Herausforderung für die Stromnetze
E-Tec Systems AG
Energiesparlampen und LED-Leuchten benötigen zum Betrieb ein Vorschaltgerät. Wenn die Leistungsaufnahme einer Energiesparlampe jedoch genauer analysiert wird, tauchen Effekte auf, welche sich nicht so einfach erklären lassen und die für Energieversorgungsnetze alles andere als positive Auswirkungen haben.
Wie diese Effekte aussehen können, zeigt sich bei Messungen an einer Standard-Energiesparlampe eines namhaften Herstellers. Die Leuchte hat eine Leistung von 12 W, was der Beleuchtungsstärke einer 60-W-Glühlampe entspricht. Der Strom eilt, bedingt durch den Kondensator im Vorschaltgerät, der Spannung um 21° leicht voraus. Die Energiesparlampe ist demnach für das Netz eine kapazitive Last, was typisch für diese Art von Verbrauchern ist. Die Messungen ergeben einen Effektivwert-Strom von 290 mA, eine Effektivwert-Spannung von 232 V und einen Cosinus Phi1 von 0,93 (kapazitiv).
Würde die Leistungsaufnahme der Lampe mit der Standardformel
P = U x I1 x cos Phi1
bestimmt, ergäbe sich eine Wirkleistung von 67,27 W, was aber falsch ist. Da die Stromkurve sehr stark vom Sinus abweicht, muss in diesem Fall zur Korrektur die neue Komponente Strom-Verzerrungsblindleistung mit einbezogen werden. Wird die nicht sinusförmige Stromkurve in die einzelnen Frequenzanteile über eine Fouriertransformation zerlegt, so ist ein sehr langsam abfallendes Spektrum von ungeraden Harmonischen (Vielfache der Grundschwingung von 50 Hz) zu erkennen. Der Verzerrungsfaktor THD des Stromes beträgt bei diesem Verbraucher 375 Prozent. Dieser THD-Wert (Total Harmonic Distortion) ergibt sich aus der Formel
und ist die geometrische Summe aller Oberwellenanteile in Bezug auf den Grundfrequenzstrom bis einschliesslich zur 40.Oberschwingung (bis 2 kHz).

Definition des Leistungsfaktors und Cosinus Phi
In Stromversorgungsnetzen wird zur Vermeidung von Übertragungsverlusten ein möglichst hoher Leistungsfaktor angestrebt; im Idealfall beträgt er 1. Energieversorgungsunternehmen schreiben ihren Kunden häufig einen Leistungsfaktor von mindestens 0,9 vor. In Verbindung mit dem Thema Netzrückwirkungen in elektronischen Schaltungen spielt der Leistungsfaktor (Power Factor PF) eine besondere Rolle. Dieser wird in der Elektrotechnik als das Verhältnis von Wirkleistung P zur Scheinleistung S bezeichnet. Die entsprechende Formel lautet:
Leistungsfaktor Lambda = IPI / S (Power Faktor PF).
Der Leistungsfaktor kann zwischen 0 und 1 liegen. Als Wirkleistung P wird der arithmetische Mittelwert der Leistungsfunktion benannt:
Die Scheinleistung (S) ist dabei der Spitzenwert der Leistungsfunktion und entspricht dem Produkt vom Gesamtspannungseffektivwert (U) mit dem Stromeffektivwert (I). Die dazugehörige Gleichung lautet:
Scheinleistung S = U x I.
Die anstelle des Leistungsfaktors (Lambda = IPI / S) traditionell verwendete Messgrösse Cosinis Phi (Verschiebungsfaktor) resultiert aus der Phasenverschiebung der Grundschwingung der Spannung zur Grundschwingung des Stromes. In herkömmlichen Messumformern wird diese bedeutend einfacher zu realisierende Messung der Phasenverschiebung verwendet. Die entsprechenden Umformer geben in aller Regel ein dem Winkel Phi linear proportionales Ausgangssignal ab. Die gewünschte Cosinus-Funktion wird auf den Skalen der Analog-Anzeigegeräte durch eine entsprechende unlineare Skaleneinteilung realisiert (Skalenverlauf proportional der Cosinus-Kurve, beispielsweise 0,5 kapazitiv ... 0 ... 0,5 induktiv). Allerdings ist nur bei exakt sinusförmigen Strömen und Spannungen der Leistungsfaktor gleich dem Cosinus des Phasenwinkels Phi1 und es gilt:
Wirkleistung P = U x I x cos Phi und
Leistungsfaktor Lambda = cos Phi.

Stromverzerrungsblindleistung
Die Verzerrungsblindleistung/Oberschwingungsblindleistung beschreibt eine spezielle Form der Blindarbeit, die in Wechsel- beziehungsweise Drehstromnetzen durch nicht lineare Verbraucher wie Gleichrichter in Netzteilen, Wechselrichter oder auch magnetische Bauteile, welche Sättigungserscheinungen zeigen, verursacht wird. Dieser nicht sinusförmige Strom ist als Summe von Oberschwingungsströmen darstellbar. Die Oberschwingungen des Stromes in Kombination mit der Netzspannung ergeben Blindleistungsanteile, die als Verzerrungsblindleistung bezeichnet werden.
Das Produkt aus der Spannung mit allen Oberschwingungsströmen bildet somit die Strom-Verzerrungsblindleistung D (in dieser Definition werden die Spannungsharmonischen vernachlässigt, da diese in der Regel wesentlich kleiner sind als die Anteile der Stromharmonischen). Die entsprechende Formel lautet
oder
Die Wirkleistung P ist jene Leistung, die an einem Verbraucher tatsächlich Leistung erbringt, beispielsweise die Drehbewegung eines Elektromotors. Die Grundschwingungsblindleistung Q50 ist eine Leistungskomponente, die infolge der Energiespeicherung in den induktiven oder kapazitiven Anteilen der Verbraucher periodisch zwischen Erzeuger und Verbraucher hin- und herpendelt. Bei Stromoberschwingungen im Netz kommt nun die dritte Komponente, die Verzerrungsblindleistung D hinzu, welche die Blindleistung in den Oberschwingungen darstellt.
Das Produkt aus zwei reinen Sinusschwingungen mit unterschiedlicher Ordnungszahl ergibt über eine Sinusperiode (20 ms bei 50 Hz) immer Null. Bild 3 zeigt die Entstehung der Verzerrungsblindleistung anhand der dritten Harmonischen (150 Hz Strom). Spannungs- und Stromoberschwingungen verschiedener Frequenz ergeben während einer Periode keine mittlere Leistung, somit auch keine Wirkleistung. Die Wirkleistung wird nur aus den Strom- und Spannungsanteilen gleicher Frequenz gebildet. Damit ergibt sich für den Leistungsfaktor folgende Formel:
Konsequenz für 12-W-Energiesparlampen
Bei einem relativ guten Cosinus Phi1 bei diesem Verbraucher von 0,93, liegt der Leistungsfaktor bei einem sehr schlechten Wert von PF 0,19. Die Erklärung: Da die Stromharmonischen hier einen sehr grossen Anteil am Stromeffektivwert haben, ergibt sich eine grosse Verzerrungsblindleistung. Diese erhöht die Gesamtblindleistung des Verbrauchers, was wiederum zu einer grossen Scheinleistung führt. An der Energiesparlampe wurden eine Wirkleistung P von 13 W, eine Scheinleistung S von 67,3 VA, eine Blindleistung Q von 66 VAr und eine Strom-Verzerrungsblindleistung D von 56 VAr ermittelt.

Resümee
Energieversorgungsnetze (Generatoren, Transformatoren und Kabel) müssen Scheinleistung erzeugen und liefern. Würden nun alle Haushalte die 60-W-Glühlampen durch diese 12-W-Energiesparlampen ersetzen, bedeutete dies für das Netz sogar eine leichte Erhöhung der Leistungsaufnahme, denn alle Komponenten im Netz müssten diesen Strom übertragen. In dem aufgeführten Beispiel würde eine 60-W-Glühlampe durch eine Energiesparlampe mit einer Scheinleistung von 67,3 VA ersetzt werden. Hinzu kommen noch unerwünschte Netzrückwirkungen, welche sich durch die Stromoberschwingungen im Energienetz ergeben. Es bleibt abzuwarten, wie sich unsere Netze in der Zukunft verändern werden.

Gesetzliche Richtlinien
Der Verkauf von herkömmlichen Glühlampen soll in der EU voraussichtlich ab Mitte 2009 schrittweise verboten werden. Die neuen Vorgaben orientieren sich an der Energieeffizienz und der Wattangabe. Die Europäische Kommission will diese nach und nach verschärfen, sodass die klassische Glühlampe gegen 2015 vom europäischen Markt verschwunden sein wird. In Australien wurde bereits im vergangenen Jahr die Verwendung von Glühlampen verboten und auch in Neuseeland und einigen Teilen der USA sind die Tage dieses Leuchtmittels gezählt. Als Ersatz kommen nun Energiesparlampen und LED-Beleuchtungen zum Einsatz.

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