Projekttitel: Kleinwindkraft

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1 NEUE ENERGIEN 2020 Arbeitsbericht Programmsteuerung: Klima- und Energiefonds Programmabwicklung: Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft GmbH (FFG) Arbeitsbericht erstellt am Projekttitel: Kleinwindkraft Kleinwindkraftanlagen: Qualitätssicherung, Netzeinbindung, Geschäftsmodelle und Information Projektnummer: Arbeitspaket/Task: AP5 Netzqualität, Wechselrichter Seite 1 von 51

2 Ausschreibung 4. Ausschreibung NEUE ENERGIEN 2020 Projektstart 10/2010 Projektende 12/2013 Gesamtprojektdauer (in Monaten) 39 Monate ProjektnehmerIn (Institution) Österreichische Gesellschaft für Umwelt und Technik (ÖGUT) AnsprechpartnerIn Dipl.-Ing. Andreas Veigl Postadresse Hollandstraße 10/46, 1020 Wien Telefon 01/ Fax 01/ Website Seite 2 von 51

3 Bericht über Wechselrichter für Kleinwindkraft Arbeitspaket/Task: AP5: Netzqualität, Wechselrichter Task 5.1: Marktrecherche und Anforderungsprofil an Wechselrichter für Kleinwindkraftanlagen Zusammengestellt von: DI (FH) Roland Sterrer, BSc, basierend auf der Master Thesis Wechselrichter für Kleinwindkraftanlagen - Anforderungen, Auswahl und Erfahrungen von DI Roman Lechner, Mai 2011, die im Zuge dieses Forschungsprojektes erstellt wurde. Seite 3 von 51

4 1 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis Einleitung Aufgabenstellung Inhaltliche Darstellung Ergebnisse und Schlussfolgerungen Normen und Richtlinien für Wechselrichter Grundlegende Vereinbarungen Harmonisierte Normen Zusammenfassung Marktrecherche Anlagentopologien Am Markt verfügbare Anlagenkonzepte Methodik Gleichrichter Wechselrichter Ausblick und Empfehlungen Literaturverzeichnis Kontaktdaten Seite 4 von 51

5 2 Einleitung 2.1 Aufgabenstellung Ziel ist die Erstellung eines Anforderungskatalogs an Wechselrichter für Kleinwindkraftanlagen (KWKA). Dazu wird recherchiert, welche nationalen und internationale Standards und Normen Wechselrichter für KWKA derzeit erfüllen müssen sowie die Durchführung einer Marktrecherche von Wechselrichtern, die für KWKA eingesetzt werden. 3 Inhaltliche Darstellung Teil 1: relevante nnationale und internationale Verordnungen, Richtlinien und Normen: Konstruktion, Bau und Betrieb von elektrischen Betriebsmitteln beruht immer auf Vorschriften in Form von Gesetzen, Normen und Richtlinien. Speziell elektrische oder elektronische Geräte erfordern die Einhaltung bestimmter Grenzwerte, da ein Überschreiten dieser mit einer Gefährdung der Umwelt oder gar mit einer Personengefährdung verbunden sein kann. Es werden daher die gültigen Vorschriften und Normen erarbeitet und konsequent ihrer Hierarchie entsprechend behandelt. Abbildung 1 zeigt die Vorgangsweise, welche gewählt wurde, um die relevanten Werke zu erhalten. Ein erster Schritt galt der Informationsgewinnung, wobei die Richtlinien und harmonisierten Normen ermittelt werden. In einem zweiten Schritt, der Informationsauswertung, werden die Normen auf ihren Inhalt hin untersucht und die grundlegenden Aussagen bzw. wenn notwendig auch Werte die eingehalten werden müssen erläutert. Teil 2: Marktrecherche Im zweiten Teil dieses Berichtes wird das Ergebnis einer aktuellen Marktrecherche von Wechselrichtern, die speziell für Windkraftanlagen eingesetzt werden, dargestellt. Dazu wurde auf Herstellerseiten im Internet gezielt nach Wechselrichtern für Kleinwindkraftanlagen gesucht. Ebenso sind Angaben oder Angebote der Hersteller von Anlagen in Betracht gezogen worden. Wechselrichter, welche nicht explizit für diese Anwendung angeführt wurden, sind vorab ausgenommen worden. Seite 5 von 51

6 4 Ergebnisse und Schlussfolgerungen 4.1 Normen und Richtlinien für Wechselrichter Grundlegende Vereinbarungen Richtlinien der Europäischen Union sind die Vorgabe für Hersteller von Wechselrichtern, die es durch Anwendung einschlägiger Normen zu erfüllen gilt. Im speziellen sind das die Richtlinie 2006/95/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 12. Dezember 2006 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten betreffend elektrische Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen [1] Richtlinie 2004/108/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15. Dezember 2004 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die elektromagnetische Verträglichkeit und zur Aufhebung der Richtlinie 89/336/EWG [2] Richtlinie 1999/5/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 9. März 1999 über Funkanlagen und Telekommunikationsendeinrichtungen und die gegenseitige Anerkennung ihrer Konformität [3] Richtlinien, auch als Direktiven bezeichnet, gelten nicht unmittelbar und müssen nicht für alle Mitgliedsstaaten der EU gelten. Sie müssen erst von den jeweiligen Mitgliedsstaaten in nationales Recht übernommen werden. Diese Einführung in nationales Recht wird von der Kommission verfolgt und sofern die Umsetzung nicht vollständig ist kann es zu Sanktionen seitens der EU kommen Richtlinie 2006/95/EG Niederspannungsrichtlinie Sie behandelt die Voraussetzungen für das Inverkehrbringen von Betriebsmitteln mit einer Nennspannung von 75 V V DC und 50 V V AC. Unter diese Regelung fallen alle Geräte, elektrische Motoren, Lampen, Kabel und auch alle, zur Herstellung dieser, notwendigen Bauteile, welche schon vor dem Verbauen auf Sicherheit überprüft werden können. Im Anhang II der Richtlinie sind Betriebsmittel angeführt welche nicht unter diese fallen. Da dort Wechselrichter explizit nicht angeführt sind, müssen diese entsprechend der Richtlinie behandelt werden. All jene, die erst mit dem Einbau eine Funktion erhalten und damit überprüft werden können, fallen nicht unter die Niederspannungsrichtlinie. Die Mitgliedsstaaten werden darin aufgefordert, die Sicherheit der elektrischen Betriebsmittel sicherzustellen und alle Anstrengungen zu unternehmen, dass keinerlei Einschränkungen bei der Verwendung von Erzeugnissen durch höhere Anforderungen entstehen. Damit wird sichergestellt, dass der freie Warenverkehr innerhalb der EU möglich ist, sofern die Güter auch den harmonisierten Normen genügen. Seite 6 von 51

7 Sind die Betriebsmittel nicht nach den harmonisierten Normen hergestellt, entsprechen jedoch den Sicherheitsanforderungen der International Commission on the Rules for the Approval of Electrical Equipment oder der International Electrotechnical Commission und sind diese auch national veröffentlicht, darf der freie Verkehr ebenfalls nicht behindert werden. Die zu treffenden Sicherheitsmaßnahmen sind im Anhang II der behandelten Richtlinie beschrieben. Tabelle 1: Methodik zur Ermittlung relevanter Normen Sind alle Vorschriften eingehalten worden, muss das Betriebsmittel mit der CE-Kennzeichnung Abbildung 2 versehen werden, mit der bestätigt wird, dass alle Bestimmungen eingehalten wurden und auch dem Konformitätsbewertungsverfahren entsprechen. Dieses ist im Anhang IV der Richtlinie beschrieben. Es wird damit sichergestellt, dass die vorhin genannten Verpflichtungen eingehalten werden. Seite 7 von 51

8 Dazu muss der Hersteller ein Dokument erstellen, welches unter anderem das Betriebsmittel beschreibt, Zeichnungen, angewandte Normen und Prüfberichte enthält. Danach kann die EG- Konformitätserklärung erstellt werden, welche folgenden Inhalt hat (übernommen aus [1] Anhang III-B Seite L 374/16: Name und Anschrift des Herstellers oder seines in der Gemeinschaft ansässigen Bevollmächtigten, Beschreibung der elektrischen Betriebsmittel, Bezugnahme auf die harmonisierten Normen, gegebenenfalls Bezugnahme auf die Spezifikationen, die der Konformität zugrunde liegen, Identität des vom Hersteller oder seinem in der Gemeinschaft ansässigen Bevollmächtigten beauftragten Unterzeichners, die beiden letzten Ziffern des Jahres, in dem die CE-Kennzeichnung angebracht wurde. Tabelle 2: CE-Kennzeichnung entnommen aus [1] Mit der Konformitätserklärung und der CE-Kennzeichnung wird sichergestellt, dass die einschlägigen Normen eingehalten werden und das Gerät bedenkenlos eingesetzt werden kann Richtlinie 2004/108/EG EMV-Richtlinie Ziel dieser Vorschrift ist unter anderem, die staatlichen Vorschriften in Bezug auf elektromagnetische Emissionen von elektrischen Betriebsmitteln und damit verbundenen Störungen von anderen zu harmonisieren. Es wird damit ein freier Warenverkehr innerhalb der EU ermöglicht ohne auf staatliche Eigenheiten Rücksicht nehmen zu müssen. Die Richtlinie unterscheidet zwischen ortsfesten Anlagen und beweglichen Geräten, welche auch unterschiedliche Regelungen erfüllen müssen. Die Definition dazu lautet, dass eine ortsfeste Anlage eine Gesamtheit von Geräten und zusätzlich notwendigen Einrichtungen ist, hingegen können Geräte bewegt werden. Betroffen von dieser Regelung sind wiederum Geräte, die in der EU in Verkehr gebracht werden und damit für den Endkunden verfügbar sind. Bauteile, die der Herstellung dienen, fallen nicht unter diese Richtlinie, sofern sie nicht auch für den Endnutzer erhältlich sind. Es sollen harmonisierte Normen unter Mitwirkung des Europäischen Komitees für Normung (CEN), dem Europäischen Komitee für elektrotechnische Normung (CENELEC) und dem Europäischen Institut für Telekommunikationsnormung (ETSI) verabschiedet werden. Die harmonisierten Normen müssen den Stand der Technik zeigen und im Hintergrund immer das Funktionieren des Binnenmarktes berücksichtigen bzw. nicht einschränken. Seite 8 von 51

9 Die Netze müssen so gebaut werden, dass der Anschluss von Betriebsmitteln nicht pegelüberschreitende Emissionen in das Netz verursacht und gegebenfalls Maßnahmen zur Verringerung dieser durch die Gerätehersteller getroffen werden müssen. Deshalb müssen diese die CE-Kennzeichnung tragen, welche die Berücksichtigung der Richtlinie bestätigt. Gleichzeitig kann eine Konformitätsbewertung durchgeführt werden und gegebenenfalls in einer Konformitätserklärung bestätigt werden. Beides ist für ortsfeste Anlagen nicht vorgesehen. Die Richtlinie gilt für Geräte und ortsfeste Anlagen, aber nicht für Anlagen, die in Richtlinie 1999/5/EG [3] beschrieben sind. Ebenso sind Erzeugnisse ausgeschlossen, welche in der Verordnung Nr. 1592/2002 des Europäischen Parlaments und des Rates am 15. Juli 2002 geregelt sind [4]. In den Definitionen wird elektromagnetische Verträglichkeit als die Fähigkeit in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren beschrieben und nur Störungen zu verursachen, die andere Betriebsmittel nicht beeinflussen. Als elektromagnetische Störung wird jede Emission bezeichnet, die die Funktion der Betriebsmittel beeinträchtigen könnte. Demgegenüber steht die Störfestigkeit, welche beschreibt, ob ein Betriebsmittel unter Störungseinfluss ohne Funktionsstörung funktionieren kann. Von den Betriebsmitteln ist also gefordert [3] Anhang I, dass diese nach dem aktuellen Stand der Technik konstruiert sind, die elektromagnetischen Emissionen einen vorgeschriebenen Grenzwert nicht überschreiten und dass sie im Normalbetrieb gegen zu erwartende Störungen unempfindlich reagieren. Für ortsfeste Anlagen gilt, dass die verwendeten Betriebsmittel die vorhin genannten Anforderungen erfüllen müssen. Analog zu [1] müssen die Betriebsmittel einer Prüfung unterzogen werden, welche bei positivem Ergebnis die CE-Kennzeichnung (Abbildung 2) erlaubt und bedingt. Das Konformitätsbewertungsverfahren ist in Anhang II der Richtlinie beschrieben und umfasst auszugsweise: Der Hersteller muss bewerten, dass die vorhin beschriebenen Anforderungen erfüllt werden und alle harmonisierten Normen eingehalten werden. Die Bewertung umfasst alle üblichen Zustände, welche im Betrieb auftreten können. Erstellung technischer Unterlagen und der Nachweis der Anforderungen. Mit diesen muss es möglich sein, die Erfüllung der Anforderungen aus dieser Richtlinie zu bewerten. Sie müssen eine Beschreibung des Geräts, einen Nachweis der Übereinstimmung mit den harmonisierten Normen enthalten. Die EG-Konformitätserklärung muss zumindest einen Verweis auf die Richtlinie [2], die Identifikation des Geräts, Name und Hersteller, das Datum der Erklärung sowie die Unterschrift des Herstellers bzw. seines Bevollmächtigen enthalten Richtlinie 1999/5/EG Telekommunikationsrichtlinie Diese Richtlinie behandelt die Konformität von Funk- und Telekommunikationsanlagen. Nicht enthalten sind Amateurfunkanlagen, Schiffsausrüstungen, Empfangsanlagen für den Empfang von terrestrischem Fernsehen und Rundfunk sowie Ausrüstungen für den Flugverkehr. Seite 9 von 51

10 Analog zu den vorhin behandelten Richtlinien soll eine Harmonisierung der Normen angestrebt werden (verantwortlich dafür ist das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen ETSI). Die Funknetzbetreiber und Telekommunikationsanlagenbetreiber sollen ihre Netze so auslegen, dass eine Beeinträchtigung unter normalen Betriebsbedingungen nicht gegeben ist. Die Netze müssen so ausgelegt werden, dass Endgerätehersteller nicht zu großen Aufwand zur Verminderung der schädlichen Wirkungen auf das Netz treiben müssen. Der freie Warenverkehr darf jedenfalls nicht eingeschränkt werden, und es sind alle Anstrengungen dahingehend zu unternehmen um diesen gewährleisten zu können. Die Richtlinie gilt für Geräte (im Sinne der Richtlinie sind das Telekommunikationseinrichtungen oder Funkanlagen) oder um die Kombination beider. Als Informationsträger dienen öffentliche leitungsgebundene oder aus Funkstationen bestehende Netze, wobei die Übertragung der Information vom Endkunden zum öffentlichen Netz entweder über einen Netzanschlusspunkt oder über eine Luftschnittstelle geschieht. Jedes Betriebsmittel muss einer Geräteklasse zugeordnet werden, welche einer Einstufung der Betriebsmittel bzw. Geräte dient. Die bei Funkanlagen notwendigen Funkfrequenzen werden von den Einzelstaaten vergeben, wobei Störungen durch Betriebsmittel die Ergreifung von Maßnahmen, die nicht diskriminierend bzw. auch verhältnismäßig sein müssen, zur Verhinderung dieser mit sich bringen können. Das kann dazu führen dass die Haftung der Hersteller geltend gemacht werden kann. Eine grundlegende Anforderung an die Geräte ist die Erhaltung von Gesundheit und die Wahrung der Sicherheit der Benutzer sowie Personen, welche sich im Einflussbereich der Anlage befinden. Speziell bei Funkanlagen müssen im Normalbetrieb Störungen ausgeschlossen werden können. Gleichzeitig wird gefordert, dass die Geräte der vorhin behandelten Richtlinie 2004/108/EG EMV-Richtlinie [2] genügen muss. Geräte bzw. Betriebsmittel, welche diese Anforderungen erfüllen, erhalten wieder die CE- Kennzeichnung (Abbildung 2) Die Erstellung einer Konformitätserklärung das Konformitätsverfahren ist im Ablauf grundsätzlich gleich zu den bislang beschriebenen Verfahren und beinhaltet unter anderem die Bestätigung durch den Hersteller, dass die Richtlinie und die damit verbundenen Forderungen erfüllt sind, die Erstellung einer technischen Unterlage mit Plänen, Beschreibungen, Normenliste, Prüfberichte. Die Konformitätserklärung selbst muss dann entsprechend den Vorschriften gezeichnet, veröffentlich und aufbewahrt werden Harmonisierte Normen In allen Richtlinien [1], [2], [3] ist eine Harmonisierung der staatlichen Normen gefordert, welche entsprechend bezeichnet werden müssen. Sie sind beispielsweise unter der Bezeichnung ÖNORM EN, DIN EN, usw. publiziert. Diese harmonisierten Normen entstehen zumeist auf Grundlage einer staatlichen Norm, welche überarbeitet, für verbindlich erklärt und der Beginn der Gültigkeit im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht wird. Es ist Pflicht des jeweiligen Mitgliedsstaates, harmonisierte Normen auf staatliche Ebene zu übernehmen und gegebenenfalls länderspezifische zurückzuziehen. Jede Norm wird dann noch mit einem nationalen Vorwort versehen, welches Zusatzinformationen zur Norm (z.b. Unterschiede zur bislang gültigen) enthält und von einem nationalen Gremium erstellt wird. Seite 10 von 51

11 EN Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungs- Anlagen Entsprechend der einschlägigen Norm [5] bedeutet dies die Koordination der Spannungsbeanspruchung einerseits und der Spannungsfestigkeit andererseits von elektrischen Betriebsmitteln und speziell deren Isolation, welche in einer bestimmten Umgebung eingesetzt werden. Die Norm unterscheidet zwischen Isolationskoordination in Bezug auf elektrische Spannung und in Bezug auf Umgebungsbedingungen. Für erstere gilt es, mögliche auftretende Spannungen, erzeugte Spannungen, gewünschte Verfügbarkeit des Betriebsmittels und den Sicherheitsgrad für Bedienpersonal und in der Umgebung befindliche Sachgüter zu klären und zu definieren. Danach kann eine Koordination in Hinblick auf Dauerspannungen (AC oder DC) unter Berücksichtigung der Bemessungsspannung, der Bemessungs-Isolationsspannung und der Arbeitsspannung gemacht werden. Bezüglich transienter Überspannungen unter Berücksichtigung der systemeigenen Begrenzung (transiente Überspannungen bleiben durch das System auf einen bestimmten Pegel begrenzt) und der schützenden Begrenzung (es werden überspannungsbegrenzende Hilfsmittel eingesetzt, welche ebenfalls die auftretenden transiente Überspannungen auf ein festgelegtes Maß begrenzen) kann dies auch erfolgen. Auf Seite der Umgebungsbedingungen gilt es für Luftisolation den Luftdruck und die Temperatur, in Kriechstrecken die Luftfeuchte, die Betauung und die Verschmutzung sowie für feste Isolierungen die Temperatur und Luftfeuchte zu berücksichtigen. Werte, die bei der Bemessung der Isolation Berücksichtigung finden müssen, sind bei Luftstrecken Spitzen- und Stoßspannungen Überspannungen Verschmutzungsgrad das elektrische Feld Aufstellungshöhe des Betriebsmittels Kriechstrecken Spannung und Dauer der Beanspruchung durch Spannung örtliche Lage Isolierstoff und Form der Oberfläche fester Isolation Beanspruchung Spannung, vor allem deren Frequenz Erwärmung mechanische Beanspruchungen Umgebungsbedingungen Damit wird klar, dass der Auswahl des Isolationswerkstoffes für den Bau von elektrischen Betriebsmitteln große Aufmerksamkeit geschenkt werden muss. Die Prüfung solcher Stoffe ist ausführlich in [5] beschrieben, aufgrund derer dann eine gezielte Auswahl des am besten geeigneten Isolierwerkstoffes getroffen werden kann. Seite 11 von 51

12 Wechselrichter haben einen hohen Anspruch an Isolation, da dort gleichzeitig Wechselspannungen mit hohen Effektivwerten und Gleichspannungen auftreten, deren Einsatz in rauer Umgebung oftmals nicht vermeidbar ist, und sie aber gleichzeitig auch für Personen zugänglich sind, welche nicht elektrotechnisches Fachpersonal sind (dies ist besonders für die in Kapitel behandelten Schutzarten durch Gehäuse relevant) EN A1 Schutzarten durch Gehäuse (IP Code) Die Norm [5] regelt die Einteilung der Schutzarten durch Gehäuse für Geräte mit einer Bemessungsspannung 72,5 kv mit dem Zweck des Personenschutzes, des Geräteschutzes gegen Zerstörungen durch externe Einwirkungen und gegen das Eindringen von flüssigen Stoffen. In weiterer Folge kann eine Bezeichnung der Schutzarten erfolgen und diese mit Anforderungen in Verbindung gebracht werden. Die Prüfverfahren, welche anzuwenden sind, um die Erfüllung der Vorschrift zu bestätigen werden ebenfalls in dieser Norm beschrieben. Die jeweilige Schutzart wird durch den IP (internatinal protection)-code angegeben welcher aus dem Prefix IP zwei darauffolgenden Kennziffern und ebenfalls zwei ergänzenden Buchstaben besteht. Die Bedeutung der Ziffern und Buchstaben ist die folgende ([6] Kapitel 4.2) 1. Kennziffer gegen das Eindringen von Fremdkörpern (im Kontext Betriebsmittelschutz)und gegen den Zugang mit gefährlichen Teilen (im Kontext Personenschutz) 2. Kennziffer gegen das Eindringen von Wasser mit schädlichen Wirkungen (Betriebsmittelschutz) 3. zusätzlicher Buchstabe gegen Zugang zu gefährlichen Teilen (Personenschutz) 4. zusätzlicher Buchstabe ergänzende Information (Betriebsmittelschutz) Im Zusammenhang mit Wechselrichtern ist diese Norm von großer Bedeutung, da wie schon erwähnt auch nicht Fachpersonal diese Betriebsmittel bedient und berühren und gleichzeitig auch ein Einsatz in rauer Umgebung möglich ist. Es ist deshalb bei der Konstruktion und Herstellung besonders auf die richtige Wahl der Schutzart zu achten und eine entsprechende Prüfung nach Kapitel 11 ff. der gegenständlich behandelten Norm durchzuführen, zu dokumentieren und eine Erfüllung zu bestätigen EN :1993 Halbleiter-Stromrichter Allgemeine Anforderungen und netzgeführte Stromrichter Teil 1-1: Festlegung der Grundanforderungen Die vorliegende Norm [7] behandelt die grundsätzlichen Anforderungen an netz- oder maschinengeführte Stromrichter für die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom und umgekehrt, jedoch nicht ausschließlich auf diese beschränkt. Des Weiteren werden Halbleiterbauelemente mit deren elektrischen Eigenschaften sowie den Möglichkeiten, die durch die Verwendung von verschiedenen Elementen gegeben sind, behandelt. Des Weiteren sind die Kommutierung mit deren Eigenschaften und die zugehörigen Kennwerte sowie Bemessungswerte beschrieben. Halbleiterbauelemente erzeugen im Betrieb Abwärme, welche durch gezielte Kühlung abgeführt werden muss. Ein weiterer Abschnitt behandelt die elektromagnetische Verträglichkeit, welche auch schon im Zuge der Behandlung der Richtlinie 2004/108/EG EMV-Richtlinie [2] beschrieben wurde, wo auf eine Harmonisierung der Normen abgezielt wird. Seite 12 von 51

13 Emissionen von Oberschwingungen durch eine besonderen Kurvenverlauf von Strömen und Spannungen sowie die damit verbundenen Oberschwingungen bedürfen einer separaten Betrachtung, weshalb diese in einem eigenen Kapitel behandelt werden. Nachdem die grundsätzlichen Anforderungen an Bauelemente sowie deren Verhalten in einem Stromrichter behandelt sind, wird auf den Betrieb sowie die Betriebsbedingungen für Halbleiterbauelemente eingegangen, worauf die fertig aufgebauten Betriebsmittel, Stromrichtergeräte und -sätze folgen. Dazu gehört neben der Verlustdefinition, den elektrischen Eigenschaften zum Netzanschluss und der Bemessung vor allem die Belastung, welche in sogenannte Belastungsklassen eingeteilt wird. Am Ende der Norm steht wie allgemein üblich das Testprozedere für netzgeführte Stromrichter nach den Anforderungen wie sie in der bisherigen Abhandlung beschrieben worden sind. Diese sind unterteilt in die Isolationsprüfung, Funktionsprüfung sowie die Ermittlung von Verlusten und die Messung des Leistungsfaktors. Diese gültige Norm wird mit 1. Mai 2011 durch die Nachfolgenorm ÖVE/ÖNORM EN : ersetzt EN Halbleiter-Stromrichter Teil 2: Selbstgeführte Halbleiter-Stromrichter einschließlich Gleichstrom-Direktumrichter Analog zur vorhin behandelten Norm für netzgeführte Stromrichter beschreibt die nun behandelte EN [8] selbstgeführte Stromrichter und Gleichstrom-Direktumrichter. Nicht so detailliert wie in [7], aber dennoch werden die Stromrichterarten, die Bauelemente mit deren wichtigsten Eigenschaften sowie Grundsätze zur Kühlung und Prüfung beschrieben. Danach ist ein Kapitel den Betriebsbedingungen gewidmet, welche unter anderem Umweltbedingungen, elektrische Betriebsbedingungen und Anforderungen an die Störfestigkeit hinsichtlich Last und Versorgung mit Wechsel- und Gleichstrom behandelt. Am Schluss werden die Bemessung der Stromrichter sowie deren Prüfung auf die vorhin genannten Anforderungen behandelt EN 50178:1998 Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln Diese Norm [9] behandelt den Einsatz von Betriebsmitteln in Starkstromanlagen, wobei gewisse Voraussetzungen berücksichtigt werden müssen. Wird das Gesamtsystem im Netz betrieben, müssen Schutzmaßnahmen getroffen werden, welche Personen- und Sachschäden vermeiden. Jede Schutzmaßnahme bedingt zu ihrer ordnungsgemäßen Funktion eine den Vorschriften entsprechende Erdungsanlage, weshalb in dieser Norm die Anforderungen an ein solches Erdungssystem beschrieben sowie deren Verbindungsleitungen definiert werden. Kommt es zu einer Unterbrechung des Schutz- oder Neutralleiters kann diese Schäden in der Kundenanlage durch eine Spannungsanhebung bewirken. Um dies zu vermeiden wird dem Thema Sicherungen in den Schutz- oder Neutralleitern, ein eigener Abschnitt gewidmet. Die Schutzmaßnahmen dienen dazu, gefährliche Körperströme zu vermeiden, weshalb besondere Anforderungen an die Betriebsmittel zur Vermeidung dieser Ströme bestehen. Diese und die Beschreibung der Anforderungen an den Schutz werden im Kapitel Sicherheitsanforderungen behandelt. Schutz gegen direktes Berühren durch entsprechende Isolierung, Gehäuse sowie durch Einhaltung von Abständen und der Schutz bei direktem Berühren welcher durch Kleinspannung, durch kleinere Entladungsenergien sowie durch eine Spannungsbegrenzung und Steckverbindungen erreicht werden kann sind, ein weiteres Thema in diesem Kapitel. Neben der Möglichkeit des direkten Berührens besteht auch die Gefahr des indirekten Berührens. Seite 13 von 51

14 Es müssen daher auch Vorkehrungen zur Vermeidung dieser getroffen werden. Dazu müssen unter anderem die Isolierung von aktiven Teilen, die Schutzverbindung, der Korrosionsschutz und eine allfällige Beschädigung dieser näher betrachtet und etwaige Abhilfen getroffen und definiert werden. Ebenso wird in diesem Kapitel die Verschmutzung wie diese in Kapitel schon beschrieben wurde behandelt. Luftstrecken und Kriechstrecken, welche in der Isolationskoordination zur Anwendung kommen, werden in den Sicherheitsanforderungen beschrieben. Neben den Sicherheitsanforderungen werden im Kapitel 6 die Umgebungsanforderungen und - bedingungen für den Betrieb des elektronischen Betriebsmittels in Starkstromnetzen definiert. Dies umfasst neben den klimatischen Bedingungen(Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte), den mechanischen Anforderungen (Stoß, Schwingung, Dichtheit gegen Flüssigkeit und Staub) auch die elektrischen und vor allem elektromagnetischen Anforderungen und die damit verbundene Störfestigkeit gegen derartige negative Einwirkungen. Kapitel 7 der Norm behandelt zur Gänze die Anforderungen an die elektronischen Betriebsmittel, deren Bemessung, die Qualität sowie die Auswahl der verwendeten Bauelemente mitsamt der Kriterien dafür. In weiterer Folge ist der Zusammenbau der elektronischen Betriebsmittel sowohl mechanisch als auch elektrisch beschrieben. Besonders wichtig ist die Dokumentation und die Definition der notwendigen Prüfprotokolle. Zuletzt werden in Kapitel 8 die Anforderungen an den Einbau von elektronischen Betriebsmitteln in Starkstromanlagen mitsamt der Toleranzen, Isolationsüberwachung sowie die Bemessung der notwendigen Zuleitungen und Schutzleiter behandelt. Kapitel 9 beschreibt dann, wie schon in allen bislang behandelten Normen, die Prüfaufbauten, Prüfarten sowie die Bedingungen für die Prüfung der vorhin beschriebenen Anforderungen. Unter anderem werden dort die Übereinstimmung mit der vorliegenden Norm geprüft, Stück-, Stichproben und Anlagenprüfungen beschrieben und gefordert. Danach erfolgen die Beschreibung der Prüfung der mechanischen und elektrischen Anforderungen sowie jene der Sicherheitsanforderungen gegen direktes und indirektes Berühren EN Elektromagnetische Verträglichkeit - Anforderungen an Haushaltsgeräte, Elektrowerkzeuge und ähnliche Elektrogeräte - Teil 1: Störaussendung Die vorliegende Norm [10] behandelt die Anforderungen hinsichtlich Störaussendungen von Elektrogeräten hinsichtlich deren elektromagnetischen Verträglichkeit. Im ersten Kapitel werden die Grenzwerte sowohl für dauernde als auch für temporäre Störgrößen angegeben. Um die Einhaltung dieser gewährleisten zu können, müssen Messmethoden entwickelt werden, welche einerseits in Spannungsstörungen (148,5 khz bis 30 MHz) und andererseits in Leistungsstörungen (30 MHz bis 300 MHz) aufgeteilt werden. Der Auswertung und Interpretation der Messergebnisse ist am Schluss der Norm ein eigenes Kapitel gewidmet EN Einrichtungen der Informationstechnik - Funkstöreigenschaften - Grenzwerte und Messverfahren Einrichtungen der Informationstechnik welche dem Zwecke des Verarbeitens von Daten (dazu gehören empfangen, speichern, verarbeiten, übertragen,...) dienen und deren Versorgungsspannung nicht über 600 V liegt, unterliegen der Pflicht der Messung von Störsignalen, die durch diese ausgesendet werden. Seite 14 von 51

15 Deshalb liegt der Zweck dieser Norm [11] darin, die Anforderungen an Störpegel und die Festlegung von Grenzwerten für Störaussendung zu definieren und festzulegen. Ergänzend dazu werden Messverfahren und Bewertungsrichtlinien der Ergebnisse festgelegt und standardisiert. Es wird eine Klassifizierung der Betriebsmittel in Klassen vorgenommen, wobei A für Geräte steht, welche den Grenzwerten der Störaussendungen der Klasse A genügen, nicht jedoch jenen der Klasse B. Es dürfen für solche Einrichtungen keine Verkaufsbeschränkungen vorliegen. Gegebenfalls sind diese entsprechend zu kennzeichnen. Analog gilt für Klasse B Einrichtungen, dass diese den Störaussendungen der Klasse B genügen. Sie sind hauptsächlich für den Betrieb im Wohnbereich vorgesehen. Es können dies tragbare Geräte mit Batterieversorgung, Einrichtungen zur Telekommunikation, aber auch Computer mitsamt etwaigen Zusatzgeräten sein. Die Grenzwerte der leitungsgeführten Störaussendungen in Abhängigkeit des Frequenzbereichs werden für die jeweilige Klasse in Kapitel 5 der Norm angegeben. Sofern es sich um gestrahlte Störaussendungen handelt, sind deren Grenzwerte in Kapitel 6 festgelegt. In weiterer Folge müssen die Messbedingungen festgelegt werden, unter welchen dann die vorhin beschriebenen Grenzwerte überprüft werden. Wichtig dabei ist, dass am Messplatz die Unterscheidung zwischen Störaussendungen des Prüflings und von Fremdstörungen möglich sein muss. Bei abgeschaltetem Prüfling müssen die Störpegel in jedem Frequenzbereich mindestens unter 6 db der vorhin genannten Grenzwerte liegen. Wechselrichter sind immer leitungsgebunden mit dem Netz verbunden, weshalb die in Kapitel 9 der Norm erläuterten Messverfahren von Bedeutung sind. Zuvor sind in Kapitel 8 die Prüfkonfigurationen beschrieben, welche zur Durchführung von Messungen relevant sind. Die zuvor erwähnten Messverfahren bedeuten unter anderem die Beschreibung der Messempfänger (von denen die Störsignale aufgenommen und die Ergebnisse abgeleitet werden), die Nachbildung von Netzen (da diese ja leitungsgebunden mit einem Netz verbunden sind) mit einer vorgeschriebenen Impedanz. Da es sich um Geräte zur Anwendung im Wohnbereich handelt, muss die genaue räumliche Ausdehnung der Messung vorgegeben werden, welche ebenfalls in dieser Norm beschrieben ist. Die Messkonfigurationen sowie die verschiedenen Möglichkeiten im Aufbau des Messplatzes sind in Kapitel 10.7 Bild 1 bis 14 dargestellt EN Elektrische Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke; Elektromagnetische Felder - Verfahren zur Bewertung und Messung Analog zu den vorhin behandelten Geräten für Informationstechnik und der Beschreibung von Grenzwerten und Messverfahren bietet die Europanorm EN [12] die Möglichkeit, die Geräte für den Hausgebrauch hinsichtlich ihrer Aussendung von elektromagnetischen Feldern zu bewerten. Da Wechselrichter auch in Haushalten Verwendung finden, unterliegen sie ebenfalls der Bewertung nach dieser Norm. Begriffsdefinitionen, Messverfahren und der notwendige Prüfbericht sind Inhalt dieser Vorschrift, welche seit 2006 mit der Bezeichnung EN 50366:2003+A1:2006 gültig ist. Die Normen, welche die elektromagnetische Verträglichkeit beschreiben, definieren und abdecken sind in der EN X-XX Reihe festgelegt. Diese ist in die Teile 1 bis 6 und einen Teil 9 unterteilt und decken folgende Inhalte ab (übernommen aus [13] Seite 8): Teil 1: Allgemeines Teil 2: Umgebung Seite 15 von 51

16 Teil 3: Grenzwerte Teil 4: Prüf- und Messverfahren Teil 5: Installationsrichtlinien und Abhilfemaßnahmen Teil 6: Fachgrundnormen Teil 9: Verschiedenes Teil 1 beschreibt die allgemeinen Zusammenhänge. Darunter fallen die Anwendung und Interpretation der Norm sowie grundlegende Definitionen. Die Methoden und Möglichkeiten zum Erreichen eines entsprechenden Sicherheitsgrades bzw. -niveaus in elektrischen oder elektronischen Systemen hinsichtlich der elektromagnetischen Phänomene ist ebenfalls Inhalt dieses Teils. Die Einflüsse zivile Einrichtungen durch sogenannte HEMP (high altitude electromagnetic pulse) und die historische Entwicklung in der Einschränkung der Oberschwinungungsemission beschließen diesen Teil der Norm. Teil 1 wird in 5 Unterkapitel unterteilt, welche den gesamten allgemeinen Teil abdecken. Teil 2 behandelt die Umgebungsbedingungen und damit die Verträglichkeitspegel von Störgrößen, welche leitungsgebunden oder in Form von Strahlung ausgehen. Die leitungsgebundenen Störungen werden unterteilt in jene, die das Niederspannungsnetz und solche die das Mittelspannungsnetz beeinflussen können. Dazu zählen auch die Überspannungen in öffentlichen Verteilnetzen. Der gesamte Teil 2 ist unterteilt in 14 Unterpunkte, die die bislang erläuterten Inhalte abdecken. Teil 5 erläutert die Installationsrichtlinien und Abhilfemaßnahmen zur Vermeidung von elektromagnetischen Emissionen, welche wiederum leitungsgebunden oder in Form von Strahlung ausgesendet werden können. Der gesamte Teil 5 ist in 9 Kapitel unterteilt. Teil 6 beinhaltet die Fachgrundnormen für jene Erzeugnisse, die keiner Produktnorm oder Produktklassennorm unterliegen und beschreibt Störemissionsgrenzwerte und Störfestigkeits- Anforderungen. Es wird darin unterschieden zwischen Wohnbereich, Industriebereich, Geschäftsbereich, Gewerbebereich im Zusammenhang von Störaussendungen und Störfestigkeit. Der gesamte Teil 6 ist in 4 Unterkapitel unterteilt, welche die zuvor beschriebenen Inhalte zur Gänze abdecken. Die Bezeichnung dieser Normen lautet EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 6-1: Fachgrundnormen - Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 6-2: Fachgrundnormen - Störfestigkeit für Industriebereiche EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 6-3: Fachgrundnormen - Störaussendung für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 6-4: Fachgrundnormen - Störaussendung für Industriebereiche Seite 16 von 51

17 EN Grenzwerte - Begrenzung von Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker in öffentlichen Niederspannungs- Versorgungsnetzen für Geräte mit einem Bemessungsstrom 75 A je Leiter, die einer Sonderanschlussbedingung unterliegen Dieser Teil der Norm [14] legt die Grenzwerte für Spannungsänderungen und Spannungsschwankungen fest. Um diese Grenzwerte definieren zu können, ist eine Bezugsimpedanz Z ref, an welcher die Geräte und Betriebsmittel getestet werden, notwendig. Die gesamte Norm gilt jedoch nur für Betriebsmittel, welche einer sogenannten Sonderanschlussbedingung unterliegen was bedeutet, dass am Verknüpfungspunkt mit dem Netz eine Impedanz kleiner der Bezugsimpedanz notwendig ist, um die Störaussendungen innerhalb der geforderten Grenzen zu halten. Es gelten die in Tabelle 3.1 festgelegten Grenzwerte als vereinbart. Kapitel 6 beschreibt die Prüfverfahren, welche zur Bewertung der Betriebsmittel herangezogen werden können um eine Beurteilung der Anschlussmöglichkeit an das öffentliche Netz ermöglichen. Es muss dazu eine Bezugsimpedanz Z test definiert werden welche die folgenden Voraussetzungen erfüllt. Tabelle 3 Grenzwerte nach EN übernommen aus [14] Seite 6 Der Spannungsabfall, welcher durch die Einrichtung hervorgerufen wird, muss im Bereich 3 bis 5 % der Prüfversorgungsspannung liegen Das Verhältnis von ohmscher zu induktiver Komponente der Impedanz muss im Bereich 0,5 bis 0,75 liegen Erfüllen die Betriebsmittel nach der Prüfung an der mit den vorherigen Einschränkungen festgelegten Testimpedanz nicht die Voraussetzungen der maximal zulässigen Emissionen (Tabelle 3.1), unterliegen sie den schon angeführten Sonderanschlussbedingungen und der Hersteller muss den Käufer darauf hinweisen, dass am Verknüpfungspunkt mit dem Netz eine maximal zulässige Netzimpedanz existieren darf. Diese wird unter Zuhilfenahme von Kapitel 6.2 der vorliegenden Norm ermittelt. Seite 17 von 51

18 Oder aber die Geräte werden entsprechend nach der in Kapitel 6.3 beschriebenen Prüfmethode getestet und erfüllen damit die Vorschrift. Bei der beschriebenen Prüfung wird also der kleinste zulässige Anschlusswert an den Testimpedanzen ermittelt. Der zugehörige Messaufbau ist Tabelle 4: Grenzwerte nach EN übernommen aus [14] Seite 6 Ob nun ein Gerät an das Verteilnetz angeschlossen werden darf bzw. welche Maßnahmen zu treffen sind ist anhand des im Anhang B der vorliegenden Norm [14] dargestellten Flussdiagramms festzustellen. Sofern das Betriebsmittel mit der Teilnorm EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 3-3: Grenzwerte - Begrenzung von Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker in öffentlichen Niederspannungs-Versorgungsnetzen für Geräte mit einem Bemessungsstrom 16 A je Leiter, die keiner Sonderanschlussbedingung unterliegen übereinstimmt und der Bemessungsstrom 16 A ist, ist ein Anschluss ohne zusätzliche Maßnahmen möglich. Andernfalls muss ein vorhin beschriebenes Prüfverfahren angewendet werden und an den entsprechenden Prüfimpedanzen die Übereinstimmung mit der gegenständlichen Norm nachweisen. Der jeweilige Verteilnetzbetreiber hat dann noch zu überprüfen, ob das Netz den Anforderungen genügt. Ist das der Fall kann ein Anschluss erfolgen EN Grenzwerte für Oberschwingungsströme, verursacht von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom > 16 A und 75 A je Leiter, die zum Anschluss an öffentliche Niederspannungsnetze vorgesehen sind Hat die vorhin behandelte Norm EN Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker sowie deren Grenzwerte beschrieben, werden in der jetzt behandelten EN [15] die Grenzwerte für Oberschwingungsströme, welche von Geräten mit einem Nennstrom zwischen 16 A und 75 A verursacht werden, behandelt und die Verfahren für die Prüfung definiert. Der Anschluss dieser Geräte erfolgt an öffentliche Niederspannungsnetze mit einer Nennspannung von 240 V einphasig bzw. 690 V dreiphasig und einer Frequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz. Damit ist der Anwendungsbereich dieser Norm festgelegt. Oberschwingungsströme werden durch die Kurzschlussleistung des Netzes, die Art des Anschlusses (ein- oder dreiphasig) und der Nennleistung des Geräts beeinflusst bzw. sind durch diese Größen charakterisierbar. Die Messverfahren werden in Kapitel 4 behandelt, wobei davon ausgegangen wird, dass Oberschwingungsströme die kleiner als 1 % des Bezugs-Grundschwingungsstromes sind vernachlässigt werden. Das gesamte Messverfahren setzt sich dabei aus einer realen Messung des Effektivwerts jeder Oberschwingungsordnung samt zugehöriger diskreter Fouriertransformation und einer nachgelagerten Berechnung des arithmetischen Mittelwerts der vorhin gemessenen Werte zusammen. Seite 18 von 51

19 Danach kann ein Vergleich mit den in Kapitel 5.2 festgelegten Aussendungsgrenzwerten durchgeführt werden, welche nicht überschritten werden dürfen. Tabelle 2 gilt für Geräte, welche nicht dreiphasig symmetrisch sind, die Tabellen 3 und 4 für symmetrisch dreiphasige. Es werden die zulässigen Oberschwingungsströme im Verhältnis zum Bezugs-Grundschwingungsstrom für die ungeraden Ordnungszahlen n = 3 13 angegeben. Zusätzlich lässt sich eine Oberschwingungsstromverzerrung THD und PWHD angeben. Diese Werte sind jeweils für unterschiedliche Kurzschlussleistungs- Verhältnisse angegeben. THD ist das Verhältnis des Effektivwerts der Summe aller Oberschwingungsanteile zum dem des Grundschwingungsanteils bis zur Ordnungszahl 40 und PWHD die gewichtete Oberschwingungs- Teilverzerrung, welche von der Ordungszahl 14 bis 40 berechnet wird. [14]. Die bislang betrachteten Normen EN und EN waren für Geräte mit Nennströmen > 16 A. Analoge Normen gibt es für Geräte mit Eingangsströmen _ 16 A, welche dann folgendermaßen bezeichnet werden. EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 3-2: Grenzwerte Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom 16 A je Leiter) EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 3-3: Grenzwerte Begrenzung von Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker in öffentlichen Niederspannungs-Versorgungsnetzen für Geräte mit einem Bemessungsstrom 16 A je Leiter, die keiner Sonderanschlussbedingung unterliegen Diese haben das gleiche Ziel der Definition von Grenzwerte, Messvorschriften und Anschlussbedingungen, werden an dieser Stelle aber nicht gesondert behandelt. Wurden bis jetzt Normen behandelt, die Grenzwerte und Anforderungen im Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit festlegen, werden jetzt Prüfnormen betrachtet EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-2: Prüf- und Messverfahren - Prüfung der Störfestigkeit gegen die Entladung statischer Elektrizität Geräte können Entladungen durch statische Elektrizität ausgesetzt sein, weshalb es wichtig ist, diese dagegen zu schützen und Grenzwerte sowie Prüfverfahren zu definieren. Dies ist Inhalt der hier behandelten Norm [16]. Um Prüfungen durchführen zu können, ist es notwendig, die Kurvenform eines Entladungsstromes, die Prüfpegel, den Prüfaubau sowie die Prüfeinrichtung selbst festzulegen. Des Weiteren müssen dann die Verfahren beschrieben und festgelegt werden, nach denen die Prüfung und Kalibrierung erfolgt. Seite 19 von 51

20 EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-3: Prüf- und Messverfahren - Prüfung der Störfestigkeit gegen hochfrequente elektromagnetische Felder Betriebsmittel sind bei Einsatz in bestimmten Umgebungen hochfrequenten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt. Die in diesem Abschnitt behandelte Norm [17] dient der Festlegung von Prüfpegeln, um die Störfestigkeit von Geräten zu ermitteln. Um diese Prüfpegel aufbringen zu können sind Prüfeinrichtungen notwendig, welche dies in einem bestimmten Prüfaufbau ermöglichen. Der Festlegung von Prüfverfahren und die anschließende Ermittlung der Ergebnisse ist ein eigener Abschnitt gewidmet EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-4: Prüf- und Messverfahren - Prüfung der Störfestigkeit gegen schnelle transiente elektrische Störgrößen/Burst Schnelle transiente elektrische Störgröße/Burst bezeichnen beispielsweise Spannungserhöhungen und - einsenkungen, Überspannungen, Entladungen, Oberschwingungen und dergleichen. Diese können zu Störung und im schlechtesten Fall zur Zerstörung der Betriebsmittel führen. Es sind deshalb Prüfverfahren notwendig, mit denen die Einhaltung der geforderten Grenzwerte verifiziert werden kann. Diese benötigen eine definierte Prüfspannung, einen Prüfpegel und die zugehörige Prüfeinrichtung. Anweisungen für die Durchführung der Prüfung sind ebenfalls Inhalt der hier beschriebenen Norm [18]. Wie bei jeder Prüfung im Sinne der Vorschrift ist ein entsprechender Prüfbericht zu erstellen, welcher in Kapitel 10 beschrieben ist EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-5: Prüf- und Messverfahren - Prüfung der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen Blitzschlag und Schalthandlungen können zu Überspannungen führen und Betriebsmittel in ihrer Funktion beeinträchtigen bzw. zerstören. Die hier behandelte Norm [19] beschreibt die Prüfpegel, die Prüfeinrichtung sowie den Prüfaufbau und das Prüfverfahren zur Ermittlung der Störfestigkeit des Prüflings gegen Stoßspannungen. Die Prüfspannung wird mit der Stirn-, der Rückenhalbwertsund der Anstiegszeit sowie der Dauer auf zeitlicher Ebene sowie durch den Scheitelwert auf Betragsebene charakterisiert EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-6: Prüf- und Messverfahren - Störfestigkeit gegen leitungsgeführte Störgrößen, induziert durch hochfrequente Felder Analog zu den vorhin behandelten Normen behandelt die hier beschriebene [20] die Prüfung gegen leitungsgeführte Störgrößen, welche durch hochfrequente Felder ausgelöst werden. Die Felder müssen durch entsprechende Prüfeinrichtungen ausgesendet werden, damit sie dann in den Leitungen als Störgröße induziert werden können. Deshalb ist eine Definition der Frequenzen, der Amplituden sowie der Dauer unumgänglich. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass die Ursache einzig in den ausgesendeten Störgrößen zu finden ist und etwaige Umgebungseinflüsse ausgeschlossen werden können. Die Ergebnisse müssen am Ende der Prüfung interpretiert und dokumentiert werden. Seite 20 von 51

21 EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Teil 4-7:Prüf- und Messverfahren Allgemeiner Leitfaden für Verfahren und Geräte zur Messung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen in Stromversorgungsnetzen und angeschlossenen Geräten Die in den Normen EN XX festgelegten Grenzwerte für Oberschwingungsströme und - Spannungen müssen auch messtechnisch erfasst werden können, weshalb die nun beschriebene Norm [21] verabschiedet wurde. Sie beinhaltet neben der Begriffsdefinition auch die grundsätzlichen Konzepte sowie die Anforderungen an Messgeräte, die im Zuge einer solchen Messung verwendet werden. Der Messaufbau und die Interpretation der Messergebnisse sind ebenfalls beschrieben EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-11: Prüf- und Messverfahren - Prüfungen der Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeit- Unterbrechungen und Spannungsschwankungen Wechselrichter sind in deren Betrieb natürlichen Ereignissen wie Spannungseinbrüchen, - Unterbrechungen sowie -schwankungen ausgesetzt. Die Prüfung der Störfestigkeit gegen solche Ereignisse ist in der Norm EN [22] beschrieben. Wie schon bei den anderen Normen beschrieben, werden auch hier der Prüfaufbau, die Bedingungen für die Prüfung sowie die Prüfgrößen definiert und festgelegt. In diesem Zusammenhang ist der Faktor Zeit von wesentlicher Bedeutung weshalb die Größen nicht nur entsprechend ihrer Amplitude sondern auch hinsichtlich deren Zeitdauer bzw. Frequenz festgelegt werden müssen. Am Ende stehen wie immer die Interpretation und Dokumentation der Ergebnisse Zusammenfassung Der Bau von elektrischen Betriebsmitteln ist nur unter Berücksichtigung der drei Richtlinien 2006/95/EG, 2004/108/EG und 1999/5/EG veröffentlicht vom Europäischen Parlament und des Europäischen Rats möglich. Diese geben die Rahmenbedingungen der normativen Behandlung seitens der Mitgliedsstaaten vor, wobei das Normenwesen eben durch diese Richtlinien schon weitgehend harmonisiert ist, um einen freien Warenverkehr zu ermöglichen und das Subsidiaritätsprinzip gewahrt bleibt. Hersteller verwenden als Grundlage die in diesem Abschnitt behandelten Normen, welche einerseits das Regulativ für Sicherheitsbestimmungen für den Personenschutz und für den Schutz der Umgebung sind und andererseits die Grenzwerte hinsichtlich Störemissionen durch das Betriebsmittel, aber auch in der Umgebung, das kann auch das Versorgungsnetz sein, an dem es angeschlossen ist, festlegt. Um eine Überprüfung gewährleisten zu können, ist es weiterhin notwendig, eine Prüfvorschrift und alle zugehörigen Prüfgrößen und -geräte einheitlich zu gestalten. Damit ist auch sichergestellt, dass die Betriebsmittel verschiedener Hersteller nach den gleichen Vorschriften geprüft wurden und deshalb vergleichbar sind. Erst wenn alle Normen und Richtlinien eingehalten werden, ist es möglich, eine Konformitätsbescheinigung zu erlangen. Ist diese nicht in der Richtlinie zwingend vorgeschrieben, so wird in Österreich die Ausstellung dieser in der Gewerbeordnung 71 Abs geregelt. Es wird damit durch den Hersteller bestätigt, dass das Produkt den Anforderungen der anzuwendenden Vorschriften auf EU Ebene entspricht. Die durchgeführte Baumusterprüfung ist für das vorliegende Produkt ebenfalls gültig. Seite 21 von 51

22 Eine Ausstellung muss vor dem in Verkehr bringen des Betriebsmittels erfolgen. [23] Inhaltlich ist die Konformitätserklärung auf die Forderungen in den gültigen Richtlinien abzustimmen. Jedes Produkt, das alle Vorgaben erfüllt, muss dann die CE-Kennzeichnung, wie sie in Abbildung 2 dargestellt ist, erhalten. Seite 22 von 51

23 4.2 Marktrecherche Eine Vielzahl von Wechselrichtern wird von verschiedenen Anbietern am Markt zum Verkauf angeboten. Die Anwendung Kleinwindkraft und auch die Wechselrichter für diese Anwendung ist eine noch junge. Oft werden Wechselrichter für Photovoltaikanwendungen als Grundlage verwendet und eine entsprechende neue Software implementiert, welche an die Eigenheiten der Windkraftanlagen angepasst und anpassbar ist. Im Gegensatz zu den Photovoltaikanwendungen, wo ein direkter Anschluss der Module am Wechselrichter möglich ist, muss bei Kleinwindkraftanlagen, welche zumeist als permanentmagneterregte Synchronmaschinen realisiert sind, ein Gleichrichter vorgeschaltet werden. In diesem Kapitel sollen die am Markt erhältlichen Geräte angeführt werden und in Kategorien eingeteilt werden Anlagentopologien Um die Rolle der Wechselrichter in der Anwendung klar spezifizieren zu können, müssen die verschiedenen Einsatzarten berücksichtigt werden. Abhängig von der Anlagentopologie und dem Ziel in welcher Form die Kleinwindkraftanlage betrieben werden soll, kommt dem Wechselrichter eine andere Bedeutung zu. Die verschiedenen Anlagentopologien sollen in der Folge näher betrachtet werden. Anzumerken ist, dass es sich um Prinzipschaltbilder handelt und deshalb immer von einem dreiphasigen Anschluss ausgegangen wird. Ist nur einphasiger Anschluss möglich bzw. notwendig, so sind die Bilder entsprechend zu adaptieren. Die Abkürzungen bedeuten hierbei KWKA Kleinwindkraftanlage GR Gleichrichter WR Wechselrichter Volleinspeisung In dieser Anordnung wird die komplette erzeugte Energie in das vorgelagerte Netz eingeliefert und entsprechend vergütet (Abbildung 5). Dem Wechselrichter kommt in diesem Falle eine besondere Bedeutung zu, da durch ihn die Einhaltung der in den einschlägigen Vorschriften- und Normenwerken festgelegten Grenzwerte sichergestellt werden muss. Zusätzlich muss im Fehlerfall eine sichere Trennung vom Netz durch einen eingebauten Mechanismus sichergestellt werden Überschusseinspeisung Ein Teil der erzeugten Energie wird von einem Verbraucher (Haushalt,...) konsumiert, jener Teil, der elektrischen Energie, die nicht benötigt wird, wird in das vorgelagerte Netz eingespeist. Das Prinzip ist in Abbildung 6 dargestellt. Analog der Volleinspeisung muss auch hier der Wechselrichter dafür Sorge tragen die Vorschriften einzuhalten und damit keine unzulässigen Störaussendungen in das Netz zu verursachen. Ebenso muss hier die Sicherheit höchste Priorität haben und eine Trennung der Anlage im Fehlerfall sichergestellt werden womit eine ungewünschte Inselnetzbildung (das Inselnetz an sich wird im nächsten Abschnitt behandelt) verhindert wird. Seite 23 von 51

24 Tabelle 5: Prinzip der Volleinspeisung Tabelle 6: Prinzip der Überschusseinspeisung Inselnetz Die Anlage arbeitet in einem abgeschlossenen, nicht mit einem vorgelagerten Netz, Netzbereich, welcher als Inselnetz bezeichnet wird. Der Wechselrichter muss hier die Möglichkeit der Frequenz und Spannungshaltung haben und zusätzlich muss gewährleistet sein, dass im Fehlerfall eine Abschaltung der Sicherungsorgane innerhalb des Netzes passiert. Dies bedeutet für den Wechselrichter, dass dieser, sofern keine Einrichtungen, welchen einen Beitrag zum Kurzschlussstrom leisten können, diesen alleine liefern muss und damit die entsprechende Stromtragfähigkeit gegeben sein muss. Ebenso muss über einen integrierten Laderegler sichergestellt werden, dass ein Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird und damit für Zeiten, in denen die Kleinwindkraftanlage keine elektrische Energie liefern kann, die Versorgung sichergestellt werden kann. Das Prinzipschaltbild ist in Abbildung 7 dargestellt Anlage getrennt vom übrigen Netz Wird die Kleinwindkraftanlage für andere Zwecke verwendet (Erzeugung von Warmwasser,...), besteht keine elektrische Verbindung zum vorgelagerten Netz. Es ist somit nicht notwendig, die strengen Vorgaben hinsichtlich Netzqualität einzuhalten. Ist der Verbraucher in der Lage die Volatilität der erzeugten Energie aufzunehmen bzw. zu verarbeiten, kann die Kleinwindkraftanlage direkt an diesen angeschlossen werden und es ist kein Wechselrichter notwendig. Im Gegensatz dazu, wenn es sich um einen empfindlichen Verbraucher handelt, muss über ein Umrichtersystem sichergestellt werden, dass die Störaussendungen auf das angeschlossene Gerät gering gehalten werden und damit eine negative Beeinflussung ausgeschlossen werden kann. Das sehr einfache Prinzip jedoch ohne Wechselrichter ist in Abbildung 8 dargestellt. Seite 24 von 51

25 Tabelle 7: Prinzip eines Inselnetzes Tabelle 8: Prinzip einer Kleinwindkraftanlage ohne Netzkopplung Seite 25 von 51

26 4.2.2 Am Markt verfügbare Anlagenkonzepte Die bislang erläuterten Anlagentopologien müssen praktisch auch realisierbar sein. Es werden deshalb verschiedene Lösungen von den Anbietern am Markt geführt. Dabei werden drei verschiedene Varianten unterschieden: Die Kleinwindkraftanlage ist mit einem Gleichstromgenerator ausgestattet und direkt an den nachfolgenden Wechselrichter angeschlossen. Die Kleinwindkraftanlage speist die erzeugte Energie in ein kombiniertes AC-DC DC-AC Umrichtersystem ein. Gleich- und Wechselrichter sind in einem Betriebsmittel vereint. Die Kleinwindkraftanlage speist die erzeugte Energie in einen Gleichrichter ein, welcher dann an einen externen Wechselrichter angeschlossen ist. Welche Variante die geeignetste ist muss individuell bewertet werden und ist abhängig von den örtlichen Gegebenheiten sowie von der verwendeten Kleinwindkraftanlage.Ausblick und Empfehlungen Methodik Ziel ist eine aktuelle Marktübersicht von Wechselrichtern speziell für Windkraftanlagen zu erhalten. Dazu wurde auf Herstellerseiten im Internet gezielt nach Wechselrichtern für Kleinwindkraftanlagen gesucht. Ebenso sind Angaben oder Angebote der Hersteller von Anlagen in Betracht gezogen worden. Wechselrichter welche nicht explizit für diese Anwendung angeführt wurden, sind vorab ausgenommen worden. Da Windkraftanlagen mit Wechselstromgeneratoren ausgerüstet sind, ist eine Gleichrichtung vorab notwendig, weshalb in einem ersten Schritt sogenannten Interfaces recherchiert werden. Da diese nicht weit verbreitet sind, wird folgende Kategorisierung vorgenommen: Hersteller Nennleistung Generator bzw. DC Output Voltage Im nächsten Schritt werden die am Markt als Wechselrichter für Windkraftanlagen ausgewiesenen Geräte ermittelt. Anschließend kann eine Kategorisierung nach mögliche Generatornennleistung Nennleistung des Wechselrichters durchgeführt werden. Dabei wurden in den Tabelle 11, 12 und 13 die wichtigsten Daten erfasst. Um genauere technische Daten zu erhalten, sollte die Seite, welche unter Info angegeben ist, aufgerufen werden. Auf eine Ordnung nach Herstellern wurde zugunsten der Vergleichbarkeit und des leichteren Auffindens verzichtet. Eine Erklärung zu den in den Tabellen aufgenommenen Werten ist in Kapitel angeführt. Seite 26 von 51

27 4.2.4 Gleichrichter In diesem Abschnitt sollen die zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung notwendigen Gleichrichter, die am Markt erhältlich sind, beschrieben werden. In solchen Betriebsmitteln wird die vom Generator erzeugte volatile Wechselspannung (aufgrund der Drehzahlvariabilität) in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese schon in einem vorhergehenden Kapitel behandelte Zwischenkreisspannung dient dem Wechselrichter als Eingangsspannung zur Erzeugung einer netzkonformen Wechselspannung. Seite 27 von 51

28 Tabelle 9: Marktrecherche Gleichrichter Die Interfaces sind für einphasigen Anschluss ausgelegt. Soll eine dreiphasige Einspeisung realisiert werden, welche nach den einschlägigen, schon behandelten Vorschriften vorgeschrieben ist, muss das durch jeweils ein Interface (Gleichrichter) pro Phase realisiert werden. Zuvor ist eine entsprechende Aufteilung der Phasenleiter des Generators vorzusehen. Der Anschluss eines Bremswiderstandes erfolgt auch direkt an diesen Betriebsmitteln. Den prinzipiellen Einsatz von Interfaces (hier speziell Windy Boy Protection Box der Firma SMA) zeigt Abbildung 10. Tabelle 10: Prinzipaufbau Interfaces einphasig dreiphasig (modifiziert übernommen aus [84] Seite 6) Seite 28 von 51