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Technik – Ausgewählte Anwendungen

Nicht-lineare Verbraucher

Nicht-lineare Verbraucher sind Geräte, die mittels elektronischer Bauteile die sinusförmige Netzspannung in andere, anwendungsbedingte Spannungs- (und Strom)verläufe umwandeln. Zu solchen Geräten zählen Netzteile, elektronische Vorschaltgeräte, Frequenzumrichter oder Induktionskochherde. Heute sind beinahe alle am Stromnetz angeschlossenen Geräte nicht-lineare Verbraucher. Sie produzieren Oberwellenströme, welche die Neutralleiter belasten und sich bei ungünstiger Elektroinstallation über die Schutzleiter als Kriechströme (vagabundierende Ströme) im Gebäuden ausbreiten können.

Die Signalformen nicht-linearer Verbraucher lassen sich aus einzelnen, unterschiedlichen Sinusschwingungen erzeugen. Die Grundschwingung entspricht der Periode des Signals (50 Hz), die „Detailform“ wird aus sog. Oberschwingungen, genauer: aus ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung (100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, etc.) konstruiert (die mathematischen Grundlagen dazu hat Joseph Fourier zu Beginn des 19. Jahrhunderts mit der nach ihm benannten Fourier-Analyse geliefert). Dabei treten drei Probleme auf:

Neutralleiterströme

Neben unsymmetrischen Phasenbelegungen und Phasenverschiebungen können auch Oberschwingungen (Oberwellen, Harmonische) den Neutralleiter belasten. Deshalb wird der maximale Anteil an Oberwellen (sog. THD – Total Harmonic Distortion) limitiert. Er darf im Stromnetz 8% nicht übersteigen. Insbesondere die 3. Harmonische (150 Hz) ist kritisch, denn sie addiert sich in einem Dreiphasensystem im Rückleiter (Neutralleiter, PEN-Leiter). Üblicherweise führt der Neutralleiter in einem Dreiphasensystem keinen oder nur wenig Strom, denn die zeitlich versetzten Schwingungen der einzelnen Phasen „löschen“ sich bei 50 Hz im Rückstrom gegenseitig aus. Bei 150 Hz (450 Hz, 750 Hz, etc.) jedoch addieren sich die Rückströme der einzelnen Phasen. In der Praxis wird bis etwa die doppelte Stärke des Phasenstroms (manchmal bis zum 2.5-fachen) gemessen. Der Einsatz von Geräten mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur kann die Oberwellenanteile und damit die Belastung des Neutralleiters massiv senken.

Gleichstromanteil

Häufig ist der von nicht-linearen Verbrauchern erzeugte Strom nicht exakt symmetrisch zur Nullachse (mathematisch: er enthält eine Harmonische Nullter Ordnung). Das bedeutet nichts anderes als dass ein kleiner Gleichstrom (DC) vorliegt. Weil sich Strom über die Erdung als Kriechstrom auf metallene Installationen des Hauses ausbreiten kann, bewirkt der von nicht-linearen Verbrauchern erzeugte DC-Anteil Korrosion auf den stromdurchflossenen Röhren.

Störungen

Oberwellenströme verursachen elektromagnetische Störungen auf anderen Leitungen. Je grösser der Oberwellenstrom, desto grösser das Störpotenzial. Bereits bei wenigen 10 mA können Datenleitungen gestört sein. Die nicht-linearen Ströme führen zu kurzzeitigen Spannungsabfällen, die über die gemeinsame Neutralleiterimpedanz auf andere Phasen übersprechen und wiederum „dortige“ Verbraucher stören. Oberwellenströme können auch Rundsteueranlagen des VNB stören. Sie sind insgesamt gesehen ein ernsthaftes EMV-Problem. Nur in einem konsequent umgesetzten TN-S System treten solche Störprobleme nicht auf. In der neuen Niederspannungs-Verordnung (NIN) von 2015 werden dazu Normen festgelegt, welche den störungsfreien Betrieb von Geräten und Anlagen über einen Funktions-Potenzialausgleich gewährleisten.

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