MANFRED FENDER, HARTMUT DORNER, GÜNTER WEIDA
 
 

Prof. Dr.-Ing. Manfred Fender ist Dozent an der Fachhochschule Wiesbaden in 65428 Rüsselsheim. Dipl.-Ing. Hartmut Dorner ist Leiter Netzanalyse bei der Danfoss Antriebs- und Regeltechnik GmbH in 63073 Offenbach. Dipl.-Ing. Günter Weida ist Mitarbeiter der AvK Deutschland GmbH & Co. KG in 63303 Dreieich

1 Einleitung

Netzersatzanlagen werden immer dann eingesetzt, wenn Verbraucher bei Ausfall der Netzspannung weiter betrieben werden müssen oder sollen. Ebenfalls werden sie eingesetzt, wenn der vorhandene Netzanschluss nicht die benötigte Leistung zur Verfügung stellt. Sie können dann als alleinige Versorgung dienen, es handelt sich somit um ein Inselnetz. Der Betrieb parallel zum öffentlichen Netz ist ebenfalls möglich, um eine höhere Netzleistung zu erreichen. Dies wird gern bei gleichzeitigem Bedarf von Wärmeleistung vorgenommen, die in sogenannten Blockheizkraftwerken (BHKWs) anfällt. Diese BHKWs nutzen den dabei erzielbaren hohen Wirkungsgrad dieser Energieumwandlung.

Als Netzersatzanlagen im kleineren Leistungsbereich sind elektronische unterbrechungsfreie Spannungsversorgungsanlagen (USV-Anlagen) beispielsweise für Personalcomputer (PCs) inzwischen weit verbreitet. Auf diesen kleineren Leistungsbereich wird hier nicht weiter eingegangen. Einige Gesichtspunkte aber, die im Folgenden angesprochen werden, treffen auch auf die USV-Anlagen zu.

Werden Leistungen ab zirka 5 kW über längere Zeiträume benötigt, ist die Stromversorgung mittels eines Generators (Bild 1) üblich. Dabei kommen heute bis rund 30 kVA auch kondensatorerregte Asynchrongeneratoren und im höheren Leistungsbereich überwiegend Synchrongeneratoren zum Einsatz.

Die Anforderungen an Generatoren haben sich durch die Änderung der Belastungsstruktur in den letzten Jahren grundlegend gewandelt. Vorhandene Generatoren erwiesen sich den neuen Belastungen oftmals nicht mehr als ausreichend gewachsen. Denn in der Beleuchtungstechnik treten nun an die Stelle von Glühlampen verstärkt elektronisch gesteuerte Leuchtmittel (Energiesparlampen mit Vorschaltgerät). In der Antriebstechnik werden Elektromotoren nicht mehr direkt an das Netz geschaltet und drehzahlstarr betrieben, sondern mit Frequenzumrichtern stufenlos geregelt oder mittels elektronischer Sanftanlasser weich zugeschaltet. Der Bereich der Datenverarbeitung und Kommunikation wächst rasant weiter, und all diese Verbraucher stellen besondere Anforderungen an das speisende Netz bzw. belasten dies durch geänderte Verhaltensweisen.

Heutige Verbraucher müssen mit Verbrauchern rechnen, die eine nichtlineare Stromaufnahme haben. Diese werden außer der Grundschwingung zusätzlich höherfrequente Anteile, also Oberschwingungen, in den Strom einprägen. Über die Netzimpedanz werden diese dann auf die Spannung übertragen und somit bei allen in diesem Netz betriebenen Geräten zu finden sein. Die Netzimpedanz selbst ist für öffentliche Netze mit einem Mindestwert von
(0,24 + j0,15)W vorgeschrieben, der meistens noch weit unterschritten wird. Bei Speisung des Netzes durch einen Generator kann dieser Impedanzwert noch höher liegen. Die vorhandenen Stromoberschwingungen werden sich dann entsprechend stärker als erhöhter Oberschwingungsgehalt auf die Spannung auswirken.

Wurde dies bei der Planung berücksichtigt, können gesetzliche Oberschwingungsgrenzwerte eingehalten werden.Werden diese überschritten, so kann es zu einer Funktionsstörung der Geräte und damit zu einem vorzeitigen Ausfall oder gar zu einer Zerstörung kommen. Aber auch der speisende Generator wird zusätzlich belastet, ebenso ebenso wie eventuell vorhandene Anlagen zur Blindstromkompensation. Welche Gesichtspunkte und wichtigsten Kriterien bei der fachgerechten Planung einer Netzersatzanlage (Bild 2) beachtet werden müssen, um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten, soll im Weiteren behandelt werden.
 
 

2 Eigenschaften von Verbrauchern

Da von den unterschiedlichen Verbrauchern, die in einem Niederspannungsnetz betrieben werden, sehr unterschiedliche Netzrückwirkungen zu erwarten sind, muss bei der Planung einer Gesamtanlage das Verhalten der einzelnen Geräte berücksichtigt werden. Diese können je nach ihrem inneren Aufbau dann zu Verbrauchergruppen zusammengefasst werden (siehe auch Teil II [2], Abschnitt 4).

Kleinverbraucher (einphasig) mit B2-Gleichrichterschaltung auf der Netzseite: Diese Gleichrichterschaltung erzeugt einen Stromoberschwingungsgehalt von 100 bis 200 %, bezogen auf den Strom der 50-Hz-Grundschwingung. Damit ergibt sich ein Blindleistungsfaktor l , der in einem Bereich von 0,7 bis 0,45 liegt. Eingesetzt wird diese Schaltung beispielsweise in PCs, Fernseh- und Radiogeräten, Steuerungen für Energiespar- oder Leuchtstofflampen, in Netzteilen für Spielzeuge und Kleingeräte sowie in Regelgeräten für Elektromotoren mit weniger als 2.000 W Leistung.

Umrichter (dreiphasig) mit B6-Gleichrichterschaltung: Diese Eingangsschaltung erzeugt einen Stromoberschwingungsgehalt von 40 bis 110 %. Es ergibt sich ein damit ein Blindleistungsfaktor l , der in einem Bereich von 0,93 bis 0,67 liegt. Eingesetzt wird diese Drehstrombrückenschaltung generell in Frequenzumrichtern für Motorleistungen größer 2 kW, aber auch in Ladestationen für Elektrofahrzeuge, in größeren Servo- und Gleichstromantrieben sowie in USV-Anlagen für die EDV-Technik von Krankenhäusern oder Flughäfen. Bei Umrichtern im Leistungsbereich ab 200 kW werden auch höher pulsige Gleichrichter zur Reduzierung des Oberschwingungsstroms eingesetzt.
Es muss an dieser Stelle aber auf Sonderformen von Umrichtern, die einen gesteuerten Eingangsgleichrichter verwenden, hingewiesen werden. Dies betrifft meist große Leistungen ab zirka 100 kW, die sich bis in den Megawattbereich erstrecken können. Verwendet wird dieser Gleichrichter in I-Umrichtern und Gleichstromantrieben, die Energie in das Netz zurückspeisen können. Bei diesem Gleichrichter wird nur ein geringerer Oberschwingungsgehalt erzeugt (zirka 25 %); dafür tritt aber der Effekt der kontinuierlichen Netzspannungseinbrüche durch das sechsmalige Schalten des Gleichrichters innerhalb einer Netzfrequenzperiode auf. Diese Kommutierungseinbrüche sollten nicht größer als 20 % des Spannungsscheitelwerts sein; sie müssen daher generell durch sogenannte Kommutierungsdrosseln bedämpft werden.

Drehstrommotoren, die an einem Netz betrieben werden, erzeugen von sich aus kaum Stromoberschwingungen. Diese betragen nur wenige Prozent und werden üblicherweise in Planung und Berechnung nicht berücksichtigt. Wichtiger ist sind die beiden positiven Eigenschaften der Motoren, durch ihren ohmsch-induktiven Anteil die Netzimpedanz zu verbessern und durch ihre Rotationsenergie das Netz bei kurzen Spannungseinbrüchen zu stützen. Das Zuschalten von großen Motoren und Generatoren wird generell, bedingt durch den hohen Einschaltstrom, zu einem Spannungseinbruch führen, der die –10-%-Unterspannungsgrenze unterschreiten kann. Das Ausregeln von Generatoren führt anschließend zu einem geringen Überschwingen der Spannung.

Ohmsche Verbraucher wie elektrische Heizungen und Glühlampen erzeugen keine Stromoberschwingungen und lassen sich durch eine verzerrte (mit Oberschwingungen versehene) Netzspannung nicht beeinflussen. Sie erzeugen selbst keinen Blindstrom und beeinflussen nur den ohmschen Anteil der Netzimpedanz. Glühlampen reagieren dagegen sehr sensibel auf Netzüberspannungen, ausgefallene dienen quasi als ein Indikator dafür.

Blindstromkompensationsanlagen verbessern den Leistungsfaktor cosj und sind üblicherweise in großen Anlagen anzutreffen. Sie helfen, die Blindleistung und damit die Kosten beim Stromversorgungsunternehmen dafür zu reduzieren. Da die Kompensationskondensatoren eine kapazitive Belastung in dem Netz darstellen, wird damit ein Ausgleich zu den vorherrschenden induktiven Verbrauchern geschaffen. In dem gesamten Netz entsteht somit eine Situation, bei der auf der einen Seite Induktivitäten L installiert werden (müssen), auf der anderen Seite Kapazitäten C eingesetzt werden (sollen). Dadurch entsteht ein LC-Gebilde, das resonanzfähig ist. Die Resonanzfrequenz wird dabei immer niedriger, je mehr Induktivitäten und Kapazitäten verwendet werden. Auch Transformatorimpedanzen und Kabelkapazitäten gehen in diese Gesamtbetrachtung mit ein. Bei dem Generatorbetrieb eines Netzes ist eine Grenze von 30 % resultierendem kapazitivem Verbraucherstrom zu beachten, weil bei höherer kapazitiver Belastung die Spannung im Inselnetz ansteigen wird.

Werden in einem Netz zuwiegend Verbraucher betrieben, die kompensiert werden müssen, so wird die Resonanzfrequenz dieses Netzes immer niedriger und kann in den Bereich der typisch vorherrschenden Oberschwingungen geraten. (siehe Teil III [3], Abschnitt 2). Eine Abhilfe kann mit verdrosselten Kompensationsanlagen geschaffen werden. Dabei werden vor die Kondensatoren Drosseln installiert, wobei die Resonanzfrequenz so festgelegt wird, dass sie nicht mit den Frequenzen der Oberschwingungen zusammenfällt.
Schalter und Sicherungen erzeugen beim Betätigen oder Ansprechen ein zufälliges Oberschwingungsspektrum. Es können dabei alle gerad- und ungeradzahligen Harmonische sowie Zwischenharmonische entstehen; das gesamte Frequenzspektrum ist also möglich. Dieses Phänomen ist abhängig von der Phasenlage während des Betätigens und von der geschalteten Verbraucherart.
Zusammen mit den Transformatoren zur Netzeinspeisung oder den Generatoren ergibt sich ein komplexes LC-Gesamtbild. Dieses muss zur Berechnung der Auswirkungen von Netzrückwirkungen auf die Spannungsqualität in einem Netz herangezogen werden.
 
 

3 Netz- und Generatorimpedanz
 

Die Norm DIN EN 60 555, Teil 3 (IEC 550-3 und EN 61 003-3) gilt für Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen, die durch Haushaltgeräte und ähnliche elektrische Einrichtungen verursacht werden. Die darin festgelegte Netz- oder
Generatorimpedanz von  gemäß Bild 2 setzt man für die Prüfung von Haushaltgeräten voraus. Diese relativ hochohmige Impedanz wird immer wieder im Zusammenhang mit Gewerbe und Industrie genannt, aber sie kann dafür keine Bedeutung haben, weil man daran noch nicht einmal einen Standard-Asynchronmotor von nur 5,5kW Wellenleistung, 13A Nennstrom und 80A Einschaltstrom anfahren kann. Der Spannungsabfall erreicht 0,283W *80A=23V und es kann die Netzspannung um 10% auf 90% sinken, was zum Abfallen von Schützen und zu ernsthaften Störungen von anderen Verbrauchern führen kann. Der Wert von 0,24W berechnet sich für den Leitungswiderstand eines Drehstromkabels von 10qmm Aderquerschnitt und 120m Länge bei stromlosem N-Leiter. Oft findet man niedrigere Impedanzen vor, weil größere Querschnitte verlegt sind. Man möchte dem Kunden nicht zumuten, daß einphasige 16A-Verbrauchern einen Spannungseinbruch um 16A*(0,24W +j0,15W ) oder 4,53V/230V=1,97% ergeben und ein störendes Flickern der Beleuchtung auftritt.
Betrachtet man nun über das Anschlußkabel eines Haushaltes hinaus die Netzimpedanz am Einspeisepunkt, so findet man vielfach ein Maschennetz vor, das gemäß Bild 3 Überraschungen bieten kann. Neben Umschaltungen von Kabeln, wechselnder Kraftwerksan-
 

zahl oder der Umschaltung auf Netzersatzanlagen bringen die Kondensatoren von Blindstromkompensationen, die Kapazität von Mittelspannungskabeln usw. große Unwägbarkeiten mit sich. Für die Kondensatoren empfiehlt sich eine getrennte Betrachtung wie z.B im Teil III dieses Aufsatzes [3]. Der Teil II [2] gibt Hinweise auf das Zusammenspiel mehrerer Oberschwingungserzeuger im Netz. Im Folgenden wird nun angenommen, daß insbesondere bei Notstromschienen in Betrieben mit definierter Anzahl und Art von Verbrauchern keine Probleme durch Kapazitäten auftreten.

Kurzschlußstromberechnungen erfassen die Impedanzen von Kabeln, Generatoren und auch die netzstützende Wirkung von Asynchronmotoren. Aufgrund der in ihrem Magnetfeld vorhandenen Energie liefern die Motoren und die Generatoren einen großen Stoßkurzschlußstrom ins Netz. Nach dem Abklingen der Ausgleichsvorgänge liefert der Generator den kleinen Dauerkurzschlußstrom und der Motor nichts. Weder für die 50Hz-Grundschwingung, noch für die Oberschwingungen verhält sich das Netz wie eine Spannungsquelle mit einem ohmschen Innnenwiderstand und einer konstanten Induktivität deren Impedanz proportional zur Frequenz wächst. Für Synchrongeneratoren beschreiben R₁, X_d, X_d ‘ und X_d ‘‘ die Verhältnisse und für Schenkelpolläufer kommt noch X_q hinzu. . Diese Zusammenhänge kann man nicht mit der einfachen Darstellung in Bild 2 beschreiben, sondern mit Bild 4 und 5.
Hier wird nicht die Kurzschlußfestigkeit elektrischer Anlagen und auch nicht der Gleichanteile im Anfangskurzschlußwechselstrom betrachtet, sondern der quasistationäre Betrieb von Generatoren und Transformatoren mit oberschwingungsbehafteter Last. Im oberen Teil des Bildes 4 findet man
 
 

das normale Ersatzschaltbild der Vorgänge für die 50Hz-Grundschwingung in einem Generator. Zwischen der Polradspannung U_p und der Klemmenspannung U₁ liegen der ohmsche Ständerwicklungswiderstand R₁ und der hochohmige Innenwiderstand X_d=w L_d
Vergleicht man dies mit dem Netzbetrieb, so entspricht X_d einem Transformator, der etwa u_x=150% bis 250% Kurzschlußspannung aufweist statt der üblichen 3 bis 6%. Demzufolge müßte die Umschaltung vom Transformator-Netzbetrieb auf einen leistungsgleichen Notstromgenerator für alle Frequenzen auf einen Anstieg des Innenwiderstandes hinauslaufen, der überschlägig den Faktor 200% / 5%=40 ergibt. Hiermit liegt man jedoch eindeutig falsch, weil nicht mehr Erregerwicklung und Ständerwicklung die Feldverteilung in der Maschine bestimmen, sondern Dämpferkäfig und Ständerwicklung. Es liegen Verhältnisse wie bei der Asynchronmaschine vor, weil das Feld des im Ständer fließenden Oberschwingungsstromes asynchron zum Rotor umläuft. Beispielsweise dreht die 5-te entsprechend zu 5*50Hz=250Hz mit 5n₀ gegen die Rotordrehrichtung und induziert 300Hz-Ströme im Dämpferkäfig. Die 7-te bringt es auf 7n₀ in Läuferdrehrichtung und somit ebenfalls auf 300Hz im Läufer. Dafür sind unten im Bild 4 und im Bild 5 L_d‘‘ und R₁+R₂‘/s eingetragen wobei der Schlupf s etwa den Wert 1 aufweist. Beispielsweise hat s für die 5-te Oberschwingung den Wert s=(n_Feld-n_mech)/n_Feld=5n₀-(-n₀)/5n₀=1,2.
 
 
 

Die relativen x_d‘‘-Werte von Generatoren liegen zwischen 8% und 14% und sind deutlich kleiner als das x_d=70 bis 140% der Grundwelle. So wie man beim Transformator den induktiven Innenwiderstand aus Nennleistung S_N, Nennspannung U_N und Kurzschlußspannung  berechnet, setzt man hier x_d‘‘ ein.

(2)

(3)

 Da die subtransiente Reaktanz x_d‘‘ des Generators in der Regel größer als das u_k des Netztransformators ist, treten nach dem Umschalten auf den Generator höhere Spannungswelligkeiten auf. Verschärft wird die Situation dann, wenn die Generatornennleistung kleiner als die des Netztransformators ist. In beiden Fällen unterstützen Asynchronmotoren die Sinusform der Spannung, weil ihr x_d‘‘ und R_k parallel zum x_d‘‘ und R_k des Generators liegen. Gl.(1) bis (3) gelten für die Asynchronmaschine in gleicher Weise, wenn I_N / I_AN an die Stelle von x_d‘‘ tritt (Anfahrstrom I_AN). danach kann man für einen gegebenen Oberschwingungsstrom die dazugehörige Oberschwingungsamplitude gemäß Bild 4 berechnen.
 

Nullsysteme erhält man nach der Methode der symmetrischen Komponenten immer dann, wenn der N-Leiter einen Strom führt. Während der durch Schieflast verursachte 50Hz-Anteil des N-Leiterstromes gut bekannt und auch mit wenig Problemen verbunden ist, führen einphasige Gleichrichter-Lasten mit kapazitiver Glättung wie Fernsehgeräte, PC’s und Energiesparlampen zu echten Schwierigkeiten. Die Oberschwingungsströme mit durch 3 teilbarer Ordnungszahl wie z.B. die 3-te mit 150Hz fließen gleichphasig in den 3 Phasen wie im Bild 5 dargestellt, löschen sich im N-Leiter nicht aus und belasten den N-Leiter mit dem 3-fachen Strom. Die Dreieckwicklung des Transformators schließt gemäß Bild 5 diese Ströme kurz, es werden die Impedanzen des Mittelspannungsnetzes nicht wirksam und so liegt im Vergleich zu den anderen Komponenten ein verminderter Innenwiderstand vor wie im mittleren Teil des Bildes 4 dargestellt. Dasselbe bewirkt auch der ideale Transformator im Bild 5. Dieser Effekt sollte auch deshalb Beachtung finden, weil die Streuinduktivität der Dyn5-Netz-Transformatoren selbst für ein Nullsystem nur etwa 60% von den Werten des Drehstrombetriebes erreichen. Außergewöhnlich gute Werte erreichen Yzn5- und Dzn6-Transformatoren, die für Nullsysteme nur 5 bis 10% von der Drehstromstreuinduktivität aufweisen und damit die Oberschwingungsspannungen mit durch 3 teilbarer Ordnungszahl beseitigen. Von daher müßten zukünftig mehr Dzn6-Transformatoren eingesetzt werden (s.Teil I und II und [4]). Bei Generatoren und Asynchronmaschinen bauen die gleichphasigen Ströme ein Feld auf, das sich nicht im Ständer zu Null ergänzt, sondern über die Luft schließt. Damit halbiert sich etwa die Streuinduktivität und es liegt die Nullreaktanz x₀ im Bereich von 3,5% bis 7%. Ein kleinerer Wert von x₀ ergibt kleinere Werte für die 150Hz-Oberschwingungsspannung.
Kommutierungsvorgänge von gesteuerten Gleichrichtern usw. ohne N-Leiteranschluß ergeben kein Nullsystem und sind mit u_k oder x_d‘‘ berechenbar. Für Geräte mit N-Leiter oder einphasige Elektroniken empfiehlt sich eine Nachbildung mit einem Simulationsprogramm (z.B. PSPICE) gemäß Bild 5.

4 Arten von Generatoren

Im Maschinen- und Anlagenbau werden vornehmlich Asynchron- und Synchrongeneratoren verwendet [5–7]. Asynchrongeneratoren müssen mit Kondensatoren erregt werden und können deshalb in der Regel nur bis rund 30 kVA eingesetzt werden. Sie sind bei einem Oberschwingungsgehalt im Netz gut geeignet, weil die Kondensatoren die Oberschwingungsströme aufnehmen. Dagegen sind Synchrongeneratoren in jeder Leistungsklasse einsetzbar. Deshalb werden hier nur sie beschrieben.
Ein Synchrongenerator, zum Beispiel aus dem Haus AvK, besteht aus einem Haupt- und einem Erregergenerator (Bild 7). Der Hauptgenerator ist eine Schenkelpolmaschine als Innenpolausführung. Der auf derselben Welle sich befindende Erregergenerator ist eine Drehstromaußenpolmaschine. Die Spannungsregelung der Hauptmaschine erfolgt bei wechselnder Belastung durch Ändern des Erregerstroms in der Wicklung der Erregermaschine durch den Spannungsregler. Dieser steuert die Energie für das Magnetfeld der Erregermaschine.
Deren dreiphasige Rotorwicklung erzeugt eine Leistung, die mit einem rotierenden Gleichrichter umgeformt und der Erregerwicklung der Hauptmaschine zugeführt wird. Im Ständer der Erregermaschine sind Dauermagnete eingebaut, die eine sichere "Auferregung" bewirken.
Der standardmäßig eingesetzte Spannungsregler hält die Klemmenspannung bei den verschiedensten Belastungen auf rund 1 % konstant. Dies gilt für den Leerlauf bis hin zur linearen Nennlast bei cos j = 0,1 – 1 und bei einer Drehzahländerung von D n = –5 %. Bei einem Oberschwingungsgehalt wird ein Tiefpassfilter am Messeingang des Spannungsreglers vorgesehen.
Synchrongeneratoren sind selbst geringe Oberschwingungserzeuger. Durch geschickte Wicklungsauslegung wird die Oberschwingungserzeugung stark reduziert oder in Teilbereichen ganz vermieden. Um eine optimale Sinuskurve zu erzeugen, ist das Rotorblech so ausgeführt, dass der Luftspalt sich von der Mitte nach außen hin erweitert. Damit entsteht eine Flussverteilungskurve, die nicht rechteckig ist, sondern sich einer Sinuskurve annähert. Damit eine Spannungskurve erzeugt wird, die der idealen Sinuskurve so nah wie möglich kommt, wird zusätzlich zu vorgenannter Maßnahme eine Sehnung des Wickelschritts vorgenommen. Dadurch ersteht eine Spannungskurve mit einem Spannungsklirrfaktor von K_u = 2 % bei Leerlauf bis linearer und symmetrischer Nennlast, gemessen zwischen zwei Phasen.Zwischen einer Phase und dem Nullleiter baut sich auch bei symmetrischer linearer Belastung bei einer Wicklung mit 5/6-Schritt die dritte Oberschwingung proportional zur Last auf und kann bis zui K _u  = 8 % erreichen. Dadurch kann es bei Netzparallelbetrieb, wenn die Netzspannung zwischen der Phase und dem Nullleiter sinusförmig ist, zu einem relativ hohen Strom im Nullleiter kommen. Zur Reduzierung muss dann eine Sternpunktdrossel eingesetzt werden. Eine andere Maßnahme ist es, die Wicklung mit einem 2/3-Schritt vorzusehen. Damit ist auch bei Inselbetrieb zwischen Phase und Nullleiter eine Spannungskurve ohne dritte Oberschwingung vorhanden. Oberschwingungen durch die Nutung des Ständers werden dadurch beseitigt, dass der Ständer oder der Rotor um eine Nutteilung geschrägt ist.

5 Normen

Für Aggregate, wie sie Generatoren darstellen, wurde die Norm DIN 6280 erstellt. Diese hat 15 Teile: Teile 1 bis 10 für Aggregate, Teil 11 für Schwingungen, Teil 12 für USV-Anlagen, Teil 13 für Krankenhäuser und Versammlungsstätten, Teil 14 für BHKW-Grundlagen sowie Teil 15 für BHKW-Prüfungen. Für Generatoren gilt die Norm DIN EN 60034-1 und die Richtlinie VDE 0530. Für das öffentliche Netz gilt die Norm EN 61000-2-2 und für Industrienetze die Normen EN 61000-2-4 und DIN EN 50178. Darin sind unter anderem die Grenzwerte für Spannungs- und Frequenzschwankungen, Oberschwingungen und Kommutierungseinbrüche festgelegt.
Will man eine durch elektronische Last verzerrte Spannung (Bilder 8 und 9) anhand der Normen bewerten, so ist klar zwischen Sternpunktspannung und verketteter Spannung zu unterscheiden. Oft weist die Sternpunktspannung eine höhere Verzerrung auf, weil die Oberschwingungen mit durch drei teilbarer Ordnungszahl wegen ihrer Gleichphasigkeit nur gegen Sternpunkt messbar sind. Beim Messen der verketteten Spannung fehlen diese Komponenten, man bemerkt Grenzwertüberschreitungen nicht, und der THD-Wert ist auch kleiner, weil die Spannungen U ₃ , U ₉ usw. fehlen:

Dieser Zusammenhang ist insbesondere für Generatoren ohne 2/3-Schritt wichtig. Auch wenn kein Nullleiter angeschlossen ist und somit auch keine Lastströme mit durch drei teilbarer Ordnungszahl fließen, gibt es doch etwa proportional zur Wirkleistung steigende Werte U₃, U ₉usw.
Für eine i ohmsche Last m wurde beispielsweise an einem 43-A-Generator bei nur 19,5 A Last mit U ₃= 5,8 % und THD _uMp = 6,2 % eine Grenzwertüberschreitung festgestellt – und das ganz ohne jede elektronische Last. Die verkettete Spannung hierzu kann mit U ₃= 0,3 % und THD _uVer = 1,3 % als sauber sinusförmig gelten. Auf diese Weise entstanden die Angaben in der Tabelle zur R-Last.

U-Umrichter m beziehungsweise Frequenzumrichter mit ungesteuertem B6-Gleichrichter und Pufferkondensator im Zwischenkreis als Last an diesem Generator ergaben für preiswerte Geräte ohne Kommutierungs- und ohne Glättungsinduktivität sowie ohne Funkentstörmaßnahmen bei 9,9 A Laststrom folgende Werte:
l =0,91,U _3Mp = 2,6 %, U _3Ver= 0,5 %, U _5Mp = 5,7 %, U _5Ver = 5,8 %, THD _uMp = 8,3 % und
THD _uVer = 7,8 %. Auch wenn U ₅ noch unter den zulässigen 6 % liegt, wurde wegen des oberhalb von 8 % liegenden THD-Werts eine zulässige Last von 9,5 A oder 22 % festgesetzt (siehe Tabelle). Wegen des hohen Generatorinnenwiderstands erreicht I ₅ nur 33,6 %. Ein Frequenzumrichter mit etwas Glättungsinduktivität zwischen Gleichrichter und Kondensator hatte im niedrigen Frequenzbereich kleinere Netzrückwirkungen, aber im Bereich der 25-sten bis 40-sten Oberschwingung wegen seines Funkentstörkondensators höhere Werte. Als optimal erwies sich eine Drehstrom-Kommutierungsinduktivität zwischen Generator und Frequenzumrichter. Mit nur 2,4 % Kurzschlussspannung wurde eine höhere Belastbarkeit gemäß der Tabelle erreicht. Simulationsrechnungen gemäß den Bildern 5 und 6 bestätigten weitgehend die Allgemeingültigkeit der Messergebnisse.
 I-Umrichter m oder Stromrichter mit Gleichstrommotor oder gesteuerte Gleichrichter mit induktivem Zwischenkreis als Last an diesem 43-A-Generator ergaben das Oszillogramm in Bild 9. Obwohl die Last nur 6 A beträgt, erreicht der Spannungseinbruch bei der Kommutierung 33 % und überschreitet somit den zulässigen Wert von 25 %. Erhöht man die Motordrehzahl und damit die Ausgangsspannung von 100 auf 435 V, so sinkt der Einbruch auf 21 %. Auch wegen des THD-Werts wurde der zulässiger Strom kleiner angesetzt und zwar zu 4,5 A oder 10 %. Bei 6 A sind zwar
U _3Mp = 0,8 %, U ₅ = 3,5 % und I ₅ = 30,6 % sehr klein, aber es sind bei hoher Ordnungszahl noch viele Amplituden vorhanden. Und so sind THD _uMp = 11,9 % und THD _uVer = 11,1 % entstanden. Die Ursache findet man in der Rechteckform des Netzstroms, der viele Anteile mit hoher Frequenz aufweist (1/ n  -Gesetz).

 Büroelektronik  oder ungesteuerte einphasige Gleichrichter mit Pufferkondensator belasten den 43-A-Generator beispielsweise bei 10,5 A mit gr i l m = 0,76 so wie es Bild 8 zeigt. So ähnlich wie beim B6-Frequenzumrichter (U-Umrichter) steigt der Strom sanft an und fällt auch wieder sanft ab. Er enthält somit nur niederfrequente Anteile. Während sich beim B6-Gleichrichter die verkettete Spannung einer Trapezform annähert, ist hier die Sternpunktspannung durch die Kondensatorspannung des Zwischenkreises begrenzt. Da mit Rücksicht auf die Nachbildung dieser einfachen preiswerten Geräte auf eine Kommutierungsinduktivität verzichtet wurde, sind die Netzrückwirkungen groß. Zu 10,5 A ergaben sich U _3Mp = 4,8 %, U _3Ver = 0,2 %, U ₅ = 5,2 %, THD _uMp = 8,5 % und THD _uVer = 6,8 %. Daraus wurde 9,9 A oder 23 % als zulässige Last ermittelt. Bei einem Generator mit 2/3-Schritt könnte man deutlich höher gehen. Hier ist jetzt aber wegen der dritten Oberschwingung der THD-Wert der Sternpunktspannung der begrenzende Faktor. I ₃ = 74 % und I ₅ = 38 % bestätigen zusammen mit den Spannungswerten den geringen Innenwiderstand des Generators. Für L _d '' = L ₀ wäre näherungsweise U ₃ = 6,2 % zu erwarten. Berücksichtigt man die Generatordaten x _d '' = 11,4 % und x ₀ = 5,0 %, so erhält man nur noch 2,7 %. Diese Spannung addiert sich zur vom Generator erzeugten Spannung U _3Gen = 2,7 %, die bei gleicher Wirkleistung und ohmscher Last zu erwarten ist, und wurde in der Summe zu i U m t 3 m = 4,8 %. gemessen. Speziell bei dieser B2-Last addiert sich die vom Generator erzeugte dritte Oberschwingungsspannung etwa algebraisch zu dem Spannungsabfall, den der dritte Lastoberschwingungsstrom erzeugt.
 

6 Kriterien für den Generatorbetrieb

Grundsätzlich ist zu beachten, dass sich ein Generator anders verhält als ein Netz. Er ist gegenüber dem Netz in der Regel ein leistungsschwächerer Stromerzeuger. Für die Wirkleistung ist die Antriebsmaschine (und der Generator), für die Blindleistung der Generator zuständig. Für die Frequenzgenauigkeit ist der Drehzahlregler und für die Spannungsgenauigkeit der Spannungsregler zuständig. Für das Verhalten bei Belastung durch Oberschwingungsströme ist die Dämpferwicklung entscheidend.

Für die Auslegung des Generators ist zunächst die installierte Leistung und der Gleichzeitigkeitsfaktor zu ermitteln, damit die Bemessungsleistung für den Generator festgelegt werden kann. Durch die Zuschaltung von Netzteilen oder Asynchronmotoren entsteht ein dynamischer Spannungseinbruch, hervorgerufen durch den überwiegend induktiven Innenwiderstand des Generators. Der Spannungseinbruch ist abhängig vom relativen Laststoß, dem Lesitungsfaktor und beim Generator von dessen transienter Reaktanz x _d '.

Bei einer Laständerung wird der Erregerstrom nachgeregelt. Bei Laststößen treten auch infolge des Drehzahleinbruchs dynamische Frequenzänderungen auf. Bei nichtlinearer Belastung wird die annähernd sinusförmige Generatorspannung durch verbraucherseitige Oberschwingungen überlagert. Es entsteht in der Spannungskurve ein erhöhter Spannungsklirrfaktor. Dieser ist abhängig von der elektrischen Steifigkeit des Generators, das heißt von dessen Kurzschlussleistung. Generatorseitig gilt hier die subtransiente Reaktanz x _d ''.
Sie beträgt 10 bis 14 % der Nennimpedanz. Die Kurzschlussleistung ergibt sich aus S _K '' = S _N / x _d ''.

Ein Vergleich mit der Einspeisestelle des Netzes wird zeigen, dass die Kurzschlussleistung des Netzes viel höher ist als die des Generators. Damit ergibt sich bei Netzbetrieb eine geringere Rückwirkung auf den Spannungsklirrfaktor als bei Generatorbetrieb. Für die jeweilige Oberschwingungsbelastung ist die darauf bezogene subtransiente Reaktanz zu bestimmen und daraus der Spannungsklirrfaktor zu ermitteln.

Die zulässigen Belastungen bei verschiedenen Lastarten sind in der Tabelle für die beiden üblichen Grenzwerte von
X _d '' angegeben. Grundsätzlich gilt nach EN 61000-2-2, dass bei einem Netzbetrieb gewisse Spannungsklirrfaktoren einzuhalten sind. Dies gilt bei Messung zwischen zwei Phasen sowie zwischen und Phase und Nullleiter. Die Grenzwerte des Gesamtspannungsklirrfaktors liegen unter 8 %. Für die dritte Oberschwingung ergibt sich a _u3 £5 %, während für die fünfte Oberschwingung a _u5 £ 6 % gilt. Bei Einhaltung dieser Werte bei Generatorbetrieb ist eine starke Reduzierung der Leistung erforderlich. Die relativ niedrigen Werte (siehe Tabelle) ergeben sich durch den lastabhängig aufkommenden Oberschwingungsgehalt in der Spannungskurve. Eine Überdimensionierung des Generators aus diesen Gründen sollte nur nach genauer Betrachtung der tatsächlichen Notwendigkeit vorgenommen werden. Steuert man zum Beispiel über einen Phasenanschnitt an, ist diese Belastung nur kurzzeitig vorhanden.

Außerdem ist zu überprüfen, ob bei Generatorspeisung nicht ein erhöhter Spannungsklirrfaktor zugelassen werden kann. Weiterhin ist zu bedenken, dass ohmsche Widerstände gegenüber Oberschwingungen unempfindlich sind.
 

7 Zusammenfassung

Die meisten an ein elektrisches Netz angeschlossenen Verbraucher nehmen einen Strom auf, der nicht sinusförmig ist und daher als oberschwingungsbehaftet bezeichnet wird. Es werden diese höherfrequenten Stromanteile über die vorhandene Netzimpedanz auch in der Netzspannung erscheinen. In welchem Maß dies geschieht, ist von dem komplexen Widerstand des Netzes abhängig. Bei einer geringen Netzimpedanz wird die Auswirkung klein sein; bei einer großen werden sie stärker zu erkennen sein. Da bei einer Netzersatzschaltung mittels Generator diese Impedanz meist höher sein wird als bei einem Betrieb am öffentlichen Netz, müssen die dabei ansteigenden Oberschwingungsgehalte beachtet werden. Bei richtiger Auslegung können Generatoren in einem Netz mit Oberschwingungserzeugern arbeiten; die Qualität der gelieferten Spannung kann den gesetzlichen Anforderungen entsprechen, und zusätzlich können Generatoren dämpfend auf die Eigenschaften eines Ersatznetzes wirken. Dies bedeutet in der Praxis:

Bei Umschaltung von Netzbetrieb auf Generatorspeisung ist üblicherweise mit einem Anstieg der Oberschwingungsbelastung in diesem Netz zu rechnen.

Der Anstieg der Oberschwingungsbelastung sollte berechnet oder gemessen werden, um eine vorschriftsmäßige Spannung zu garantieren und damit Störungen und Ausfällen vorbeugen zu können.

Bei Betrieb von Oberschwingungserzeugern sollten folgende Grenzen beachtet werden: Mit B2- und B6-Gleichrichtern ist eine Belastung von 20 % des Generators möglich. Mit verdrosselten B6-Gleichrichtern kann dies auf fast 40 % gesteigert werden. Werden geschaltete B6-Brücken verwendet, muss auf 10 % reduziert werden.

Eine unsymmetrische Belastung des Generators ist zu vermeiden, weil erhöhte Verluste auftreten und der Oberschwingungsgehalt ansteigen kann.

Ein 5/6-Schritt der Generatorwicklung bedämpft die fünfte und siebte Oberschwingung, lässt dabei aber die dritte ansteigen. Ein 2/3-Schritt reduziert die dritte Oberschwingung.

Anlagen zur Blindstromkompensation sollten nach Möglichkeit abgeschaltet werden, weil Resonanzen im Netz auftreten können.

Oberschwingungserzeuger können mit Drosseln oder mit aktiven Saugfiltern bedämpft werden. Werden ohmsche Verbraucher parallel betrieben, wirken diese ebenfalls dämpfend. Werden hingegen Kondensatoren parallel betrieben, so entsteht eine zusätzliche Belastung durch unkalkulierbare Resonanzeffekte.

Werden die beschriebenen Verhaltensweisen der Verbraucher, der Netze und der Generatoren berücksichtigt, kann ein Netz bei Generatorspeisung einen Anteil an Geräten, die Oberschwingungen selbst produzieren, verkraften und dabei die vorgeschriebene Netzqualität halten. Bei der Bewertung der Spannung auf Einhaltung der Grenzwerte für Oberschwingungen muss zwischen verketteter und Leiterspannung unterschieden werden. Die höheren Oberschwingungsgehalte werden bei der geringeren Spannung gemessen. Betreibt man an dem Generator hauptsächlich einphasige Wechselspannungsverbraucher, so liegt die Oberschwingungsbelastung, gekennzeichnet durch den THD-Wert, niedriger; das heißt, es können in diesem Fall mehr oberschwingungserzeugende Verbraucher am Netz betrieben werden.

Oberschwingungen werden sowohl von den Verbrauchern als auch – in geringerem Maß – von dem Generator selbst erzeugt. Ein Einfluss auf das Verhalten der Oberschwingungsbelastung kann von beiden Gruppen erfolgen. Es sollte mit den Untersuchungen dieses Teils IV, der mit Unterstützung der Fachhochschule Wiesbaden erstellt wurde, eine Auslegungshilfe mit Eckwerten angeboten werden. Die Werte können je nach Konstellation im praktischen Fall noch etwas variieren. Auch bei höherer Oberschwingungsbelastung der Spannung werden die Geräte und Anlagen noch arbeiten können, jedoch sollte dies als Dauerbetrieb vermieden werden, weil es zu einem vorzeitigen Verschleiß der Geräte und Anlagen führt.
 
 
 
 

Literaturhinweise:

[1] Fender, Manfred; Dorner, Hartmut: Netzrückwirkungen. Teil I: Oberschwingungsauslöschung durch unterschiedliche Transformatorschaltgruppen und Gleichrichterarten. antriebstechnik 34 (1995), Nr. 7, S. 54–57

[2] Fender, Manfred; Dorner, Hartmut: Netzrückwirkungen. Teil II: Auswirkung von Netzvorbelastung und Netzimpedanz. antriebstechnik 35 (1996), Nr. 9, S. 66–68

[3] Fender, Manfred; Dorner, Hartmut; Nowakowski, Manfred; Treutlein, Josef: Netzrückwirkungen. Teil III: Einflüsse auf Blindstromkompensationsanlagen. antriebstechnik 37 (1998), Nr. 1, S. 61–65

[4] Fender, Manfred: Vergleichende Untersuchung der Netzrückwirkungen von Umrichtern bei industriellen Anschlußstrukturen. Dissertation, Juli 1997

[5] N. N.: Richtlinie Notstromaggregate. VDEW-Publikation, 3. Ausgabe, Frankfurt/Main 1996

[6] Köhler, Volker; Loocke, Gerhard: Synchrongeneratoren in Stromerzeugungsaggregaten für die mobile Stromversorgung. etz 108 (1987), Nr. 6–7

[7] N. N.: Leitfaden zur Sicherstellung konstanter unterbrechungsfreier Stromversorgung. Gemeinschaft Deutsche Stromerzeugungsaggregate