wissenschaftliche Einrichtung elektronik

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1 wssenscaftlce Enrctung elektronk Oberscwngungen, Begrffe und Defntonen Prof.. Burgolte Labor Elektromagnetsce Verträglcket Facberec ngeneurwssenscaften Begrff Störgröße (dsturbance) Störfestgket (mmunty) Oberscwngungen (armonc) Zwscenarmonsce (nterarmonc) Defnton Elektromagnetsce Größe, de n ener elektrscen Enrctung ene unerwünscte Beenflussung ervorrufen kann. Fägket ener elektrscen Enrctung, Störgrößen one Felfunkton zu übersteen. Snusförmge Scwngungen, deren Frequenzen en ganzzalges Velfaces (Ordnungszal ) der Netzfrequenz snd. Snusförmge Scwngungen, deren Frequenzen ken ganzzalges Velfaces (µ) der Netzfrequenz snd. Störgröße, Störfestgket, Verträglcketspegel bb.. zegt de Zuordnung der Störpegel nac Störquelle und Störsenke. De Störfestgket st ene gerätespezfsce Egenscaft. Das Gerät soll Störgrößen bs zur Höe der Störfestgket one Beenträctgung ertragen, darf aber maxmal de zulässgen Störpegel entsprecend der zugrunde zulegenden Norm aussenden. De Verträglcketspegel snd weder Grenzwerte noc zulässge Werte. Elektronsces Betrebsmttel als Störsenke mt nac Norm defnerter Störfestgket ntenstät der Störgröße z.b.spannung, Feldstärke usw. Störabstand Verträglcketspegel Elektronsces Betrebsmttel als Störquelle mt ener Störaussendung c) b) a) unterscedlce ntenstät a bs c bb.. Defnton von Verträglcketspegeln und Zuordnung Störquelle - Störsenke (vgl. EN 6-4-) Verträglcketspegel denen dem Netzbetreber als Beurtelungsgrundlage für de zulässge Störaussendung ener nlage. Mt ener Warscenlcket von 95 % kann be Enaltung der Verträglcketspegel davon ausgegangen werden, daß ken anderes an desem Netz betrebenes Gerät n sener Funkton beenträctgt wrd.

2 rbetsblatt m Fac Elektromagnetsce Verträglcket» Power Qualty Tematk Oberscwngungen Defntonen«Prof.. Burgolte WE Elektronk Facberec ngeneurwssenscaften Sete Oberscwngungen, Zwscenarmonsce, Verzerrungsfaktor THD u. a. Fourer entwckelte en matematsces Verfaren, mt dem nctsnusförmge Sgnale bescreben werden können: De HRMONSCHE NLYSE oder auc Fourer Transformaton. Bespel: Be der Überlagerung von dre snusförmgen Spannungen û sn( t) û sn( 3 t) û sn( 5 t) u u 3 3 û mt û3 und û 3 u 5 5 entstet ene Spannung, de sc erkennbar enem Recteck annäert. 5 û 5 4V 4V 4V (5.,35.879) V V V (5.,8.556) (5.,65.48) V V V Hz Hz Hz 3Hz 4Hz 5Hz 6Hz V(5) Frequency 4V -V -V V -4V s 5ms ms 5ms ms 5ms 3ms 35ms 4ms V() V Tme -4V -4V s 5ms ms 5ms ms 5ms 3ms 35ms 4ms s 5ms ms 5ms ms 5ms 3ms 35ms 4ms V() V V(5) V Tme Tme Be der Überlagerung unendlc veler Spannungen mt jewels stegender Frequenz und angepaßter mpltude entsteen belebge Kurvenformen. De Berecnungsvorscrft für de Fourerkoeffzenten kann jedem matematscen Tabellenbuc entnommen werden. Für de Bescrebung der Störaussendung von Geräten werden de ersten 4 Harmonscen benutzt, de Qualtätsbescrebung der Netze erfolgt zur Zet noc mt den ersten 5 Harmonscen. Nacfolgend ene Zusammenstellung + cos ( t) + B sn( t) π π t dt π π t cos ( t) dt B π π t sn ( t) dt nacbetragundpase : C + B ϕ arctan Bn der Berecnungsformeln für de Fourer Koeffzenten zur Bescrebung der Funkton (t): Be Berücksctgung von Symmetrebedngungen kann de Berecnung der Koeffzenten wesentlc verenfact werden. Meßtecnsc werden Spannungs- oder Stromsgnale über ene bestmmte Fensterbrete (typsc 8 bs Peroden) erfaßt und mt 56, 5 oder 4 (jewels n ) Stützstellen dgtalsert. Dafür wrd m verenfacten Verfaren de Foureranalyse als FFT (Fast Fourer Transformaton) durcgefürt. Wctg st de exakte Syncronsaton der btastfrequenz mt der Grundfrequenz, de mt dem Ensatz spezeller PLL-Scaltungen (Pase lock loop) errect wrd. Werden zen Peroden engelesen, können Zwscenarmonsce mt 5 Hz/ aufgelöst werden.

3 rbetsblatt m Fac Elektromagnetsce Verträglcket» Power Qualty Tematk Oberscwngungen Defntonen«Prof.. Burgolte WE Elektronk Facberec ngeneurwssenscaften Sete 3 ls armonsce Oberscwngungen werden alle ganzzalgen Velface der Grungscwngung bezecnet. Be unsymmetrscen Verzerrungen treten auc nct ganzzalge Velface als Ordnungszalen auf; de dann als zwscenarmonsce Frequenzen defnert werden. bb.. verglect de Verträglcketspegel der EN 6-- mt denen der EN 56 und stellt de syntetsce Spannungskurve mt den entsprecenden Oberscwngungsantelen dar. bb.. Verglec der Verträglcketspegel der Spannungsoberscwngungen nac EN 6-- und EN 56 mt Darstellung der entsprecenden Kurvenform Be zwscenarmonscen Frequenzantelen darf der Oberscwngungsspannungsantel bs zu, % betragen. Da de Qualtät der elektrscen Energeversorgung durc de Elektrztätswerke und Energeversorgungsunternemen garantert wrd, st es naelegend, daß dese Unternemen auc egene Standards und Rctlnen defneren. n Verbndung mt dem Tema Netzrückwrkungen n ndustreelektronscen Scaltungen spelt der Lestungsfaktor (power factor) ene besondere Rolle. m folgenden werden kurz de teoretscen Grundlagen der Lestungsbescrebung be nct snusförmgen Größen zusammengefaßt. Der Lestungsfaktor st defnert als Verältns von Wrklestung zu Scenlestung: Lestungsfaktor λ λ P/S llgemen ergbt das Produkt ener zetlc veränderlcen Spannung u (t) und enes zetlc veränderlcen Stromes (t) ene zetlc veränderlce Lestung s (t). Lestung allgemen: s (t) u (t) (t) ls Wrklestung P wrd der artmetsce Mttelwert deser Lestungsfunkton benannt: T Wrklestung P s dt T (t) De Scenlestung (S) st dabe der Sptzenwert der Lestungsfunkton und entsprct dem Produkt von Gesamtspannungseffektvwert (U) mt Gesamtstromeffektvwert (). Scenlestung S U aus Semens Power Engneerng Gude Transmsson and Dstrbuton 4t Edton

4 rbetsblatt m Fac Elektromagnetsce Verträglcket» Power Qualty Tematk Oberscwngungen Defntonen«Prof.. Burgolte WE Elektronk Facberec ngeneurwssenscaften Sete 4 Be snusförmgem Strom- und Spannungsverlauf und unter Berücksctgung ener Pasenverscebung zwscen Strom und Spannung errecnen sc Wrklestung und Lestungsfaktor we folgt: Wrklestung P U cos ϕ Lestungsfaktor λ cos ϕ Be oberscwngungsbeaftetem Strom und ener snusförmgen Spannung mt der Pasenverscebung ϕ zum Grundscwngungsstrom lassen sc wetere Defntonen treffen. De Grundscwngungs- oder Steuerblndlestung Q ergbt sc: Steuerblndlestung Q U sn ϕ Das Produkt der Spannung mt allen Oberscwngungsströmen bldet dann de Verzerrungsblndlestung D: Verzerrungsblndlestung D U ν ν De Wrklestung wrd nur aus den Strom- und Spannungsantelen glecer Frequenz gebldet, n desem Fall nur mt der Stromgrundscwngung: Wrklestung P U cos ϕ Damt ergbt sc für den Lestungsfaktor: Lestungsfaktor U cosϕ λ U Das Verältns von Stromgrundscwngungseffektvwert zu Gesamtstromeffektvwert wrd als Stromgrundscwngungsgealt g bezecnet. Stromgrundscwngungsgealt (fundamental factor): g ls Klrrfaktor bezecnet man das Verältns Gesamteffektvwert aller Stromoberscwngungen zum Gesamtstrom. Klrrfaktor (total armonc factor) Danac glt der Zusammenang: k ν ν g + k Oft fndet sc auc der Verzerrungsfaktor THD (total armonc dstorton): 4 U ν ν Verzerrungsfaktor für de Spannung: THD u U 4 ν ν und für den Strom: THD

5 rbetsblatt m Fac Elektromagnetsce Verträglcket» Power Qualty Tematk Oberscwngungen Defntonen«Prof.. Burgolte WE Elektronk Facberec ngeneurwssenscaften Sete 5 partell gewcteter Verzerrungsfaktor (partal wegted armonc dstorton) U PHD n n n 4 4 U 4 gesamter Oberscwngungsstrom (total armonc current) THC n n 39 Telstrom der ungeradzalgen OS (partal odd armonc current) PHC n n, 3 Nac desen teoretscen ussagen wrd ersctlc, daß sc der Lestungsfaktor mt fortscretender Pasenverscebung zwscen Strom und Spannung und mt zunemender Verzerrung der Stromkurve versclectert. De Forderung nac enem Lestungsfaktor nae bedeutet somt für enen Verbraucer, möglcst snusförmgen Strom n Pase zur Spannung aufzunemen. Üblcerwese werden Stromrcterscaltungen (z.b. n der ntrebstecnk) dealsert so betractet, daß ausgangssetg en glatter Glecstrom fleßt (Glättungsnduktvtät gegen ); netzsetg ergeben sc dementsprecend recteckförmge Stromblöcke. Matematsc läßt sc für enen solcen Stromverlauf mt Hlfe der Harmonscen nalyse oder Fourertransformaton das Oberscwngungsspektrum berecnen. Es ergeben sc dafür Ordnungszalen der Stromoberscwngungen be netzgefürten Stromrctern zu: ν k p ± (statt ν auc oder n) mt k,,,...jede ganze Zal und p Pulszal des Stromrcters. De Effektvwerte der Oberscwngungsströme werden proportonal /ν klener. Effektvwerte der Oberscwngungsströme: ν ν st de Stromgrundscwngung. De uswrkungen der Stromoberscwngungen und deren Rctungsbestmmung werden n desem Vortrag an anderer Stelle noc beandelt.