Elektronik 9 - Leistungselektronik

7.2 Entstehung von Blindleistung und Kompensationsanlagen (S. 186-187)

In allen Stromkreisen, die Induktivitäten und/oder Kapazitäten enthalten, fließen Blindströme.

Sie transportieren keine Leistung und belasten Transformatoren und Übertragungsnetze. Sie sind daher unerwünscht und sollen vermieden werden. Blindleistung wird im Kraftwerk durch Synchrongeneratoren kompensiert. Synchrongeneratoren werden über ihre Erregerspannung so eingestellt, dass sie die vom Netz benötigte Blindleistung liefern. Je mehr Blindleistung erzeugt werden muss, desto schlechter ist die Ausnutzung der Generatoren. Die Energieversorgungsunternehmen messen ab einer bestimmten Anschlussleistung beim Kunden die Blindleistung. Kunden mit zu hohem Blindanteil müssen zusätzliche Gebühren bezahlen. Ein hoher Blindanteil kann durch ausgedehnte Leuchtstofflampennetze (mit ihren Vorschaltdrosseln) oder viele Asynchronmotoren entstehen.

Während Induktivitäten positive Blindleistung benötigen, können Kondensatoren positive Blindleistung liefern.
Herrscht in einem begrenzten Teilnetz durch einen zu hohen Anteil an Induktivitäten ein Blindleistungsmangel, können Kondensatoren parallelgeschaltet werden, um diesen Mangel zu kompensieren. Die Kondensatoren sind in Gruppen zusammengeschaltet und können nach Bedarf automatisch zugeschaltet werden. Solche Anlagen werden als Kompensationsanlagen bezeichnet. Sehr komfortabel sind Blindleistungsstromrichter (vgl. Abschnitt 6.2.6). Mit ihnen lässt sich Blindleistung in beide Energierichtungen stufenlos kompensieren.

7.3 Steuerblindleistung

Die Steuerblindleistung wurde in Kapitel 4 schon thematisiert. Steuerblindleistung entsteht in einem Wechselstromsteller beim Phasenanschnitt einer Halbwelle. Auch bei den Stromrichtern wird bei jeder Teilaussteuerung Steuerblindleistung benötigt. Der Phasenwinkel .entspricht hierbei dem Ansteuerwinkel á. Es gilt cos .= cos á.

Je stärker ein Stromrichter ausgesteuert wird, desto größer wird sein Blindleistungsbedarf.

7.4 Kommutierungsblindleistung

Bei Kommutierungsvorgängen wechselt der Strom von einem Halbleiterbauelement zum anderen. Das geschieht nicht schlagartig, sondern benötigt wegen der stets beteiligten Induktivitäten etwas Zeit. Auch Leistungshalbleiter vertragen schlagartige Stromänderungen nicht gut. Durch die Kommutierung entstehen bei den Eingangsspannungen der Stromrichter Kurzunterbrechungen. Die Eingangsspannung wird während der Kommutierung kurzzeitig 0. Bezogen auf die unbeeinflusste Grundschwingung führt die Kommutierung zu einer leichten Verschiebung des Phasenwinkels. Dadurch entsteht eine Blindleistung, die als Kommutierungsblindleistung bezeichnet wird.

7.5 Entstehung von Oberschwingungen, Saugkreise

Als Oberschwingungen bezeichnet man ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung.

Häufig wird die Netzfrequenz 50 Hz als Grundschwingung festgelegt. Oberschwingungen werden nach Ihrer Ordnung bezeichnet. Die Ordnung gibt den Multiplikator mit der Grundschwingung an. So hat die Oberschwingung 5. Ordnung bei einer Grundschwingung von 50 Hz eine Frequenz von 250 Hz. Ein anderer Ausdruck für 5. Ordnung ist 5. Harmonische. Der Mathematiker Fourier hat bewiesen, dass jede Schwingung, egal welcher Kurvenform, in eine sinusförmige Grundschwingung und eine Summe von sinusförmigen Oberschwingungen zerlegt werden kann. Ein Gleichstromanteil kann hinzukommen.

Jeder beliebige Schwingungsverlauf kann in eine sinusförmige Grundschwingung und eine Summe von sinusförmigen Oberschwingungen und in einen Gleichstromanteil zerlegt werden.

Nach Fourier sind die Amplituden der Oberschwingungen umso höher, je schneller sich die Kurvenform ändert. Das bedeutet, dass ein Schaltvorgang umso mehr hohe Frequenzen enthält, je schneller er abläuft. Aus diesem Grund knackt es unter Umständen im Radio, wenn der Lichtschalter geschaltet wird. Die abrupte Stromänderung führt in der Stromleitung zu einer Oberschwingung im kHz-Bereich. Diese Oberschwingung wird unter ungünstigen Bedingungen abgestrahlt und gelangt an die Radioantenne, wo sie die Knackstörung hervorruft. Oberschwingungen können also Störspannungen in benachbarte Geräte einkoppeln. Oberschwingungen übertragen keine Leistung im 50-Hz-Bereich, belasten aber die Halbleiter und die Übertragungselemente des Netzes an dem sie angeschlossen sind. Es ist daher erwünscht, den Oberschwingungswert eines Stromrichters möglichst klein zu halten.