Oberwellen V1.0 Inhaltsverzeichnis Oberwellen... 2 Literaturverzeichnis... 10

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1 Ihaltsverzeichis 1 Oberwelle Grudlage Klirrfaktor Aalyse mittels Amplitudespektrum Messuge vo Amplitudespektre a diverse Geräte Glühlampe Eergiesparlampe 11W Zoll TFT Computer Bildschirm... 8 Literaturverzeichis

2 1 Oberwelle 1.1 Grudlage Oberwelle etstehe, sobald die Spaugs- oder Stromfuktio vo der Siusfuktio abweicht. Zur Verdeutlichug dieser eifache Aussage ist das folgede Beispiel gedacht: Bild 1.1: Schaltug für die Oberwelleaalyse I der Schaltug, wie sie i Bild (7.1) zu sehe ist, sid drei Siusquelle aktiv. Diese Quelle habe die folgede Werte: Û Grudwelle =10 V f Grudwelle = 50 Hz Û Oberwelle1 = 3,33 V f Oberwelle1 =150 Hz Û Oberwelle = V f Oberwelle = 50 Hz Jede Spaugsquelle für sich geeriert eie siusförmige Wechselspaug. Um dies zu verdeutliche ist i Bild (7.) der Spaugszeitverlauf der Spaug U Grudwelle dargestellt.

3 Bild 1.: Spaugszeitverlauf der Grudwelle Es ist deutlich die siusförmige Spaug zu erkee, sowie die Periodedauer vo t = 0 ms, wie sie für f = 50 Hz typisch ist. Ebefalls zu erkee ist der Maximalwert vo 10 V für diese Spaug. Im weitere Verlauf werde alle drei Spaugsquelle aktiviert ud überlagert. Dies führt zu eier Multiplikatio aller drei Spauge ud zu eier Verzerrug der Ausgagsspaug am Lastwiderstad R 1. Das Ergebis ist i Bild (7.3) zu sehe. Bild 1.3: Ergebis der Überlagerug der drei Spaugsquelle Es ist deutlich zu sehe, dass diese Spaug keie Siusform mehr aufweist. Die Fuktio ähert sich eiem Rechteck a. Würde die Überlagerug um weitere Quelle erweitert werde, so ergäbe sich eie och deutlichere Rechteckfuktio. Diese Oberwelle sid auch im öffetliche Versorgugsetz vorhade. Dies ka zu erhebliche Probleme führe, da diese Oberwelle de Netzsius merklich verzerre. Diese Verzerruge werde größteteils durch modere Schaltetzteile verursacht, wie sie i PC s oder Hadyetzteile ud viele weitere Aweduge verwedet werde. I Bild (7.4) ist der Verlauf der Netzspaug i Rot aufgetrage. Des Weitere ist der Stromverlauf i Blau aufgetrage. Bei dem Messobjekt hadelt es sich um eie Eergiesparlampe mit 11W Leistug. 3

4 Bild 1.4: Strom ud Spaugsverlauf eier 11W Eergiesparlampe I dem Bild (7.4) ist deutlich der Eifluss der Netzoberwelle auf de Sius zu sehe. Betrachtet ma de Origialsius i Bild (7.) ud de Netzsius i Bild (7.4), so erket ma eie deutlich geplättete Spitze. Dies wird durch die Netzoberwelle verursacht, welche de Sius derartig verzerre Klirrfaktor Der Klirrfaktor beschreibt de Ateil der Oberwelle am gesamte Sigal. Dieser Zusammehag ist i Formel (7.1) dargestellt (aus [1] Kapitel 13.4 Formel 13.0). k = U + U U U + 1 U + U U (1.1) Der Klirrfaktor wird durch die Kurveform des Sigals beeiflusst. Weicht diese Kurveform stark vo eiem siusförmige Sigal ab, so ethält dieses Sigal viele Oberwelle. Dies bedeutet wiederum, dass der Klirrfaktor des Sigals größer wird. 1. Aalyse mittels Amplitudespektrum Bei dieser Aalyseart, werde die im Sigal ethaltee Oberwelle i eiem Diagramm aufgetrage. Die Sigale köe mathematisch, mit Hilfe der Furieaalyse, i ihre Bestadteile zerlegt werde. Diese Berechuge werde hier allerdigs der Eifachheit halber weg gelasse ud es werde lediglich die Ergebisse präsetiert. Betrachte wir das Beispiel i Kapitel 1.1 ud die Schaltug i Bild (7.1). Dort sid drei Spaugsquelle mit jeweils drei Frequeze a der Überlagerug beteiligt. Die Grudfrequez wurde hier als f g = 50 Hz ageomme. Dies etspricht der Frequez der Netzspaug. Jede weitere Frequez der Oberwelle, ist ei Vielfaches der Grudwelle. Daher gilt allgemei: 4

5 f Oberwelle = f g mit =,3,4,5,... (1.) Bei eier der im obige Beispiel simulierte Rechteckspaug ka ur ugrade Zahle aehme. Es gilt also für das Beispiel aus Kapitel 1.1: f Oberwelle = f g mit = 3,5,7,... (1.3) Die i dem folgede Amplitudespektrum gezeigte Idizierug der X Achse, zeigt u diese Laufidex. Wobei der Idex 1 für die Frequez der Grudwelle steht. Für alle im weitere Verlauf des Dokumets gezeigte Spektre wird die Grudfrequez fest als f g = 50 Hz defiiert. Somit steht der Idex 1 immer für f g = 50 Hz. Das Bild (7.5) zeigt u das Amplitudespektrum der Rechteckspaug des Bildes (7.3): U i V Bild 1.5: Amplitudespektrum der Rechteckspaug aus Bild (7.3) Dieses Amplitudespektrum zeigt geau usere Werte der Spaugsquelle auf. Es sid alle drei Frequeze der Überlagerug sichtbar, sowie dere Spaug. Alle diese drei Frequeze sid auf de Leituge vorhade ud belaste diese. Der Verbraucher sieht lediglich die Überlagerug aller Sigale, ämlich die Rechteckfuktio des Bildes (7.3). 1.3 Messuge vo Amplitudespektre a diverse Geräte Glühlampe Als Messobjekt wurde hier eie hadelsübliche 60W Glühlampe verwedet. Die Glühlampe wurde a der Netzspaug betriebe. Die Messergebisse sid i Tabelle (7.1) dokumetiert. Tabelle 1.1: Messergebisse der Glühlampe 60W Aus diese Messergebisse ist ei kleier Klirrfaktor ersichtlich. Dieser beschreibt die auf dem Netz vorhadee Oberwelle, welche ca.,5% betrage. Auf Grud dieser Oberwelle 5

6 etsteht ei geriger Teil Blidleistug. Diese wird auch Verzerrugsblidleistug geat. Diese Verzerrugsblidleistug ist alleie die Leistug die durch die Oberwelle umgesetzt wird. Dies lässt sich auch bei Glühlampe icht vermeide, da das Netz bereits mit diese Oberwelle belastet ist. Bild (7.6) zeigt de Verlauf der Spaug (hier i Rot) ud de Verlauf des Stromes (hier i Blau) a der Glühlampe. Bild 1.6: Spaug ud Stromzeitverlauf der Glühlampe Beide Verläufe sehe aäherd siusförmig aus. Lediglich die Spitze des Sius sid leicht abgeflacht durch die Netzoberwelle (vgl. Bild (7.4)). Das Amplitudespektrum sieht ählich uspektakulär aus ud bestätigt die bisherige Erketisse, dass der gerige Teil a Blidleistug ur durch die Netzoberwelle verursacht wird. Bei diesem Spektrum ist zu beachte, dass hier der Strom aalysiert wird. Dieser Strom ist hier die etscheidede Größe, da dieser beispielsweise durch Eergiesparlampe verzerrt werde würde. 6

7 0, 0,15 I i A 0,1 0, Bild 1.7: Amplitudespektrum eier Glühlampe 1.3. Eergiesparlampe 11W Als Messobjekt ist hier eie Eergiesparlampe mit 11W zum Eisatz gekomme. Die Eergiesparlampe wurde a der Netzspaug betriebe. Die Messergebisse sid i Tabelle (7.) zu sehe. Tabelle 1.: Messergebis der Eergiesparlampe 11W Betrachtet ma de Klirrfaktor dieses Sigals, so ist 74,75% des Stromes reier Oberwellestrom! Hier etsteht also eie hohe Verzerrugsblidleistug die das Netz stark belastet. Betrachtet ma weiterhi die aufgeommee Scheileistug ud Wirkleistug, so ist die tatsächlich aufgeommee Scheileistug fast doppelt so groß wie die ugesetzte Wirkleistug. Dieser Umstad geht auf die Verzerrugsblidleistug zurück, die alleie scho der Wert der aufgeommee Wirkleistug übersteigt. Diese Eergiesparlampe belaste das Netz also stark mit Oberwelle! I dem Bild (7.8) ist der tatsächliche Stromverlauf der Eergiesparlampe zu erkee. Hierbei ist der Spaugsverlauf i Rot zu erkee ud der Stromverlauf i Blau. Der Stromverlauf weicht stark vo der Siusform ab ud ist somit icht mehr als Sius zu erkee. Vergleicht ma der Stromverlauf der Eergiesparlampe auf Bild (7.8) mit dem der Glühlampe auf Bild (7.6), so ist ei deutlicher Uterschied der Verläufe zu erkee. Dieser Uterschied spiegelt sich atürlich auch im Amplitudespektrum wieder. Es muss hier eie hohe Azahl a Oberwelle vorhade sei, um das Sigal dermaße zu verzerre. Bild (7.9) zeigt u dieses Amplitudespektrum auf. 7

8 Bild 1.8: Spaug ud Stromverlauf eier Eergiesparlampe 0,06 0,05 0,04 I i A 0,03 0,0 0, Bild 1.9: Amplitudespektrum eier 11W Eergiesparlampe Dies Amplitudespektrum zeigt bis zu eier Frequez vo,45 khz immer och eie Neeswerte Strom. Die Überlagerug aller hier aufgezeigte Siusförmige Stromverläufe mit ihre Amplitude ud Frequeze, führt zu dem Blaue Stromverlauf i Bild (7.8) Zoll TFT Computer Bildschirm Als Messobjekt ist hier ei 15 Zoll TFT Computerbildschirm zum Eisatz gekomme. Der Bildschirm wurde a der Netzspaug betriebe. Die Messergebisse sid i Tabelle (7.3) zu sehe. 8

9 Tabelle 1.3: Messwerte eie TFT Bildschirms Auch dieser Bildschirm weist eie hohe Oberwelleateil auf. Dieser ist sogar och größer als bei der vorherige Eergiesparlampe. Auch hier ergibt sich eie icht uerhebliche Blidleistug, die durch die Oberwelle verursacht wird. I Bild (7.10) ist der Spaugsverlauf i Rot aufgetrage ud der Stromverlauf i Blau. Dieser Stromverlauf i Blau etspricht dem Stromverlauf eies Schaltetzteils. I diesem Schaltetzteil wird die Wechselspaug gleichgerichtet ud durch Kodesatore geglättet. Diese Kodesatore ehme aber stark impulsförmige Ströme auf. Diese Ströme weiche stark vo der Siusform ab, was sich i dem hohe Klirrfaktor widerspiegelt. Bild 1.10: Spaugs- ud Stromverlauf der Bildschirms Bild (7.11) zeigt das Amplitudespektrum des Stromverlaufs auf. Es fließe i de Oberwelle och merklich hohe Ströme, die das Netz belaste! 9

10 I i A 0,14 0,1 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Bild 1.11: Amplitudespektrum der Bildschirms Literaturverzeichis [1] OSE, Raier: Elektrotechik für Igeieure - Grudlage. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Haser Verlag, 008, Aufl. 4, ISBN: