Harmonic

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Network repercussions in TN-C and TN-S systems, compatibility with ICT networks

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  1. 1. Neue Last in alten Netzen Stefan Fassbinder Deutsches Kupferinstitut www.copperalliance.de www.kupferinstitut.de/de/werkstoffe/anwendung/emv/oberschwingungen.html
  2. 2. Was eignet sich als elektrischer Leiterwerkstoff und was nicht? Silber 62,5 MS/m Kupfer (99,95%) 57,0 MS/m Gold 45,5 MS/m Aluminium 37,0 MS/m Eisen 10,0 MS/m Platin 9,5 MS/m Bronze (CuSn8) 7,5 MS/m Blei 4,8 MS/m Edelstahl 1,0 MS/m Kohle 0,025 MS/m Kupfer (99,95%) 57,0 MS/m Aluminium 37,0 MS/m Eisen 10,0 MS/m Bronze (CuSn8) 7,5 MS/m Blei 4,8 MS/m Edelstahl 1,0 MS/m Kohle 0,025 MS/m
  3. 3. Einzig möglicher Konkurrent: Aluminium Aluminium Kupfer Nieder- und Mittelspannungs-Erdkabel Hoch- und Mittelspannungs- Freileitungen Gegossene Läuferkäfige für Drehstrom- AsynchronmaschinenNEU! Motoren- wicklungen Transformatoren Installations- leitungen Kommunikations- und Datenleitungen Stromschienen Hoch- und Höchst- spannungs-Erdkabel
  4. 4. Daher kann sogar die Kupfer-Industrie ohne Schwierigkeiten zugeben: Auch Aluminium kann ein guter Leiterwerkstoff sein! Doch gibt ein Fachmann von Schneider Electric zu bedenken: »Aluminium ist nur etwas für arme Leute!«
  5. 5. Wenn um 1900 der Strom für eine Minute ausfiel, war es eine Minute lang dunkel. Wenn der Strom für eine Sekunde ausfiel, war es eine Sekunde lang dunkel.
  6. 6. Wenn um 1950 der Strom für eine Sekunde ausfiel, war es drei Sekunden lang dunkel.
  7. 7. Wenn heute der Strom auch nur für 50 ms ausfällt, • gehen Daten verloren, • ist der Rechner abgestürzt, • dauert es Minuten oder gar Stunden, ehe der Betrieb wieder seinen geregelten Gang nimmt. Fazit: Selbst bei Strom-Ausfall darf heutzutage der Strom eigentlich gar nicht ausfallen! Schlechte Lösung: Statistik
  8. 8. Versorgungssicherheit in Südafrika
  9. 9. Denn die Zusammensetzung der Verbraucher im Netz hat sich in den letzten Jahren durch den starken Zuwachs an elektronischen Geräten erheblich verändert. Diese Geräte sind mit Gleichrichter und Glättungs-Kondensator ausgestattet, was den Verlauf des aufgenommenen Stroms sehr stark von der Sinusform abweichen lässt. Doch die Netze sind die selben geblieben! Dabei gibt es heute eine ganze Menge mehr Gründe für Ausfälle und Störungen! Last
  10. 10. Probleme mit der Stromversorgung sind daher in den meisten Fällen eher irdischen Ursprungs Hildegard, schalt' den Quirl aus, mein Bildschirm flackert!
  11. 11. Was bisher geschah: -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms u→ t → u (L1) u (L2) u (L3) -15 A -10 A -5 A 0 A 5 A 10 A 15 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ t → i1 (L1) i1 (L2) i1 (L3)  Ideale Dreiphasen- Netzspannung  3 gleiche ohmsch-induktive Einphasen-Lasten an 3 Außenleitern
  12. 12. Drehstrom-Erzeugung mit 6 Leitern N S – + + –– + + –+ – – ++ – – ++ – – +– + + –
  13. 13. Drehstrom-Erzeugung mit 4 Leitern N S – + 0– + 0+ – 0+ – 0+ – 0– + 0
  14. 14. Drehstrom-Erzeugung mit 3 Leitern N S – +– ++ –+ –+ –– +
  15. 15. 0 A 1 A 2 A 3 A 0 V 50 V 100 V 150 V 200 V 250 V 300 V 350 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms u→ t → gleichgerichtete Netzspannung 0 A 1 A 2 A 3 A 0 V 50 V 100 V 150 V 200 V 250 V 300 V 350 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms u→ t → gleichgerichtete Netzspannung Kondensator- spannung 0 A 1 A 2 A 3 A 0 V 50 V 100 V 150 V 200 V 250 V 300 V 350 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ u→ t → gleichgerichtete Netzspannung Kondensator- spannung gleichgerichteter Netzstrom Was heute geschieht: Z. B. (rechnerisch) beim Betrieb einer Leucht- stofflampe 230 V 58 W mit (archaischem) EVG an einem Außenleiter eines typischen Netzes Netzspannung: 230 V Netzfrequenz: 50 Hz Netzwiderstand: 500 mW Netz-Induktivität: 904 µH Netz-Impedanz: 575 mW Gleichstromlast: 180 mA Glättungskapazität: 50 µF
  16. 16. Was macht man heute bei EVG über 25 W? Elektronische Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) 0 mA 10 mA 20 mA 30 mA 40 mA 50 mA 60 mA 70 mA 0 V 20 V 40 V 60 V 80 V 100 V 120 V 140 V 160 V 180 V 200 V 220 V 0° 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° i→ u→ φ →
  17. 17. 1. Verformung der Spannungskurven 2. Immens hohe Einschaltstromspitzen 3. Abweichende Anzeigewerte verschiedener Messmittel 4. Höhere Belastung der Leiter 5. Belastung des Neutralleiters 6. Überhitzung und Hochlaufprobleme bei Drehfeldmotoren 7. »Zusätzliche Zusatzverluste« in Transformatoren 8. Rückwirkungen von Generatoren auf das Netz 9. Einfluss auf Kondensatoren, Netzrückwirkungen 10. Schutzleiterströme → RCD-Fehlauslösungen … und als besondere Folgen im NS-Netz nach dem TN-C-System: 11. Betriebsströme im PA: Magnetische Streufelder 12. Betriebsströme in der EDV: Datenfluss gehemmt 13. Betriebsströme im Erder: Korrosionsschäden 14. Blitzströme in Geräten und Betriebsmitteln … und als »Fernwirkung« bis ins MS-Netz bei RESPE: 15. Gefährliche Berührungsspannungen All dies hat mehrere zuvor nicht gekannte Auswirkungen:
  18. 18. 1. Verformung der Spannungskurven – in der Theorie … -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms u→ t → Netzspannung beim einphasigen Betrieb 20 archaischer EVG an einem typischen Netz
  19. 19. … und in der Praxis Real existierende Verläufe von Strom  und Spannung  in einem großen Lager-, Versand- und Verwaltungsgebäude
  20. 20. So etwas nennt man Oberschwingungen. Oder Harmonische? Oder wie sonst? Und wie zählt man die? In der Norm und an der Universität (z. B. bezogen auf 50-Hz-Netze): 50 Hz Grundschwingung oder 1. Harmonische, 100 Hz 1. Oberschwingung oder 2. Harmonische, 150 Hz 2. Oberschwingung oder 3. Harmonische, … In der Praxis (hier mit f = 50 Hz): Oberschwingungen und Harmonische sind Synonyme (»Oberharmonische«). Ordnungszahl n = 1: Grundschwingung ≡ 1. Oberschwingung ≡ 1. Harmonische, Ordnungszahl n = 2: 2. Oberschwingung ≡ 2. Harmonische …
  21. 21. So etwas nennt man Oberschwingungen. Oder Harmonische? Oder wie sonst? Und was ist z. B. mit Gleichströmen in Wechsel- und Drehstromnetzen? Kommt nicht vor? Oh doch! Dazu später mehr. Gleichstrom: f = 0, also: 0. Harmonische ≡ -1. Oberschwingung (?) Übersetzen Sie das doch mal ins Englische (IEV 101-14-51): Harmonische = harmonic; dagegen: Oberschwingung = harmonic. Das ist wie bei Kabeln und Leitungen: Kabel = cable (IEV 151-12-38); Leitung = cable (IEV 151-12-27).
  22. 22. Jeder periodische Vorgang lässt sich durch eine unendliche Summe sinusförmiger Vorgänge darstellen -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9927A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9855A² 0,0000A² Wurzel hieraus: 0,9927A 0,0000A THDr (root mean square): 0A/0,992A = 0,0% THDf (fundamental): 0A/0,992A = 0,0% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9989A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9977A² 0,0122A² Wurzel hieraus: 0,9989A 0,1103A THDr (root mean square): 0,110A/0,998A = 11,0% THDf (fundamental): 0,110A/0,992A = 11,1% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9996A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 5² = 0,0016A² 0,0016A² 0,0562A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9993A² 0,0137A² Wurzel hieraus: 0,9996A 0,1172A THDr (root mean square): 0,117A/0,999A = 11,7% THDf (fundamental): 0,117A/0,992A = 11,8% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9998A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 5² = 0,0016A² 0,0016A² 0,0562A 7 . Oberschwingung: I 7 = -0,0203A I 7² = 0,0004A² 0,0004A² -0,0287A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9997A² 0,0142A² Wurzel hieraus: 0,9998A 0,1190A THDr (root mean square): 0,118A/0,999A = 11,9% THDf (fundamental): 0,118A/0,992A = 12,0% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9999A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 5² = 0,0016A² 0,0016A² 0,0562A 7 . Oberschwingung: I 7 = -0,0203A I 7² = 0,0004A² 0,0004A² -0,0287A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,0123A I 9² = 0,0002A² 0,0002A² 0,0173A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9998A² 0,0143A² Wurzel hieraus: 0,9999A 0,1196A THDr (root mean square): 0,119A/0,999A = 12,0% THDf (fundamental): 0,119A/0,992A = 12,0% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 1,0000A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 5² = 0,0016A² 0,0016A² 0,0562A 7 . Oberschwingung: I 7 = -0,0203A I 7² = 0,0004A² 0,0004A² -0,0287A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,0123A I 9² = 0,0002A² 0,0002A² 0,0173A 11 . Oberschwingung: I 11 = -0,0082A I 11² = 0,0001A² 0,0001A² -0,0116A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9999A² 0,0144A² Wurzel hieraus: 1,0000A 0,1199A THDr (root mean square): 0,119A/0,999A = 12,0% THDf (fundamental): 0,119A/0,992A = 12,1% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 1,0000A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 5² = 0,0016A² 0,0016A² 0,0562A 7 . Oberschwingung: I 7 = -0,0203A I 7² = 0,0004A² 0,0004A² -0,0287A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,0123A I 9² = 0,0002A² 0,0002A² 0,0173A 11 . Oberschwingung: I 11 = -0,0082A I 11² = 0,0001A² 0,0001A² -0,0116A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0059A I 13² = 0,0000A² 0,0000A² 0,0083A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9999A² 0,0144A² Wurzel hieraus: 1,0000A 0,1200A THDr (root mean square): 0,120A/0,999A = 12,0% THDf (fundamental): 0,120A/0,992A = 12,1% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 1,0000A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 5² = 0,0016A² 0,0016A² 0,0562A 7 . Oberschwingung: I 7 = -0,0203A I 7² = 0,0004A² 0,0004A² -0,0287A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,0123A I 9² = 0,0002A² 0,0002A² 0,0173A 11 . Oberschwingung: I 11 = -0,0082A I 11² = 0,0001A² 0,0001A² -0,0116A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0059A I 13² = 0,0000A² 0,0000A² 0,0083A 15 . Oberschwingung: I 15 = -0,0044A I 15² = 0,0000A² 0,0000A² -0,0062A Summe der Quadrate: SI n² = 1,0000A² 0,0144A² Wurzel hieraus: 1,0000A 0,1201A THDr (root mean square): 0,120A/0,999A = 12,0% THDf (fundamental): 0,120A/0,992A = 12,1% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i17 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 1,0000A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9927A I 1² = 0,9855A² 0,0000A² 1,4039A 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 5² = 0,0016A² 0,0016A² 0,0562A 7 . Oberschwingung: I 7 = -0,0203A I 7² = 0,0004A² 0,0004A² -0,0287A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,0123A I 9² = 0,0002A² 0,0002A² 0,0173A 11 . Oberschwingung: I 11 = -0,0082A I 11² = 0,0001A² 0,0001A² -0,0116A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0059A I 13² = 0,0000A² 0,0000A² 0,0083A 15 . Oberschwingung: I 15 = -0,0044A I 15² = 0,0000A² 0,0000A² -0,0062A 17 . Oberschwingung: I 17 = 0,0034A I 17² = 0,0000A² 0,0000A² 0,0049A Summe der Quadrate: SI n² = 1,0000A² 0,0144A² Wurzel hieraus: 1,0000A 0,1202A THDr (root mean square): 0,120A/0,999A = 12,0% THDf (fundamental): 0,120A/0,992A = 12,1% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Drei- eck
  23. 23. Jeder periodische Vorgang lässt sich durch eine unendliche Summe sinusförmiger Vorgänge darstellen -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9003A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A Summe der Quadrate: SI n² = 0,8106A² 0,0000A² Wurzel hieraus: 0,9003A 0,0000A THDr (root mean square): 0A/0,900A = 0,0% THDf (fundamental): 0A/0,900A = 0,0% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9490A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9006A² 0,0901A² Wurzel hieraus: 0,9490A 0,3001A THDr (root mean square): 0,300A/0,949A = 31,6% THDf (fundamental): 0,300A/0,900A = 33,3% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9659A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9331A² 0,1225A² Wurzel hieraus: 0,9659A 0,3500A THDr (root mean square): 0,349A/0,965A = 36,2% THDf (fundamental): 0,349A/0,900A = 38,9% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9745A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A 7 . Oberschwingung: I 7 = 0,1286A I 7² = 0,0165A² 0,0165A² 0,1819A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9496A² 0,1390A² Wurzel hieraus: 0,9745A 0,3729A THDr (root mean square): 0,372A/0,974A = 38,3% THDf (fundamental): 0,372A/0,900A = 41,4% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9796A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A 7 . Oberschwingung: I 7 = 0,1286A I 7² = 0,0165A² 0,0165A² 0,1819A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,1000A I 9² = 0,0100A² 0,0100A² 0,1415A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9596A² 0,1490A² Wurzel hieraus: 0,9796A 0,3861A THDr (root mean square): 0,386A/0,979A = 39,4% THDf (fundamental): 0,386A/0,900A = 42,9% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9830A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A 7 . Oberschwingung: I 7 = 0,1286A I 7² = 0,0165A² 0,0165A² 0,1819A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,1000A I 9² = 0,0100A² 0,0100A² 0,1415A 11 . Oberschwingung: I 11 = 0,0818A I 11² = 0,0067A² 0,0067A² 0,1157A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9663A² 0,1557A² Wurzel hieraus: 0,9830A 0,3946A THDr (root mean square): 0,394A/0,983A = 40,1% THDf (fundamental): 0,394A/0,900A = 43,8% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9854A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A 7 . Oberschwingung: I 7 = 0,1286A I 7² = 0,0165A² 0,0165A² 0,1819A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,1000A I 9² = 0,0100A² 0,0100A² 0,1415A 11 . Oberschwingung: I 11 = 0,0818A I 11² = 0,0067A² 0,0067A² 0,1157A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0693A I 13² = 0,0048A² 0,0048A² 0,0979A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9711A² 0,1605A² Wurzel hieraus: 0,9854A 0,4007A THDr (root mean square): 0,400A/0,985A = 40,7% THDf (fundamental): 0,400A/0,900A = 44,5% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9873A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A 7 . Oberschwingung: I 7 = 0,1286A I 7² = 0,0165A² 0,0165A² 0,1819A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,1000A I 9² = 0,0100A² 0,0100A² 0,1415A 11 . Oberschwingung: I 11 = 0,0818A I 11² = 0,0067A² 0,0067A² 0,1157A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0693A I 13² = 0,0048A² 0,0048A² 0,0979A 15 . Oberschwingung: I 15 = 0,0600A I 15² = 0,0036A² 0,0036A² 0,0849A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9747A² 0,1641A² Wurzel hieraus: 0,9873A 0,4051A THDr (root mean square): 0,405A/0,987A = 41,0% THDf (fundamental): 0,405A/0,900A = 45,0% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck -175% -125% -75% -25% 25% 75% 125% 175% 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i17 i (L1) Errechnete Werte Quadratwerte Echt-Effektivwert: I eff = 0,9887A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A 7 . Oberschwingung: I 7 = 0,1286A I 7² = 0,0165A² 0,0165A² 0,1819A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,1000A I 9² = 0,0100A² 0,0100A² 0,1415A 11 . Oberschwingung: I 11 = 0,0818A I 11² = 0,0067A² 0,0067A² 0,1157A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0693A I 13² = 0,0048A² 0,0048A² 0,0979A 15 . Oberschwingung: I 15 = 0,0600A I 15² = 0,0036A² 0,0036A² 0,0849A 17 . Oberschwingung: I 17 = 0,0530A I 17² = 0,0028A² 0,0028A² 0,0749A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9775A² 0,1669A² Wurzel hieraus: 0,9887A 0,4086A THDr (root mean square): 0,408A/0,988A = 41,3% THDf (fundamental): 0,408A/0,900A = 45,4% gesamt nur für THD Fourier- Koeffizienten (Scheitel- werte) Recht- eck
  24. 24. 100% 33% 15% -1,0 A -0,5 A 0,0 A 0,5 A 1,0 A 0° 90° 180° 270° 360° Kurve -1,0 A -0,5 A 0,0 A 0,5 A 1,0 A 0° 90° 180° 270° 360° Kurve -1,0 A -0,5 A 0,0 A 0,5 A 1,0 A 0° 90° 180° 270° 360° Kurve -100% -75% -50% -25% 0% 25% 50% 75% 100% Ieff │iAV│ I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 Spektrum -100% -75% -50% -25% 0% 25% 50% 75% 100% Ieff │iAV│ I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 Spektrum -100% -75% -50% -25% 0% 25% 50% 75% 100% Ieff │iAV│ I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 Spektrum Tastverhältnis
  25. 25. Noch weit bessere Simulationen gibt es kostenlos bei: www.powerstandards.com/PQTeachingToyIndex.php
  26. 26. -2,0 A -1,5 A -1,0 A -0,5 A 0,0 A 0,5 A 1,0 A 1,5 A 2,0 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms u→ t → -2,0 A -1,5 A -1,0 A -0,5 A 0,0 A 0,5 A 1,0 A 1,5 A 2,0 A 0° 90° 180° 270° 360° Die Anwendung auf den real existierenden PC-Strom funktioniert nicht direkt …   … aber mit Trick: Eine ähnliche Dreieckkurve unvollständig darstellen Eingangsstrom eines PC mit Monitor Dreieckstrom gleicher Amplitude mit Tast- Verhältnis 1/7
  27. 27. Analyse des Ersatz-Dreieckstroms -400 % -300 % -200 % -100 % 0 % 100 % 200 % 300 % 400 % 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i/I→ t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i17 i (L1)
  28. 28. M 3 Oberschwingungen Energie (Wirkleistung) L1 L2 L3 N PE Ganz wichtig bei der Betrachtung von Oberschwingungen: Sie entstehen im Verbraucher und breiten sich von dort »stromaufwärts« aus Ober- schwingungen Energie (Wirkleistung)
  29. 29.  Quadratwerte  Ohne Grundschwingung: 463 mA 214720 mA² Grundschwingung 3. Harmonische: -448 mA 200720 mA² 200720 mA² 5. Harmonische: 419 mA 175155 mA² 175155 mA² 7. Harmonische: -377 mA 142265 mA² 142265 mA² 9. Harmonische: 327 mA 107040 mA² 107040 mA² 11. Harmonische: -272 mA 74072 mA² 74072 mA² 13. Harmonische: 216 mA 46646 mA² 46646 mA² 15. Harmonische: -162 mA 26316 mA² 26316 mA² 17. Harmonische: 114 mA 12984 mA² 12984 mA² Summe der Quadrate: 999922 mA² 999922 mA² Wurzel hieraus:  999 mA (eff.) 886 mA THDr (root mean square) = 886 mA / 1000 mA (Klirrfaktor) = 88 % THDf (fundamental) = 886 mA / 463 mA = 191 % Was ist »Effektivwert«? Was ist »THD«? Z. B. eines Dreieckstroms 1 A, Tastverhältnis 1/7: -5 A -4 A -3 A -2 A -1 A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 0° 90° 180° 270° 360°
  30. 30. Unterschiedliche Auswirkungen auf die Spannungen UL0 und ULL Aufge- nommen am 30.06.2002, 14:30 Uhr. Was war da doch gleich? Schon Geschichte: Endspiel Deutschland – Brasilien!
  31. 31. Die Strom-Ober- schwingungen durch 3 teilbarer Ordnung treiben in der Dreieck-Wicklung eines Verteiltransformators einen Kreisstrom … doch die Oberschwingungen der Spannung pflanzen sich fort ins nächste Niederspannungsnetz!
  32. 32. 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% 3,5% 4,0% 4,5% 5,0% 227 V 228 V 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V Freitag Samstag Sonntag Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag THDU→ U→ t → U (eff) THDU Oberschwingungen in einer Woche in einem Wohngebiet, August 2002
  33. 33. Oberschwingungen am Samstag in einem Wohngebiet, 24. August 2002 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% 3,5% 4,0% 4,5% 5,0% 227 V 228 V 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V 0:00 h 3:00 h 6:00 h 9:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 0:00 h THDU→ U→ t → U (eff) THDU
  34. 34. 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 0:00 h 3:00 h 6:00 h 9:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 0:00 h U→ t → U2 U3 U5 U7 U9 U11 U13 U15 Oberschwingungen am Sonntag in einem Wohngebiet, 25. August 2002
  35. 35. Oberschwingungen am Feiertag in einem Wohngebiet, 26. Dezember 2013 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 0:00 h 3:00 h 6:00 h 9:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 0:00 h U→ t → U0 (DC) U2 U3 U4 U5 U6 U7 U9
  36. 36. Oberschwingungen in einer Woche in einem Bürohaus, 29. März bis 04. April 2014 1,4% 1,6% 1,8% 2,0% 2,2% 2,4% 2,6% 2,8% 3,0% 3,2% 3,4% 3,6% 3,8% 4,0% 4,2% 4,4% 29.3 30.3 31.3 1.4 2.4 3.4 4.4 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V 235 V 236 V 237 V 238 V 239 V 240 V THDU→ t → U→ Stundengenaue Auflösung U THDU 1,4% 1,6% 1,8% 2,0% 2,2% 2,4% 2,6% 2,8% 3,0% 3,2% 3,4% 3,6% 3,8% 4,0% 4,2% 4,4% 29.3 30.3 31.3 1.4 2.4 3.4 4.4 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V 235 V 236 V 237 V 238 V 239 V 240 V THDU→ t → U→ Minutengenaue Auflösung U THDU
  37. 37. Oberschwingungen am Sonntag in einem Bürohaus, 30. März 2014 1,4% 1,6% 1,8% 2,0% 2,2% 2,4% 2,6% 2,8% 3,0% 3,2% 3,4% 3,6% 3,8% 4,0% 4,2% 4,4% 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V 235 V 236 V 237 V 238 V 239 V 240 V THDU→ t → U→ Sekundengenaue Auflösung U THDU
  38. 38. Oberschwingungen am Montag in einem Bürohaus, 31. März 2014 1,4% 1,6% 1,8% 2,0% 2,2% 2,4% 2,6% 2,8% 3,0% 3,2% 3,4% 3,6% 3,8% 4,0% 4,2% 4,4% 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V 235 V 236 V 237 V 238 V 239 V 240 V THDU→ t → U→ Sekundengenaue Auflösung U THDU
  39. 39. Oberschwingungen in einer Woche in einem Bürohaus, 29. März bis 04. April 2014 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 29.3 30.3 31.3 1.4 2.4 3.4 4.4 U→ t → Stundengenaue Auflösung UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 29.3 30.3 31.3 1.4 2.4 3.4 4.4 U→ t → Minutengenaue Auflösung UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15
  40. 40. Oberschwingungen am Sonntag in einem Bürohaus, 30. März 2014 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h U→ t → Sekundengenaue Auflösung UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15
  41. 41. Oberschwingungen am Montag in einem Bürohaus, 31. März 2014 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h U→ t → Sekundengenaue Auflösung UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15
  42. 42. Oberschwingungen über Nacht in der Schweiz, 16. - 17. September 2014 0,0 V 0,5 V 1,0 V 1,5 V 2,0 V 2,5 V 3,0 V 3,5 V 4,0 V 4,5 V 16.9.1421:00h 16.9.1422:00h 16.9.1423:00h 17.9.140:00h 17.9.141:00h 17.9.142:00h 17.9.143:00h 17.9.144:00h 17.9.145:00h 17.9.146:00h 17.9.147:00h 17.9.148:00h U→ t → UDC U2 U3 U4 U5 U7 U9 U11 U13 U15
  43. 43. Oberschwingungen über Nacht in der Schweiz, 16. - 17. September 2014 1,00% 1,75% 2,50% 3,25% 4,00% 4,75% 16.9.1421:00h 16.9.1422:00h 16.9.1423:00h 17.9.140:00h 17.9.141:00h 17.9.142:00h 17.9.143:00h 17.9.144:00h 17.9.145:00h 17.9.146:00h 17.9.147:00h 17.9.148:00h 228 V 230 V 232 V 234 V 236 V 238 V 240 V 242 V 244 V THDU→ t → U→ U THDU
  44. 44. Oberschwingungen über Nacht in der Schweiz 2014
  45. 45. Oberschwingungen über Nacht in der Schweiz, 16. - 17. September 2014 0 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10 V 16.9.1421:00h 16.9.1422:00h 16.9.1423:00h 17.9.140:00h 17.9.141:00h 17.9.142:00h 17.9.143:00h 17.9.144:00h 17.9.145:00h 17.9.146:00h 17.9.147:00h 17.9.148:00h U→ t → UDC U2 U3 U4 U5 U7 U9 U11 U12 U13 U14 U15
  46. 46. Oberschwingungen über Nacht in der Schweiz, 16. - 17. September 2014 0 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10 V 17.9.146:59h 17.9.147:00h 17.9.147:01h 17.9.147:02h U→ t → UDC U2 U3 U4 U5 U7 U9 U11 U12 U13 U14 U15
  47. 47. Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz
  48. 48. im Rechenmodell 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 120 A 140 A 0 V 100 V 200 V 300 V 400 V 500 V 0 ms 10 ms 20 ms 30 ms 40 ms 50 ms i→ t → u→ Einschalten im Nulldurchgang Gleichgerichtete Netzspannung Kondensatorspannung Gleichgerichteter Netzstrom 2. Immens hohe Einschaltstromspitzen 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 120 A 140 A 0 V 100 V 200 V 300 V 400 V 500 V 0 ms 10 ms 20 ms 30 ms 40 ms 50 ms i→ t → u→ Einschalten am Spannungsscheitel Gleichgerichtete Netzspannung Kondensatorspannung Gleichgerichteter Netzstrom Netzspannung: 230 V Netzfrequenz: 50 Hz Netzwiderstand: 500 mW Netz-Längsinduktivität: 904 µH Netz-Impedanz: 575 mW Gleichstromlast: 180 mA Glättungskapazität: 220 µF
  49. 49. Keine pure Theorie  Einschaltstrom einer Kompakt- Leuchtstofflampe und deren Rückwirkung auf die Netzspannung, aufgenommen an der Technischen Universität Budapest
  50. 50. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen (Hochlaufströme eingeschlossen) eines modernen Staubsaugers mit Drehzahl- Einstellung am oberen Anschlag in Zeitlupe → -55 A -45 A -35 A -25 A -15 A -5 A 5 A 15 A 25 A 35 A 45 A 55 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0 ms 200 ms 400 ms 600 ms i→ u→ t → Hochlaufstrom eines Staubsaugers mit Drehzahlsteller in Stellung Max.
  51. 51. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen (Hochlaufströme eingeschlossen) eines kleinen Handstaubsaugers ohne Drehzahl-Einstellung in Zeitlupe →
  52. 52. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen (Hochlaufströme eingeschlossen) Lasst uns ihn wieder ausschalten.
  53. 53. -6 A -5 A -4 A -3 A -2 A -1 A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A -17 V -15 V -13 V -11 V -9 V -7 V -5 V -3 V -1 V 1 V 3 V 5 V 7 V 9 V 11 V 13 V 15 V 17 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ u→ t → u i Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen: Glühlampen sind eigentlich lineare Bauteile … … jedenfalls bei Kleinspannung 12 V …
  54. 54. -0,4 A -0,3 A -0,2 A -0,1 A 0,0 A 0,1 A 0,2 A 0,3 A 0,4 A -325 V -275 V -225 V -175 V -125 V -75 V -25 V 25 V 75 V 125 V 175 V 225 V 275 V 325 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms i→ u→ t → Glühlampe 60 W u u (ideal) i Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen: … doch bei Netzspannung schon nicht mehr … ↑ … und zwar da
  55. 55. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen … und produzieren ihre Einschaltspitzen! -9 A -6 A -3 A 0 A 3 A 6 A 9 A -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms 25 ms i→ u→ t → Glühlampe 100 W u u (ideal) i
  56. 56. Unmäßig hohe Einschalt-Stromspitzen – ein rabiater Versuch mit extremer Prüflast -180 A -140 A -100 A -60 A -20 A 20 A 60 A 100 A 140 A 180 A 220 A -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ u→ t → Glühlampe 60 W & Brückengleichrichter & Glättungskapazität 500 µF u i
  57. 57. Da haben wir den Salat: Bei einem von 5 Versuchen fliegt der LS-Schalter Relais E 3209, Firma Eichhoff, Nennstrom 20 A! Erreger- strom aus Erreger- strom ein Und doch: Drei Mal einschalten – Relais hängt fest!
  58. 58. -3 A 3 A 9 A 15 A 21 A 27 A 33 A 39 A -25 V 25 V 75 V 125 V 175 V 225 V 275 V 325 V 5 ms 7 ms 9 ms i→ u→ t → Elbro R7S 14 W mit Relais E 3209 Immens hohe Einschalt-Stromspitzen – aber wirklich, wort-wörtlich!
  59. 59. -0,5 A 0,5 A 1,5 A 2,5 A 3,5 A 4,5 A 5,5 A 6,5 A 7,5 A 8,5 A -20 V 20 V 60 V 100 V 140 V 180 V 220 V 260 V 300 V 340 V 0 ms 2 ms 4 ms 6 ms 8 ms i→ u→ Osram CL P20(M3) 3 W mit Relais E 3209 Immens hohe Einschalt-Stromspitzen – Kontaktprellen als Zugabe mit eingeschlossen
  60. 60. Immens hohe Einschalt-Stromspitzen und die Folgen 
  61. 61. Immens hohe Einschalt-Stromspitzen und die Folgen: Ausschalten unmöglich!
  62. 62. Immens hohe Einschalt-Stromspitzen und Oberschwingungen Die Unlösung: Glättungskapazität verkleinern. Hilft natürlich nur graduell und führt das gerade mit viel Tamtam abgeschaffte Lampenflackern wieder ein. Ist das nicht toll? Jawohl, das ist nicht toll!
  63. 63. Deutlich stärkere Funkenbildung jedoch beim Ausschalten – aber ohne Verschweißen Und das, obwohl es nur den »normalen« Betriebs- strom zu unterbrechen gilt? Ja, aber der ist viel kleiner
  64. 64. Der Effektivwert eines Wechsel- oder Mischstroms ist der Wert, den ein glatter (reiner) Gleichstrom haben müsste, um die gleiche thermische Wirkung zu erzielen. Dreheisen-Messwerk: Echt-Effektivwert-Anzeige Drehspul-Messwerk: Mittelwert-Anzeige, unter Verwendung einer Gleichrichterbrücke Betragsmittelwert Analoge Mess-Systeme: Unbedeutender Preis-Unterschied zwischen Mittelwert- und Echt- Effektivwert-Anzeige, aber nicht mehr gebräuchlich Digitale Mess-Systeme: Echt-Effektivwert-Anzeige erheblich teurer! 3. Abweichende Anzeigewerte verschiedener Messmittel
  65. 65. 4. Höhere Belastung der Leiter theoretisch – z. B. bei eingangs erwähntem EVG: Betragsmittelwert Netzstrom 179 mA Effektivwert Netzstrom 615 mA Scheitelwert Netzstrom 2712 mA Netz-Scheinleistung 141 VA Gleichstromleistung 58 W Formfaktor Netzstrom 3,436 Scheitelfaktor Netzstrom 4,410 Im Vergleich hierzu bei Sinusschwingungen: Formfaktor 1,1107 Scheitelfaktor 1,4142
  66. 66. Messung desselben Stroms mit einem »Effektivwert-Messgerät« und einem Echt-Effektivwert-Messgerät:
  67. 67. Oder zumindest nicht die ganze Wahrheit Alles Lüge!
  68. 68. 2 A 1 Ω 2 V I U 0 A 1 Ω 0 V I U Böse Falle: Strom ist nicht gleich Strom -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms p→ t → -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ t → -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms p→ t → -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ t → q = 2*10 ms*1 A = 20 mAs je Periode î = 1 A, R = 1 Ω, ûR = R*î = 1 V  UR = 1 V,  I = 1 A pR = uR*i = uR²/R = 1 W, WR = 20 ms*1 W = 20 mJ î = 2 A, R = 1 Ω, ûR = R*î = 2 V  UR = 1,414 V,  I = 1,414 A 1 A 1 Ω 1V I U q = 2*5 ms*2 A = 20 mAs je Periode pR = uR*i = ûR²/R = 4 W WR = 2*5 ms*4 W = 40 mJ |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) PMittel = 2 W P = 1 W
  69. 69. Böse Falle: Strom ist nicht gleich Strom -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ t → -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms p→ t → -4W -3W -2W -1W 0W 1W 2W 3W 4W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms p→ t → -4A -3A -2A -1A 0A 1A 2A 3A 4A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ t → 0A 0V 2 A 1 V î = 1 A, UBatt = 1 V,  I = 1 A î = 2 A |ī| = 1 A uBatt = const = 1 V P = uBatt * |ī| = 1 W q = 2*10 ms*1 A = 20 mAs je Periode pBatt = UBatt*i = 1 W, WBatt = 20ms*1 W = 20 mJ q = 2*5 ms*2 A = 20 mAs je Periode pBatt = UBatt*i = 2 W WBatt = 2*5 ms*2 W = 20 mJ |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) P = 1 W PMittel = 1 W 1 A 1 V I U I U
  70. 70. Abhilfe-Maßnahme:  Parallel- oder Reihenkompensation mit Kapazitäten  Filterkreise für die einzelnen Frequenzen  Bei linearen Lasten: Symmetrisch aufteilen  Bei nicht linearen Lasten: Filterkreise Vorsicht: »Kompensation« ist in der Elektrotechnik ein schwammiger Begriff! Unterscheiden:  Kompensation von Grundschwingungs- Blindleistung  Kompensation von Oberschwingungen  Kompensation von Rückströmen im Neutralleiter -200% -150% -100% -50% 0% 50% 100% 150% 200% 0ms 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms12ms14ms16ms18ms20ms u/U;i/I;p/P→ t → u*i u i1 -150% -100% -50% 0% 50% 100% 150% 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms u/U;i/I;p/P→ t → u i3 u*i3 -150% -100% -50% 0% 50% 100% 150% 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ t → i (L1) i (L2) i (L3)
  71. 71. -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0ms 5ms 10ms 15ms u→ t → Verhalten einer Leuchtstoffröhre 58W bei Wechselstrom Netzspannung Lampenspannung -1 A -1 A 0 A 1 A 1 A -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → Verhalten einer Leuchtstoffröhre 58W bei Wechselstrom Netzspannung Lampenspannung Strom 0 V 20 V 40 V 60 V 80 V 100 V 120 V 140 V 160 V 180 V 200 V 0 mA 400 mA 800 mA 1200 mA U→ I → Verhalten einer Leuchtstoffröhre 58W bei Gleichstrom 0 V 20 V 40 V 60 V 80 V 100 V 120 V 140 V 160 V 180 V 200 V 0 mA 400 mA 800 mA 1200 mA U→ I → Verhalten einer Leuchtstoffröhre 58W bei Gleichstrom Messung Rechnung 0 V 20 V 40 V 60 V 80 V 100 V 120 V 140 V 160 V 180 V 200 V 0 mA 400 mA 800 mA 1200 mA U→ I → Verhalten einer Leuchtstoffröhre 58W bei Gleichstrom Messung Rechnung Lineares Bauteil Die selbe Lampe mit induktivem Vorschaltgerät: Das messtechnisch ermittelte Verhalten bei Gleichstrom …  … lässt auf das Verhalten im Netzbetrieb schließen  
  72. 72. 5. (Ü)be(r)lastung des Neutralleiters theoretisch mit Leuchtstofflampe 58 W und KVG / VVG: mit Kompakt-Sparlampen entsprechender Leistung: -3,2 A -2,4 A -1,6 A -0,8 A 0,0 A 0,8 A 1,6 A 2,4 A 3,2 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms u→ t → i(t) L1 i(t) L2 i(t) L3 -3,2 A -2,4 A -1,6 A -0,8 A 0,0 A 0,8 A 1,6 A 2,4 A 3,2 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ t → i(t) N -3,2 A -2,4 A -1,6 A -0,8 A 0,0 A 0,8 A 1,6 A 2,4 A 3,2 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ t → i(t) L1 i(t) L2 i(t) L3 -3,2 A -2,4 A -1,6 A -0,8 A 0,0 A 0,8 A 1,6 A 2,4 A 3,2 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ t →
  73. 73. Addition der 3. Harmonischen im Neutralleiter Die Physik fordert in der Theorie: Die Summe aller hin- und rückfließenden Ströme muss zu jedem Zeitpunkt gleich 0 sein -1,0A -0,5A 0,0A 0,5A 1,0A -330V -220V -110V 0V 110V 220V 330V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ u→ t → u (L1) i3 (L1) -1,0A -0,5A 0,0A 0,5A 1,0A -330V -220V -110V 0V 110V 220V 330V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ u→ t → u (L2) i3 (L2) -1,0A -0,5A 0,0A 0,5A 1,0A -330V -220V -110V 0V 110V 220V 330V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ u→ t → u (L3) i3 (L3) -1,0A -0,5A 0,0A 0,5A 1,0A -330V -220V -110V 0V 110V 220V 330V 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i→ t →
  74. 74. Die Elektrotechnik zeigt in der Praxis z. B. an 3 LED-Lampen »MeLiTec« 5 W:
  75. 75. Die Elektrotechnik zeigt in der Praxis z. B. an 3 LED-Lampen »MeLiTec« 5 W: -225 mA -175 mA -125 mA -75 mA -25 mA 25 mA 75 mA 125 mA 175 mA 225 mA -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → u(L1) u(L2) u(L3) u(N-PE) i(L1) IL1 = 43 mA IL2 = 44 mA IL3 = 43 mA IN = 75 mA -225 mA -175 mA -125 mA -75 mA -25 mA 25 mA 75 mA 125 mA 175 mA 225 mA -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → u(L1) u(L2) u(L3) u(N-PE) i(L1) i(L2) -225 mA -175 mA -125 mA -75 mA -25 mA 25 mA 75 mA 125 mA 175 mA 225 mA -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → u(L1) u(L2) u(L3) u(N-PE) i(L1) i(L2) i(L3) -225 mA -175 mA -125 mA -75 mA -25 mA 25 mA 75 mA 125 mA 175 mA 225 mA -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → u(L1) u(L2) u(L3) u(N-PE) i(L1) i(L2) i(L3) i(N)
  76. 76. Die Elektrotechnik zeigt in der Praxis wenn (nach 40 ms) der Neutralleiter ausfällt: -225 mA -175 mA -125 mA -75 mA -25 mA 25 mA 75 mA 125 mA 175 mA 225 mA -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms i→ u→ t → u(L1) u(L2) u(L3) u(N-PE) i(L1) i(L2) i(L3) i(N)
  77. 77. -1,0 A -0,8 A -0,6 A -0,4 A -0,2 A 0,0 A 0,2 A 0,4 A 0,6 A 0,8 A 1,0 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → L1: Leuchtstofflampe mit VVG, unkomp. L2: LED-Röhre 25 W ohne VVG L3: LED-Röhre 30 W ohne VVG uL1 uL2 uL3 iL1 iL2 iL3 Die Elektrotechnik zeigt in der Praxis z. B. an 2 LED-Röhren und 1 Leuchtstofflampe: -1,0 A -0,8 A -0,6 A -0,4 A -0,2 A 0,0 A 0,2 A 0,4 A 0,6 A 0,8 A 1,0 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → L1: Leuchtstofflampe mit VVG, unkomp. L2: LED-Röhre 25 W ohne VVG L3: LED-Röhre 30 W ohne VVG uL1 uL2 uL3 iL1 iL2 iL3 iN IL1 = 588 mA IL2 = 128 mA IL3 = 116 mA IN = 561 mA
  78. 78. Die Elektrotechnik zeigt in der Praxis z. B. an 2 LED-Röhren und 1 Leuchtstofflampe: IL1 = 309 mA IL2 = 126 mA IL3 = 115 mA IN = 213 mA -0,8 A -0,6 A -0,5 A -0,3 A -0,2 A 0,0 A 0,2 A 0,3 A 0,5 A 0,6 A 0,8 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → L1: Leuchtstofflampe mit VVG, par. komp. L2: LED-Röhre 25 W mit VVG L3: LED-Röhre 30 W mit VVG uL1 uL2 uL3 iL1 iL2 iL3 -0,8 A -0,6 A -0,5 A -0,3 A -0,2 A 0,0 A 0,2 A 0,3 A 0,5 A 0,6 A 0,8 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0ms 5ms 10ms 15ms i→ u→ t → L1: Leuchtstofflampe mit VVG, par. komp. L2: LED-Röhre 25 W mit VVG L3: LED-Röhre 30 W mit VVG uL1 uL2 uL3 iL1 iL2 iL3 iN
  79. 79. Wohl eher nicht, denn wir sparen ≈ 70% an der Leistungs-Aufnahme:  mehr Neutralleiterstrom, aber:  weniger Außenleiterstrom! Oberschwingungs-Tsunami durch Glühlampen-Verbot? Schadlos jedoch nur bei passender Netzform! Vergleich der Strombelastungen – Grundschwingung und Oberschwingungen – beim Ersatz einer Glühlampe (40 W) durch äquivalente Kompakt-Sparlampe (9 W) Glühlampen Kompakt-Leuchtstofflampen IL1 IL2 IL3 I N Gesamt IL1 I L2 IL3 IN Gesamt einphasig 175mA 0mA 0mA 175mA P CU 70mA 0mA 0mA 70mA P CU zweiphasig 175mA 175mA 0mA 175mA im Netz 70mA 70mA 0mA 99mA im Netz dreiphasig 175mA 175mA 175mA 0mA  70mA 70mA 70mA 121mA  einphasig 100% 0% 0% 100% 67% 16% 0% 0% 16% 11% zweiphasig 100% 100% 0% 100% 100% 16% 16% 0% 32% 21% dreiphasig 100% 100% 100% 0% 100% 16% 16% 16% 48% 32% Strom Relative Leitungs verluste
  80. 80. 6. So sähen die Auswirkungen auf einen Drehstrom-Asynchronmotor aus: Ein und der selbe Motor wird gleichzeitig Nullsystem Mitsystem Gegensystem in diesen drei Betriebspunkten betrieben! M 3~ Y PE N L3 L2 L1 f = 150 Hz, U = ?, I = ? M 3~ Y PE N L3 L2 L1 f = 250 Hz, U = ?, I = ? M 3~ Y PE N L3 L2 L1 f = 350 Hz, U = ?, I = ?
  81. 81. Der Transformator beeinflusst die Last …
  82. 82. 2 )( 2 )( 2 )( *                    NN NZ N NCu NN NFeV I I f f P I I P U U f f PP … doch auch die Last beeinflusst den Transformator! Denn: Die Verlustleistung eines Transformators ist:   2 )()()(        N NZNCuNFeV I I PPPP Die wahre Verlustleistung eines Transformators ist: Daher: →
  83. 83. 5,0 2 2 1 2 1 1                                  Nn n nqh I I n I I e e K   5,0 1 2 1 1 5,0 1 2                           Nn n n Nn n n I I III lassen sich mit zwei ganz einfachen Formeln blitzschnell berechnen: mit: Oberschwingungen einer Sparlampe Osram Dulux 11 W mit Serien-Impedanz R =29,1 W& X L=113 W n U IL IN P Z/P CuN 1 230,2V 48,5mA 0,0mA 5,6% 3 8,3V 37,1mA 111,3mA 29,5% 5 10,7V 20,3mA 0,0mA 24,5% 7 4,3V 5,3mA 0,0mA 3,3% 9 1,1V 3,0mA 9,0mA 1,7% 11 2,3V 3,8mA 0,0mA 4,2% 13 1,0V 1,5mA 0,0mA 0,9% 15 0,6V 1,5mA 4,5mA 1,2% 17 1,1V 1,5mA 0,0mA 1,5% 19 0,5V 0,9mA 0,0mA 0,7% 21 0,5V 1,3mA 3,9mA 1,8% 23 0,6V 0,8mA 0,0mA 0,8% 25 0,4V 0,6mA 0,0mA 0,5% 27 0,6V 0,8mA 2,4mA 1,1% 29 0,4V 0,5mA 0,0mA 0,5% 31 0,3V 0,5mA 0,0mA 0,6% 33 0,3V 0,5mA 1,5mA 0,6% 35 0,3V 0,4mA 0,0mA 0,5% 37 0,3V 0,4mA 0,0mA 0,5% 39 0,3V 0,3mA 0,9mA 0,3% 41 0,1V 0,3mA 0,0mA 0,4% 43 0,2V 0,2mA 0,0mA 0,2% 45 0,1V 0,2mA 0,6mA 0,2% 47 0,1V 0,2mA 0,0mA 0,2% 49 0,1V 0,1mA 0,0mA 0,1% 51 0,1V 0,1mA 0,3mA 0,1% P Z/P Cu= 81,4% 7. »Zusätzliche Zusatzverluste« in Transformatoren Na, dann vielleicht doch lieber anhand eines praktischen Beispiels: 1000 Kompakt-Sparlampen 11 W (15 VA) an einem Transformator 15 kVA, uk = 4%, PZ = 0,1 PCu 81,4% usw. usw.
  84. 84. Analyse der Oberschwingungen in einer Kompakt-Sparlampe Osram Dulux 11 W n U IL IN P Z/P CuN 1 232,7V 48,9mA 0,0mA 3,7% 3 0,6V 39,1mA 117,3mA 21,5% 5 4,4V 26,4mA 0,0mA 27,3% 7 2,3V 20,0mA 0,0mA 30,7% 9 0,1V 19,2mA 57,6mA 46,7% 11 0,1V 16,6mA 0,0mA 52,2% 13 0,1V 12,7mA 0,0mA 42,7% 15 0,1V 11,0mA 33,0mA 42,6% 17 0,1V 10,2mA 0,0mA 47,1% 19 0,1V 8,7mA 0,0mA 42,8% 21 0,1V 7,7mA 23,1mA 40,9% 23 0,1V 7,3mA 0,0mA 44,1% 25 0,1V 6,1mA 0,0mA 36,4% 27 0,1V 4,9mA 14,7mA 27,4% 29 0,1V 4,2mA 0,0mA 23,2% 31 0,1V 3,6mA 0,0mA 19,5% 33 0,1V 3,0mA 9,0mA 15,3% 35 0,1V 3,3mA 0,0mA 20,9% 37 0,1V 3,1mA 0,0mA 20,6% 39 0,1V 2,5mA 7,5mA 14,9% 41 0,1V 2,5mA 0,0mA 16,4% 43 0,1V 2,5mA 0,0mA 18,1% 45 0,1V 1,9mA 5,7mA 11,4% 47 0,1V 1,8mA 0,0mA 11,2% 49 0,1V 1,9mA 0,0mA 13,6% 51 0,1V 1,6mA 4,8mA 10,4% P Z/P Cu= 701,7% Der Trafo schützt sich so zu sagen selbst … Machen Sie die Rechnung nie ohne! Bestünde der Einfluss des Transformators auf die Last nicht, so wäre der Einfluss der Last auf den Trafo fast 9 Mal so groß! 701,7% usw. usw.
  85. 85. Faustregel: Transformator 35% größer wählen als nach Scheinleistung erforderlich! Damit liegen Sie auch im ungünstigten Fall noch auf der sicheren Seite. Falsch kann das nie sein, denn: Seinen besten Wirkungsgrad hat ein Verteil-Transformator immer zwischen 25% und 50% Nennlast! Mit max. Cu-Verlust und min. Fe-Verlust Mit min. Cu-Verlust und max. Fe-Verlust für Öltrafo 1 MVA nach EN 50464-1 98,5% 98,6% 98,7% 98,8% 98,9% 99,0% 99,1% 99,2% 99,3% 99,4% 0% 25% 50% 75% 100% 125% η→ Auslastungsgrad → Transformator-Wirkungsgrad über Auslastungsgrad Wirkungsgrad mit max. P(Fe), min. P(Cu) Wirkungsgrad mit max. P(Cu), min. P(Fe)
  86. 86. 8. Auch der Generator beeinflusst die Last: Transformator: uk = 4% oder uk = 6% Generator: uk ≈ 15% … 40%!
  87. 87. 8. Auch der Generator beeinflusst die Last: Transformator: uk = 4% / 6% Extrem-Beispiel Fahrrad-Dynamo: uk ≈ 500%!
  88. 88. 9. Einfluss auf Kondensatoren: Messung einer Leuchtstofflampe 11 W mit KVG Aufzug steht Aufzug fährt
  89. 89. Wechselstrom-Kondensator 10 µF direkt an Netzspannung 230 V – 50 Hz Abtastrate: 812 Messungen pro Periode
  90. 90. -1,1 A -0,9 A -0,7 A -0,5 A -0,3 A -0,1 A 0,1 A 0,3 A 0,5 A 0,7 A 0,9 A 1,1 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ u→ t → u(theor) i(theor) Wechselstrom-Kondensator 10 µF direkt an Netzspannung 230 V – 50 Hz Verläufe des Stroms in der Theorie und in der Praxis -1,1 A -0,9 A -0,7 A -0,5 A -0,3 A -0,1 A 0,1 A 0,3 A 0,5 A 0,7 A 0,9 A 1,1 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ u→ t → u(mess) u(theor) i(theor) -1,1 A -0,9 A -0,7 A -0,5 A -0,3 A -0,1 A 0,1 A 0,3 A 0,5 A 0,7 A 0,9 A 1,1 A -330 V -270 V -210 V -150 V -90 V -30 V 30 V 90 V 150 V 210 V 270 V 330 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i→ u→ t → u(mess) u(theor) i(mess) i(theor)
  91. 91. Wechselstrom-Kondensator 10 µF direkt an Netzspannung 230 V – 50 Hz Ermittlung des theoretischen und des praktischen Verlaufs
  92. 92. Wechselstrom-Kondensator 10 µF direkt an Netzspannung 230 V – 50 Hz Summe der Absolut-Beträge aller Differenzen in Theorie und Praxis Ergebnis: Der Kondensator ist praktisch um den Faktor 1,62 höher belastet als theoretisch mit 230 V; 50 Hz Sinus errechnet! Eine noch höhere Auflösung der Messung hätte den Wert noch gesteigert. Theorie UN = 4√2*230 V = 1301,074 V Messung UMess = 1287,114 V Theorie IN = 4√2*0,72257 A = 4,08744 A Messung IMess = 6,65360 A Spannung Strom Gesamter Spannungshub Gesamter Stromhub je Periode
  93. 93. Gelobt sei die Elektronik! Ein Fachkollege berichtet aus der Schweiz: »Habe soeben ein längeres Telefongespräch gehabt. Thema: Digitalstrom! Da hat einer eine Villa mit Digitalstrom ausgerüstet – halt Dich fest – für 240.000 Franken nur Bauteile, wenn ich das richtig verstanden habe. Das wäre für den Kunden alles okay, doch die Anlage funktioniert nicht. Digitalstrom mimt den toten Maikäfer. Die Besitzer haben Eheprobleme – und dies ohne Witz – weil sich manchmal gewisse Lampen nicht einschalten lassen. Die Problematik ist von mir aus gesehen klar, die Signale kommen nicht korrekt durch. Doch wo liegt die Ursache? • Sind das Verbraucher mit nichtsinusförmigem Strom? • Ist die Netzimpedanz zu klein?
  94. 94. Gelobt sei die Elektronik! Ein Fachkollege berichtet aus der Schweiz: Keine Ahnung im Moment. Wirklich schwarz auf weiss zu zeigen, wo das Problem liegt, kann nur ein Spezialist. Digitalstrom unternimmt mit dem neuen Besitzer alles, um das System zum Fliegen zu bringen – bis jetzt allerdings nur auf die Schnauze. Ich habe kurz vor meiner Pension noch einen Schüler gehabt, der musste als Projektleiter eine ganze Überbauung mit Digitalstrom ausrüsten. Am Ende: Die -zig Wohnungen haben alle Probleme, sagte er mir.« Fortsetzung folgt.
  95. 95. Die Effekte Nr. 3, 4 und 5 können Sie sich an der vom DKI entwickelten und mehrfach nachgebauten Demonstrations-Schalttafel ansehen Veranschaulichung
  96. 96. 3 Glüh- lampen auf Minimum gedimmt Nahaufnahme:
  97. 97. 2 Glüh- lampen auf Minimum gedimmt, 1 Glüh- lampe auf Maximum eingestellt Nahaufnahme:
  98. 98. 3 Glüh- lampen, alle Dimmer auf Maximum eingestellt Nahaufnahme:
  99. 99. 3 Kompakt- Leuchtstoff- lampen Nahaufnahme:
  100. 100. L1 Eine herkömmliche, annähernd ohmsch-induktive Last L3L2 mA N Zwei herkömmliche, annähernd ohmsch-induktive Lasten Drei herkömmliche, annähernd ohmsch-induktive Lasten
  101. 101. L1 L3L2 Eine moderne elektronische Last mA N Zwei moderne elektronische LastenDrei moderne elektronische Lasten
  102. 102. Das lange hinreichende TN-C-System erfüllt heutige Anforderungen nicht mehr L1 L2 L3 PEN
  103. 103. Untauglicher Kompromiss: Das TN-C-S-System L1 L2 L3 N PE
  104. 104. Heutigen Anforderungen wird nur ein TN-S-System gerecht! ? ?? L1 L2 L3 N PE Dabei ist der Physik die Farbe des Stückchens Verbindungs- leitung egal! Im Draht ist es dunkel.
  105. 105. L1 L2 L3 N Noch ein Knausernetz: Das TT-System… Lager- raum z. B. für Tri- Nitro-Toluol …ist in dicht bebauten Gebieten reine Illusion… … und mutiert schnell zum brisanten »TNT-System!«
  106. 106. Entdeckungen an einem Haus-Anschlusskasten Strom in der Erdungsleitung vom Haus-Übergabepunkt zur PA-Schiene (Netzspannung als Triggersignal)
  107. 107. Die bange Frage dabei: Was ist denn nun ein TN-S-System? Dieses hier z. B. ist allenfalls ein »TN-S-System e. h.«! L1 L2 L3 N PE MM
  108. 108. So, jetzt ist es promoviert Mit nur einem zentralen Erdungspunkt L1 L2 L3 N PE MM
  109. 109. Oder diplomiert (FH / Bachelor) Sofern ausgeschlossen werden kann, dass beide Quellen gleichzeitig speisen, kann eine Lösung auch so aussehen L1 L2 L3 N PE MM
  110. 110. Oder wenigstens graduiert mit Zeitvertrag Kein Heilmittel, aber eine graduelle Lösung bei akuten Beschwerden kann der Ringkern sein L1 L2 L3 N PE MM
  111. 111. ZEP = zentraler Erdungspunkt – und nicht … Zyniker jun. (Amateur): ZEP = zwei Erdungspunkte Zyniker sen. (Profi): ZEP = zahlreiche Erdungspunkte Zyniker jun. (Amateur): ZEP ≠ zwei Erdungspunkte Zyniker sen. (Profi): ZEP ≠ zahlreiche Erdungspunkte Man soll alles redundant auslegen – bis auf den ZEP!
  112. 112. Praxisschock Vom Trafo im Keller Weiter zum nächsten Stock nach oben Wie das Pferd vor der Apotheke: Kupfer knausern im Haus der Metalle – und das auch noch durch falsche Bezeichnungen kaschiert und manifestiert!
  113. 113. Praxisschock ?
  114. 114. Rundfunk-Fachleute betreiben schon lange ein »TN-S-S-Netz« Erfahrungen aus einer Sendeanstalt: N-Strom 150 Hz: 150 A  PE-Strom: 32 A N-Strom 450 Hz: 14 A  PE-Strom: 12 A Und das in einem sauberen TN-S-System mit ZEP!? Wieder ein Fall für den Ringkern?
  115. 115. PE-Ströme kann man lenken: Mit Ringkernen
  116. 116. Ermittlung des Verhaltens: Bei ≈ 3 A geht‘s in die Sättigung
  117. 117. Ermittlung des Verhaltens: 0 mΩ 25 mΩ 50 mΩ 75 mΩ 100 mΩ 125 mΩ 0 mV 100 mV 200 mV 300 mV 400 mV 500 mV 600 mV 700 mV 800 mV 900 mV 1000 mV 0 A 75 A 150 A 225 A 300 A 375 A Z ↑ U→ I → Messung an Stromschiene mit 5 Ringkernen zu je 20mm*14mm Eisenquerschnitt (50 Hz) Spannung Impedanz
  118. 118. Speisung von Drehfeldmotoren – einst und jetzt L3 L2 L1 M 3~ M 3~ Einst Jetzt
  119. 119. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +
  120. 120. – + Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S    
  121. 121. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  122. 122. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  123. 123. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +      
  124. 124. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  125. 125. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  126. 126. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +    
  127. 127. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  128. 128. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  129. 129. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +      
  130. 130. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  131. 131. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  132. 132. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +    
  133. 133. Speisung von Drehfeldmotoren – was nicht passieren darf: L1 L2 L3 N S – + Fehlsteuerung der Schalter!
  134. 134. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung -22A -18A -14A -10A -6A -2A 2A 6A 10A 14A 18A 22A -600V -500V -400V -300V -200V -100V 0V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 0 90 180 270 360 i u φ  Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  135. 135. -22A -18A -14A -10A -6A -2A 2A 6A 10A 14A 18A 22A -600V -500V -400V -300V -200V -100V 0V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 0 90 180 270 360 i u φ  Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung
  136. 136. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung -22A -18A -14A -10A -6A -2A 2A 6A 10A 14A 18A 22A -600V -500V -400V -300V -200V -100V 0V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 0 90 180 270 360 i u φ  Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  137. 137. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung -22A -18A -14A -10A -6A -2A 2A 6A 10A 14A 18A 22A -600V -500V -400V -300V -200V -100V 0V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 0 90 180 270 360 i u φ  Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  138. 138. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung -22A -18A -14A -10A -6A -2A 2A 6A 10A 14A 18A 22A -600V -500V -400V -300V -200V -100V 0V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 0 90 180 270 360 i u φ  Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  139. 139. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung -22A -18A -14A -10A -6A -2A 2A 6A 10A 14A 18A 22A -600V -500V -400V -300V -200V -100V 0V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 0 90 180 270 360 i u φ  Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  140. 140. Höhere Belastung der Wicklungen Eine Analyse der beiden überlagerten Ströme zeigt: »Normaler« Motorstrom (Nennstrom): 10,46 A Überlagerter (zusätzlicher) Strom: 7,82 A Gesamt-Effektivwert: 13,06 A Das heißt: Im Verhältnis (13,06 A / 10,46 A)² = 1,558 oder 56% mehr ohmsche Verlustwärme!
  141. 141. 0A 1A 2A 3A 4A 5A 6A 0V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180° i→ u→ φ → Daher sind Rechteckspannungen nichts für Drehfeldmotoren, also hacken wir sie klein! Mittels PWM: Pulsweitenmodulation
  142. 142. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen! L1 L2 L3 Fi N PE
  143. 143. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen!
  144. 144. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen! So klein sollten sie sein … IEC 61140
  145. 145. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen! … und so groß sind sie tatsächlich!
  146. 146. Deshalb fordern nunmehr weitere Fach- leute das »TN-S-S-Netz« mit 6 Leitern! L1 L2 L3 Fi N FPE PE Nur ist jetzt die Induktionsschleife zwischen FPE und PE für HF viel zu lang! Nun sind FPE und PE für NF getrennt geführt, aber für HF auf kurzem Weg verbunden… … doch da könnte der Ringkern helfen: Nun ist der PE für HF gesperrt! Merke: »Der Strom wird erst dann ein Problem, wenn er zu einer Spannung wird.«
  147. 147. Zwickmühle + Hohe Taktfrequenz verbessert die Rekonstruktion der Sinuskurve … – … und erhöht kapazitive Filterströme + Hohe Flankensteilheit der Spannung vermindert Verluste … – … und verbreitert das Störspektrum!
  148. 148. Filterströme im PC-Netzteil
  149. 149. Das mit dem Ableitstrom bekommen wir schon noch hin. Wenn solch ein Filter erst einmal lange Zeit außer Betrieb ist und dann wieder unter Spannung gesetzt wird, bekommt er dicke Backen – unbrauchbar Filterströme
  150. 150. Nehmen wir einen »neuen« (aus einer alten Waschmaschine) Die Schaltung finden wir eingeprägt
  151. 151. V 2,2MW A 2*1 mH 500 nF 2*20 nF L N PE Innenleben und Versuchs-Beschaltung
  152. 152. Rechnung und Messung widersprechen sich mal wieder Ableitstrom theoretisch (50 Hz) ↓ W  k V As snFHzfC XC 159 10*20**100 1 20*50*2 1 2 1 91  mA k V IC 4,1 159 230  W 
  153. 153. Praxistest Nach voran gegangener Erfahrung wurden die Versuche vorsichtshalber im Freien fortgesetzt!
  154. 154. Da haben wir es schon! Nach nur 7 Minuten der volle Erfolg: Knall, Rauch, 16-A-Leitungsschutzschalter ausgelöst, 500-mA-Fehlerstromschutz ausgelöst! Elektro-Antrieb für Raketen ist erfunden! Ups!
  155. 155. Also ab in die Fachpresse damit! Nur blöd, dass die Beschriftung in der Zeichnung falsch wiedergegeben wurde N FPE PE
  156. 156. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Ralf-Dieter Roth, BG ETEM, Dresden: »Ich hab mit Interesse und Vergnügen Ihren Beitrag im EP gelesen, in dem es um Waschmaschinen, zischenden Qualm, Schmutzleiter und ähnliche elektromagnetische Befindlichkeiten geht. Eine Anfrage habe ich zu Bild 7 und der (den) zugehörigen Textpassage(n). Meine Denkprozesse über diese Angelegenheit sind noch nicht unbedingt abgeschlossen. Um aber die Oberstubenarbeit zu rationalisieren, formuliere ich es jetzt schon mal: Ich denke, dass PE ans Gehäuse (auf Normendeutsch: Körper) muss und FPE an die PE-Anschlüsse der Y-Kondensatoren. So steht’s eigentlich auch im Text. In der Abbildung ist die Darstellung aber anders. Dort ist der PE mit durch die RCD gefädelt, und zwar so, dass ein PE-Strom nicht zum Auslösen führt, was mir als BGler die Schweißperlen auf die Stirn treten lässt. Die Lösung könnte ja vielleicht sein, die Bezeichnungen PE und FPE in Bild 7 zu vertauschen?«
  157. 157. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Gerhard Maier, Sachverständiger, Ostfildern: »Das Bild 6-Leiter-Netz enthält einen Zeichen-Fehler: PE und FPE gehören vertauscht. Den gleichen Effekt, dass nämlich der PE ableitstromfrei bleibt, kann man durch Anschluss der Filter an den N erreichen. Dann braucht man auch keinen speziellen FI. Die Aussage, dass der FPE bei Rundfunkanstalten strahlenförmig aufgebaut ist und deshalb keine Maschen aufweist, ist in der Praxis nicht zutreffend. Jedes geschirmte Verbindungskabel oder jedes Koaxkabel zwischen 2 an einen strahlenförmigen FPE angeschlossenen Geräten erzeugt eine Masche! Früher haben sich die Audioleute damit geholfen, dass sie die Kabelschirme nur 1-seitig aufgelegt haben. Bei den heutigen digitalen Datenverbindungen geht das aber nicht mehr. Ich halte den FPE bei (einigen) Rundfunkanstalten deshalb für ein Relikt, welches keinen physikalischen Hintergrund mehr hat.«
  158. 158. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Klaus Bödeker, langjähriger Autor derselben Fachzeitschrift: »Mir genügt ja schon das unlösbare Problem, die aus der menschlichen Unvollkommenheit stammende Normenvorgabe 3,5 mA mit den Ableitströmen der brutalen Technik zu einer dem Praktiker einleuchtenden Vorgabe kombinieren zu müssen. Wenn irgend möglich, sollte die sich hier abzeichnende Komplizierung der elektrischen Anlage vermieden oder derartige Lösungen als Sonderfälle eingestuft werden. Mir kommt es so vor, als würde uns die Technik nun ihren Stinkefinger zeigen, um uns für unseren Hochmut zu bestrafen.«
  159. 159. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Wolfgang Esser, Eaton Industries GmbH, Bonn: Meiner Meinung nach passen das Bild 7 und der zugehörige Text, unmittelbar unter dem Bild 7, nicht zusammen. Sie schreiben, was ich für richtig halte, dass der FPE durch den FI-Schalter geführt wird. Im Bild wird aber statt dessen der PE durch den FI-Schalter geführt. Ich vermute, dass im Bild 7 die Beschriftungen PE und FPE vertauscht wurden, da die Gehäuse an den „FPE“ angeschlossen wurden. Wahrscheinlich haben Sie das bereits bemerkt.
  160. 160. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Ingenieur- und Sachverständigenbüro Andreas Holfeld, Dresden: »Im Text ist richtig beschrieben, dass der FPE Ableitströme führen darf. In der Skizze ist jedoch der Leiter, an den die Kondensatoren angeschlossen sind, mit PE bezeichnet und der Leiter mit Anschluss an berührbare leitfähige Teile, Gehäuse mit FPE. Das ist offensichtlich falsch.« Herbert Lennartz, Rentner, langjähriger Autor derselben Fachzeitschrift : »Ihr Artikel über Entstörfilter hat mich fasziniert. Mir war nicht bewusst, das es sich hier um ein so großes Problem handelt. Ich habe zu Ihrem Artikel zwei Fragen: 1. Sind im Text zu Bild 7 auf Seite 1043 PE und FPE verwechselt worden? 2. Wenn bei den Rundfunkanstalten 6-adrige Leitungen verwendet werden, wie wird dort der FPE als Gegensatz zum grün / gelben PE gekennzeichnet?«
  161. 161. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Toni Baumeler, Schweiz: »Den Beitrag in der November Ausgabe ET Elektrotechnik (Entstörfilter als grösste Störenfriede) finde ich sehr interessant. Frage: Entstehen weitere Probleme, wenn Filter an den Neutralleiter angeschlossen werden, statt an das Gehäuse und somit an den Schutzleiter? Das Problem mit den Ableitströmen gegen Erde wäre bei einem Anschluss an den Neutralleiter gelöst. Aus welchem Grund erfolgt der Anschluss an das Gehäuse des Betriebsmittels?« Heinz-Werner Beckmann, Bad Salzuflen: »Herr Fassbinder hat mit überragenden und fundierten Kenntnissen die Wichtigkeit der Problematik erläutert. Hinweis: Im Bild 7 muss m. E. der PE und der FPE vertauscht werden.«
  162. 162. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Markus Riedl: »Ihren Artikel fand ich sehr interessant, da ich mich seit Jahren mit Problemen gleichen Ursprungs auseinander setzen muss. Gerade deshalb aber sind mir mehrere Fehler und Mängel in Ihrem Artikel aufgefallen, die ich Ihnen hiermit mitteilen möchte: Im Bild 7 sind die Bezeichnungen von PE und FPE vertauscht, und die Bezeichnungen „5-Leiter-Netz“ und „6-Leiter-Netz“ sind so nicht ganz fachgerecht. Es werden bei den Netzformen immer nur die „aktiven“ Leiter gezählt. Sowohl ein TN-C-System als auch ein TN-S-System ist ein 4-Leiter- System. Warum werden die Ableitströme von 3~Netzfiltern nicht über den N-Leiter entsorgt? In der Tat würde die Ableitung über einen N-Leiter mehr Sinn machen als über einen PE, im Prinzip das gleiche in blau statt grüngelb.«
  163. 163. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Axel Goldmann, Köln: »Irgendwie hat sich mir nicht so ganz erschlossen, was die Quintessenz dieses Artikels ist. Auch erinnerte mich die Beschreibung der Versuche mehr an die Bildzeitung als an eine Fachzeitschrift, und letztlich waren noch einige sachliche Fehler erkennbar: Bild Nr. 6 ist m. E. falsch. Die Beschriftung muss getauscht werden. Zum 6-Leiter-Netz: Die Idee ist gut, jedoch wurden hier wenig Details aufgezeigt. So besteht z. B. das Problem, dass bei EDV-Geräten überall der PE und die Masse miteinander verbunden sind. Jedes klassische Gerät würde z. B. über die Netzwerkverkabelung die ganze Sache zunichte machen. Auch werden hier Alternativen (z. B. Entstörfilter, die nur zwischen L und N entstören und nicht den PE einbeziehen) gar nicht erwähnt. Hier verschiedene technische Lösungen aufzuzeigen wäre mir lieber gewesen als 2 Seiten über Rauchzeichen. Alles in allem hinterlässt der Beitrag ein zweifelhaftes Gefühl und enttäuscht mich auch von der Redaktion, die diesen Beitrag so hat durchgehen lassen.«
  164. 164. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Enno Hering, Dresden: »Ihr Beitrag … gefällt mir sehr. Ich freue mich, dass Sie das Problem so unverblümt dargelegt haben. Im Bild 7 sind allerdings die Leiterbezeichnungen PE und FPE vertauscht, denn der Schutzleiter muss an den Körper des Betriebsmittels angeschlossen und darf nicht durch den Fehlerstrom-Schutzschalter geführt werden, wogegen der FPE an die Kondensatoren angeschlossen werden muss.« Hans-Günter Hergesell, Flughafen Paderborn-Lippstadt: »Wir legen den Sternpunkt der Filter immer auf N, wenn Probleme mit dem FI- Schalter auftreten. Danach hatten wir nie wieder Probleme.«
  165. 165. Eine Finndige, Finnanziell tragbare ErFinn- dung sorgt in manchen Fällen für Abhilfe: »THF« (third harmonic filter) der ABB Control Oy, Vasa Deutsche Version »THX«
  166. 166. -90° -75° -60° -45° -30° -15° 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90° 0Ω 5Ω 10Ω 15Ω 20Ω 25Ω 30Ω 35Ω 0Hz 50Hz 100Hz 150Hz 200Hz 250Hz 300Hz φ→ Z→ f → Reaktanz Drossel allein Reaktanz Kondensator allein Impedanz Parallel- schaltung Phasenwinkel parallel Daten und Frequenzgang des Filters 1320 µF 14mW 875µH
  167. 167. L C I ≈ 0 U Vorsicht bei Parallel- Resonanzfiltern: Man sieht von außen nicht, was drinnen abgeht! Es fließt praktisch kein Strom der Resonanz- Frequenz durch den Schwingkreis, aber möglicherweise eine Menge im Schwingkreis!
  168. 168. Einsatz in der Praxis: Ein typisches Büro- und Verwaltungs-Gebäude
  169. 169. Da haben wir es schon: Durch den Filter fließen 50 A (50 Hz, 250 Hz …). Am Filter liegen 27,5 V bei 150 Hz an. Im Filter fließen zusätzlich 34,3 A / 150 Hz im Kreis, macht zusammen: Das ist fast der Nennstrom, entsprechend voller Last! AAAIges 6,60)3,34()50( 22 
  170. 170. Einsatz in der Praxis: Ein Gewächshaus mit 500 kW Natriumdampflampen
  171. 171. Günstigerer Einsatzfall: Wegen der großen Last (1100 A je Außenleiter) wurde hier das große Modell (160 A) eingesetzt. Deswegen und auf Grund des geringeren Verzerrungsgrads ist hier die Welt noch in Ordnung: Nur ein Phasen-Ausfall darf nicht passieren! Sonst fließen 1100 A durch den Filter! AAAIges 109)9,10()108( 22 
  172. 172. 11. Im TN-C-System: Wer N-Leiter abknappst oder verPENnt oder abgeknappste oder verPENnte installiert und in Betrieb nimmt, wird mit Netzrückwirkung auf alle Systeme bestraft Magnetische Streufelder und ihre Auswirkungen
  173. 173. Der Schweizer EMV-Transformator: »Wir bauen Transformatoren in erster Linie nach Maß und erst in zweiter Linie nach Norm, denn meistens steckt in den Kundenwünschen mehr Innovations-Potenzial, als es die Norm zulässt«
  174. 174. 12. Im TN-C-System mischen sich Daten- und Betriebsströme. Das kann nicht gut gehen! Große Einphasenlast
  175. 175. 12. Nur im TN-S-System bleiben Betriebsströme dort, wohin sie gehören. Große Einphasenlast
  176. 176. … die BG, die Gutachter und viele andere …… so nennen das die Sachversicherer …
  177. 177. 13. Häufung von Korrosionsschäden Trafoseite Gegenüber liegende Seite Dieses (vormals) verzinkte Bandeisen führte in einem TN-C-S-System an einer Trafostation vorbei
  178. 178. Betriebsströme sind in Erdungssystemen und Schutzleitern zu vermeiden, aber so geht das nicht,  sondern nur so! 
  179. 179. 14. Hau rein! Freie Bahn dem Blitzschlag
  180. 180. 15. Auswirkungen auf Hoch- und Mittelspannungsnetze abhängig von der Sternpunktbehandlung (Prof. H.-C. Müller, VEW, FH Dortmund, 1988: »Schreckliches Wort!«) OSPE: Isolierter Sternpunkt (ohne Sternpunkterdung) SSPE: Starre Sternpunkterdung NOSPE: niederohmige Sternpunkterdung KNOSPE: kurzzeitige niederohmige Sternpunkterdung RESPE: Resonanzsternpunkterdung
  181. 181. OSPE: Ohne Sternpunkterdung 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V
  182. 182. SSPE: Starre Sternpunkterdung 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V
  183. 183. 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V NOSPE: Niederohmige Sternpunkterdung
  184. 184. 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V KNOSPE: Kurzzeitige niederohmige Sternpunkterdung
  185. 185. 50 Hz:250 Hz: usw. 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V φ3=-240°+90°=-150° φ2=-120°+90°=-30° CL XX 5 5 1  RESPE: Resonanz-Sternpunkterdung L3 L2 L1 φ1=90° CL XX φ23=-90°
  186. 186. Mehr zum Thema: www.elektropraktiker.de/nc/fachinformationen/fachartikel/?details=78478
  187. 187. Manchmal traut man seinen Augen nicht! VDE 0100-540:1991-11: Hinter der Aufteilung des PEN-Leiters in Neutral- und Schutzleiter dürfen diese nicht mehr miteinander verbunden werden.
  188. 188. Dann ist doch der Rest kein Wunder mehr! See you later, compensator!
  189. 189. Am Flughafen Paderborn / Lippstadt…
  190. 190. …wurde das Netz zeitgemäß aufgeräumt
  191. 191. Man sollte auch bei Wahrheiten auf das Verfallsdatum achten, zum Beispiel: »Der PEN-Leiter nimmt in TN-C-Systemen eine Doppelfunktion wahr. Er ist in erster Linie Schutzleiter und erfüllt als zweite Funktion die Aufgabe des Neutralleiters.« (Volker Schulze: »Vorgefertigte Klemmenblöcke für PEN-Leiter- Verlegung«) Na ja gut, das war in »de« 13/1999, S. 1050)
  192. 192. Und zur Ehrenrettung der Firma muss man auch noch sagen: Aus deren Reihen stammt immerhin die Erfindung des »PEN- Trenners« (Gerhard Wolff, Phoenix Contact)
  193. 193. Also: Schneiden wir doch die alten Zöpfe endlich mal ab! Alt genug sind sie ja… UPS!
  194. 194.  Gibt‘s leider noch viel zu viele: Knauserkabel für kurzsichtige Zeitgenossen In Deutschland: ZVEI-Fachverband Kabel und isolierte Drähte www.zvei.org/Verband/Fachverbaende/Kab el-und-isolierte-Draehte/Seiten/default.aspx Weltweit: International Cablemakers‘ Federation www.icf.at ← Kupfer zu teuer? Es gibt Kompromisse! In der Schweiz bereits im Einsatz: Gleicher Querschnitt, aber mehr Leitfähigkeit im N und im PE als in den Außenleitern! Es gibt sie doch: Zukunftssichere Kabel und Leitungen für zeitgemäße Installationen 
  195. 195. Und hat es schon seit Urzeiten in sein Logo eingearbeitet:  Aller guten Dinge sind fünf! Ein Hersteller sagt es gleich ganz klar: Gehirn einschalten!
  196. 196. Und was sagen die Normen dazu? Kleiner Exkurs gefällig? Mogelpackung in der VDE 0295
  197. 197. DIN VDE 0100-520 Beiblatt 3 jetzt endlich erschienen Errichten von Niederspannungsanlagen Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Teil 520: Kabel- und Leitungsanlagen Beiblatt 3: Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen in 3-phasigen Verteilungsstromkreisen bei Betriebsströmen mit Oberschwingungsanteilen
  198. 198. Netz belastet mit je 1 Gerät pro Außenleiter Beispielmessungen Leistungsaufnahme Strom P Nenn P Mess S Mess I L1 I L2 I L3 I N Kompakt-Leuchtstofflampen bis 25 W 23W 23W 35VA 0,15A 0,15A 0,15A 0,24A 10,43mA/W 30W 29W 30VA 0,13A 0,13A 0,13A 0,06A 2,00mA/W Lineare Lampe mit ext. Betriebsgerät 58W 55W 59VA 0,25A 0,25A 0,25A 0,13A 2,24mA/W ohne Kompensation (induktiv) 58W 62W 140VA 0,60A 0,60A 0,60A 0,20A 3,45mA/W mit paralleler Kompensation 58W 62W 67VA 0,30A 0,30A 0,30A 0,20A 3,45mA/W mit serieller Kompensation (kapazitiv) 58W 75W 170VA 0,73A 0,73A 0,73A 0,30A 5,17mA/W ungedimmt (min. Winkel ≈5°) 200W 200VA 0,87A 0,87A 0,87A 0,02A 0,10mA/W 60° gedimmt (120° Stromflusswinkel) 161W 179VA 0,78A 0,78A 0,78A 0,67A 3,36mA/W 120° gedimmt (60° Stromflusswinkel) 38W 87VA 0,38A 0,38A 0,38A 0,66A 3,29mA/W ohne Vorschaltgerät 26W 27VA 0,12A 0,12A 0,12A 0,05A 1,87mA/W mit induktivem Vorschaltgerät 27W 27VA 0,12A 0,12A 0,12A 0,06A 2,38mA/W untätig (Leerlauf) 80W 105VA 0,46A 0,46A 0,46A 0,76A 1,89mA/W Büro-Alltag gemittelt 85W 112VA 0,48A 0,48A 0,48A 0,81A 2,02mA/W Spitze (max. Prozessorlast) 145W 190VA 0,83A 0,83A 0,83A 1,34A 3,36mA/W untätig (Leerlauf) 77W 83VA 0,36A 0,36A 0,36A 0,16A 0,40mA/W Büro-Alltag gemittelt 82W 87VA 0,38A 0,38A 0,38A 0,17A 0,43mA/W Spitze (max. Prozessorlast) 136W 139VA 0,60A 0,60A 0,60A 0,24A 0,60mA/W Röhrenmonitor Veraltete Technik, Bestand fallend 60W 60W 90VA 0,38A 0,38A 0,38A 0,60A 10,00mA/W 100% Helligkeit 32W 54VA 0,24A 0,24A 0,24A 0,41A 11,71mA/W 20% Helligkeit 22W 38VA 0,17A 0,17A 0,17A 0,29A 8,33mA/W PC-Betrieb & Akku laden 65W 118VA 0,53A 0,53A 0,53A 0,91A 13,99mA/W PC-Betrieb, stark beansprucht 24W 50VA 0,20A 0,20A 0,20A 0,35A 5,33mA/W PC-Betrieb, schwach beansprucht 16W 38VA 0,17A 0,17A 0,17A 0,29A 4,40mA/W PC-Betrieb & Akku laden 67W 84VA 0,36A 0,36A 0,36A 0,60A 6,67mA/W PC-Betrieb, stark beansprucht 56W 69VA 0,30A 0,30A 0,30A 0,54A 6,00mA/W PC-Betrieb, schwach beansprucht 17W 23VA 0,10A 0,10A 0,10A 0,18A 2,00mA/W Ruhe 20W 40VA 0,16A 0,16A 0,16A 0,21A 10,68mA/W Arbeit 325W 330VA 1,40A 1,40A 1,40A 0,57A 1,76mA/W Tages-Minimum 62W 101VA 0,43A 0,43A 0,43A 0,22A 3,47mA/W Tages-Mittelwert 103W 142VA 0,61A 0,61A 0,61A 0,43A 4,21mA/W Tages-Maximum 324W 352VA 1,59A 1,59A 1,59A 1,93A 5,96mA/W Kompakt-Leuchtstofflampen Leuchtstofflampen über 25 W mit elektronischen Betriebsgeräten Büro-PC mit aktiver Leistungsfaktor- Korrektur (PFC) LED-Leuchtröhre (putativer Ersatz für T8-Leuchtstofflampe 58 W) 25W Büro-PC ohne aktive Leistungsfaktor- Korrektur (PFC) 400W Leuchtstofflampen über 25 W mit induktiven (magnetischen) Betriebsgeräten Glühlampen mit Phasenanschnitt- Dimmer 200W Laptop-PC bis 75 W – Grenze gem. DIN EN 61000-3-2:2010- 03 (VDE 0838-2:2006-10) 65W Flachbildschirm 35W Fotokopierer – Laptop-PC über 75 W Grenze gem. DIN EN 61000-3-2:2010- 03 (VDE 0838-2:2006-10) 90W Faxgerät 3A Gerät und Betriebszustand / Betriebsweise Bemerkungen und Erläuterungen Um- rechnung I N/P Gerät
  199. 199. Oder lesen Sie z. B. in der EN 50174-2:2000, Absatz 6.4.3: »Es muss … berücksichtigt werden, dass ein PEN-Leiter … keine geeignete Erdung zur Verfügung stellen kann. Es muss auch berücksichtigt werden, dass die IT- und TT-Spannungsversorgungs- systeme mehr Ausgleichs-Maßnahmen erfordern, daher gilt:  es sollte im Gebäude keinen PEN-Leiter geben, das heißt die betreffende Option in 546.2.1 von HD 384.5.54 S1:1988 sollte nicht verwendet werden.  wann immer möglich sollte das TN-S-System verwendet werden.«
  200. 200. Oder besser noch in EN 50174-2:2011-09: 7.1.4.1 Allgemeines »Hinsichtlich der EMV-Problematik darf ein PEN-Leiter, über den unsymmetrische Ströme sowie sich überlagernde harmonische Ströme und andere Störungen übertragen werden, nicht als geeignete Erdung angesehen werden. Zusätzlich müssen IT- und TT-Verteilungssysteme mehr Ausgleichsmaßnahmen, insbesondere bezüglich Überspannungen, aufweisen. Daher gilt: Das TN-S-System muss verwendet werden (siehe EN 50310). Ausnahmen bestehen aufgrund vorhandener Hochspannungs- Stromverteilungsanlagen, die als TT- oder IT-System ausgeführt sind, oder wo die Anwendung … oder örtliche Bestimmungen einen hohen unter-brechungsfreien Versorgungsgrad erfordern.«
  201. 201. Oder in der VDE 0100 Teil 444:1999-10: » … In Gebäuden, die in bedeutendem Umfang Betriebsmittel der Informationstechnik aufweisen oder von denen dies für die Zukunft zu erwarten ist, muss ab dem Gebäudeeintritt der Stromversorgung die Anwendung des TN-S-Systems, d.h. die Verlegung getrennter Schutzleiter (PE) und Neutralleiter (N), in Betracht gezogen werden, um die Wahrscheinlichkeit von elektromagnetischen Problemen in Folge der Verschleppung von Neutralleiterströmen auf Signalkabeln oder -leitungen zu minimieren, die Schäden oder Störungen verursachen können … «
  202. 202. Oder in der VDE 0100 Teil 444:2010-10: »444.4.3.1 TN-C-Systeme dürfen in neu errichteten Gebäuden, die eine wesentliche Anzahl von informationstechnischen Betriebsmitteln enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden, nicht verwendet werden. Es wird empfohlen, in bestehenden Gebäuden TN-C-Systeme nicht beizubehalten, wenn diese Gebäude eine wesentliche Anzahl von informationstechnischen Betriebsmitteln enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden.« Und unmittelbar dahinter folgt – im Zuge positiven Denkens: »444.4.3.2 Anlagen in neu zu errichtenden Gebäuden müssen von der Einspeisung an als TN-S-Systeme errichtet werden; siehe Bild 44.R3A. In bestehenden Gebäuden, die bedeutende informations-technische Betriebsmittel enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden und die aus einem öffentlichen Niederspannungsnetz versorgt werden, sollte ab dem Anfang der Installationsanlage ein TN-S-System errichtet werden.«
  203. 203. Aber es geht auch anders! EN 50310 Abs. 6.3 sagt schon seit September 2000: »Die Wechselstrom-Verteilungsanlage in einem Gebäude muss die Anforderungen eines TN-S- Systems erfüllen. Dies macht es erforderlich, dass im Gebäude kein PEN-Leiter vorhanden sein darf.«
  204. 204. EN 50310:2006-07 gilt auch für Gleichstrom-Verteilungen innerhalb von Telekommunikations-Gebäuden: »Die Gleichstromverteilung, falls vorhanden, muss über eng nebeneinander verlaufende und ein DC-I-System bildende Leiter L+ und L- geführt werden. Daher darf jeder Gleichstromrückleiter für eine informationstechnische Anlage nur einmal mit dem L+-Ausgang der Versorgungsanlage verbunden werden.«
  205. 205. Somit gilt auch hier – siehe HD 60364-5-54 S2: 2006: »543.5.2 Fremde leitfähige Teile dürfen als PEL- oder PEM-Leiter nicht verwendet werden.«
  206. 206. Wie man mit Normen am besten umgeht? Indem man sie umgeht! Die Telekom arbeitet lieber weiterhin nach dem DC-C-System: Last
  207. 207. In EN 50310 finden sich unmittelbar hintereinander die »Fest«-legungen: »8.1.1 The DC distribution system may take the form of DC C or DC I.« und »8.1.2 The DC distribution system, if present, shall use L+ and L- conductors routed close together and forming a DC I-System.«
  208. 208. Sind die Tage der EN 50310 gezählt? ISO-IEC 30129 in Arbeit …
  209. 209. Die wahrscheinlich größte »Unnorm« der Gegenwart, EN 50160 gliedert sich in drei Hauptabschnitte: 1. Anwendungsbereich, 2. Normative Verweisungen, 3. Begriffe, 4. Merkmale der Niederspannung, 5. Merkmale der Mittelspannung, 6. Merkmale der Hochspannung. Abschnitt 4 sagt u. a.: Die genormte Nennspannung Un für öffentliche Niederspannungsnetze beträgt • für Drehstromnetze mit vier Leitern: Un = 230 V zwischen Außenleiter und Neutralleiter; • für Drehstromnetze mit drei Leitern: Un = 230 V zwischen den Außenleitern. 5-Leiter-Netze gibt‘s nicht.
  210. 210. Die EN 50160 sagt zur Netzspannung, dass diese möglichst da sein sollte; außer … • »Unter normalen Betriebsbedingungen mit der Ausnahme von Intervallen mit Unterbrechungen sollten Änderungen der Ver- sorgungsspannung ±10% der Nennspannung Un nicht überschreiten.« • Für besonders entlegene Kunden sollte die Spannung nicht mehr als 15% einknicken. • Wann ein Kunde »entlegen« ist, kann im Einzelfall auf nationaler Ebene festgelegt werden. Knickt die Spannung noch tiefer ein als 15%, so sind die Betriebs- bedingungen halt nicht normal! Fällt die Spannung ganz aus, erlischt offenbar auch die Verpflichtung, dass sie eigentlich vorhanden sein müsste, denn bei Unterschreitung des Grenzwerts sind die Betriebsbedingungen nicht mehr normal. Wann die Betriebsbedingungen »normal« sind – das steht nirgends.
  211. 211. Die EN 50160 sagt zu Oberschwingungen der Spannung in Nieder- und Mittelspannungsnetzen: 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 THD Uh/U→ h → DIN EN 50160:2011-02, Tabelle 1: Werte einzelner Oberschwingungsspannungen an der Übergabestelle bis zur 25. Ordnung
  212. 212. Die EN 50160 sagt zu Oberschwingungen der Nieder- und Mittelspannung: Auf allen Spannungsebenen müssen • »unter normalen Betriebsbedingungen« • 95% der 10-Minuten-Mittelwerte einer Woche diese »Grenzen« einhalten. Konsequenzen: • Entweder man hat dummerweise wieder einmal die anderen 5% erwischt, • oder die Betriebsbedingungen waren halt nicht »normal«. Weiter heißt es: • »Resonanzen können höhere Spannungen bei einer einzelnen Oberschwingung hervorrufen«. Ein Mal ist kein Mal. Eine Obergrenze wird nicht genannt. Von etwaigen Konsequenzen steht dort auch nichts. DIN EN 50160:2011-02, Tabelle 1: Werte einzelner Oberschwingungsspannungen an der Übergabestelle bis zur 25. Ordnung Anteil relativ absolut 1 230,00V 400,00V 2 2,0% 4,60V 8,00V 3 5,0% 11,50V 20,00V 4 1,0% 2,30V 4,00V 5 6,0% 13,80V 24,00V 6 0,5% 1,15V 2,00V 7 5,0% 11,50V 20,00V 8 0,5% 1,15V 2,00V 9 1,5% 3,45V 6,00V 10 0,5% 1,15V 2,00V 11 3,5% 8,05V 14,00V 12 0,5% 1,15V 2,00V 13 3,0% 6,90V 12,00V 14 0,5% 1,15V 2,00V 15 0,5% 1,15V 2,00V 16 0,5% 1,15V 2,00V 17 2,0% 4,60V 8,00V 18 0,5% 1,15V 2,00V 19 1,5% 3,45V 6,00V 20 0,5% 1,15V 2,00V 21 0,5% 1,15V 2,00V 22 0,5% 1,15V 2,00V 23 1,5% 3,45V 6,00V 24 0,5% 1,15V 2,00V 25 1,5% 3,45V 6,00V THD 8,0% 18,40V 32,00V Ordng.- Nr. h
  213. 213. Die EN 50160 sagt zur Netzfrequenz: Der 10-s-Mittelwert muss – natürlich wiederum nur »unter normalen Betriebsbedingungen – bei synchroner Verbindung mit einem Verbund- netz • während 99,5% eines Jahres eine Toleranz von ±1% einhalten, also zwischen 49,5 Hz und 50,5 Hz liegen, und • während 100% eines Jahres eine Toleranz von +4% und -6% einhalten, also zwischen 47 Hz und 52 Hz liegen.« Was heißt das für ein Verbundnetz?
  214. 214. Die EN 50160 aber bietet zur Netzfrequenz • einen Abschnitt zur Frequenz in Hochspannungsnetzen, • einen Abschnitt zur Frequenz in Mittelspannungsnetzen, • einen Abschnitt zur Frequenz in Niederspannungsnetzen. Noch sind die dort geforderten Werte gleich, doch warten wir ab, bis z. B. die Hochspannungsfraktion »ihre« Werte ändert und die anderen vergisst!
  215. 215. Die EN 50160 sagt zur Stabilität der Frequenz von Inselnetzen: In Inselnetzen sind die Anforderungen noch gnädiger. Der 10-s-Mittelwert muss hier (ohne synchrone Verbindung mit einem Verbundnetz) • während 95% eines Jahres eine Toleranz von ±2% einhalten, also zwischen 49 Hz und 51 Hz liegen, und • während 100% eines Jahres eine Toleranz von ±15% einhalten, also zwischen 42,5 Hz und 57,5 Hz liegen.« Das fängt also bei Großbritannien schon an, oder?
  216. 216. Die EN 50160 sagt zur Stabilität der Frequenz von Inselnetzen: In der Tat … aber werfen wir doch einmal einen Blick auf eine »richtige« Insel: www.entsoe.eu
  217. 217. Beobachtung auf Malta • 495.000 Einwohner, • 547 MW: Frequenzen • von 49,80 Hz • bis 50,13 Hz im Laufe einiger Stunden. Nun ja … Die Praxis sagt zur Stabilität der Frequenz auf Inselnetzen:
  218. 218. Bereich (5-s-Mittelwerte): min. 49,9362 Hz max. 50,0713 Hz Kleinstes Minimum aller 5-s-Intervalle: 49,9353 Hz Größtes Maximum aller 5-s-Intervalle: 50,0720 Hz Schwankungsbreite: 0,2738 % Tages-Mittelwert: 50,0000 Hz 49,925 Hz 49,950 Hz 49,975 Hz 50,000 Hz 50,025 Hz 50,050 Hz 50,075 Hz 224 V 225 V 226 V 227 V 228 V 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V 235 V 236 V 0:00 h 4:00 h 8:00 h 12:00 h 16:00 h 20:00 h f→ U→ t → Verlauf von Spannung und Frequenz am 26.12.2013 U f Die Praxis sagt zur Frequenz im Verbundnetz (www.kupferinstitut.de/de/werkstoffe/anwendung/e- energie/stromnetze/strom-uebertragungsnetze.html#c10303)
  219. 219. Bereich (5-s-Mittelwerte): min. 49,9414 Hz max. 50,0997 Hz Schwankungsbreite: 0,3160 % Tages-Mittelwert: 50,0080 Hz 49,90 Hz 49,92 Hz 49,94 Hz 49,96 Hz 49,98 Hz 50,00 Hz 50,02 Hz 50,04 Hz 50,06 Hz 50,08 Hz 50,10 Hz 223 V 224 V 225 V 226 V 227 V 228 V 229 V 230 V 231 V 232 V 233 V 234 V 235 V 236 V 237 V 0:00 h 4:00 h 8:00 h 12:00 h 16:00 h 20:00 h f→ U→ t → Verlauf von Spannung und Frequenz am 20.03.2015 (Sonnenfinsternis von 10:14 bis 11:21) U f Die Praxis sagt zur Frequenz im Verbundnetz selbst bei Sonnenfinsternis:
  220. 220. Die Praxis sagt zur Frequenz im Verbundnetz z. B. nach einem Kraftwerksausfall in der Türkei am 29.09.2010, HPP Atatürk, 776 MW (Amprion GmbH, veröffentlicht in »ETG- Mitgliederinformation« 2/2011, S. 10)
  221. 221. Der Notfallplan der ENTSO-E sagt zur Frequenz im Verbundnetz: Stufe 1 49,8 Hz Alarmierung des Personals, Einsatz der noch nicht mobilisierten Leistung Stufe 2 49,5 Hz Abwurf von Speicherpumpen Stufe 3 49,0 Hz Unverzüglicher Abwurf von 10%…15% der Netzlast Stufe 4 48,7 Hz Unverzüglicher Abwurf weiterer 10%…15% der Last Stufe 5 48,4 Hz Unverzüglicher Abwurf weiterer 15%…20% der Last Stufe 6 48,1 Hz Unverzüglicher Abwurf weiterer 15%…20% der Last Stufe 7 47,5 Hz Abtrennen der Kraftwerke vom Netz Stufe 8 47,0 Hz Jetzt endlich meldet sich die EN 50160 zu Wort – und gleichzeitig ab: Sie mahnt, dass die Frequenz nicht noch tiefer sinken sollte; da dies nun aber schon mal passiert und das Netz bereits »platt« sei, seien die Betriebsbedingungen nicht mehr »normal«, weswegen auch keine Forderung mehr nach irgendetwas bestünde.
  222. 222. Hoffentlich bekommen wir nie eine Versorgung nach EN 50160! Die VDE 0100-100 sagte noch im August 2002: »Die in DIN EN 50160:2000-03 angegebenen Merkmale der Spannung geben Extrem-Situationen wieder, beschreiben aber nicht die übliche Situation im Netz. Für die Planung von elektrischen Anlagen mit einer normalen Gebrauchstauglichkeit ist es ausreichend, die mit hoher Wahrscheinlichkeit typische Situation im Netz am jeweiligen Anschlusspunkt zu berücksichtigen.« Doch dieser Satz musste weichen. So deutlich darf eine Norm nicht über eine Norm befinden.
  223. 223. Was sagen die Normen zu Ableitströmen? z. B. IEC 950: Messung der Ableitströme Diese Norm erfasst nur 50-Hz-Ströme, hochfrequente Anteile müssen draußen bleiben! Wozu denn dann ein Filter?
  224. 224. Warum eigentlich noch Entstör-Maßnahmen? Seit 01.01.2001 ist die EN 61000-3-2 in Kraft und seither stört doch nichts mehr! Oder? Denn nun gibt es Oberschwingungs-Grenzwerte für Klasse A: Symmetrische dreiphasige Geräte und alle anderen Geräte, ausgenommen diejenigen, die in einer der folgenden Klassen genannt sind Klasse B: Tragbare Elektrowerkzeuge Klasse C: Beleuchtungs-Einrichtungen einschließlich Beleuchtungsreglern, ausgenommen Dimmer bis 1000 W Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W
  225. 225. Dabei sind die einzuhaltenden Toleranzen der Netzspannung für die Prüfung recht eng: 2,0% Abweichung vom Nennwert, 0,9% Gehalt Oberschwingung 3, 0,4% Gehalt Oberschwingung 5, 0,3% Gehalt Oberschwingung 7, 0,2% Gehalt Oberschwingung 9, 0,2% Gehalt Oberschwingungen gerader Ordnung, 0,1% Gehalt Oberschwingungen 11 bis 40 während der Prüfung! Das ist auch nötig, denn der Einfluss ist groß!
  226. 226. der dritten Oberschwingung zwischen Außenleiter und Neutralleiter gegen diejenige zwischen zwei Außenleitern Versuch der gegenseitigen Kompensation
  227. 227. Und wie sehen die vom Gerät einzu- haltenden Grenzwerte des Stroms aus? Z. B. in Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W Tabelle 3 aus DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2:2006-10) Grenzwerte für Geräte der Klasse D Ord- nungs- Höchstwert des Ober- schwingungsstroms zahl n je Leistungs- Aufnahme jedoch maximal Ungeradzahlige Oberschwingungen 3 3,40mA/W 2,30A 5 1,90mA/W 1,14A 7 1,00mA/W 0,77A 9 0,50mA/W 0,40A 11 0,35mA/W 0,33A 13≤n≤39 3,85mA/W/n s. Tabelle 1 Geradzahlige Oberschwingungen 2 1,08A 4 0,43A 6 0,30A 8≤n≤14 0,23*8/nA
  228. 228. Tabelle 3 aus DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2:2006-10) Grenzwerte für Geräte der Klasse D Ord- nungs- Höchstwert des Ober- schwingungsstroms entspricht bei P = zahl n je Leistungs- Aufnahme jedoch maximal 75W Ungeradzahlige Oberschwingungen 3 3,40mA/W 2,30A 0,26A 5 1,90mA/W 1,14A 0,14A 7 1,00mA/W 0,77A 0,08A 9 0,50mA/W 0,40A 0,04A 11 0,35mA/W 0,33A 0,03A 13≤n≤39 3,85mA/W/n s. Tabelle 1 Geradzahlige Oberschwingungen 2 1,08A 4 0,43A 6 0,30A 8≤n≤14 0,23*8/nA Tabelle 3 aus DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2:2006-10) Grenzwerte für Geräte der Klasse D Ord- nungs- Höchstwert des Ober- schwingungsstroms entspricht bei P = zahl n je Leistungs- Aufnahme jedoch maximal 600W Ungeradzahlige Oberschwingungen 3 3,40mA/W 2,30A 2,04A 5 1,90mA/W 1,14A 1,14A 7 1,00mA/W 0,77A 0,60A 9 0,50mA/W 0,40A 0,30A 11 0,35mA/W 0,33A 0,21A 13≤n≤39 3,85mA/W/n s. Tabelle 1 Geradzahlige Oberschwingungen 2 1,08A 4 0,43A 6 0,30A 8≤n≤14 0,23*8/nA Sagen Sie mal, was will eigentlich diese Spalte uns mitteilen? Höchstzulässige THDI-Werte THD-R THD-F nur ungeradzahlige erfasst 68,8% 94,8% nur geradzahlige erfasst 43,3% 48,0% alle erfasst 72,8% 106,2% Der THDI darf ganz legal und normkonform recht hübsche Werte erreichen! … ob nun an der Untergrenze …  … oder an der Obergrenze des Bereichs
  229. 229. Die Einhaltung dieser Grenzwerte ist ja wohl kein Kunststück! Betrachten wir z. B. einen alten PC aus der Zeit vor dem Inkrafttreten der EN 61000-3-2 Grenzwert: 116 W * 3,4 mA/W = 395 mA Messwert dritte Harmonische: 411 mA Wegzumessende Differenz: 16 mA
  230. 230. Lösung 1: Geräte einzeln betrachten: 40 W PC, 60 W Monitor, 16 W Peripherie Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W. EN 61000-3-2 fühlt sich also nicht zuständig. Das funktioniert nur leider heute nicht mehr, denn neue Rechner schlucken mehr. Also: →
  231. 231. Lösung 2: Nennwert 4% über Messwert legen (5% sind erlaubt!) Grenze: 116 W * 3,4 mA/W * 1,05 = 414 mA Messung dritte Harmonische: 411 mA Passt! Und was nicht passt, wird eben passend gemacht. Wohlgemerkt: Wir reden hier von einem PC ohne jegliche Maßnahmen gegen Oberschwingungen, der vor Erscheinen der EN 61000-3-2 in Verkehr gebracht wurde!
  232. 232. Lösung 3: Ohmsche Last parallel schalten. So kommen Sie leicht > 600 W. Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W
  233. 233. »Glühlampe reinhauen«, wie ein Zyniker sagte. Gehen wir noch einmal zurück zu den Messgeräten: Lösung 4: Ohmscher Serienwiderstand
  234. 234. Lösung 5: Nur ein Weilchen warten … … denn nach EN 61000-3-2 wird der Mittelwert der in einem bestimmten Zeitfenster vorgekommenen Oberschwingungen durch den Höchstwert der in diesem Zeitfenster vorgekommenen Wirkleistung geteilt! Messwerte am Eingang des Netzteils eines nach EN 61000-3-2 gebauten PC mit wechselnder Last Nr. Betriebszustand P Q S I 3 THDI LF cosφ 0 PC »aus«-geschaltet 3,7W 12,3var 12,8VA 15,4mA 52,8% 28,8% 36,0% 1 Ruhezustand 3,7W 12,3var 12,8VA 15,4mA 52,8% 28,8% 36,0% 2 Standby 40,2W 36,1var 54,0VA 132,0mA 67,0% 74,4% 100,0% 3 CPU normal belastet 45,5W 39,7var 60,4VA 147,0mA 65,8% 75,3% 100,0% 4 CPU normal belastet, mit Flachbildschirm 68,0W 55,0var 87,5VA 194,0mA 62,5% 77,8% 99,0% 5 CPU stark belastet, mit Flachbildschirm 100,0W 77,0var 126,2VA 289,0mA 57,8% 79,2% 97,0% 6 Netzteil mit zusätzlicher Last 50% ausgelastet 152,0W 116,0var 191,2VA 405,0mA 54,4% 79,5% 95,0% 7 Netzteil mit zusätzlicher Last voll ausgelastet 319,0W 293,0var 433,1VA 800,0mA 56,0% 73,6% 91,0%
  235. 235. 75% 80% 85% 90% 95% 0W 25W 50W 75W 100W 125W 08:00h 09:00h 10:00h 11:00h 12:00h 13:00h 14:00h 15:00h 16:00h 17:00h ↑ THDI P→ t → Aus dem Alltag eines Büro-PC Eine Messung je Minute
  236. 236. 75% 80% 85% 90% 95% 0W 25W 50W 75W 100W 125W 150W 12:00:00 12:00:15 12:00:30 12:00:45 12:01:00 12:01:15 12:01:30 12:01:45 12:02:00 ↑ THDI P→ t → Aus dem Alltag eines Büro-PC Eine Messung je Sekunde
  237. 237. 0W 15W 30W 45W 60W 75W 90W 105W 120W 135W 150W 0mA 150mA 300mA 450mA 600mA 750mA 900mA 08:00h 09:00h 10:00h 11:00h 12:00h 13:00h 14:00h 15:00h 16:00h 17:00h P→ Ih→ t → Aus dem Alltag eines Büro-PC Pmax = 146 W ī5 = 134 mA ī5zul = 1,9 mA * 146 W = 278 mA ī3 = 268 mA ī3zul = 3,4 mA * 146 W = 497 mA
  238. 238. Fluggenehmigung für eine Lokomotive Kleiner Exkurs gefällig? Energie-Effizienz in der EDV Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W
  239. 239. Laptop-Netzteil 65 W Akku ladend Akku voll
  240. 240. Laptop-Netzteil 90 W Akku ladend Akku voll
  241. 241. Fernsehen im Wandel der Zeit Röhrengerät 1990 Flachbild- schirm 2010
  242. 242. Oder sehen wir uns einmal die Grenzwerte für Klasse C (Lampen) an … und diese Osram Dulux EL 11 W danach: Der Unterschied ist nicht gerade überzeugend! Diese Lampe Osram Dulux EL 11 W entstand vor EN 61000-3-2 …
  243. 243. Nur bei größeren Lampen und EVG >25 W greift die Norm …
  244. 244. … also offensichtlich bei LED-Lampen schon mal nicht! Messungen an einer LED-Leuchtröhre (nach Ausbau des Vorschaltgeräts) Weitere Schwach- stellen der LED gefällig?
  245. 245. LED-Wohnraumlampe hier, wie heute schon oft, ohne normativen Zwang mit PFC ausgestattet -30 mA -20 mA -10 mA 0 mA 10 mA 20 mA 30 mA -350 V -250 V -150 V -50 V 50 V 150 V 250 V 350 V 20 ms 25 ms 30 ms 35 ms 40 ms i→ u→ t → Osram AA4341 10 W
  246. 246. Huch! Irrtum in der Norm?
  247. 247. Normen geben allgemeine Mindest-Anforderungen zur Sicherheit, doch die obliegt dem Planer, dem Handwerker, dem Gebäudetechniker!
  248. 248. Neu-Anlagen sind sicher durch Fehlerstromschutz. Alt-Anlagen sind sicher durch Bestandsschutz. Preisfrage 1: Wovor schützt der Bestandsschutz? Vor Verbesserungen! Und damit zum Unwort des Tages:
  249. 249. Preisfrage 2: Wo finde ich Aussagen zum Bestandsschutz in der VDE 0100? Nirgends!
  250. 250. Normen im Wandel der Zeit: Anpassung ist notwendig!
  251. 251. Weitere Möglichkeit, Kurven zu verbiegen: Der gewöhnliche Phasenanschnittdimmer hier z. B. mit 300 W Glühlampenlast Außenleiterströme Neutralleiterstrom -2A -1A 0A 1A 2A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i t  i(L1) i(L2) i(L3) -2A -1A 0A 1A 2A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i t  i(N) L1-N L2-N L3-N φ 0° 0° 0° uAV 207,1V 207,1V 207,1V UEff 230,0V 230,0V 230,0V L1 L2 L3 N i AV 1,17A 1,17A 1,17A 0,00A I Eff 1,30A 1,30A 1,30A 0,00A I Eff / i AV 1,11A 1,11A 1,11A – î / i Eff 1,41A 1,41A 1,41A –
  252. 252. Weitere Möglichkeit, Kurven zu verbiegen: Der gewöhnliche Phasenanschnittdimmer hier z. B. mit 300 W Glühlampenlast Außenleiterströme Neutralleiterstrom -2A -1A 0A 1A 2A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i t  i(L1) i(L2) i(L3) -2A -1A 0A 1A 2A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms i t  i(N) L1-N L2-N L3-N φ 30° 30° 30° uAV 192,7V 192,7V 192,7V UEff 226,5V 226,5V 226,5V L1 L2 L3 N i AV 1,09A 1,09A 1,09A 0,24A I Eff 1,28A 1,28A 1,28A 0,39A I Eff / i AV 1,18A 1,18A 1,18A – î / i Eff 1,44A 1,44A 1,44A –

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