Die unterschätzten Einflüsse der elektrischen Energie auf den Betriebsablauf!

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

… 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.

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.