Zwischenharmonische und Subharmonische Oberschwingungen – Ursache & Wirkung

Grundsätzliches

In diesem Abschnitt sollen Ursache, Wirkung und Folgen von sogenannten Zwischenharmonischen und Subharmonischen in schwingenden Netzen diskutiert werden. Zwischenharmonische (Ober-) Schwingungen, auch Interharmonische genannt, sind überlagerte Frequenzanteile in der elektrischen Energieversorgung (Strom und Spannung), die kein ganzzahliges Vielfaches der 50-Hz-Netzfrequenz (d.h. „ZHS“ = Zwischenharmonische Schwingung) bilden. Subharmonische sind Frequenzanteile, die unterhalb der 50 Hz-Netzfrequenz liegen (d.h. ). Diese Unterscheidungen grenzen die Zwischenharmonischen sowie die Subharmonischen von den Harmonischen Oberschwingungen ab. Die Messtechnische Abgrenzung von Harmonischen und Zwischenharmonischen, findet über einen definierten Bereich von  um eine Harmonische statt (z.B. ), vgl. Abbildung oben. Der Bereich zwischen zwei so definierten Harmonischen, wird den Zwischenharmonischen zugeordnet (z.B.

Zwischenharmonische – Quellen & Ursachen

Die Ursachen und Quellen von Zwischenharmonischen Oberschwingungen können grob in zwei Gruppen gegliedert werden:

1. Entstehung durch direktes Schalten am Netzeingang:

• Werden Schaltnetzteile mit “sinusförmigem” Strom gespeist, jedoch unzureichend geregelt/gesteuert, werden Zwischenharmonische ins Netz zurück emittiert.
• Werden Aktivfilter, welche zur Reduktion von Harmonischen Oberschwingungen eingesetzt werden, bei niedriger Schaltfrequenz gepulst betrieben, können solche Filter Zwischenharmonische ins Netz rückkoppeln (abhängig von Bauart).
• Ähnlich verhalten sich Umrichter, welche mit IGBT- (insulated-gate bipolar transistor) Bauelementen und auch gepulst betrieben werden. Hier entstehen ebenfalls bei unzureichender Regelung Zwischenharmonische.
• Umrichter mit GTO- (gate turn-off Thyristor) Bauelementen emittieren bei niedriger Schaltfrequenz Zwischenharmonische.

2. Entstehung durch Modulierte Schwingungen:

• Lastseitig schwankender Gleichrichterstrom
• Wechselrichter bei asynchroner Modulation (z.B. PWM), d.h. wenn die Schaltfrequenz des Wechselrichters kein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz von f = 50 Hz entspricht, siehe auch Kasten.
• schnell schwankende Steuerwinkel
• Antriebe, die mit Frequenzumrichtern geregelt werden
• Matrix-Umrichter bzw. allgemein Direktumrichter
• untersynchrone Stromrichter-Kaskade (Schleifring-Asynchronmaschine)
• Hystereseregelung (Hysterese = Die Wirkung einer Ursache tritt zeitversetzt ein) aufgrund einer nichtkonstanten Schaltfrequenz
• Schwingungspaketsteuerung
• Klassische Maschinen, die ZHS zurückkoppeln: Lichtbogenofen, Schweißmaschine, Gattersäge, Schmiedehammer
• Nutenoberschwingungen bei Asynchronmaschinen
• Tonfrequenzrundsteuerung (TFR, Signale u.a. der Energieversorgungsunternehmen und Netzbetreiber, um z.B. Zählern Tarifwechsel zu übermitteln oder werden beim Einspeisemanagement der dezentralen Stromeinspeisung verwendet).

Viele der genannten Anlagen finden sich in industriellen Umgebungen wieder, so dass neben einer zunehmenden Belastung durch Harmonische Oberschwingungen, auch die steigende Belastung durch Zwischenharmonische zu beobachten ist. Besonders der Ausbau mit Photovoltaiksystemen bzw. deren angeschlossene Wechselrichter stellen weitere Belastungen dar. Auch Resonanzerscheinungen können an der Netzimpedanz zu einer Pegelverstärkung führen (dies gilt für alle Oberschwingungsarten, bzw. für einen „breiten“ Frequenzbereich).

Wirkung & Folgen von Zwischenharmonischen

Ähnlich zu den Folgen von Harmonischen Oberschwingungen, lassen sich auch einige allgemein gehaltene Folgen für Zwischenharmonische angeben. Die wichtigsten sind:

• Besonders direkt betriebene Elektromotoren werden von Zischenharmonischen negativ beeinflusst, da dort schwankende Drehmomente auftreten, welche die Lebensdauer des Gerätes reduziert, für eine schlechtere Prozessqualität sorgt und störende Geräusche entstehen.
• Der Spannungsnulldurchgang kann durch Zwischenharmonische gestört werden, so dass Lichtschwankungen bei Dimmern oder Zeitmanipulation bei Geräten deren Uhr auf die 50 Hz Frequenz abgestimmt ist auftreten kann.
• Netzseitiger Flicker wegen Schwebung (Schwebung = Superposition/“Addition“ von Schwingungen ähnlicher Frequenz) im Spannungseffektivwert, da die Amplitude der Grundschwingung in Form einer einhüllenden Kurve schwanken kann.
• schwankende Gleichrichterausgangsspannung wegen Schwebungseffekt (Flicker bei elektronischem Vorschaltgerät)
• Störende bzw. „untypische“ Geräusch in Audio-Verstärkern und Eisenkernen (induktive Vorschaltgeräte)
• Da viele TFR-Signale auf Zwischenharmonischen Bändern liegen, kann dies zu einem Blockieren oder unerwünschtes Ansprechen von Tonfrequenz-Rundsteuerempfängern oder Schutzrelais führen (Vorsicht: Stören TFR-Signale selbst den Betriebsablauf, dürfen entsprechende Filter das Signal nicht absaugen!).

In der Normung sind für Zwischenharmonische Oberschwingungen Grenzwerte definiert, so dass durch Messungen die Belastung vor Ort verifiziert sowie bewertet werden. Aus der Messung kann wiederum abgeleitet werden ob und welche Maßnahmen erforderlich sind.

Literaturhinweise:

H. Dorner, M. Fender, Wissenswertes über Netzrückwirkungen, VDE-Schriftenreihe – Normen Verständlich 145, 2013

J. Schlabbach, W. Mombauer, Power Quality, VDE Schriftenreihe – Normen Verständlich 127, 2008

Bei der Artikelerstellung ist auch nicht öffentlich zugängliche Literatur verwendet worden, wie Vorlesungsskripte [R. Gretsch, Oberschwingungen, Univ. Erlangen Nürnberg; G. Lipphardt, Leistungselektronik, Univ. Mannheim]