Was sind Oberschwingungen und wie entstehen sie?

Oberschwingungen sind ein häufiges Problem in modernen industriellen Elektroinstallationen, das die Netzqualität erheblich beeinträchtigen kann. Diese harmonischen Verzerrungen entstehen durch nichtlineare Verbraucher wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile und andere elektronische Geräte, die in der Industrieautomation weit verbreitet sind.

Für Produktionsleiter und technische Verantwortliche ist das Verständnis von Oberschwingungen entscheidend, da sie zu Ausfällen, erhöhten Energiekosten und Schäden an empfindlichen Anlagen führen können. Eine proaktive Herangehensweise an die Netzqualität schützt Investitionen und gewährleistet eine zuverlässige Produktion.

Was sind Oberschwingungen, und wie entstehen sie in elektrischen Anlagen?

Oberschwingungen sind Frequenzanteile im elektrischen Netz, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz von 50 Hz darstellen. Sie entstehen durch nichtlineare elektrische Verbraucher, die den sinusförmigen Strom verzerren und zusätzliche Frequenzkomponenten erzeugen.

Sie entstehen hauptsächlich durch elektronische Geräte, die den Strom nicht gleichmäßig aufnehmen. Frequenzumrichter, LED-Beleuchtung, Schweißgeräte und Computeranlagen ziehen Strom in kurzen, intensiven Impulsen statt kontinuierlich. Diese gepulste Stromaufnahme führt zu charakteristischen Verzerrungen der ursprünglich sinusförmigen Netzspannung.

Besonders problematisch sind die 3., 5., 7. und 11. Oberschwingung, da sie die stärksten Amplituden aufweisen. In Drehstromsystemen addieren sich die Oberschwingungen der 3. Ordnung im Neutralleiter, was zu gefährlichen Überlastungen führen kann. Die Intensität der harmonischen Verzerrungen hängt von der Art und Anzahl der nichtlinearen Verbraucher sowie von der Netzimpedanz ab.

Welche Auswirkungen haben Oberschwingungen auf industrielle Produktionsanlagen?

Oberschwingungen verursachen in industriellen Produktionsanlagen erhöhte Verluste, Überhitzung von Komponenten, Störungen in der Steuerungs- und Automatisierungstechnik und eine vorzeitige Alterung elektrischer Betriebsmittel. Die Auswirkungen reichen von Qualitätsproblemen bis hin zu kostspieligen Anlagenausfällen.

Transformatoren und Motoren leiden unter zusätzlichen Wirbelstrom- und Hystereseverlusten, die zu Überhitzung und einer reduzierten Lebensdauer führen. Kondensatoren in Kompensationsanlagen sind besonders gefährdet, da sie bei höheren Frequenzen niedrigere Impedanzen aufweisen und dadurch überlastet werden können.

In der Automatisierungstechnik können Oberschwingungen Kommunikationsstörungen verursachen und die Genauigkeit von Messgeräten beeinträchtigen. Schutzeinrichtungen können durch harmonische Verzerrungen fehlauslösen oder im kritischen Fall nicht ordnungsgemäß funktionieren. Die Energiekosten steigen durch erhöhte Verluste und mögliche Strafzahlungen bei Überschreitung der Grenzwerte für Netzrückwirkungen.

Wie misst und bewertet man Oberschwingungen in der Praxis?

Oberschwingungen werden mit Netzanalysatoren gemessen, die eine Frequenzanalyse durchführen und den THD-Wert (Total Harmonic Distortion) sowie die einzelnen Oberschwingungsanteile bestimmen. Die Bewertung erfolgt anhand der Grenzwerte der DIN EN 50160 und der IEC 61000-3-6.

Die Messung sollte über einen repräsentativen Zeitraum von mindestens einer Woche erfolgen, um verschiedene Betriebszustände zu erfassen. Moderne Messgeräte zeichnen kontinuierlich auf und erstellen detaillierte Berichte über Spannungs- und Stromoberschwingungen. Besonders wichtig ist die Messung an verschiedenen Punkten der Anlage, um die Verursacher zu identifizieren.

Der THD-Wert gibt den Gesamtanteil aller Oberschwingungen an und sollte bei Spannungen unter 8 Prozent und bei Strömen je nach Anwendung unter 5 bis 15 Prozent liegen. Einzelne Oberschwingungen dürfen spezifische Grenzwerte nicht überschreiten. Bei der Bewertung sind auch die Netzimpedanz und die Kurzschlussleistung am Messpunkt zu berücksichtigen. Für präzise Messungen und Analysen bieten wir professionelle Mess- und Prüftechnik zur Bewertung der Netzqualität.

Welche Lösungen gibt es zur Reduzierung von Oberschwingungen?

Zur Reduzierung von Oberschwingungen stehen passive Filter, aktive Filter, Oberschwingungsfilter und 12-Puls-Schaltungen zur Verfügung. Die Wahl der Lösung hängt von der Art der Verursacher, der geforderten Filterleistung und den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab.

Passive LC-Filter sind kostengünstig und eignen sich für spezifische Oberschwingungsfrequenzen. Sie bestehen aus Induktivitäten und Kondensatoren, die bei bestimmten Frequenzen niedrige Impedanzen bilden. Aktive Filter hingegen arbeiten elektronisch gesteuert und können sich dynamisch an verändernde Oberschwingungsspektren anpassen.

Bei der Planung neuer Anlagen können bereits in der Konzeptphase oberschwingungsarme Komponenten gewählt werden. 12-Puls-Gleichrichter reduzieren charakteristische Oberschwingungen gegenüber 6-Puls-Systemen erheblich. Wir bei KSV berücksichtigen diese Aspekte bereits in der Planungsphase unserer Energie- und Anlagentechnik und entwickeln maßgeschneiderte Lösungen zur Optimierung der Netzqualität in industriellen Anlagen. Zusätzlich unterstützen wir Sie mit spezialisierten Lohndienstleistungen bei der Implementierung und Wartung von Oberschwingungsfiltern.