niedrigen Neutralleiterstrom.

Die Neutralleiterbelastung sollte direkt dort gemessen werden, wo sich elektronische einphasige Lasten konzentrieren. Verwechseln Sie die stromführende Funktion des Neutralleiters nicht mit dem Schutzleiterpfad; die Unterscheidung wird erläutert in Neutralleiterschiene im Vergleich zur Erdungsschiene.

Motorverluste, Drehmomentpulsationen und Geräusche

Spannungsoberschwingungen erzeugen rotierende Magnetfelder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen. In Induktionsmotoren wirken einige Oberschwingungsfolgen dem rotierenden Grundfeld entgegen, während andere dessen Richtung bei unterschiedlichen Synchrongeschwindigkeiten verstärken. Das Ergebnis kann zusätzliche Kupfer- und Eisenverluste, Drehmomentpulsationen, Vibrationen, hörbare Geräusche und einen verringerten nutzbaren thermischen Spielraum umfassen.

Wenn Antriebe beteiligt sind, trennen Sie netzseitige Oberschwingungen von der PWM-Spannungsbelastung auf der Ausgangsseite. Eine Netzdrossel oder ein eingangsseitiger Oberschwingungsfilter adressiert ein anderes Problem als eine Ausgangsdrossel, ein Sinusfilter oder ein dV/dt -Filter. Der Leitfaden zum Vergleich von Frequenzumrichtern (VFD) und Sanftstartern liefert den breiteren Kontext der Motorsteuerung.

Kondensatorüberlastung und Resonanz

Kondensatoren zur Blindleistungskompensation reduzieren den Blindleistungsbedarf bei der Grundfrequenz, ihre Impedanz nimmt jedoch mit steigender Frequenz ab. In Kombination mit der Systeminduktivität können sie eine Parallel- oder Reihenresonanz in der Nähe einer bestehenden Oberschwingungsordnung erzeugen. Das Ergebnis kann die Oberschwingungsspannung oder den -strom verstärken und Kondensatoren, Drosseln, Transformatoren oder Schaltgeräte überlasten.

Eine konventionelle Kondensatorbatterie sollte daher nicht als universelles Mittel gegen Oberschwingungen dargestellt werden. Wo der Oberschwingungsgehalt signifikant ist, erfordert das Design möglicherweise verdrosselte Kondensatoren, einen abgestimmten passiven Filter, einen aktiven Oberschwingungsfilter oder eine andere technische Lösung. Zweck und Grenzen der automatischen Blindleistungskompensation werden behandelt in APFC Vollform und Funktion.

Fehlauslösung und elektronische Fehlfunktion

Verzerrte Wellenformen können den Spitzenstrom erhöhen, Nulldurchgänge verändern, die Erwärmung verstärken und Geräte stören, die eine nahezu sinusförmige Versorgung voraussetzen. Mögliche Symptome sind unerklärliche Auslösungen von Schutzgeräten, Alarme von Kondensatorstufen, Transformatorgeräusche, Steuerungs-Resets, falsche Messwerte bei ungeeigneten Instrumenten sowie eine verringerte Lebensdauer der Geräte.

Diese Symptome sind kein Beweis für Oberschwingungen. Lose Leiter, Spannungsunsymmetrien, Transienten, Überlast, elektromagnetische Störungen und falsche Einstellungen können ähnliche Anzeichen hervorrufen. Vor der Wahl einer Abhilfemaßnahme ist eine Messung erforderlich.

Wo und wie sollten Oberschwingungen gemessen werden?

Der Messplan sollte eine definierte Frage beantworten: Einhaltung am PCC, Fehlerbehebung an Geräten, Identifizierung der Quelle, Kapazitätsplanung oder Verifizierung nach der Fehlerbehebung. Eine punktuelle Messung beantwortet selten alle fünf Punkte.

1. Messumfang festlegen

Identifizieren Sie für eine IEEE 519-Bewertung auf Anlagenebene den vertraglich oder technisch festgelegten PCC. Messen Sie zur internen Fehlerbehebung bei Bedarf auch am internen Verknüpfungspunkt, an der Hauptverteilungsschiene, am verdächtigen Abgang und an den Anschlussklemmen der Last. Dokumentieren Sie den einpoligen Schaltplan und den Ort jeder Messung.

2. Geeignete Messgeräte verwenden

Verwenden Sie einen Netzqualitätsanalysator, der zur gleichzeitigen dreiphasigen Spannungs- und Strommessung, zur Erfassung des Oberschwingungsspektrums, THDv, THDi, TDD bei Bedarf, zur Ereignisprotokollierung sowie zur Neutralleiterstrommessung für Vierleitersysteme fähig ist. IEC 61000-4-7 behandelt Messgeräte für Oberschwingungen und Zwischenharmonische, während IEC 61000-4-30 Methoden zur Netzqualitätsmessung und Messklassen definiert.

Ein einfaches mittelwertbildendes Messgerät reicht zur Diagnose verzerrter Wellenformen nicht aus. Ein Echt-Effektivwert-Messgerät (True-RMS) kann die Genauigkeit der Effektivwerte von Strom und Spannung verbessern, ersetzt jedoch normalerweise keinen Netzqualitätsanalysator für die Analyse von Oberschwingungsordnung, Trend, Richtung und Konformität.

3. Erfassen repräsentativer Betriebsbedingungen

Zeichnen Sie Messungen über verschiedene Betriebszustände hinweg auf, anstatt sich auf eine einzelne Momentaufnahme zu verlassen:

minimale, normale und maximale Anlagenlast;
Beschleunigung, stationärer Betrieb und niedrige Drehzahlzustände des Antriebs;
Betriebsmodi von USV oder Ladegeräten;
Zu- und Abschalten von Kondensatorbatteriestufen;
Generator- und Netzbetrieb, sofern beide möglich sind;
Produktionszyklen, die mit Reklamationen oder Überhitzung in Verbindung stehen.

4. Kontext mit jedem THD-Wert aufzeichnen

Mindestens sind folgende Daten aufzuzeichnen:

Messort und Konfiguration des elektrischen Systems;
Spannung zwischen den Außenleitern sowie zwischen Außenleiter und Neutralleiter, sofern zutreffend;
Effektivwert (RMS) des Phasen- und Neutralleiterstroms;
THDv, THDi und TDD, sofern relevant;
individuelles Harmonikenspektrum und Phasenwerte;
kW, kVA, kvar, Leistungsfaktor und Lastzustand;
Quelltransformator, Leiter und Status der Kondensatorbatterie;
Zeitstempel und Protokollierungsintervall.

5. Systematische Rückverfolgung der Quelle

Beginnen Sie am Bewertungspunkt und vergleichen Sie die Messwerte stromaufwärts und stromabwärts. Wenn die Verzerrung stark ansteigt, sobald ein Abzweig unter Spannung gesetzt wird, verfolgen Sie diesen weiter. Wenn mehrere Abzweige eine ähnliche Spannungsverzerrung aufweisen, untersuchen Sie die Sammelschiene, die Kondensatorresonanz oder die stromaufwärtige Quelle.

Messpfad von der nichtlinearen Last über den Abzweigverteiler und die Hauptsammelschiene bis zum Verknüpfungspunkt

Die korrekte Reihenfolge ist messen, lokalisieren, modellieren, abschwächen und verifizieren. Die Installation eines Filters vor der Ermittlung dieser Basislinie kann ein Symptom verdecken, während die tatsächliche Quelle oder Resonanz unverändert bleibt.

Wie Standards auf Oberschwingungen angewendet werden

Referenz	Hauptaufgabe	Praktische Grenze
IEEE 519-2022	Zielwerte für Systemspannungs- und Stromverzerrungen	Angewendet am PCC des Anwenders unter definierten stationären Bedingungen; Stromgrenzwerte hängen vom Systemkontext ab, einschließlich der Kurzschlussfestigkeit im Verhältnis zum Bedarf
IEC 61000-4-7	Messgeräte für Oberschwingungen und Zwischenharmonische	Definiert, wie spektrale Komponenten für die Bewertung von Betriebsmitteln und Versorgungssystemen gruppiert und gemessen werden
IEC 61000-4-30:2025	Methoden zur In-situ-Messung der Spannungsqualität	Definiert wiederholbare Methoden und Class A/Class S-Ansätze für Parameter, einschließlich Spannungs- und Stromoberschwingungen
IEC 61000-2-4:2024	Verträglichkeitspegel in industriellen Energieverteilungssystemen	Gilt an einem werkseigenen Verknüpfungspunkt und unterteilt industrielle elektromagnetische Umgebungen in definierte Klassen
IEC 61000-3-2 / IEC 61000-3-12	Grenzwerte für Oberschwingungsströme für definierte Gerätekategorien	Normen auf Geräteebene mit festgelegtem Geltungsbereich; kein Ersatz für eine vollständige PCC-Bewertung der Anlage

Drei Regeln verhindern die meisten Normenfehler:

Bestätigen Sie den Bewertungspunkt. Ein Grenzwert am PCC ist nicht automatisch der Grenzwert am Eingang eines VFD oder an einem entfernten Abzweigkasten.
Bestätigen Sie den Nenner und die Mittelwertbildung. THDi und TDD können bei gleichem Stromspektrum sehr unterschiedliche Prozentwerte ergeben.
Bestätigen Sie die geltende Ausgabe und den Geräteumfang. Versorgungsanforderungen, Projektspezifikationen, regionale Netzanschlussregeln und Produktnormen können Verpflichtungen begründen, die über einen allgemeinen Leitfaden hinausgehen.

Welche Methode zur Oberschwingungsreduzierung sollten Sie verwenden?

Es gibt keinen universell optimalen Filter. Wählen Sie die Methode basierend auf dem Quellenspektrum, der Lastvariabilität, der Systemimpedanz, der geforderten Leistung, dem verfügbaren Platz, den Verlusten, der Wartungsfähigkeit und der zukünftigen Erweiterung.

Situation	Zu bewertende Minderungsoptionen	Technische Überlegungen
Ein herkömmlicher Sechs-Puls-Antrieb	AC-Netzdrossel, DC-Drossel, passiver Oberschwingungsfilter, Low-Harmonic-Antrieb oder Active-Front-End-Antrieb	Erforderliche Reduzierung, Lastbereich, Spannungsfall, Wirkungsgrad, Platzbedarf, Bypass-Anordnung
Mehrere nichtlineare Lasten mit sich änderndem Bedarf	Zentraler oder dezentraler aktiver Oberschwingungsfilter	Position der Stromwandler, Kompensationsstrom, Oberschwingungsordnungen, Lastdiversität, Erweiterungsspielraum
Stabile dominante Oberschwingungsordnungen	Abgestimmter oder breitbandiger passiver Filter	Netzimpedanz, Abstimmungstoleranz, Kondensatorbelastung, Resonanz, Generatorbetrieb
Blindleistungskompensation in einem verzerrten Netz	verdrosselte Kondensatorbank oder technisch ausgelegte Filterbank	Vorhandenes Spektrum, Resonanzfrequenz, Kondensatorstrom, Schaltbetrieb, Reglereinstellungen
Hoher harmonischer Strom dritter Ordnung in einem Vierleitersystem	Quellenemissionen reduzieren, Lasten umverteilen, geeignete Filterung verwenden und Neutralleiter-/Transformatorauslegung überprüfen	Neutralleiterstrommessung, thermische Belastbarkeit der Leiter, Eignung des Transformators, zukünftige elektronische Last
Neues Projekt mit großem Gleichrichterbedarf	Multipuls-Gleichrichter, Phasenschiebertransformator, Active Front End oder spezifizierte oberwellenarme Betriebsmittel	Quellenstärke, Redundanz, Komplexität des Transformators, Lebenszykluskosten, Compliance-Ziel
Vorhandene Ausrüstung überhitzt bereits	Lastreduzierung und thermische Risikokontrolle vor dauerhafter Entschärfung	Oberschwingungsanalyse, Anschlussprüfung, Belüftung, Zustand von Leitern und Transformatoren

Netzdrosseln und DC-Drosseln

Drosseln erhöhen die Impedanz und glätten den von Gleichrichterlasten aufgenommenen Strom. Sie sind relativ einfach und robust, ihr Ergebnis hängt jedoch von der Netzimpedanz und der Auslegung des Antriebs ab. Sie reduzieren den Oberschwingungsstrom, anstatt ihn zu eliminieren, und führen zu Spannungsabfall und Verlusten.

Passive Oberschwingungsfilter

Passive Filter kombinieren Induktivitäten und Kondensatoren, um einen Pfad mit niedriger Impedanz für ausgewählte Oberschwingungsfrequenzen oder zur breitbandigen Dämpfung bereitzustellen. Sie können bei stabilen, vorhersehbaren Lasten effektiv sein, müssen jedoch auf das tatsächliche Netzwerk abgestimmt werden. Verstimmung, Komponententoleranzen, Lastschwankungen und die Interaktion mit Generatoren oder anderen Kondensatorbänken erfordern eine Überprüfung.

Aktive Oberschwingungsfilter

Ein aktiver Oberschwingungsfilter misst Verzerrungen und speist Kompensationsstrom ein. Er passt sich besser an wechselnde Lastprofile an und kann auf mehrere Oberschwingungsordnungen abzielen, jedoch müssen seine Strombelastbarkeit, CT-Anordnung, Ansprechzeit, Gehäuseausführung, Verluste und Regelungsziele spezifiziert werden.

Oberschwingungsarme Frequenzumrichter und Active Front Ends

Oberschwingungsarme Antriebsarchitekturen reduzieren Verzerrungen an der Quelle, anstatt mehrere Lasten an einer gemeinsamen Sammelschiene zu kompensieren. Sie können eine Neuinstallation vereinfachen, beeinflussen jedoch Kosten, Platzbedarf, Verluste, elektromagnetische Verträglichkeit und die Wartungsstrategie. Rückspeisefähigkeit und geringe Oberschwingungsverzerrung sind separate Anforderungen, selbst wenn ein Produkt beides bietet.

Ein praktischer Arbeitsablauf für die Oberschwingungsuntersuchung

Definieren Sie die Beanstandung und den Grenzbereich. Identifizieren Sie Überhitzung, Fehlauslösungen, Konformität, Erweiterungen oder Gerätefehlfunktionen als das Kernproblem.
Überprüfen Sie den einpoligen Schaltplan und das Lastverzeichnis. Markieren Sie nichtlineare Lasten, Kondensatorbänke, Generatoren, Transformatoren und lange Zuleitungen.
Etablieren Sie eine Basis am PCC oder an der Hauptsammelschiene. Protokollieren Sie Spannung, Strom, Lastbedarf, THD/TDD und das harmonische Spektrum.
Verfolgen Sie dominante Ordnungen in Richtung der Abzweiglasten. Vergleichen Sie Änderungen während des Schaltzyklus größerer Lasten.
Überprüfen Sie Resonanz und Systemimpedanz. Beziehen Sie Transformatoren- und Kondensatorbankdaten in die Untersuchung ein.
Wählen Sie geeignete Minderungsmaßnahmen aus. Vergleichen Sie Maßnahmen zur Quellenreduzierung, passiven Filterung, aktiven Filterung und zur Erhöhung der Betriebsfestigkeit von Anlagen.
Erwartete Leistung des Modells. Prüfen Sie die Betriebszustände für Normal-, Minimum-, Maximum-, Netz- und Generatorbetrieb.
Implementierung mit Schutz und thermischer Auslegung. Koordinieren Sie Leiter, Schaltgeräte, Belüftung und Filterschutz.
Wiederholen Sie die ursprünglichen Messungen. Verifizieren Sie die Verbesserung an denselben Messstellen und unter vergleichbaren Lastzuständen.

Häufige Fehler bei der Oberschwingungsanalyse

Die Behandlung jedes THD-Prozentsatzes als identische Größe

Kennzeichnen Sie den Wert immer als THDv, THDi oder TDD und erfassen Sie dessen Nenner. Ein Prozentwert ohne die gemessene Größe und den Ort ist ein unvollständiger Datensatz.

Messung nur an der nichtlinearen Last

Eine Messung an der Anschlussklemme der Last beschreibt die Last, stellt jedoch keine Konformität der Anlage oder Auswirkungen am PCC fest. Messen Sie beides, wo dies erforderlich ist.

Verwendung von THD ohne das harmonische Spektrum

Zwei Systeme können denselben THD aufweisen, erfordern jedoch unterschiedliche Minderungsmaßnahmen, da sich ihre dominanten Ordnungen unterscheiden. Bewahren Sie die individuellen Daten der Oberschwingungen auf.

Installation von Kondensatoren ohne Überprüfung der Resonanz

Kondensatoren können die Netzwerkresonanz in Richtung einer bestehenden Oberschwingung verschieben. Überprüfen Sie den Oberschwingungsgehalt und die Impedanz, bevor Sie eine Blindleistungskompensation hinzufügen oder erweitern.

Annahme, dass ein SPD Oberschwingungen entfernt

Ein SPD begrenzt transiente Überspannungen gemäß seiner Auslegung; es filtert nicht kontinuierlich niederfrequente Netzoberschwingungen. Oberschwingungen und Überspannungen erfordern unterschiedliche Bewertungen und Schutzmaßnahmen. Für die Grenze des transienten Schutzes siehe der Wirkungsweise eines Überspannungsschutzgeräts.

Behandlung eines größeren Neutralleiters oder Transformators als Quellenminderung

Thermisch robuste Betriebsmittel vertragen Oberschwingungsbelastungen unter Umständen besser, dies reduziert jedoch nicht notwendigerweise die Oberschwingungseinspeisung oder die Spannungsverzerrung. Trennen Sie Anforderungen an die Festigkeit von Maßnahmen zur Emissionsminderung.

Häufig Gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Oberschwingungen und THD?

Oberschwingungen sind die einzelnen Frequenzkomponenten bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz. THD ist ein Prozentwert, der die Wurzel aus der Summe der Quadrate dieser Oberschwingungskomponenten im Verhältnis zu einer festgelegten Referenz darstellt.

Wird THD bei Spannung oder Strom gemessen?

Es kann bei beiden gemessen werden. THDv beschreibt die Verzerrung der Spannungswellenform, während THDi die Verzerrung der Stromwellenform beschreibt. Die Größe muss angegeben werden, da sich die Ursachen, Grenzwerte und die Interpretation unterscheiden.

Warum kann der THD des Stroms bei geringer Last sehr hoch aussehen?

THDi teilt den Oberschwingungsstrom durch den momentanen Grundschwingungsstrom. Bei geringer Last wird der Nenner der Grundschwingung klein, sodass der prozentuale Anteil steigen kann, auch wenn der absolute Oberschwingungsstrom nicht zugenommen hat. Überprüfen Sie gegebenenfalls die Stromstärke, das Spektrum und den TDD.

Was ist der Unterschied zwischen THDi und TDD?

THDi bezieht den Oberschwingungsstrom auf den Grundschwingungsstrom zum Messzeitpunkt. TDD bezieht ihn auf einen definierten maximalen Laststrom. TDD ist daher für die PCC-Bewertung bei wechselnden Lastbedingungen stabiler.

Erhöhen Oberschwingungen immer den Neutralleiterstrom?

Nicht in jedem elektrischen System. Die Problematik ist bei dreiphasigen Vierleitersystemen, die viele einphasige nichtlineare Lasten versorgen, am stärksten, da sich harmonische Oberschwingungen dritter Ordnung (Triplen-Harmonische) im Neutralleiter addieren können. Messen Sie den Neutralleiter direkt, anstatt eine gegenseitige Auslöschung anzunehmen.

Kann eine Kondensatorbatterie den THD reduzieren?

Nur wenn sie als Teil eines Oberschwingungsfilters oder als verdrosseltes Kompensationssystem ausgelegt ist. Eine Standard-Kondensatorbatterie reduziert den THD möglicherweise nicht und kann die Verzerrung verstärken, wenn sie mit der Systeminduktivität in Resonanz gerät.

Filtert ein Überspannungsschutz Oberschwingungen?

Nein. Ein SPD adressiert transiente Überspannungen. Oberschwingungen sind stationäre oder wiederkehrende Wellenformkomponenten, die eine Quellenreduzierung, Drosseln, Oberschwingungsfilter oder andere Maßnahmen zur Spannungsqualität erfordern.

Wo sollten IEEE 519-Messungen durchgeführt werden?

IEEE 519 legt Ziele für stationäre Verzerrungen am Verknüpfungspunkt des Nutzers (PCC) fest. Der tatsächliche PCC muss anhand der Versorgungs- und Projektkonfiguration ermittelt werden, anstatt ihn an jeder Anschlussklemme eines Geräts vorauszusetzen.

Welches Instrument wird zur Messung des THD benötigt?

Verwenden Sie einen Netzqualitätsanalysator, der für das Bewertungsziel geeignet ist und in der Lage ist, bei Bedarf dreiphasige Spannung, Strom, Oberschwingungsspektrum, THD und TDD aufzuzeichnen. Ein Echt-Effektivwert-Multimeter (True-RMS) ist nützlich für genaue RMS-Werte bei verzerrten Wellenformen, kann aber normalerweise keine vollständige Oberschwingungsanalyse durchführen.

Fazit

Die Oberschwingungsbewertung ist keine Suche nach einem einzelnen akzeptablen THD-Wert. Es handelt sich um eine strukturierte Untersuchung von Wellenformkomponenten, Messort, Systemstärke, Lastverhalten und Geräteinteraktion.

Beginnen Sie mit der Unterscheidung zwischen THDv, THDi und TDD. Messen Sie an der korrekten Schnittstelle unter repräsentativen Betriebsbedingungen, bewahren Sie das individuelle Oberschwingungsspektrum auf und verfolgen Sie dominante Ordnungen bis zu ihren Quellen zurück. Wählen Sie dann eine Dämpfungsmaßnahme, die zum Netz passt: Drosseln für Impedanz und Glättung, passive Filter für vorhersehbare Spektren, aktive Filter für wechselnde Lasten oder geräuscharme Geräte, wenn die Quellenreduzierung die bessere Entscheidung für das elektrische System ist.

Für Schaltschrankbauer und OEMs ist die wichtigste Spezifikation nicht einfach nur “niedriger THD”. Es ist eine definierte Leistungsanforderung, die an den PCC oder die Anschlussklemme, den Betriebslastbereich, die geltende Norm, das Messverfahren und das Verifizierungsverfahren gebunden ist.