Störungen durch Oberschwingungen vermeiden

Nichts ist perfekt, auch nicht die Verteilung von und Versorgung mit elektrischer Energie. In Wechselspannungsnetzen wird die Spannung mit einem gleichförmigen Sinusverlauf illustriert, die den regelmäßigen Wechsel der Polarität darstellt. Doch in der Realität sind diese Wellen alles andere als perfekt. Sinusverläufe mit sogenannten Oberschwingungen stören die Effizienz und die Zuverlässigkeit des Stromnetzes. Deshalb müssen sie so weit wie möglich vermieden werden.

Da immer mehr Geräte und Maschinen im Spannungsnetz betrieben werden, die Oberschwingungen verursachen, nehmen auch die Auswirkungen auf Netze und Verbraucher zu. Die Folgen sind vielfältig und fangen schon bei Kabeln an. Sie werden durch die zusätzliche Belastung erhitzt, was zu Kabelschäden und zu unerwünschten magnetischen Feldern führen kann. Auch Motoren, Generatoren und Kondensatoren können durch den zusätzlichen Stromfluss von Oberschwingungen überhitzen. In Transformatoren und Drosselspulen verursachen Oberschwingungen Eisenverluste. An Spulen können Spannungsfälle entstehen. Selbst Stromausfälle, die durch Oberschwingungen verursacht werden, sind möglich – mit oft schwerwiegenden Auswirkungen auf die Infrastruktur.

Aufgrund der Gefahren für Maschinen und Anlagen liegt es im Interesse aller Betreiber, deren Equipment als Verbraucher Teil des Stromnetzes ist, das Entstehen von Oberschwingungen so weit wie möglich zu reduzieren. Viele Netzbetreiber geben für Oberschwingungen Grenzwerte vor. Dies soll zum einen die Störaussendung von oberschwingungserzeugenden Maschinen in erträglichen Grenzen halten. Zum anderen soll aber auch die Störfestigkeit von Maschinen, die in Netzen mit Oberschwingungen betrieben werden, festgelegt werden.

Oberschwingungen zu erkennen und zu bekämpfen, ist jedoch nicht einfach, denn nicht immer treten Probleme sofort und eindeutig sichtbar auf. Häufig ist das Phänomen bei Betreibern kaum bekannt, sodass sich auftretende Probleme erst gar nicht auf Oberschwingungen zurückführen lassen.

Die Bedeutung von Frequenzumrichtern

Sinn und Zweck von Frequenzumrichtern ist es, die aufgewendete elektrische Energie durch die Regelung der Motordrehzahl genau an die Erfordernisse des Prozesses anzupassen. Dieses Vorgehen kann viel Energie sparen, doch gleichzeitig kann es zur Entstehung von Oberschwingungen führen. Der Einfluss von Oberschwingungen auf das Stromnetz und die daran angeschlossenen Geräte dürfen Betreiber deshalb nicht vergessen. Wird bei der Planung neuer Anlagen oder einem Retrofit – wie etwa der nachträglichen Ausrüstung des Anlagenbestands mit Frequenzumrichtern – darauf geachtet, dass die Anlage möglichst wenige Oberschwingungen verursacht, lassen sich kurz- und langfristig Kosten sparen. So bedeutet ein geringer Oberschwingungsgehalt zum Beispiel, dass Kabel nicht überdimensioniert ausgeführt werden müssen. Auch der Leistungspuffer des Transformators als eine der teuersten Komponenten im Stromnetz kann kleiner dimensioniert werden.

Wo ein geringer Oberschwingungsgehalt von hoher Bedeutung ist, sollten Anlagenbetreiber also Frequenzumrichter nutzen, die geringe THDi-Werte gewährleisten. Im Mittelpunkt stehen dabei sogenannte AFE-Frequenzumrichter. AFE bedeutet Active Front-End. Dies ist eine Technologie zur Gleichrichtung des Stroms, bei der statt Diodengleichrichterbrücken Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) verwendet werden. Die Eingangs-IGBTs solcher Frequenzumrichter lassen sich besonders präzise steuern. Diese Fähigkeit bewirkt, dass der aus dem Netz entnommene Strom sinusförmig bleibt. Oberschwingungen werden vermieden, und die Spannungskurve nimmt einen nahezu perfekten Sinusverlauf.