Trends in der EMV Niederfrequente Netzrückwirkungen im Fokus von Vorschriften und Normen

Stefan Melly, Schaffner EMV: »Je nach Einsatzgebiet, anzuwendender Norm und Netzverhältnissen müssen Frequenzumrichter künftig die Netzrückwirkungen im Oberschwingungsbereich teilweise bis auf unter 5 Prozent reduzieren. Das ist eine Aufgabe, die nicht mehr mittels einfacher Verdrosselung zu erledigen ist.«

Um den Oberschwingungsgehalt des Stroms zu reduzieren und Geräte als so genannte ‚Low-Harmonic Drives’ zu vermarkten, setzen Hersteller oft DC-Zwischenkreisdrosseln oder AC-Drosseln ein. Nach Überzeugung des schweizerischen EMV-Spezialisten Schaffner reicht dies für die aktuellen und künftigen Normen jedoch nicht mehr aus. Die Alternative: Aktive und passive Oberschwingungsfilter.

Seit der Einführung der EMV-Richtlinie wurde besonders dem stark normierten Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz große Aufmerksamkeit geschenkt. Die meisten Hersteller greifen regelmäßig auf die am Markt verfügbaren EMV-Filter sowie auf diskrete Entstördrosseln zurück, um die relevanten Normen und Richtlinien zu erfüllen. Diese höherfrequenten Störungen werden oft von den IGBTs in leistungselektronischen Geräten und Anlagen erzeugt, wie z.B.:

▪         Frequenzumrichter in energieeffizienten Motorsteuerungen

▪         Wechselrichter in der Photovoltaik (PV)

▪         Konverter in USV-Anlagen, Schaltnetzteilen, Batterieladegeräten oder DC-Stromversorgungen

In allen diesen leistungselektronischen Geräten (mit Ausnahme des PV-Wechselrichters) kommen zudem Gleichrichter zum Einsatz. Gleichrichter beziehen vom Netz keinen Sinusstrom, sondern einen impulsartigen Nachladestrom, der ein breites Spektrum an Oberschwingungen aufweist.

»Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Gesamtoberschwingungsgehalt von 100 Prozent und mehr gemessen werden kann«, erklärt Stefan Melly, Leiter Strategisches Marketing der schweizerischen Schaffner EMV AG. »Diese Oberschwingungsströme fließen zusätzlich zum Wirkstrom durch die elektrische Infrastruktur und können zahlreiche Probleme verursachen, wie z.B. Überlastung und Überhitzung von elektrischen Leitern, Sicherungen, Transformatoren etc., unzulässige Verzerrung der Netzspannung durch Spannungsoberschwingungen, negative Beeinflussung von elektrischen und elektronischen Anlagen sowie unerwünschtes Auslösen von Sicherheitseinrichtungen wie z.B. FI-Schutzschaltern.« Insbesondere aber müssen diese Oberschwingungsströme als Verzerrungsblindleistung (nicht zu verwechseln mit der 50-Hz-Blindleistung) vom EVU zur Verfügung gestellt werden, meist ohne diese dem Verbraucher in Rechnung stellen zu können. Aufgrund der oben genannten Probleme werden zunehmend Normen und Richtlinien erarbeitet und durchgesetzt, die neben dem ‚klassischen’ EMV-Frequenzbereich auch verbindliche Grenzwerte für den niederfrequenten Bereich von 50 bis 2500 Hz (bzw. 60 bis 3000 Hz) festlegen:

▪         IEEE-519:1992 (USA, Asien)

▪         EN61000-3-12 (Europa)

▪         EN50160 (Europa)

▪         Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen D-A-CH-CZ (Deutschland, Österreich, Schweiz und Tschechien)

»Zurzeit wird beispielsweise auch die Produktnorm für elektrische Antriebssysteme IEC 61800-3, die bereits seit längerem den höherfrequenten Bereich verbindlich regelt, dahingehend überprüft«, so Melly. »Ein so genanntes Committee Draft liegt bereits vor.«

Heutzutage setzen Hersteller von Frequenzumrichtern oft DC-Zwischenkreisdrosseln oder AC-Drosseln ein, um den Oberschwingungsgehalt des Stroms zu reduzieren und ihre Geräte als so genannte ‚Low-Harmonic Drives’ zu vermarkten. Je nach Antrieb, Netzimpedanz und Drossel lässt sich der Gesamtoberschwingungsgehalt (THD-I) auf 40 bis 50 Prozent reduzieren.

Aktuellen und künftigen Normen und Vorschriften kann damit nach Mellys Ansicht aber nicht mehr Genüge getan werden. »Je nach Einsatzgebiet, anzuwendender Norm und Netzverhältnissen müssen Frequenzumrichter künftig die Netzrückwirkungen im Oberschwingungsbereich teilweise bis auf unter 5 Prozent reduzieren. Das ist eine Aufgabe, die nicht mehr mittels einfacher Verdrosselung zu erledigen ist.«

Die Alternative: Aktive und passive Oberschwingungsfilter. Sie erfüllen die Anforderungen künftiger Normen bereits heute in vollem Umfang. Passive Filter sind ideal für den Einsatz direkt am Frequenzumrichter, so wie das heute bereits mit EMV-Filtern üblich ist. Aktive Filter können alternativ dazu oder ergänzend an zentralen Einspeisepunkten eingesetzt werden, um dort die Netzrückwirkungen einer Vielzahl unterschiedlicher Verbraucher zu kompensieren. Gleichzeitig können Aktivfilter Blindleistungskompensation und Last-Symmetrierung vornehmen. Gerade in der Gebäudetechnik ist diese Multifunktionalität oft die technisch und wirtschaftlich sinnvollste Lösung.

»Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der zu filternde Frequenzbereich normenseitig erweitert wird, was bereits heute im Bereich der Oberschwingungen deutlich sichtbar ist«, resümiert Melly. »Hersteller leistungselektronischer Geräte und Anlagen müssen sich künftig intensiver mit diesem Thema auseinandersetzen und zur Lösung auf innovative Passiv- und Aktivfilter zurückgreifen.«