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Power QualityBeschreibung-Anforderungen-Verbesserung

Prof. Dipl.-Ing. Alwin BurgholteProf. Dipl.-Ing. Alwin Burgholte

Fachbereich Ingenieurwissenschaften Fachbereich Ingenieurwissenschaften Fachhochschule OOWFachhochschule OOW

am Standort Wilhelmshavenam Standort Wilhelmshaven

wissenschaftliche Einrichtung wissenschaftliche Einrichtung ElektronikElektronik

Labor für Leistungselektronik und Labor für Leistungselektronik und EMVEMV

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Power QualityBeschreibung-Anforderungen-Verbesserung

... ... die Normen EN 50160, EN 61000-2-2 die Normen EN 50160, EN 61000-2-2 und EN 61000 2-4 beschreiben den und EN 61000 2-4 beschreiben den Qualitätsstandard der elektrischen Qualitätsstandard der elektrischen Stromversorgung!!Stromversorgung!!

... die Verfügung Amtsblatt C 77/8 vom ... die Verfügung Amtsblatt C 77/8 vom 31.03.200531.03.2005 im europäischen Amtsblatt im europäischen Amtsblatt listet den aktuellen listet den aktuellen Normenstand: Die Normenstand: Die Rechtssituation ist damit eindeutig.Rechtssituation ist damit eindeutig.

....diese Vorlesung bringt Sie auf den ....diese Vorlesung bringt Sie auf den neuesten Wissensstand bzgl. der neuesten Wissensstand bzgl. der Anforderungen an Stromversorgungen!!!Anforderungen an Stromversorgungen!!!

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Aktuelle RechtssituationAktuelle Rechtssituation

Das »Produkt Strom« hat einen Qualitätsstandard Das »Produkt Strom« hat einen Qualitätsstandard zu erfüllen, wie er in den einschlägigen zu erfüllen, wie er in den einschlägigen Normen Normen und Richtlinien und Richtlinien definiert istdefiniert ist• EN 50160, EN 61000-2-2, EN 61000-2-4EN 50160, EN 61000-2-2, EN 61000-2-4• VDEW-Richtlinien, FGW-Richtlinie, e•on-RichtlinienVDEW-Richtlinien, FGW-Richtlinie, e•on-Richtlinien

neue EU EMV-Richtlinie (zweite Novellierung 2004)neue EU EMV-Richtlinie (zweite Novellierung 2004) EMVG nach dritter Novellierung rechtskräftigEMVG nach dritter Novellierung rechtskräftig Listing im europäischen Amtsblatt aktualisiert den Listing im europäischen Amtsblatt aktualisiert den

NormenstandNormenstand z.B. EN 61000-3-2 und EN 61000-3-3 zu z.B. EN 61000-3-2 und EN 61000-3-3 zu

Stromoberschwingungen u. Stromoberschwingungen u. Spannungsschwankungen gelten für alle Geräte mit Spannungsschwankungen gelten für alle Geräte mit IILL 16 A 16 A

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die Problematik bei der die Problematik bei der StromversorgungenStromversorgungen

• arbeiten die Geräte an der arbeiten die Geräte an der verfügbaren Eingangsqualität verfügbaren Eingangsqualität einwandfrei? einwandfrei? • gefordert ist hier eine entsprechende gefordert ist hier eine entsprechende

StörfestigkeitStörfestigkeit werden die zulässigen werden die zulässigen

Emissionsgrenzen nicht Emissionsgrenzen nicht überschritten?überschritten? Problem der Zuordnung der Stromversorgung Problem der Zuordnung der Stromversorgung in eine anzuwendende Normin eine anzuwendende Norm

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Meßbeispiele für verminderte Eingangs-/Versorgungsqualität

Störemissionen in Spannung und Störemissionen in Spannung und StromStrom

Impulsbeanspruchungen (Burst, Surge)Impulsbeanspruchungen (Burst, Surge) Spannungsschwankungen (Flicker)Spannungsschwankungen (Flicker) Oberschwingungen alsOberschwingungen als

charakteristische (harmonische) undcharakteristische (harmonische) und

nicht charakteristische nicht charakteristische (zwischenharmonische) (zwischenharmonische) FrequenzenFrequenzen

(bis 2 kHz bzw. 2,5 kHz etabliert; zukünftig bis 9 kHz)(bis 2 kHz bzw. 2,5 kHz etabliert; zukünftig bis 9 kHz)

FunkstörspannungenFunkstörspannungen(9 kHz bzw. 148,5 kHz bis 30 MHz etabliert)(9 kHz bzw. 148,5 kHz bis 30 MHz etabliert)

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Schaltvorgänge als Ursache für Burstimpulse

Netzspannung Phase gegen Neutralleiter gemessen

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Schaltvorgänge als Ursache für Spannungseinbrüche und Impulse

Netzspannung Phase gegen Neutralleiter gemessen

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Schaltvorgänge als Ursache für Schaltvorgänge als Ursache für transiente Oberschwingungen transiente Oberschwingungen

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Qualitätsbeeinträchtigung durch Spannungsschwankungen

(Flicker)

UrsacheUrsache Gepulste LeistungsaufnahmeGepulste Leistungsaufnahme

zu beobachten beizu beobachten bei Kochmulden, Haartrocknern, Waschmaschinen Kochmulden, Haartrocknern, Waschmaschinen

u.v.a. elektrischen Geräten, u.v.a. elektrischen Geräten, beispielsweise Elektrowerkzeugenbeispielsweise Elektrowerkzeugen

Nennspannung im NiederspannungsnetzNennspannung im Niederspannungsnetz230/400 V - bis 31.12.2008 230/400 V - bis 31.12.2008 Toleranz +6%/-10%; danach Toleranz +6%/-10%; danach 10% 10%

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Statistik der Häufigkeit von Spannungsschwankungen in Niederspannungsnetzen

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Spannungsverzerrungen verursacht durch Oberschwingungen

Liniendiagramm Frequenzspektrum

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Spannungsverzerrungen durch einphasigen Wechselrichter

Spannung

Strom

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Anstieg der Oberschwingungs- belastung in Niederspannungsnetzen - auch ein internationales Problem

Anteil der 5. OS in der Netzspannung in Deutschland

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Anstieg der Oberschwingungs- belastung in Niederspannungsnetzen - in Großbritannien

Anstieg der 5. Oberschwingung

Anstieg der 3. Oberschwingung

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Ursachen für Oberschwingungen

durch nicht sinusförmige durch nicht sinusförmige Stromaufnahme beiStromaufnahme bei

Stromversorgungen fürStromversorgungen für• Radio, TVRadio, TV• PC, DruckerPC, Drucker• allgemeine Elektronik Gleichstromversorgungallgemeine Elektronik Gleichstromversorgung

Stromrichtern für GleichstromantriebeStromrichtern für Gleichstromantriebe Umrichtern für DrehstromantriebeUmrichtern für Drehstromantriebe Anschnittstellern, DrehstromstellernAnschnittstellern, Drehstromstellern Windenergie-/SolaranlagenWindenergie-/Solaranlagen Einschwingvorgänge bei SchalthandlungenEinschwingvorgänge bei Schalthandlungen

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L2, R2 als CENELEC Normimpedanz0,4 + j 0,25 (Bei 50 Hz)

Standardnetzgerät mit nicht sinusförmiger

Stromaufnahme

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms

Time1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 I(R2) 2 V(5,3) V(1)

10A

0A

-10A

1 400V

0V

-400V

2

0Hz 0.5KHz 1.0KHz 1.5KHz

FrequencyI(R2)

2.0A

1.0A

0A

(450 Hz, 374.313 mA)

(350 Hz, 437.720 mA)

(250 Hz, 735.919 mA)

(150 Hz, 1.7734A)

C1 =C2 =dif=

550.009, 208.224m 0.000, 79.727m 550.009, 128.497m

Liniendiagramm undFrequenzspektrum mit den typischenharmonischen Frequenzanteilenh = 3., 5., 7., 9., 11. Oberschwingung

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Begriffe und Definitionen

Störgröße(disturbance)

Elektromagnetische Größe, die in einer elektrischen Ein-richtung eine unerwünschte Beeinflussung hervor-rufen kann

Störfestigkeit(immunity)

Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, Störgrößen ohneFehlfunktion zu ertragen

Oberschwingungen(harmonic)

Sinusförmige Schwingungen, deren Frequenzen ein ganz-zahliges Vielfaches (Ordnungszahl h) der Netzfrequenzsind

Zwischenharmonische(interharmonic)

Sinusförmige Schwingungen, deren Frequenzen kein ganz-zahliges Vielfaches () der Netzfrequenz sind

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Begriffe und Definitionen

Klirrfaktor k, THF(total harmonic factor)

k

U

Uh

2

2

50

2

Beschreibung des Oberschwingungsgehaltes:Verhältnis der Effektivwerte aller Oberschwingungen zumGesamteffektivwert

Leistungsfaktor (power factor)

Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung = P/S; bei sinusförmigen Größen gilt: cos ; sonst gilt = gi cos

Grundschwingungsgehalt gi(fundamental factor)

Verhältnis von Grundschwingungseffektivwert zu Gesamt-effektivwert

gi = I1/I; es gilt (gi)2 + (k)2 = 1

Verzerrungsfaktor THD(total harmonic distortion)

THD

U

U

h

2

2

40

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Beschreibung des OberschwingungsgehaltesVerhältnis des Effektivwertes aller Oberschwingungen, aufden Effektivwert der Grundschwingung bezogen

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Begriffe und Definitionen

gewichteter Verzerrungsfaktor PHD auch PWHD (partial weighted harmonic distortion)

PHD nU

Un

n

14

40

1

2

Beschreibung des Oberschwingungsgehaltes Verhältnis des Effektivwertes der höherfrequenten Ober-schwingungen, auf den Effektivwert der Grundschwingung bezogen.

gesamter Oberschwingungsstrom (total harmonic current)

THC Inn

2

2

40

Gesamter Effektivwert der Oberschwingungsströme der Ordnungen 2 bis 40

Teilstrom der ungeradzahligen OS (partial odd harmonic current)

PHC Inn

2

21 23

39

,

Gesamteffektivwert der ungeradzahligen Oberschwin-gungsströme der Ordnungen 21 bis 39

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Definition von Verträglichkeitspegeln

E lek tron isches B etrieb sm ittel Ia ls S törsenke m it nach N orm defin ie rterS törfes tig ke it

E le ktron isches B etrieb sm itte l IIa ls S törq ue lle m it e ine rS töraussend un g

untersch ied liche In ten sitä t a b is c

S tör-ab s tan d

V erträ g lichk eits p eg el

c ) b ) a )

In ten si tä tde r S törgröß ez.B .Spannu ng ,Fe ldstärkeusw .

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Verordnung über allgemeine Bedingungen für die Elektrizitätsversorgung

in § 4 »Art der Versorgung«, Abs. 4, heißt es:

– Spannung und Frequenz werden möglichst gleichbleibend gehalten.

– Allgemein übliche Verbrauchsgeräte müssen einwandfrei betrieben werden können

weiter in § 15:– Anlagen und Verbrauchsgeräte sind so zu

betreiben, daß Störungen anderer Kunden und – störende Rückwirkungen auf Einrichtungen der

Elektrizitätsversorgungsunternehmen oder Dritter ausgeschlossen sind

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Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) vom 24. April 1998

in § 4(1) verpflichten sich die Energieversorgungsunternehmen zu einer sicheren und umweltverträglichen Versorgung

in § 16 werden die Anforderungen an Energieanlagen entsprechend den allgemein anerkannten Regeln, beispielsweise des VDE Verband der Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik e.V. definiert

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das Produkt das Produkt STROMSTROM

ZuordnungProdukt - Qualität Produktkennzeichen

z.B. Farbe

Preis-/Leistungsverhältnis

QualitätsbeschreibungQualitätsanforderungQualitätskontrolle Verfügbarkeit

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rechtsverbindliche rechtsverbindliche Grundlage Grundlage

für die für die QualitätsbeurteilungQualitätsbeurteilung

internationale Standards (IEC)IEEE 519-92

europäische NormenEN 61000-2-xEN 50160

VDEW-Richtlinien zu Beurteilungskriterien von Eigenerzeugungsanlagen

FGW-Richtlinie für Windenergieanlagen

spezielle Anwender-Produktnormenz.B. EN 61800-3 für elektrische Antriebe

eon-Richtlinie

Qualitätsmerkmale der Qualitätsmerkmale der Spannungsversorgung nach EN 50160Spannungsversorgung nach EN 50160

Spannung

2.1 Netzfrequenz 2.2 Höhe der Spannungsversorgung

2.6 kurze Unterbrechung der Versorgungsspannung

2.7 lange Unterbrechung

2.8 zeitweilige netzfrequente Überspannung zwischen Außenleiter und Erde

2.9 transiente Überspannung

2.10 Spannungsunsymmetrie

2.11Oberschwingungsspannung

bis zur 25. OS

2.12zwischenharmonische

Spannungen

2.5 Spannungseinbrüche

2.4 schnelleSpannungsänderung

2.3 langsameSpannungsänderung

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Auswirkungen einer schlechten PQAuswirkungen einer schlechten PQKosten durch SpannungseinbrücheKosten durch Spannungseinbrüche

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Zerstörung durch ÜberspannungZerstörung durch ÜberspannungFehlfunktionen durch Fehlfunktionen durch OberschwingungenOberschwingungen

Lichtbogen an Leistungsschaltern und WandlernZerstörung von

Elektronikeingängen und HalbleiternStörung der Rundsteueranlagen

Übertemperatur am Transformator,verkürzte Lebensdauer

Störung der Datenkommunikation (PLC)

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Beurteilung der zukünftigen Qualitätsbeeinflussung

Zunahme der Verbraucher mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie

Drehzahlvariable AntriebeEnergiemanagement durch getakteten

Leistungsbezug

Zunahme der dezentralen Energieerzeugung

dezentrale Kleinkraftwerke als MassenproduktBrennstoffzellen-Blockheizkraftwerk

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Gefährdung der Netzstabilität Gefährdung der Netzstabilität durch fehlende Regelleistung von durch fehlende Regelleistung von WEAWEA

Windenergieanlagen benötigen RegelleistungWindenergieanlagen benötigen Regelleistung neue Anforderungen nach eon-Richtlinie zur neue Anforderungen nach eon-Richtlinie zur

Fernsteuerung der Windenergie-anlagenFernsteuerung der Windenergie-anlagen Verbesserung des Energiemanagements Verbesserung des Energiemanagements

durch verlässlichere Aussagen über die zu durch verlässlichere Aussagen über die zu erwartenden Windverhältnisseerwartenden Windverhältnisse

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Maßnahmen für die Qualitätsverbesserung bzw. Reduktion

der Störwirkungen

Heizgeräte mit Sinushalbwellensteuerung

Netzteil mit PFC-Eingang

Umrichter mit Sinusausgangsfilter

Einbau von Funkstörschutzfiltern

Überwachung und Fernsteuerung der Power Quality