Oberschwingungen - Messbilder verstehen und interpretieren [Demo]

Oberschwingungen (Oberwellen) werden im Wesentlichen durch Gleichrichter erzeugt. netzanalyse online zeigt Ihnen die typischen Messbilder und was sie bedeuten. So können Sie sie verstehen und interpretieren. Darüber hinaus erklären wir Ihnen, wie Sie bei der Messung vorgehen können.
 

Einphasengleichrichter

Das folgende Bild zeigt als Beispiel einen Einphasengleichrichter. Zum Messen siehe auch Praxis Oberschwingungen .

Bild 0271: typische Strom- und Spannungsform, die durch einen Einphasengleichrichter aufgenommen wird
Bild 0271: typische Strom- und Spannungsform, die durch einen Einphasengleichrichter aufgenommen wird

Abgeflachte Spannungskurve

Oben ist gut zu erkennen, dass die Spannungskurve durch den Strom abgeflacht wird.

Die Stromkurve wird im Bild unten (Spektrum) dargestellt. Jeder Balken steht für eine Frequenz.  In diesem Beispiel steht der Cursor auf der 3. Oberschwingung, also 3 x 50 Hz = 150 Hz. Ihr Anteil beträgt 53,7 % im Verhältnis zur Grundschwingung.
 
Bild 0275: Spektrum des Stromes des Einphasengleichrichters
Bild 0275: Spektrum des Stromes des Einphasengleichrichters

Schmaler Stromimpuls

Das nächste Beispiel zeigt einen schmaleren Stromimpuls eines Einphasengleichrichters. Grund ist ein größerer Zwischenkreiskondensator (Glättungselko) als im Beispiel oben.
 
Die Auswirkung ist dahingehend, dass mehr Oberschwingungen entstehen und das Spektrum weiter zu höheren Frequenzen hinaufreicht. Im Sinne der EMV ist das Störpotenzial größer.
 
Bild 0001: typische Stromform, die durch einen Einphasengleichrichter aufgenommen wird
Bild 0001: typische Stromform, die durch einen Einphasengleichrichter aufgenommen wird
Bild 0002: zugehöriges Spektrum
Bild 0002: zugehöriges Spektrum
In diesem Fall sind die Impulse sehr schmal, die Oberschwingungen gehen im Spektrum weit in den oberen Frequenzbereich. Sind die Impulse breiter bzw. mehr "verrundet" in der Form, fällt das Spektrum der Oberschwingungen schneller ab (siehe Bild 0271 oben). In diesem Beispiel ist die Gesamtverzerrung mit dem Cursor angewählt => THD beträgt in dem Beispiel 203 %, das bedeutet, der Strom enthält doppelt so viel Oberschwingungsanteil wie die Grundschwingung ausmacht.
 

Doppelte Stromspitzen bei Drehstrom

Für Drehstrom (Gleichrichtung mittels B6-Brücke) ergibt sich ein ähnliches Bild, allerdings mit doppelten Strom"spitzen" und einer anderen Verteilung im Spektrum:
 
Bild 0003: typischer Verlauf des Stromes am Eingang eines Drehstrombrückengleichrichters mit Kondensator (ohne Drosselspule) im Zwischenkreis
Bild 0003: typischer Verlauf des Stromes am Eingang eines Drehstrombrückengleichrichters mit Kondensator (ohne Drosselspule) im Zwischenkreis
Der Strom zeigt folgendes Spektrum:
 
Bild 0004: zugehöriges Spektrum, gut erkennbar sind die 5./7. OS, die 11./13. OS, die 17./19. OS usw.
Bild 0004: zugehöriges Spektrum, gut erkennbar sind die 5./7. OS, die 11./13. OS,
die 17./19. OS usw.
Durch 3 teilbare OS (3./6./9./12. etc.) treten nicht auf.

 

Aktive Gleichrichter

Bild 0005: Beispiel für die Stromaufnahme eines Einphasennetzteils mit aktivem Gleichrichter UL1 braun, IL1 hellbraun
Bild 0005: Beispiel für die Stromaufnahme eines Einphasennetzteils mit aktivem Gleichrichter
UL1 braun, IL1 hellbraun
Mittels Hochsetzstellern im Eingang der Netzteile wird der Netzstrom nicht nur im Bereich des Scheitelwertes aufgenommen, sondern innerhalb der 20 ms-Periode auch in Bereichen unterhalb des Scheitelwertes. Somit kann Strom auch in den Abschnitten geringer Spannung im Sinusverlauf in den Zwischenkreis "hochgepumpt" werden. Dabei wird versucht, eine möglichst sinusförmige Stromaufnahme anzustreben. Theoretisch kann so eine oberschwingungsfreie Last mit cos phi = 1 erreicht werden (also = ohmscher Last). Praktisch gelingt dies meist nicht ganz, zusätzlich entsteht Hochfrequenz durch die Pulsung durch den Hochsetzsteller im Eingang der Netzteile.
 
Bild 0006: zugehöriges Spektrum
Bild 0006: zugehöriges Spektrum
Aktive Gleichrichter werden auch für Drehstrom verwendet. Sehen Sie eine solche mit Hochfrequenz überlagerte Spannung in Ihrer Messung, suchen Sie nach entsprechenden Gleichrichtersystemen in Ihrem Netz:
Bild 0007: starke Überlagerung von Hochfrequenz auf der Netzspannung
Bild 0007: starke Überlagerung von Hochfrequenz auf der Netzspannung

Hochfrequente Überlagerung

Diese Überlagerung wird hervorgerufen durch aktive Gleichrichter, die durch Pulsung dem Netz einen möglichst sinusförmigen Strom entnehmen sollen. Dieses ist typisch für viele Mehrachsenantriebe und auch 4-Quadrantensteller. Bei genauer Betrachtung sind in L2 (schwarz) doppelte Nulldurchgänge erkennbar. Diese sind eine Ursache von vielen regelungstechnischen Problemen.
 
Bild 0007a: Stromaufnahme eines aktiven Gleichrichters
Bild 0007a: Stromaufnahme eines aktiven Gleichrichters
Diese Stromaufnahme ist die Ursache für die Hochfrequenzüberlagerung der Spannung. 

Bild 0008: Spektrum der Spannung
Bild 0008: Spektrum der Spannung
Die "klassischen" niederfrequenten Oberschwingungen (3./5./7. etc.) sind fast verschwunden.
 
Die hochfrequente Überlagerung überschreitet oft die 50. OS (also > 2500 Hz) und wird (bei üblichen Netzanalysatoren) im Spektrum nicht mehr sichtbar. Die EN 50160 betrachtet ohnehin nur bis zur 40. OS (= 2kHz). Somit wird hochfrequente Überlagerung durch klassische Netzanalyse oft nicht erkannt. Wir empfehlen den Einsatz breitbandiger Messmittel, konkret: isolierte tragbare Oszilloskope.

Achtung: Aus Sicherheitsgründen dürfen keine geerdeten Oszilloskope oder mit einem Metallgehäuse versehenen Oszilloskope verwendet werden. Für diese Art Messungen wird unbedingt erdfreies und isoliertes Equipment mit einer Spezifikation nach mindestens CAT III 1000 V / CAT IV 600 V benötigt, z.B. Fluke ScopeMeter Serien 120, 225 oder 190 II.

 
Oszilloskope durch Unterbrechen des PE "hochzulegen" (womöglich noch solche mit Metallgehäuse oder anderen berührbaren Teilen) ist lebensgefährlich und daher verboten. Die Arbeitssicherheit wird bei einem solchen Vorgehen nicht eingehalten!
Zu beachten ist hier der Zoom des Spektrums auf einen Maßstab von 10 % bis zum oberen Bildrand.

Bild 0008a: Spektrum des Stromes
Bild 0008a: Spektrum des Stromes
Erkennbar werden im unteren Frequenzbereich geradzahlige Anteile (die normalerweise im Netz nicht vorkommen). Sie sind eine Folge der Modulation der aktiven Gleichrichtung, ebenso wie "plötzlich" auftretende Anteile ab der 23. OS und wieder weiter oben um die 49. OS. Diese Unregelmäßigkeiten sind typisch für aktive Gleichrichter.
 
Zu beachten ist hier der Zoom des Spektrums auf einen Maßstab von 10 % bis zum oberen Bildrand.
 
Bild 0008b: Spektrum des Stromes eines aktiven Gleichrichters
Bild 0008b: Spektrum des Stromes eines aktiven Gleichrichters

Zwischenharmonische

Aktive Gleichrichter (Bezeichung auch: Umrichter mit Aktivem Front End) erzeugen auch Zwischenharmonische, also Freqenzen, die nicht ganzzahlig durch 50 Hz teilbar sind (z.B. 725 Hz, 873 Hz, etc.).
 
Während die dunkelbraunen Balken die "normalen" (also die durch 50 Hz teilbaren) Oberschwingungen darstellen, geben die hellbraunen Balken die Zwischenharmonischen wieder. Es ist nur eine Phase dargestellt, L2 und L3 sehen in der Regel gleich dazu aus. Die Farben gelten für L1, für L2 wäre es dunkelgrau/grau, und für L3 wäre es hellgrau/ganz helles Grau.
 
Zu beachten ist hier der Zoom des Spektrums auf einen Maßstab von 10 % bis zum oberen Bildrand.
 
Bild 0009: Spannungen UL1, UL2, UL3, hier in einem Farbsystem mit schwarz/rot/grau
Bild 0009: Spannungen UL1, UL2, UL3, hier in einem Farbsystem mit schwarz/rot/grau
Die Spannungen zeigen kurze Einbrüche, diese werden durch einen Stromrichter mit Thyristoren hervorgerufen, es handelt sich um sogenannte Kommutierungseinbrüche.
 
Bild 0010: Oszillogramm der Ströme zum vorigen Bild
Bild 0010: Oszillogramm der Ströme zum vorigen Bild
Erkennbar sind die typischen steilen Stromübergänge zwischen den Phasen, immer, wenn der nächste Thyristor zündet.
 
Bild 0010a: Strom und Spannung in L1
Bild 0010a: Strom und Spannung in L1
Betrachtet man eine einzelne Phase, wird erkennbar, dass immer an der Stelle, wo der Thyristor zündet, der Strom auf dieser Phase übernimmt und infolge des kurzzeitigen Leitens des aufkommutierenden Thyristors und des (noch leitenden) abkommutierenden Thyristors ein kurzzeitiger Spannungseinbruch - der Kommutierungseinbruch - entsteht.
 

Dimmer

Dimmer erzeugen Oberschwingungsspektren sehr ählich wie Einphasengleichrichter (also 3. OS, 5. OS, 7. OS usw.). Der Oberschwingungsanteil hängt dabei vom Phasenanschnittswinkel bzw. Phasenabschnittswinkel ab.
 
Bild 0011: Phasenanschnitt durch Dimmer
Bild 0011: Phasenanschnitt durch Dimmer
Bild 0012a: Spektrum des Stromes bei Phasenanschnitt durch Dimmer
 
Bild 0012a: Spektrum des Stromes bei Phasenanschnitt durch Dimmer
Bild 0011a: Phasenanschnitt durch Dimmer, gemessen mit Fluke 435

Bild 0011a: Phasenanschnitt durch Dimmer, gemessen mit Fluke 435

Bild 0012: Spektrum des Stromes bei Phasenanschnitt durch Dimmer
Bild 0012: Spektrum des Stromes bei Phasenanschnitt durch Dimmer
Das Spektrum ähnelt sehr stark den Spektren von einphasigen Gleichrichtern, wegen der steilen Einschaltflanke reichen die Stromoberschwingungen im Frequenzbereich weit nach oben.
 

LED-Beleuchtung

 
Bild 0013: Oszillogramm einer LED-Beleuchtung
Bild 0013: Oszillogramm einer LED-Beleuchtung
Bei LED-Beleuchtungen kommen die unterschiedlichsten Stromversorgungsvarianten zum Einsatz. Z.T. werden keine Schaltwandler oder Transformatoren verwendet, sondern nur in Reihe zur Netzspannung geschaltete Kondensatoren. Diese wirken als Strombegrenzung und ergeben die billligste Form eines Netzteils für die LEDs.
 
Da Kondensatoren aber Hochfrequenz "ansaugen", besteht hier eine besondere Gefahr der Netzresonanz und auch der Zerstörung der LED-Beleuchtungseinheiten.
 
 
Bild 0014: Vermessung der Hochfrequenz in den Überschwingern aus dem Beispiel oben
Bild 0014: Vermessung der Hochfrequenz in den Überschwingern aus dem Beispiel oben
Die Überschwinger resonieren in diesem Beispiel mit einer Frequenz von 3,676 kHz. Dies bedeutet, dass ein klassischer Netzanalysator das zumeist nicht mehr messen kann (er endet meist bei 2,5 kHz = 50. Oberschwingung).
 
Erst mit bandbreiten Messmitteln, wie z.B. Oszilloskopen, wird das erkennbar.
 

Achtung: Aus Sicherheitsgründen dürfen keine geerdeten Oszilloskope oder mit einem Metallgehäuse versehenen Oszilloskope verwendet werden. Für diese Art Messungen wird unbedingt erdfreies und isoliertes Equipment mit einer Spezifikation nach mindestens CAT III 1000 V / CAT IV 600 V benötigt, z.B. Fluke ScopeMeter Serien 120, 225 oder 190 II.

 
Oszilloskope durch Unterbrechen des PE "hochzulegen" (womöglich noch solche mit Metallgehäuse oder anderen berührbaren Teilen), ist lebensgefährlich und daher verboten. Die Arbeitssicherheit wird bei einem solchen Vorgehen nicht eingehalten!
 
 



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