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Weitnauer Messtechnik
„Dirty Power“ Gesamtheit aller Störungen durch elektrische Systeme, welche in erster Linie über die elektrischen Verbindungen leitungsgebunden ausgesandt werden. Im amerikanischen Sprachraum Synonym für „Elektrosmog“.
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Netzqualität -Spannung (Effektivwert über eine Periode) -Frequenz -Kurvenform (Verzerrungen) -Transienten -Spannungsschwankungen (Flicker)*
*(erster EMV-Aspekt!)
Strom als Handelsgut Ein Handelsgut besitzt definierte Qualität: Beim elektrischen Strom: EN 50160
Schlechte Netzqualität? In den meisten Fällen ist der Kunde selber Ursache schlechter Netzqualität! Beispiele: Schalten grosser Lasten Schweissgeräte, grosse Motoren Elektronische Geräte
Warum?
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Passive elektrische Elemente Elektrischer Widerstand
u(t ) R i(t )
Stets konstantes Verhältnis U und I Spannung und Strom sind in Phase Widerstand ist unabhängig von der Frequenz
Passive elektrische Elemente Kapazität C u (t )
u
1 i(t ) dt C
1 i j C
Kapazität speichert Ladungen; hält Spannung konstant Strom eilt Spannung um 90° voraus Impedanz wird mit steigender Frequenz kleiner
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Passive elektrische Elemente Induktivität L u(t ) L
d i(t ) dt
u jL i Induktivität hält Strom konstant Spannung eilt Strom um 90° voraus Impedanz wird mit steigender Frequenz grösser
Ideale elektrische Quellen Spannungsquelle Spannung ist konstant Kurzschlussstrom unendlich Beispiele: Autobatterie Labornetzgerät
Ideale elektrische Quellen Stromquelle Strom ist konstant Leerlaufspannung unendlich Beispiele: Weidezaun-Gerät Solarzellen LED-Vorschaltgeräte
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Reale elektrische Quellen Spannungsquelle Leerlaufspannung Kurzschlussstrom
UL = U0 Ik = U0/R
Spannung allgemein
U = U0 – I•R
Reale elektrische Quellen Stromquelle Leerlaufspannung Kurzschlussstrom
UL = I0•R Ik = I 0
Spannung allgemein
U = (I0 – I)•R
Der elektrische Stromkreis
Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Spannung an der Last Leistung an der Last Verlustleistung
U0 Ik = U0/R U = U0 – I•R P = U•I Pv = (U0 – U)•R
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Der Wechselstromkreis
Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Spannung an der Last Leistung an der Last Verlustleistung
U0(t) Ik(t) = U0(t)/Z U(t) = U0(t) – I(t)•Z P(t) = U(t)•I(t) Pv(t) = (U0(t) – U(t))•Z
Der Wechselstromkreis Spannung und Strom ändern sich zeitlich Aus Widerständen wurden komplexe Impedanzen Spannung und Strom sind NICHT mehr in Phase
-> Neue Begriffe: Wirkleistung und Blindleistung
Reine Nutzleistung 10 8 6 4 2 Spannung 0
Strom 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Leistung
-2 -4 -6 -8 -10
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Induktiver Anteil 10 8 6 4 2 Spannung 0
Strom 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Leistung
-2 -4 -6 -8 -10
Reine induktive Blindleistung 10 8 6 4 2 Spannung 0
Strom 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
330
360
Leistung
-2 -4 -6 -8 -10
Wirkarbeitsrücklieferung 10 8 6 4 2 Spannung 0
Strom 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Leistung
-2 -4 -6 -8 -10
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Wirkleistung P und Blindleistung Q Q P
arctan
cos( )
P S
Wirkleistung P und Blindleistung Q
Grundschwingung ? Eine harmonische Schwingung besitzt immer eine Sinusform.
Damit hat sie eine einzige Frequenz!
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Allgemeine Schwingung? Eine Schwingung muss nicht harmonisch sein, sondern kann beliebige Formen haben.
Allgemeine Schwingung! Jede periodische Schwingung lässt sich in ein Gemisch aus einzelnen harmonischen Schwingungen mit ganzzahligen Frequenzverhältnissen zerlegen. -> Fourier-Analyse
Oberwellen Oberwellen sind Harmonische, also ganzzahlige Vielfache, der Grundfrequenz einer Schwingung.
Woher kommen die ?
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Oberwellen Oberwellen entstehen an nichtlinearen Impedanzen: -Halbleiter (Dioden, Thyristoren etc.) -Magnetische Komponenten (Drossel, Trafo)
Asynchrone Komponenten Sobald Signalanteile hinzukommen, die zeitlich keinen Zusammenhang mit der Netzspannung haben, oder gar völlig zufällig sind, spricht man von asynchronen Komponenten. Herkunft: Elektronik mit Taktgeneratoren. Allgemein: Schalthandlungen & Transienten
Störmodell Spannungsquelle,
Last,
Störstromquelle
ui u0 Z L (i iS )
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Netzrückwirkung Jede Last bewirkt durch ihren Stromfluss einen Spannungsabfall Ui auf dem Innenwiderstand des Stromnetzes. Spannungsänderung* = Netzrückwirkung *in Folge Stromfluss durch die Last
Komplexe Impedanzen Sobald Schaltungen mehrere Grundelemente umfassen, sind dies „komplexe Impedanzen“.
Resonanzen !
Schwingkreis (1)
Elektrisches Feld speichert Energie
WE
C U 2 2
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Schwingkreis (2)
Magnetisches Feld speichert Energie
WM
LI2 2
Schwingkreis Im Schwingkreis ist die Summe der elektrischen und der magnetischen Energie stets gleich gross.
Resonanzfrequenz:
f0
1 2 LC
Parallelresonanz
i(t )
u (t ) 1 d u(t ) dt C u (t ) R L dt
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Serieresonanz
u (t ) i(t ) R L
d 1 i(t ) i(t ) dt dt C
Impedanz-Analyse: Reales Netz
Nächstes Problem:
Laufzeiteffekte !
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Elektrische Leitung
Wellenimpedanz:
Wellengeschwindigkeit:
Offene Leitung 20m
Kurzgeschlossene Leitung 20m
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Leiterschleife an Leitung 20m
Starkstromkabel 20m
Offene Leitung 20m
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Kurzgeschlossene Leitung 20m
Übel: Zusammengesetzt, 40m
Am Ende kurzgeschlossen!
Dritter Block: - Beispiele aus der Praxis …
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Netzrückwirkung: TV-Gerät AUS 400
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8 300 6 200 4 100 2
0
U AUS [V] I AUS [A]
0
-2 -100 -4 -200 -6 -300 -8
-400 0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
-10 0.04
Netzrückwirkung: TV-Gerät EIN 400
10
8 300 6 200 4 100 2
0
0
U EIN I EIN
-2 -100 -4 -200 -6 -300 -8
-400 0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
-10 0.04
„Smart-Home“: alles elektronisch!
Blau: Spannung an einer Fassung der Essplatz-Lampe (Dimmer voll ausgesteuert) Rot: geschaltete Steckdose (Dimmer voll ausgesteuert, ohne Last)
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Kaffeemaschine !
Eingangsfilter: Resonanz auf 24VDC 50
40
30
20
Uc IL 10
0 0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
-10
-20
LC-Eingangsfilter
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Umrichter
Umrichter 400
300
200
100 UL1 UL2 UL3 IL1 IL2 IL3
0
-100
-200
-300
-400 0.2
0.202
0.204
0.206
0.208
0.21
0.212
0.214
0.216
0.218
0.22
0.222
0.224
0.226
0.228
0.23
Glühlampe 200W
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Philips SL 18W (CFL 1. Generation)
Philips CFL 22W
Philips LED 2W
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Glühlampe 200W
Philips SL 18W (CFL 1. Generation)
Philips CFL 22W
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Philips LED 2W
Stetzer-“Filter“ OHNE Last
Stetzer-“Filter“ OHNE Last
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Zwischen Lampe & Stetzer-“Filter“
Zwischen Lampe & anderem “Filter“
USV für Datenserver: N-PE
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USV für Datenserver: N-PE
Spürt ein Mensch das?
Herzlichen Dank
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