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Netzrückwirkungen und Oberschwingungen Von 2 bis 9 kHz normgerecht Netzspannungen prüfen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Durch die Zunahme dezentral erzeugter und eingespeister Energie durch regenerative Energieanlagen, kommt dem Thema Netzrückwirkung eine immer größere Bedeutung zu. Wir stellen ein Prüfsystem für den wichtigen Frequenzbereich 2 bis 9 kHz für normgerechte Prüfungen vor.

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Die ständig wachsende Verbreitung von Leistungshalbleitern und anderen nichtlinearen Verbrauchern in elektrischen Geräten und Anlagen führt dazu, dass dem Thema Netzrückwirkungen eine immer größere Bedeutung zukommt.

Auch die Zunahme von dezentraler Erzeugung und Einspeisung durch regenerative Energieanlagen trägt zur Verschärfung der Situation bei. Dabei rückt insbesondere der Frequenzbereich zwischen 2 und 9 kHz in den Fokus. Entsprechende Prüfsysteme müssen Oberschwingungen normgerecht und präzise messen.

Störungen der Netzspannung im öffentlichen Stromnetz, die durch Verbraucher verursacht werden, müssen möglichst vermieden werden.

Verantwortlich sind die Hersteller von Geräten, die dafür zu sorgen haben, dass die Geräte entstört werden. Innerhalb der europäischen Union dürfen nur Geräte in Verkehr gebracht werden, die mit einem CE-Zeichen versehen sind. Damit bestätigt der Hersteller, dass das Gerät sämtliche relevanten Normen erfüllt. Eine weitere Quelle für Störungen der öffentlichen Stromnetze resultiert aus der Verwendung regenerativer Energien. In den vergangenen Jahren ist durch die aktuelle energiepolitische Situation der Anteil der elektrischen Energie, die mit Windenergie- und Photovoltaikanlagen erzeugt wird, stetig gestiegen. Auch hier sind moderne Leistungshalbleiter beispielsweise IGBTs im Einsatz, die Netzstörungen verursachen können.

Ein Blick auf die aktuelle Normenlage

Für Netzrückwirkungen elektrischer Geräte sind je nach Gesamtstromaufnahme die Normen IEC 61000-3-2 für Ströme bis 16 A oder IEC 61000-3-12 für Ströme von 16 bis 75 A zu berücksichtigen. In den Normen sind die Messung und die Bewertung von Oberschwingungen bis zur 40. Harmonischen, also für Frequenzen bis 2 kHz bei 50 Hz Netzfrequenz, festgelegt.

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Prüfsystem für jetzige und künftige Normen

Die Software des Prüfsystems ermöglicht es dem Anwender normgerecht zu Prüfen. Gemessene Daten werden aufgezeichnet und analysiert. Ein von der Software generiertes Prüfprotokoll, das für den CE-Nachweis notwendig ist, lässt sich speichern und ausdrucken. Sowohl die Software als auch die Firmware der Leistungsmessgeräte lässt sich durch Updates jederzeit auf neue Grenzwertsätze, die in zukünftigen Normen festgelegt werden, anpassen. Der Anwender kann in Zukunft jederzeit gemäß der aktuellen Normenlage prüfen. Typische Anwendungsgebiete für das Prüfsystem liegen im Test von Komponenten und Systemen, die bei der Erzeugung erneuerbarer Energien, beispielsweise in Windkraft- oder Photovoltaikanlagen, eingesetzt werden.

Dieser Frequenzbereich umfasst beispielsweise die Störemissionen von Netzteilen oder geregelten Antrieben mit Thyristoren. Die Tatsache, dass die Normen nur Grenzwerte für Frequenzen bis 2 kHz festlegen, haben Hersteller in der Vergangenheit bei der Entwicklung ausgenützt und im Bereich 2 bis 9 kHz kaum für Entstörung gesorgt. Die einschlägigen EMV-Normen, nach denen leitungsgebundene Störungen gemessen werden, greifen erst ab einer Frequenz von 9 kHz. Die dadurch vorhandenen Netzstörungen, die mit der Zeit vermutlich noch zunehmen werden, machen es erforderlich, in Zukunft in diesem Zwischenbereich 2 und 9 kHz exakt messen zu können.

Signalanteile oberhalb 2 kHz möglichst genau erfassen

Die Norm IEC 61000-4-7 beschreibt im Anhang B ein Verfahren, wie Signalanteile oberhalb der 40. Harmonischen gemessen werden sollen. Gemessen wird mit der diskreten Fouriertransformation mit 200 ms Rechteckfenstern.

Gefordert ist eine Gruppierung der Messwerte in Gruppen von 200 Hz mit jeweils 40 Linien im Abstand von 5 Hz. Die Gruppen dürfen keine Lücken und keine Überlappungen aufweisen. Im Vergleich zur Grundschwingung können die zu messenden Signalanteile im Frequenzbereich von 2 bis 9 kHz einen sehr niedrigen Pegel haben. Häufig wird zur Messung daher ein Hochpassfilter für die Strom- und Spannungsmessung verwendet, so dass die geringen Signalanteile oberhalb von 2 kHz mit einem kleineren Messbereich und entsprechend höherer Genauigkeit erfasst werden können.

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