Überlastung von Betriebsmitteln

Generatoren

Die Leistung von Generatoren, die nichtlineare Lasten versorgen, muss aufgrund der zusätzlichen, durch Oberschwingungsströme verursachten Verluste reduziert werden.

Die Leistungsreduzierung liegt bei einem Generator, bei dem die Gesamtlast zu 30 % aus nichtlinearen Lasten besteht, bei etwa 10 %. Daher muss der Generator um diesen Faktor überdimensioniert werden.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

Der von Rechnersystemen bezogene Strom hat einen sehr hohen Scheitelfaktor (siehe Abb. M12). Eine USV, bei deren Dimensionierung nur der Effektivstrom berücksichtigt wurde, ist möglicherweise nicht in der Lage, den erforderlichen Spitzenlaststrom zu liefern und kann dadurch überlastet werden.

Transformatoren

• Die im Folgenden dargestellte Kennlinie (siehe Abb. M9) zeigt die typische Leistungsreduzierung für einen Transformator, der elektronische Lasten versorgt.

Abb. M9 – Derating required for a transformer supplying electronic loads

Beispiel

Versorgt der Transformator eine Gesamtlast, die zu 40 % aus elektronischen Lasten besteht, muss seine Leistung um 40 % verringert werden.

• Den Leistungsreduzierungsfaktor für Verteiltransformatoren in Abhängigkeit von den Oberschwingungsströmen kann man wie folgt ermitteln:

[math]\displaystyle{ k=\frac{1}{\sqrt {1+0,1 \left (\displaystyle \sum^{40}_{h=2} h^{1,6}\ T_h^{\ 2} \right)}} }[/math]

[math]\displaystyle{ T_h=\frac{I_h}{I_1} }[/math]

Typische Werte:

• Strom mit rechteckiger Schwingungsform (1/h Spektrum): k = 0,86
• Frequenzumrichterstrom (THD ≈ 50 %): k = 0,80

Asynchronmaschinen

Die IEC 60034-24 (VDE 0530-240) definiert einen gewichteten Faktor für die Spannungsverzerrung (Klirrfaktor), dessen Gleichung und Höchstwert im Folgenden dargestellt werden.

[math]\displaystyle{ HVF=\sqrt {\sum_{h=2}^{13} \frac{U_h}{h^2}} \le 0,02 }[/math]

Beispiel

Eine Versorgungsspannung besteht aus einer Grundspannung U₁ und den Oberschwingungsspannungen u3 = 2 % von U₁, u5 = 3 %, u7 = 1 %. Der THDu-Wert beträgt 3,7 % und der Klirrfaktor 0,018. Der Wert des Klirrfaktors liegt sehr nah an dem Höchstwert, über dem die Leistung der Maschine verringert werden muss.

Das bedeutet, dass bei der Versorgung von Asynchronmaschinen ein THDu-Wert von 10 % nicht überschritten werden darf.

Kondensatoren

Gemäß IEC 60831-1 (VDE 0560-46) müssen Kondensatoreinheiten für einen Dauerbetrieb bei einem Effektivstrom vom 1,3-fachen des Stromes geeignet sein, der sich bei sinusförmiger Bemessungsspannung bei Bemessungsfrequenz ohne Berücksichtigung von Kurzzeitbedingungen einstellt.

Wird das vorstehende Beispiel mit der Grundspannung U₁ und den Oberschwingungsspannungen u5 = 8 % (von U₁), u7 = 5 %, u11 = 3 %, u13 = 1 %, d.h. mit der gesamten harmonischen Verzerrung THDu gleich 10 % verwendet, beträgt das Ergebnis bei Nennspannung [math]\displaystyle{ \frac{I_{rms}}{I_1}=1,19 }[/math].

Bei einer Spannung, die dem 1,1-fachen des Nennwertes entspricht, wird der Stromgrenzwert [math]\displaystyle{ \frac{I_{rms}}{I_1}=1,3 }[/math]   erreicht, und die Kondensatoren müssen neu dimensioniert werden.

Neutralleiter

Betrachten wir ein System, das aus einer symmetrischen dreiphasigen Spannungsquelle und drei identischen, einphasigen nichtlinearen Lasten besteht, die zwischen den Außenleitern und dem Neutralleiter angeschlossen sind (siehe Abb. M10).

Abb. M10 – Stromfluss in den verschiedenen Leitern, an die drei 1-phasige nichtlineare Lasten angeschlossen sind.

Abbildung M11 zeigt ein Beispiel für die in den drei Außenleitern fließenden Ströme und dem daraus resultierenden Strom im Neutralleiter.

Abb. M11 – Beispiel für die in den verschiedenen Leitern fließenden Ströme (In = Ir + Is + It), wenn drei 1-phasige nichtlineare Lasten angeschlossenen sind.

In diesem Beispiel liegt der Effektivwert des Stromes im Neutralleiter um den Faktor 1,73 (Quadratwurzel aus 3) über dem Effektivwert des Stromes in einem der Außenleiter. Daher muss der Neutralleiter diesem Strom entsprechend dimensioniert werden.