Netzrückwirkungen bei Notstrombetrieb

Der Inhalt dieser Seite wurde teilweise von der Internetseite http://fbe4.e-technik.fh-wiesbaden.de der FH Wiesbaden übernommen. Die Autoren heißen Manfred Fender, Hartmut Dorner und 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
  • Teil IV: Netzanlagen mit Generator

    Zum Thema Netzrückwirkungen werden in diesem vierteiligen Beitrag Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt, die zur Dämpfung und Reduzierung von Störeinflüssen in öffentlichen Netzen dienen. Dabei wird der Einfluss von Transformatoren im Zusammenhang mit Gleichrichterschaltungen dargestellt (Teil I [1]), die Auswirkung der Netzvorbelastung und Netzimpedanz untersucht (Teil II [2]) und der Einfluss von Blindstromkompensationsanlagen analysiert (Teil III [3]). Der folgende abschließende Teil IV geht auf die Einspeisung bei Notstrombetrieb ein. Hierbei wird dargestellt, was zu beachten ist, wenn bei einer Störung im öffentlichen Netz die Energieversorgung durch den Betrieb von Generatoren aufrechterhalten werden soll. Dies betrifft die Auslegung der Netzersatzanlage genauso wie die Berücksichtigung der zu versorgenden Verbraucher.

    1 Einleitung

    Stromversorgung in einem BHKW

    Netzersatzanlagen werden immer dann eingesetzt, wenn Verbraucher bei Ausfall der Netzspannung weiter betrieben werden sollen. Sie werden ebenfalls 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 (BHKW's) anfällt. Diese BHKW's nutzen den dabei erzielbaren hohen Wirkungsgrad dieser Energieumwandlung.
    Als Netzersatzanlagen im kleineren Leistungsbereich sind elektronische unterbrechungsfreie Spannungsversorgungsanlagen (USV-Anlagen) beispielsweise für Personalcomputer (PC's) 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 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 wird für öffentliche Netze mit einem Maximalwert von (0,24 + j0,15) W angenommen, der jedoch 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 wie eventuell vorhandene Anlagen zur Blindstromkompensation. Welche Gesichtspunkte und wichtigsten Kriterien bei der fachgerechten Planung einer Netzersatzanlage 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 PC's, 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.

    Netzgeführte Thyristorbrücken verursachen große Netzrückwirkungen, insbesondere einen hohen und zudem über den Steuerbereich auch noch stark schwankenden Blindleistungsbedarf und ebenso eine deutliche Abweichung der Netzströme von der idealen Sinusform, die zu hohen Oberschwingungen des Stromes führt.
    Durch zusätzliche Freilaufdioden und alternative Steuerverfahren können die Netzrückwirkungen gezielt beeinflusst und vermindert werden. Das Verfahren der asymmetrischen Steuerung erweist sich als besonders geeignet. Hierbei werden die Thyristoren der oberen und der unteren Kommutierungsgruppe mit zwei verschiedenen Zündwinkeln gesteuert.

    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 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 Glühlampen dienen quasi als ein Indikator dafür.

    Blindstromkompensationsanlagen verbessern den Leistungsfaktor cos j 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, auf der anderen Seite Kapazitäten C eingesetzt werden müssen. 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 vorwiegend 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 geschaltet, wobei die Resonanzfrequenz so festgelegt wird, dass sie nicht mit den Frequenzen der Oberschwingungen und der Tonfrequenz 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

    Netzimpedanz nach DIN EN 60 555, Teil 3
    Bild 2: Netzimpedanz nach
    DIN EN 60 555, Teil 3
    Die Norm DIN EN 60 555, Teil 3 (IEC 550-3 und EN 61003-3) 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 5,5 kW Wellenleistung, 13 A Nennstrom und 80 A Einschaltstrom anfahren kann. Der Spannungsabfall erreicht 0,283 W * 80 A = 23 V 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 0,24 W berechnet sich für den Leitungswiderstand eines Drehstromkabels von 10 mm² Aderquerschnitt und 120 m Länge bei stromlosem N-Leiter. Oft findet man niedrigere Impedanzen vor, weil größere Querschnitte verlegt sind. Man möchte dem Kunden nicht zumuten, dass einphasige 16 A Verbrauchern einen Spannungseinbruch um 16 A * (0,24 W + j0,15 W) oder 4,53 V / 230 V = 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.
    Verteiltes Netz mit Blindstromkompensation
    Bild 3:Verteiltes Netz mit Blindstromkompensation
    Neben Umschaltungen von Kabeln, wechselnder Kraftwerksanzahl 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 50 Hz Grundschwingung, noch für die Oberschwingungen verhält sich das Netz wie eine Spannungsquelle mit einem ohmschen Innenwiderstand und einer konstanten Induktivität deren Impedanz proportional zur Frequenz wächst. Für Synchrongeneratoren beschreiben R1, Xd, Xd‘ und Xd‘‘ die Verhältnisse und für Schenkelpolläufer kommt noch Xq hinzu. Diese Zusammenhänge kann man nicht mit der einfachen Darstellung in Bild 2 beschreiben, sondern mit Bild 4 und 5.
    Einzel-Ersatzschaltbilder für Generatoren und Netze mit oberschwingungsbehafteter Last
    Bild 4:Einzel-Ersatzschaltbilder für Generatoren und Netze mit
    oberschwingungsbehafteter Last
    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 50 Hz Grundschwingung in einem Generator. Zwischen der Polradspannung Up und der Klemmenspannung U1 liegen der ohmsche Ständerwicklungswiderstand R1 und der hochohmige Innenwiderstand Xd = w Ld.
    Vergleicht man dies mit dem Netzbetrieb, so entspricht Xd einem Transformator, der etwa ux = 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 * 50 Hz = 250 Hz mit 5n0 gegen die Rotordrehrichtung und induziert 300 Hz Ströme im Dämpferkäfig. Die 7-te bringt es auf 7n0 in Läuferdrehrichtung und somit ebenfalls auf 300 Hz im Läufer. Dafür sind unten im Bild 4 und im Bild 5 Ld‘‘ 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 = (nFeld - nmech) / nFeld = 5n0 - (- n0) / 5n0 = 1,2.
    Gesamt-Ersatzschaltbild für Generatoren und Netze mit oberschwingungsbehafteter Last
    Bild 5:Gesamt-Ersatzschaltbild für Generatoren und Netze mit
    oberschwingungsbehafteter Last
    Die relativen xd‘‘-Werte von Generatoren liegen zwischen 8 % und 14 % und sind deutlich kleiner als das xd = 70 bis 140 % der Grundwelle. So wie man beim Transformator den induktiven Innenwiderstand aus Nennleistung SN, Nennspannung UN und Kurzschlussspannung

    berechnet, setzt man hier xd‘‘ ein.
    (1)

    (2)

    (3)

    Da die subtransiente Reaktanz xd‘‘ des Generators in der Regel größer als das uk 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 xd‘‘ und Rk parallel zum xd‘‘ und Rk des Generators liegen. Gl. (1) bis (3) gelten für die Asynchronmaschine in gleicher Weise, wenn IN / IAN an die Stelle von xd‘‘ tritt (Anfahrstrom IAN). 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 50 Hz 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 150 Hz 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. Das selbe 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 150 Hz Oberschwingungsspannung.

    Kommutierungsvorgänge von gesteuerten Gleichrichtern usw. ohne N-Leiteranschluss ergeben kein Nullsystem und sind mit uk oder xd‘‘ berechenbar. Für Geräte mit N-Leiter oder einphasige Elektroniken empfiehlt sich eine Nachbildung mit einem Simulationsprogramm (z.B. PSPICE siehe auch Robert Heinemanns PSPICE Seiten) 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. 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 Ku = 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 zu Ku = 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 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 U3 , U9 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, U9 usw.
    Für eine ohmsche Last wurde beispielsweise an einem 43 A Generator bei nur 19,5 A Last mit U3 = 5,8 % und THDuMp = 6,2 % eine Grenzwertüberschreitung festgestellt – und das ganz ohne jede elektronische Last. Die verkettete Spannung hierzu kann mit U3 = 0,3 % und THDuVer = 1,3 % als sauber sinusförmig gelten.
    U-Umrichter 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

    U3Mp = 2,6 %

    U3Ver = 0,5 %

    U5Mp = 5,7 %

    U5Ver = 5,8 %

    THDuMp = 8,3 %

    und

    THDuVer = 7,8 %.

    Auch wenn U5 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. Wegen des hohen Generatorinnenwiderstands erreicht I5 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 erreicht. Simulationsrechnungen gemäß Bild 5 bestätigten weitgehend die Allgemeingültigkeit der Messergebnisse.
    I-Umrichter oder Stromrichter mit Gleichstrommotor oder gesteuerte Gleichrichter mit induktivem Zwischenkreis als Last an diesem 43 A Generator werden gemessen. 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
    U3Mp = 0,8 %, U5 = 3,5 % und I5 = 30,6 % sehr klein, aber es sind bei hoher Ordnungszahl noch viele Amplituden vorhanden. Und so sind THDuMp = 11,9 % und THDuVer = 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. 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 U3Mp = 4,8 %, U3Ver = 0,2 %, U5 = 5,2 %, THDuMp = 8,5 % und THDuVer = 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. I3 = 74 % und I5 = 38 % bestätigen zusammen mit den Spannungswerten den geringen Innenwiderstand des Generators. Für Ld'' = L0 wäre näherungsweise U3 = 6,2 % zu erwarten. Berücksichtigt man die Generatordaten xd'' = 11,4 % und x0 = 5,0 %, so erhält man nur noch 2,7 %. Diese Spannung addiert sich zur vom Generator erzeugten Spannung U3Gen = 2,7 %, die bei gleicher Wirkleistung und ohmscher Last zu erwarten ist. 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

    Synchrongenerator 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 Leistungsfaktor und beim Generator von dessen transienter Reaktanz xd'.
    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 xd''.
    Sie beträgt 10 bis 14 % der Nennimpedanz. Die Kurzschlussleistung ergibt sich aus SK'' = SN / xd''.
    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.
    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 au3  5 %, während für die fünfte Oberschwingung au5  6 % gilt. Bei Einhaltung dieser Werte bei Generatorbetrieb ist eine starke Reduzierung der Leistung erforderlich. Die relativ niedrigen Werte 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.
    Oberschwingungen können mit Drosseln oder mit elektrischen Filtern 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.

    8 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 Netzimpedanzantriebstechnik 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

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