Oberschwingung

Oberschwingungen sind Frequenzanteile in der Netzspannung oder im Strom, die von der 50 Hz Netzfrequenz abweichen. Jeder nicht sinusförmige, periodische Verlauf kann mittels der Fourier-Reihenentwicklung in sinusförmige Anteile zerlegt werden. Frequenzen, die einem Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen, werden als Harmonische bezeichnet. Dieser Zusammenhang wird in Abbildung 1 verdeutlicht. Der orangefarbene, nichtsinusförmige Verlauf kann in ein Grundschwingungsanteil und in die 3. Harmonische aufgeteilt werden. Die dritte Harmonische hat die 3-fache Frequenz wie die Grundschwingung.

Für jede auftretende Frequenz wird mittels der Fourier-Analyse ein Amplitudenwert bestimmt. Die Gesamtheit der Amplitudenwerte der Frequenzen ungleich 50 Hz bilden den Oberschwingungsgehalt. Anforderungen an den Oberschwingungsgehalt im Netz sind in der DIN EN 50160 definiert.

Entstehung

Oberschwingungen entstehen durch Betriebsmittel, die eine nichtlineare Strom‑Spannungs‑Kennlinie aufweisen. Dies ist vermehrt der Fall bei leistungselektronischen Komponenten wie z. B. Gleichrichtern und Wechselrichtern. Die Anzahl nichtlinearer Verbraucher, zu denen z. B. Energiesparlampen, Schaltnetzteile von Fernsehgeräten und Computern zählen, nimmt immer weiter zu. Die nichtsinusförmige Stromentnahme dieser Verbraucher verursacht an der Netzimpedanz einen Spannungsabfall, der die Netzspannung verzerrt und somit Oberschwingungen im Netz erzeugt. Daher sind in der DIN EN 61000 Serie Vorgaben bezügliche des Oberschwingungsgehalts an die Hersteller für Verbrauchergeräte definiert.

Auswirkungen

Auf Betriebsmittel und angeschlossene Geräte wirken sich Oberschwingungen negativ aus. Diese können zur Fehlfunktion, Überlastung, Alterung und im schlimmsten Fall zur Zerstörung führen. Hervorzuheben sind Resonanzerscheinungen, die durch Oberschwingungen auftreten können. Induktivitäten, Kapazitäten und Resistanzen im Netz bilden zusammen Resonanzschwingkreise, die durch Oberschwingungen angeregt werden können. Dadurch kann es zu hohen harmonischen Spannungen bzw. harmonischen Strömen kommen.

Gegenmaßnahmen

Durch die Installation von entsprechenden elektrischen Filtern können Oberschwingungen gedämpft werden, sodass eine möglichst sinusförmige Spannung vorliegt. Auch Transformatoren können sich positiv auf den Oberschwingungsgehalt auswirken, da diese die 3.Harmonische und alle deren Vielfachen filtern können. Zudem ist ein Netz mit ausreichend hoher Kurzschlussleistung weniger anfällig für Oberschwingungen.

Varianten

Es wird zwischen ganzzahligen geraden und ungeraden Harmonischen, Zwischenharmonischen und Subharmonischen unterschieden. Die Frequenzanteile der Netzspannung sind beispielhaft in Abbildung 2 dargestellt. Ganzzahlige Harmonische weisen ein Vielfaches der Netzfrequenz auf. Bei einer geraden Anzahl des Vielfachen handelt es sich um gerade Harmonische und dementsprechend bei einer ungeraden Anzahl um ungerade Harmonische. Zwischenharmonische sind Frequenzanteile die kein Vielfaches der Grundschwingung von 50 Hz sind. Als Subharmonische werden alle Frequenzanteile bezeichnet die Frequenzen von unter 50 Hz besitzen. Diese werden jedoch nicht zu den Oberschwingungen gezählt.

Synonym(e):

Harmonische, Oberwelle

Englische Übersetzung(en):

harmonic