Die unterschätzten Einflüsse der elektrischen Energie auf den Betriebsablauf!

Die Bedingungen der elektrischen Energieversorgung haben sich in den letzten Jahren stark verändert und werden dies auch weiterhin tun. Was sind diese Auswirkungen und wie beeinflussen diese die Versorgung mit elektrischer Energie in Ihrem Unternehmen?

Weitere Einflüsse sind die weiter voranschreitende Digitalisierung und Vernetzung durch die Industrie 4.0 Bewegung. Sowie die  Energieeinsparungsbemühungen, welche einen höheren Einsatz von Automatisierungstechnik und z. B. modernen Leuchtmitteln fordern. Der Einsatz eben dieser modernen Technik hat die Belastung der Stromversorgungsnetze im Vergleich zu früher verändert. Auf der anderen Seite haben diese Geräte auch geänderte Anforderungen an die elektrische Energieversorgung.

In diesem Beitrag gehen wir auf diese und weitere Fragestellungen ein und zeigen Möglichkeiten zum zielgerichteten Ansetzen und Handeln. Damit sind Sie in der Lage die Weichen für die Zukunft der Energieversorgung in Ihrem Unternehmen richtig zu stellen.

Die sichere elektrische Energieversorgung

Wie sieht die elektrische Energie von ausgezeichneter Qualität aus? Denn eigentlich kommt der Strom ja aus der Steckdose und damit ist es gut! Oder etwa nicht? Haben Sie sich schon mal Gedanken darüber gemacht wie die Qualität der elektrischen Energie aussieht oder was es hier alles an Störeinflüssen gibt?

Auch wenn es ersteinmal so aussieht, als ob der Strom aus der Steckdose kommt und man hier keinerlei Einfluss darauf hat wie dies geschieht, so hat auch unsere elektrische Energie verschiedene Qualitätsmerkmale. Dabei haben wir zuerst mit der deutschen Sprache etwas zu kämpfen, denn was wir geliefert bekommen ist zuerst mal nicht ein Strom sondern eine Spannung. Der Stromfluss kommt erst durch unsere Geräte zu Stande, daher werden wir in diesem Artikel hauptsächlich von der Spannung sprechen.

Doch was sind eben diese Qualitätsmerkmale? Wir erwarten doch, dass die Netzspannung die uns zugesagt wird, auch bei uns ankommt. Damit haben wir bereits das erste Qualitätsmerkmal, unsere Spannungshöhe. Diese ist in Europa im Niederspannungsnetz normalerweise 230V bzw. 400V. Doch ist die Spannung die wir an unserer Steckdose messen wirklich immer genau so hoch? Haben Sie sich dazu bereits Gedanken gemacht was dabei die Angabe der Toleranz +/-10% bei Geräten bedeutet?

Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist die Netzfrequenz. Da wir uns in einem Wechselstromnetz befinden, hat die Netzspannung eine gewisse Frequenz. Für uns in Europa ist diese Netzfrequenz (Teilweise auch energietechnische Frequenz genannt) 50Hz. An der Netzfrequenz orientieren sich viele Geräte um z. B. die Uhrzeit zu erfassen oder andere interne Funktionen zu steuern.

Die Ideale elektrische Energieversorgung

Wenn wir uns die Netzspannung mit einem Oszilloskop ansehen, so sieht diese Idealerweise aus wie in Abbildung 1. Hierbei ist zu erkennen, dass die Netzspannung einem Sinus folgt. Zudem entspricht die Frequenz der Spannung der energietechnischen Frequenz, welche in Europa 50Hz beträgt.

Idealer Spannungs- und Stromverlauf als Sinus

Abbildung 1: Strom- und Spannungsverlauf eines linearen Verbrauchers

Die reale elektrische Energieversorgung – Spannungshöhe

Wie Sie sich sicherlich denken können, ist diese oben dargestellte „Ideale Netzspannung“ in der Realität nicht anzutreffen. So weicht die Netzspannung von der idealen Versorgung durch verschiedene Einflüsse ab. Die Einflüsse auf die Spannungshöhe findet man als Übersicht in Abbildung 2. Als Ursache können hier sehr vielfältige Einflüsse vorkommen, einen davon werden wir in diesem Artikel erläutern.

Übersicht der Spannungsereignisse

Abbildung 2: Übersicht über Störungen der Netzspannung

  1. Überspannung
  2. Unterspannung
  3. Spannungsschwankungen / Spannungsänderungen
  4. Flicker
  5. Kurzzeitunterbrechung (weniger als 3 Minuten)
  6. Langzeitunterbrechung (mehr als 3 Minuten)
  7. Transiente Überspannung (Dauer ca. 1µs bis 1ms)

Die hier gezeigten Phänomene lassen sich in der Übertragung der elektrischen Energie nicht verhindern. Wir können nur dafür sorgen, dass diese Einflüsse nicht zu stark stören oder Geräte dagegen soweit wie möglich unempfindlich sind. Sensibel gegen derartige Einflüsse sind z.B. Computer, Steuerungen, Schaltnetzteile, Beschallungsanlagen, Lichtsteuersysteme, Prozesstechnik und vieles mehr.

Die reale elektrische Energieversorgung – Netzfrequenz

Betrachten wir die Netzfrequenz, so ist auch diese nicht immer konstant 50 Hz, sondern ist tageszeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Die Abbildung 3 zeigt den Verlauf der Netzspannung über einen Zeitraum von sechs Tagen. Hierbei kann man gut erkennen, dass die Schwankungsbreite der Netzfrequenz im Bereich von wenigen Millihertz ist. Damit ist auf dem europäischen Festland nicht mit einer Störung durch die Netzfrequenz zu  rechnen. Ausnahmen sind großflächige Störungen des Versorgungsnetzes, welche extrem selten vorkommen.

Verlauf der Netzfrequenz über mehrere Tage

Abbildung 3: Verlauf der Netzfrequenz über mehrere Tage

Die reale elektrische Energieversorgung – Kurvenform

Das letzte Qualitätsmerkmal das wir zuvor bei der idealen Versorgungsspannung betrachtet haben ist die Sinuskurve selbst. Leider ist auch diese in unserer Energieversorgung nicht so schön wie zuvor in Abbildung 1 dargestellt. Die Sinuskurve wird durch verschiedene Einflüsse „verbeult“, wie in Abbildung 4 im Vergleich zu einem idealen Sinus zu sehen ist. Diese Dellen und Beulen, sehen zwar nicht sehr schlimm aus, können jedoch bereits die Betriebssicherheit einer Anlage enorm beeinflussen. Zum besseren Vergleich ist gestrichelt in rot ein Sinus überlagert.

Netzspannung gemessen

Abbildung 4: Reale Netzspannung mit idealisiertem Sinus

In der Realität kann die Netzspannung jedoch noch viel schlimmer aussehen, wie das Beispiel in Abbildung 5 zeigt. Hier kann man sich besser vorstellen, dass dies zu Problemen führen kann.

Netzspannung gemessen

Abbildung 5: Stark verzerrte Netzspannung mit idealisiertem Sinus

Was ist Power Quality?

Alle diese oben genannten Phänomene werden unter dem englischen Begriff Power Quality zusammengefasst, was auf Deutsch so viel wie elektrische Energiequalität bedeutet. Daher umschreibt dieser Begriff ein sehr weites Feld von einander unabhängigen Phänomenen. Diese gehen auch über die hier beschriebenen noch hinaus. Wodurch im Sprachgebrauch oftmals Vermischungen der einzelnen Begriffe stattfinden. So werden oft Oberschwingungen (im Sprachgebrauch auch als Oberwellen bezeichnet) gleichbedeutend zu Power Quality verwendet. Die Power Quality ist wiederum ein Teilgebiet der EMV (Elektromagnetischen Verträglichkeit). Diese Begrifflichkeiten und deren Zuordnung werden wir in einem späteren Beitrag noch aufzeigen.

Da sowohl die Energieversorger als auch die Verbraucher für die Power Quality verantwortlich sind, gibt es eine Vielzahl an technischen Regelwerken und Normen, welche Grenzwerte hierzu vorgeben. Diese gelten jeweils für unterschiedliche Situationen und sind z. B.:

  • VDE AR-N 4100 – Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsnetz und deren Betrieb (TAR Niederspannung)
  • VDE AR-N 4105 – Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz
  • VDE AR-N 4110 – Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Mittelspannungsnetz und deren Betrieb (TAR Mittelspannung)
  • EN 61000-2-2 – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen
  • EN 61000-2-4 – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen
  • IEEE 519 – Empfohlene Praktiken und Anforderungen für die Oberschwingungssteuerung in Starkstromanlagen
  • D-A-CH-CZ – Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen
  • EMV-ILA® – EMV Integrationsleitfaden zur Erzielung von elektromagnetischer Verträglichkeit in elektrischen Anlagen der Automobilindustrie

Netzrückwirkungen der eigenen Geräte

Weitere Rückwirkungen auf die elektrische Energieversorgung verursachen die an den entsprechenden Netzabschnitt angeschlossenen Geräte. Dieser Teil der Netzrückwirkungen steht in der Verantwortung jedes Einzelnen und kann über eine sichere Funktion aller Geräte, Server und Produktionsanlagen entscheiden. Die Rückwirkungen der eigenen Geräte auf die Energieversorgung können in folgende Phänomene grob unterteilt werden:

  1. Oberschwingungen (teilweise auch als Oberwellen bezeichnet)
  2. Flicker
  3. Taktfrequenzen
  4. Grundschwingungsblindleistung
  5. Ableitströme
  6. EMV-Störungen (leitungsgebunden und gestrahlt)

Diese Rückwirkungen der eigenen Anlagen sind oftmals sehr komplex und bedürfen einer intensiven Analyse um die passende Lösung zu finden.

Sind Netzrückwirkungen ein Fluch von Hightechprodukten?

Was ist jetzt die Ursache für die oben gezeigten Störungen unserer Versorgungsspannung? Hierbei sind Energiesparmaßnahmen und moderne elektronische Geräte maßgeblich beteiligt. Daher werden die Netzrückwirkungen auch oft mit Hightechprodukten in Verbindung gebracht. Dies ist allerdings nicht ganz richtig, da auch klassische Geräte zu Netzrückwirkungen führen wie wir uns im Folgenden noch ansehen werden. Was sich allerdings verändert hat, ist die Art der Netzrückwirkungen.

Ursachen für Netzrückwirkungen

Um mögliche Ursachen von Netzrückwirkungen darzustellen wollen, wir das an zwei Beispielen aufzeigen. Beim ersten Beispiel handelt es sich um einen Motor mit großer Leistung ohne Frequenzumrichter, d.h. direkt am Netz betrieben wie dies vor allem oftmals in der Vergangenheit der Fall war. Beim zweiten Beispiel handelt es sich um einen Frequenzumrichter, wie er in modernen Produktionsanlagen Verwendung findet.

Betrachten wir zuerst den Asynchronmotor, welcher durch sein Anlaufverhalten Spannungseinbrüche verursacht. Diese Spannungseinbrüche wie in Abbildung 6 dargestellt, können durch geeignete Maßnahmen auf ein praktikables Maß reduziert werden. Hierbei helfen in den meisten Fällen Sanftanlaufgeräte, wobei auch hier berücksichtigt werden muss, dass es sich um elektronische Produkte handelt. Diese begrenzen zwar den aufgenommenen Strom, jedoch deformieren sie während des Anlaufvorgangs den Strom wie im folgenden Beispiel mit dem Frequenzumrichter dargestellt. Damit kann der Spannungseinbruch auf Δu2 begrenzt werden.

Gemessner Spannungseinbruch der Netzspannung

Abbildung 6: Spannungseinbruch durch Anlauf eines Asynchronmotors

Betrachten wir nun den Frequenzumrichter stellvertretend für elektronische Lasten die wir im Alltag oder in Industrieprozessen einsetzen. Dieser wird ebenfalls durch die sinusförmige Spannung versorgt. Allerdings haben Frequenzumrichter, wie auch andere elektronische Geräte, die Eigenschaft keinen sinusförmigen Strom mehr aus dem Netz zu beziehen. Abbildung 7 zeigt beispielhaft den Stromverlauf eines Frequenzumrichters. Deutlich zu erkennen ist, dass der Stromverlauf nicht dem Sinus der Netzspannung folgt, wie dies in Abbildung 1 zu sehen ist. Diese nicht sinusförmige Stromaufnahme führt dazu, dass auch die Netzspannung von ihrer Sinusform abgelenkt wird, wie in Abbildung 4 und 5 dargestellt ist.

Stromverlauf eines idealisierten Frequenzumrichters

Abbildung 7: Stromverlauf eines einfachen Spannungszwischenkreisumrichters

Vermeidung von Netzrückwirkungen

Ratsam ist es, sich bereits bei der Planung und der Anordnung der Geräte und Anlagen im eigenen Stromnetz sehr gut zu überlegen, wie man den Effekt der Netzrückwirkung wirkungsvoll reduzieren kann. Das bedeutet, man kann durch den Anschlusspunkt bzw. Aufbau eines oder mehrerer Geräte schon die Weichen stellen, um den Einfluss auf die Netzspannungsqualität zu verbessern oder zu verschlechtern. Auch wenn Geräte geprüft sind, heißt dies noch lange nicht, dass diese keine Störungen verursachen. Dies bedeutet nur, dass diese Geräte die Mindestanforderungen erfüllen.

Handelt es sich jedoch um eine bereits existierende Anlage im betrachteten Stromnetz, dann sind die möglichen Maßnahmen begrenzt. Aber auch das ist kein Grund zu verzweifeln, dann nur das Vorgehen ist dann ein anderes. Hier ist es auf jeden Fall notwendig und sinnvoll, dass man eine Power Quality Messung an diversen Knotenpunkten durchführt, um die kritischen Punkte zu lokalisieren. Mittels der Erkenntnis aus den Messergebnissen lässt sich dann eine optimale Lösung bestimmen. Diese beinhaltet meist den Einsatz entsprechender Filtertechnologien, welche nachträglich eingebaut werden können. Darauf gehen wir in einem späteren Artikel noch genauer ein.

Wie auch immer die technische Lösung am Ende in der Umsetzung aussieht, es muss sichergestellt sein, dass die betriebsbedingten Prozesse nicht gefährdet werden und es dadurch nicht zu sporadischen Stillstandzeiten kommt. Denn Produktionsstillstand kostet immer Geld und ist daher unter allen Umständen zu vermeiden.

Auch die Gefährdung der Mitarbeiter darf nicht aus dem Focus geraten, da unkontrollierte Prozesse und defekte Maschinenteile eine große Gefahr für Leib und Leben darstellen können.

Deshalb sollten Sie eine gute Power Quality haben

Für den Betreiber einer Anlage, bzw. als Verantwortlicher für die Energieversorgung und Betriebssicherheit im Unternehmen hat eine sichere Spanungsversorgung folgende Vorteile:

  • Produktionsausfälle durch ungeplante Stillstandzeiten nach Defekten an Anlagen werden vermieden
  • Der Verschleiß der Betriebsmittel wird auf ein Minimum reduziert
  • Wartungskosten werden optimiert
  • Gefahr von Überhitzung elektrischer Komponenten wird verringert und dadurch die Brandgefahr gemindert
  • Fehlabschaltungen von Sicherungsorganen werden vermieden
  • Kosten für elektrische Energie können gesenkt werden
  • Minimierung der Investitionskosten und Senkung der Fixkosten
  • Versicherungsbeiträge können gesenkt werden

Die Verantwortung für eine gute Power Quality liegt bei …

… jedem Betrieb selbst. So ist jeder Betrieb in Deutschland anhand der technischen Anschlussbedingungen dafür verantwortlich die VDE AR-N 4100 bzw. VDE AR-N 4110 einzuhalten. Zudem sind die meisten Betriebe Ihr eigener Energieversorger, der das Niederspannungsnetz und oftmals auch das Mittelspannungsnetz selbst betreibt. Damit sind Betriebe zum einen selbst dafür verantwortlich, dass Ihre Betriebseinrichtungen und Anlagen sicher betrieben werden können. Zum anderen darf der Betrieb weitere, an das öffentliche Stromnetz angeschlossene Kunden und Verbraucher, nicht stören.

Um dies alles richtig zu beurteilen und die passenden Maßnahmen zu ergreifen, ist eine Fachabteilung für die Energieversorgung im eigenen Hause notwendig.

Wie kommen Sie zu einer guten Power Quality in Ihrem Betrieb?

Damit auch in Ihrem Betrieb das Thema „Netzrückwirkung“ kein Thema mehr ist, sollten Sie sich frühzeitig damit beschäftigen. Wir, die Ceno Power Quality GmbH können Sie hierbei unterstützen und entsprechend beraten, damit auch Sie entspannt im (Strom-) Netz unterwegs sein können. Melden Sie sich einfach über unser Kontaktformular bei uns.

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… können Sie sicher sein, dass Ihre Netzprobleme der Vergangenheit angehören.

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