Studiengruppe: Eingegangen am: Protokollführer:

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1 Studiengruppe: Eingegangen am: Protokollführer: Übungstag: Weitere Teilnehmer: Professor: ENP Netzrückwirkungen 09/009 Ziel dieses Versuches ist die Untersuchung von Oberschwingungsverhalten und Netzrückwirkungen an nichtlinearen Verbrauchern, z. B. elektronischen Vorschaltgeräten der Beleuchtungsindustrie und die Kompensation von Stromoberschwingungen. Versorgung eines ohmschen Verbrauchers an der von dem Energieversorgungsunternehmen (EVU) bereitgestellten Spannung. Messung des Netzstromes und der Netzspannung des Verbrauchers Nehmen Sie die Zeitverläufe des Netzstromes und der Netzspannung auf und beurteilen Sie die Qualität der Versorgungsspannung mit Hilfe der Fourieranalyse. Lassen sich die elektrischen Geräte mit dieser Spannung sinnvoll auf Oberschwingungsanteile analysieren? Versorgung der Verbraucher mit einer sinusförmigen Spannungsquelle. Messung des Netzstromes, der Netzspannung und der Leistung der verschiedenen Verbraucher Mit entsprechenden Messgeräten sind die Effektivwerte der Messgrößen (Strom, Spannung) und die der signifikanten Oberschwingungsanteile bis max. zur 40. Ordnung zu ermitteln. Die Werte der Oberschwingungsanteile sind auf den Wert des Effektivwertes der Grundschwingung zu beziehen. Bei der Leistung sind die Wirkleistung, die Blindleistung und die Scheinleistung zu messen. Von Strom und Spannung sind die Zeitverläufe aufzunehmen. Als Verbraucher stehen zur Verfügung: Glühlampe, Glühlampe mit Vorschaltadapter, Leuchtstofflampe mit konventionellem Vorschaltgerät, Leuchtstofflampe mit elektronischem Vorschaltgerät, verschiedene Kompaktlampen, Halogenlampen mit elektronischem Transformator, Stromversorgung verschiedener elektronischer Geräte. ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite:

2 3 Simulation einer B-Gleichrichter-Schaltung mit Untersuchung der Netzrückwirkungen und Kompensation der Stromoberschwingungen Das verwendete Simulationsprogramm Simplorer V5.0 können Sie auf der Web-Seite des AL-Labor herunterladen. Gegeben ist eine ungesteuerte B-Schaltung mit den Komponenten im Gleichstromkreis: R = 0 Ohm, L = 300 mh. Der Stromrichter ist an einem weichen Netz mit L N = 5,6 mh angeschlossen. Ungesteuerte B-Schaltung mit ohmsch-induktiver Last und Saugkreis zur Kompensation der 3, 5 und 7 Stromoberschwingung D D3 LN AM + A L := 5.6m + VM V S3 S5 S7 EXP R R := 5 E L C3 C5 C7 C := 68u C := 33u C := 5u D D4 L := 300m ICA: Schalter S3 := 0 S5 := 0 S7 := 0 0=AUS =EIN R3 R5 R7 R := 0. R := 0. R := 0. L3 L5 L7 L := 6.5m L :=.3m L := 3.8m 3. Untersuchung der Netzrückwirkungen einer simulierten B-Gleichrichter- Schaltung Zunächst sollen die von der Schaltung hervorgerufenen Netzoberschwingungsströme ohne Beschaltungsmaßnahmen aus der Simulation der Schaltung bestimmt werden. Dazu sind die Schalter geöffnet. Bestimmen Sie die Kenngrößen der Schaltung wie die Verbraucherleistung, die Leistungen auf der Netzseite, die Kurzschlussleistung des Netzes und das Kurzschlussverhältnis R Sce (Verhältnis der Kurzschlussleistung des Netzes zur Bemessungsscheinleistung des Verbrauchers). ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite:

3 3. Untersuchung der Netzrückwirkungen der B-Gleichrichter-Schaltung mit Saugkreisen zur Kompensation von Stromoberschwingungen Es werden Saugkreise für die 3., 5. und 7. Oberschwingung eingesetzt mit folgender Dimensionierung: 3. Oberschwingung: C3 = 68 μf; L3 = 6,5 mh; R3 = 0, Ω 5. Oberschwingung: C5 = 33 μf; L5 =,3 mh; R5 = 0, Ω 7. Oberschwingung: C7 = 5 μf; L7 = 3,8 mh; R7 = 0, Ω Bestimmen Sie die Impedanzen der einzelnen Saugkreise abhängig von der Frequenz. Bestimmen Sie die Impedanz des gesamten Netzes abhängig von der Frequenz. Nun sollen die vom Verbraucher mit Kompensationsanlage hervorgerufenen Netzoberschwingungsströme aus der Simulation der Schaltung bestimmt werden. Dazu sind die Schalter geschlossen. Nehmen Sie die Saugkreise stufenweise in Betrieb und beobachten Sie deren Wirkung. 4 Auswertung 4. Bestimmung der Ergebnisse Aus den oben genannten Messungen sind zu jedem der untersuchten Verbraucher der Verschiebungsfaktor der Grundschwingung cos ϕ, der Grundschwingungsgehalt g, der Leistungsfaktor λ, der Verzerrungsfaktor k und die Verzerrungsblindleistung D zu berechnen. Alle Ergebnisse sind übersichtlich in einer Tabelle darzustellen. Es sind die Kurzschlussleistungen aus der Sicht der Verbraucher bei sinusförmiger Einspeisung und bei Laboreinspeisung zu bestimmen. 4. Bewertung der Ergebnisse Die Ergebnisse der einzelnen Verbraucher sind zu diskutieren (Vergleich untereinander bei sinusförmiger Einspeisung bzw. Labornetzeinspeisung, Vergleich zwischen sinusförmiger und Labornetzeinspeisung, Vergleich mit den Normen, Bewertung, Begründung). Teilen Sie die Verbraucher in die Klassen A bis D ein. 4.3 Simulierte Schaltung Stellen Sie die Ergebnisse übersichtlich dar! Wie unterscheiden sich die Ergebnisse der Netzoberschwingungsströme mit und ohne Kompensation? Kommentieren und diskutieren Sie die Ergebnisse. Welche Gefahren gehen von einer Kompensationsanlage aus? ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 3

4 5 Anhang: 5. Auszug aus der DIN Norm EN Stromoberschwingungs-Grenzwerte Die folgenden Grenzwerte gelten mit der Ausnahme, dass für Geräte hoher Leistung (> kw) zum professionellen Gebrauch die Grenzwerte noch in Beratung sind. Grenzwerte für Geräte der Klasse A Für Geräte der Klasse A dürfen die Oberschwingungen des Eingangsstromes nicht die absoluten Werte überschreiten, die in Tabelle angegeben sind. Grenzwerte für Geräte der Klasse B Für Geräte der Klasse B dürfen die Oberschwingungen des Eingangsstromes nicht die mit dem Faktor,5 multiplizierten, zulässigen Höchstwerte überschreiten, die in Tabelle angegeben sind. Grenzwerte für Geräte der Klasse C Beleuchtungseinrichtungen a) Eingangswirkleistung > 5 W Bei Beleuchtungseinrichtungen mit einer Eingangswirkleistung > 5 W dürfen die Oberschwingungsströme die in der Tabelle angegebenen relativen Grenzwerte nicht überschreiten. b) Eingangswirkleistung < 5 W Beleuchtungseinrichtungen mit einer Eingangswirkleistung < 5 W müssen eine der beiden folgenden Anforderungen erfüllen: b) Die Oberschwingungsströme dürfen die leistungsbezogenen Grenzwerte der Tabelle 3, Spalte, nicht überschreiten. ANMERKUNG: Der untere Grenzwert von 75 W oder 50 W für die Anwendung der Klasse D (siehe 7.4) gilt in diesem Fall nicht. b) Der Oberschwingungsstrom 3. Ordnung, ausgedruckt als Prozentzahl des Grundschwingungsstroms, darf 86% und der der 5. Ordnung 6% nicht überschreiten; darüber hinaus muss die Kurvenform des Eingangsstroms so beschaffen sein, dass der Strom vor oder bei, 60 zu fließen beginnt, dass er seinen letzten Spitzenwert (wenn er mehrere Spitzenwerte je Halbschwingung hat) vor oder bei 65 erreicht und das er nicht vor 90 zu fließen aufhört, wobei angenommen wird, dass der Nulldurchgang der Grundschwingung der Versorgungsspannung bei 0 liegt. ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 4

5 Beleuchtungsregler Für Beleuchtungsregler, die entweder unabhängig betrieben werden oder in Lampen oder in Leuchten eingebaut sind, gelten die folgenden Bedingungen: - Unabhängige Beleuchtungsregler Die Oberschwingungsströme von unabhängigen Beleuchtungsreglern dürfen nicht die in Tabelle gegebenen Werte überschreiten. Wenn Zündeinsatzsteuerung für Glühlampen angewendet wird, darf der Zündwinkel 45 nicht überschreiten, und der Beleuchtungsregler ist entsprechend den Bedingungen in Anhang C.6 zu prüfen. - Eingebaute Beleuchtungsregler Für mit Glühlampen bestückte Leuchten dürfen die Oberschwingungsströme von eingebauten Beleuchtungsreglern nicht die in Tabelle gegebenen Werte überschreiten. Wenn Zündeinsatzsteuerung angewendet wird, darf der Zündwinkel 45 nicht überschreiten, und der Beleuchtungsregler ist entsprechend den Bedingungen in Anhang C.6 zu prüfen. Für mit Gasentladungslampen bestückte Leuchten dürfen bei Höchstlast diejenigen Werte für Oberschwingungsströme nicht überschritten werden, die von den relativen Grenzwerten in Tabelle abgeleitet werden können. In jeder Dimmerstellung dürfen die Oberschwingungsströme nicht den Wert des Stromes überschreiten, der auf die oben genannte Höchstlast bezogen ist. Das Gerät ist entsprechend den Bedingungen in Anhang C.5 zu prüfen. Grenzwerte für Geräte der Klasse D Für Geräte der Klasse D sind die Grenzwerte der Oberschwingungsströme unter der Bemessungs-Lastbedingung anzuwenden. Die Oberschwingungen des Eingangsstromes dürfen die Werte nicht überschreiten, die aus der Tabelle 3 abgeleitet werden können. Die in Tabelle 3 angegebenen Grenzwerte gelten für alle Anwendungsfälle mit einer Eingangswirkleistung > 75 W. Keine Grenzwerte gelten für Geräte mit einer Eingangswirkleistung bis 75 W. Dieser untere Grenzwert von 75 W wird vier Jahre nach dem Inkrafttreten dieser Norm auf 50 W reduziert. ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 5

6 Tabelle : Grenzwerte für Geräte der Klasse A Oberschwingungsordnung Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes N A Ungerade Oberschwingungen 3,30 5,4 7 0,77 9 0,40 0,33 3 0, 5 <= n <= 39 0,5 * 5/n Gerade Oberschwingungen,08 4 0,43 6 0,30 8 <= n <= 40 0,3 * 8/n Tabelle : Grenzwerte für Geräte der Klasse C Oberschwingungsordnung Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes, angegeben in Prozent des n Grundschwingungs-Eingangsstromes 3 30 λ <= n <= 39 3 λ ist der Leistungsfaktor der Schaltung Tabelle 3: Grenzwerte für Geräte der Klasse D Oberschwingungsordnung Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes je Watt n ma / W Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes 3 3,4,30 5,9,4 7,0 0,77 9 0,5 0,40 0,35 0,33 3 <= n <= 39 3,85 / n Siehe Tabelle A ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 6

7 5. Konventionelles Vorschaltgerät (KVG) (Induktives Vorschaltgerät für den Betrieb mit Starter; bekannt als "Drossel-Starter- Schaltung") Drossel Leuchtstofflampe U N Starter Eine weit verbreitete konventionelle Schaltung zum Betreiben einer Leuchtstofflampe ist die Drossel-Starter-Schaltung. Hierbei ist die Betriebsspannung der Leuchtstofflampe ca. halb so groß wie die netzseitige Wechselspannung. Es gibt verschiedene Startertypen, die jedoch alle die gleiche Funktion ausüben. Wird die Netzspannung zugeschaltet, schließt nach ca. 5 sec der Starter und heizt die Lampenelektroden auf. Nach Erreichen der Emissionstemperatur des Quecksilberdampf- Gasgemisches unterbricht der Starter den Vorheizvorgang, und an der Induktivität entsteht eine Spannungsspitze von bis kv, die die Lampe zündet. Nach Abklingen des Spannungsimpulses ist genügend Restionisation vorhanden, so dass die Versorgungsspannung die Entladungsstrecke durchschlagen kann und die Lampe weiter brennt. Der Starter ist so konzipiert, dass er bei der nun anliegenden Lampenspannung nicht mehr schließt. ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 7

8 5.3 Elektronisches Vorschaltgerät (EVG) 6. Lampenkreis Start/Stop- Kreis Lampenüberwachung mit Haltefunktion und Taktgenerator 5. Wechselrichter Steuerung und Regelung 4. Hochsetzsteller und Speicherkondensator 3. Überspannungsbegrenzer. Netzgleichrichter. Netzfilter Prinzipschaltbild eines elektronischen Vorschaltgerätes für Leuchtstofflampen. ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 8

9 Netzfilter Der Hochfrequenzfilter verhindert Rückwirkungen der intern erzeugten Hochfrequenzschwingungen auf das Netz. Dadurch werden Funkstörungen gem. EN 5505 vermieden. Netzgleichrichter Der Netzgleichrichter wandelt die sinusförmige Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um. Überspannungsbegrenzer Der Überspannungsbegrenzer (Varistor) dämpft die im Netz auftretenden Spannungsspitzen (Spikes) und schützt die nachfolgenden Elektronikbauelemente vor Netzüberspannungen bei Nulleiterunterbrechung. Hochsetzsteller und Speicherkondensator Der Hochsetzsteller (Aufwärtsregler) dient hier als aktiver Oberschwingungsbegrenzer, der den Oberschwingungsgehalt des Eingangsstromes auf die vorgeschriebenen Grenzwerte reduziert und die Ausgangsspannung und damit die Lampenleistung gegenüber Spannungsschwankungen am Netzeingang stabilisiert. Der Kondensator glättet die pulsierende Gleichspannung und unterdrückt die netzfrequente Lichtstrommodulation. Wechselrichter Der geführte Wechselrichter erzeugt aus der geglätteten Gleichspannung eine hochfrequente Wechselspannung von 0-50 khz. Eine Frequenz über 0 khz verbessert den Wirkungsgrad der Leuchtstofflampe und verhindert im Zusammenhang mit dem Speicherkondensator das Elektrodenflimmern. Lampenkreis und Start/Stop-Kreis Der Lampenkreis dient der Vorheizung, Zündung und Ansteuerung (Strombegrenzung) der Lampe. Der Start/Stop-Kreis überwacht den Lampenstrom (Kurzschluss und Leerlauf). Er verhindert die Zündung bei defekter Lampe oder schaltet das elektronische Vorschaltgerät bei Überlast ab. ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 9

10 6 Formeln Grundschwingungsgehalt g = I I Leistungsfaktor λ = P S = g *cosϕ Verschiebungsfaktor cosϕ = U P * I Verzerrungsfaktor k = g = ν = I I ν Scheinleistung S = U * I Blindleistung Q = S P Verzerrungsleistung D = Q Q Grundschwingungsblindleistung Resonanzfrequenz ω 0 = LC Q = U * I *sinϕ ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: 0

11 7 Literaturhinweise: Daniel Manh Hung Nguyen, Entwicklung eines Praktikumsversuches zur Untersuchung von Netzrückwirkungen elektronischer Beleuchtungsgeräte im Haushalt und Büro, Diplomarbeit FH-HH FB E/I, 989 DIN VDE 07 Teil,6/7 DIN VDE 060 EN , Teil ; VDE 0838, Teil Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen, die durch Haushaltsgeräte und durch ähnliche elektrische Einrichtungen verursacht werden Oberschwingungen, Juni 987 EN ; VDE 0838, Teil ; (engl. IEC A + A) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Grenzwerte Grenzwerte für Oberschwingungsströme, Oktober 998 Albert Kloss, Oberschwingungen, VDE-Verlag, 989 Albert Kloos, Stromrichter-Netzrückwirkungen in Theorie und Praxis, AT-Verlag, 98 Günter G. Seip, Elektrische Installationstechnik, Siemens AG, 993 C. H. Sturm, E. Klein, Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen, Siemens AG W. Hirschmann, A.Haunenstein, "Schaltnetzteile", Siemens AG Jäger, Stein, Leistungselektronik, VDE-Verlag ENP-Netzrückwirkungen.docx Seite: