Power Quality Beschreibung-Anforderungen-Verbesserung Prof. Dipl.-Ing. Alwin Burgholte Fachbereich Ingenieurwissenschaften Fachhochschule OOW am Standort Wilhelmshaven wissenschaftliche Einrichtung Elektronik Labor für Leistungselektronik und EMV

Power Quality Beschreibung-Anforderungen-Verbesserung ... die Normen EN 50160, EN 61000-2-2 und EN 61000 2-4 beschreiben den Qualitätsstandard der elektrischen Stromversorgung!! ... die Verfügung Amtsblatt C 77/8 vom 31.03.2005 im europäischen Amtsblatt listet den aktuellen Normenstand: Die Rechtssituation ist damit eindeutig. ....diese Vorlesung bringt Sie auf den neuesten Wissensstand bzgl. der Anforderungen an Stromversorgungen!!!

Aktuelle Rechtssituation Das »Produkt Strom« hat einen Qualitätsstandard zu erfüllen, wie er in den einschlägigen Normen und Richtlinien definiert ist EN 50160, EN 61000-2-2, EN 61000-2-4 VDEW-Richtlinien, FGW-Richtlinie, e•on-Richtlinien neue EU EMV-Richtlinie (zweite Novellierung 2004) EMVG nach dritter Novellierung rechtskräftig Listing im europäischen Amtsblatt aktualisiert den Normenstand z.B. EN 61000-3-2 und EN 61000-3-3 zu Stromoberschwingungen u. Spannungsschwankungen gelten für alle Geräte mit IL  16 A

die Problematik bei der Stromversorgungen arbeiten die Geräte an der verfügbaren Eingangsqualität einwandfrei? gefordert ist hier eine entsprechende Störfestigkeit werden die zulässigen Emissionsgrenzen nicht überschritten? Problem der Zuordnung der Stromversorgung in eine anzuwendende Norm

Meßbeispiele für verminderte Eingangs-/Versorgungsqualität Störemissionen in Spannung und Strom Impulsbeanspruchungen (Burst, Surge) Spannungsschwankungen (Flicker) Oberschwingungen als charakteristische (harmonische) und nicht charakteristische (zwischenharmonische) Frequenzen (bis 2 kHz bzw. 2,5 kHz etabliert; zukünftig bis 9 kHz) Funkstörspannungen (9 kHz bzw. 148,5 kHz bis 30 MHz etabliert) Störemissionen, das sind Oberschwingungen in Spannung und Strom Man unterscheidet die charakteristischen (harmonischen) als ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz und die nicht charakteristischen (zwischenharmonischen) als nicht ganzzahlige Vielfache. So ist zum Beispiel die 5. Oberschwingung mit 250 Hz eine harmonische, während 317 Hz eine zwischenharmonische Frequenz ist. Bisher für Geräte bis 2 kHz und für Netze bis 2,5 kHz zu untersuchen; zukünftig auch im Bereich 2 bis 9 kHz; vielfältige Ursachen begründen diese Notwendigkeit PFC-Eingänge, Pulswechselrichter und Schaltvorgänge führen zu erhöhten Störpegeln. Es wird im folgenden vorgestellt: nächste Folie Stand der Normensituation

Schaltvorgänge als Ursache für Burstimpulse Netzspannung Phase gegen Neutralleiter gemessen EXPERIMENT Bohrmaschine einschalten Schaltvorgänge führen zu Spannungseinbrüchen und Überspannungen

Schaltvorgänge als Ursache für Spannungseinbrüche und Impulse Netzspannung Phase gegen Neutralleiter gemessen Schaltvorgänge verursachen auch Oberschwingungen.

Schaltvorgänge als Ursache für transiente Oberschwingungen Spannungsschwankungen durch gepulste Leistungsaufnahme.

Qualitätsbeeinträchtigung durch Spannungsschwankungen (Flicker) Ursache Gepulste Leistungsaufnahme zu beobachten bei Kochmulden, Haartrocknern, Waschmaschinen u.v.a. elektrischen Geräten, beispielsweise Elektrowerkzeugen Flicker ist der Fachbegriff zur Beschreibung dieser Vorgänge. Die dem Netz entnommenen Strom-/Leistungspulse führen an den Netzimpedanzen zu Spannungsabfällen. Dabei zeigen Beleuchtungseinrichtungen ein flackerndes Licht, das unter Umständen äußerst störend wirkt. Entscheidend ist dabei nicht allein die Größe u, sondern u im Zusammenspiel mit der Wiederholfrequenz. Der Mensch zeigt bei ca. 8,8 Hz besondere Empfindlichkeit. Er besitzt bei dieser Frequenz eine Resonanzstelle. EXPERIMENT Heißluftgebläse Weiter mit Sannungsverzerrungen durch Oberschwingungen. Nennspannung im Niederspannungsnetz 230/400 V - bis 31.12.2008 Toleranz +6%/-10%; danach  10%

Statistik der Häufigkeit von Spannungsschwankungen in Niederspannungsnetzen

Spannungsverzerrungen verursacht durch Oberschwingungen Liniendiagramm Frequenzspektrum Nicht sinusförmige Stromaufnahme führt zu Stromoberschwingungen, die über ihren Spannungsabfall an den Netzimpedanzen auch die Netzspannung verzerren. Damit können andere Verbraucher gestört werden. Beispiele für Geräte, die dem Netz nicht sinusförmigen Strom entnehmen.

Spannungsverzerrungen durch einphasigen Wechselrichter Strom

Anstieg der Oberschwingungs- belastung in Niederspannungsnetzen - auch ein internationales Problem Anteil der 5. OS in der Netzspannung in Deutschland

Anstieg der Oberschwingungs- belastung in Niederspannungsnetzen - in Großbritannien

Ursachen für Oberschwingungen durch nicht sinusförmige Stromaufnahme bei Stromversorgungen für Radio, TV PC, Drucker allgemeine Elektronik Gleichstromversorgung Stromrichtern für Gleichstromantriebe Umrichtern für Drehstromantriebe Anschnittstellern, Drehstromstellern Windenergie-/Solaranlagen Einschwingvorgänge bei Schalthandlungen Weiter mit Schaltbild, Kurvenform und Spektrum.

Standardnetzgerät mit nicht sinusförmiger Stromaufnahme L2, R2 als CENELEC Normimpedanz 0,4  + j 0,25  (Bei 50 Hz) Liniendiagramm und Frequenzspektrum mit den typischen harmonischen Frequenzanteilen h = 3., 5., 7., 9., 11. Oberschwingung Der Ladestrom des Glättungskondensators ist verantwortlich für die Kurvenform des Netzstroms. EXPERIMENT Gleichrichter mit/ohne Glättungskondensator Weiter mit Zur Aufrechterhaltung der Qualität wurde 1992 das EMVG verabschiedet. Danach muß jedes Gerät das CE-Zeichen tragen und somit die Normenkonformität nachweisen.

Begriffe und Definitionen

Begriffe und Definitionen

Begriffe und Definitionen

Definition von Verträglichkeitspegeln

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

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

Preis-/Leistungsverhältnis das Produkt STROM Zuordnung Produkt - Qualität Produktkennzeichen z.B. Farbe Qualitätsbeschreibung Qualitätsanforderung Qualitätskontrolle Verfügbarkeit Preis-/Leistungsverhältnis

rechtsverbindliche Grundlage für die Qualitätsbeurteilung europäische Normen EN 61000-2-x EN 50160 internationale Standards (IEC) IEEE 519-92 FGW-Richtlinie für Windenergieanlagen VDEW-Richtlinien zu Beurteilungskriterien von Eigenerzeugungsanlagen eon-Richtlinie spezielle Anwender- Produktnormen z.B. EN 61800-3 für elektrische Antriebe

Qualitätsmerkmale der Spannungsversorgung nach EN 50160 2.1 Netzfrequenz 2.2 Höhe der Spannungsversorgung 2.12 zwischenharmonische Spannungen 2.3 langsame Spannungsänderung Spannung 2.4 schnelle Spannungsänderung 2.11 Oberschwingungsspannung bis zur 25. OS 2.5 Spannungseinbrüche 2.6 kurze Unterbrechung der Versorgungsspannung 2.10 Spannungsunsymmetrie 2.9 transiente Überspannung 2.7 lange Unterbrechung 2.8 zeitweilige netzfrequente Überspannung zwischen Außenleiter und Erde

Auswirkungen einer schlechten PQ Kosten durch Spannungseinbrüche

Zerstörung durch Überspannung Fehlfunktionen durch Oberschwingungen Lichtbogen an Leistungsschaltern und Wandlern Zerstörung von Elektronikeingängen und Halbleitern Störung der Rundsteueranlagen Übertemperatur am Transformator, verkürzte Lebensdauer Störung der Datenkommunikation (PLC)

Beurteilung der zukünftigen Qualitätsbeeinflussung Zunahme der Verbraucher mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie Drehzahlvariable Antriebe Energiemanagement durch getakteten Leistungsbezug Zunahme der dezentralen Energieerzeugung dezentrale Kleinkraftwerke als Massenprodukt Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk

Gefährdung der Netzstabilität durch fehlende Regelleistung von WEA Windenergieanlagen benötigen Regelleistung neue Anforderungen nach eon-Richtlinie zur Fernsteuerung der Windenergie-anlagen Verbesserung des Energiemanagements durch verlässlichere Aussagen über die zu erwartenden Windverhältnisse

Maßnahmen für die Qualitätsverbesserung bzw 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