Harmonische Verzerrung (THD) in LED- und Frequenzumrichter-Installationen

Was sind Oberschwingungen?

Eine reine sinusförmige Versorgung arbeitet mit der Grundfrequenz – 50 Hz in Europa. Wenn ein nichtlinearer Verbraucher Strom zieht, der keiner sinusförmigen Wellenform folgt, enthält dieser Strom Frequenzkomponenten, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Dies sind Oberschwingungen. Die 3. Oberschwingung hat 150 Hz, die 5. 250 Hz, die 7. 350 Hz usw. In Dreiphasensystemen dominieren ungeradzahlige Oberschwingungen, und die triplen Oberschwingungen (3., 9., 15.) verhalten sich anders, da sie in allen drei Phasen gleichphasig sind, anstatt sich wie symmetrische Oberschwingungen aufzuheben.

Die Hauptquellen von Stromoberschwingungen in modernen Gebäuden sind LED-Treiber (Schaltnetzteile mit hoher Frequenz), Frequenzumrichter (VFDs) mit 6-pulsigem Diodengleichrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Schaltnetzteile für IT-Geräte und KNX-Geräte-Stromversorgungen sowie elektronische Vorschaltgeräte in älteren Leuchtstofflampen. Jede dieser Quellen zieht Strom in Impulsen an den Spitzen der Spannungswellenform, anstatt kontinuierlich.

THD-I vs. THD-V

THD-I (Gesamte harmonische Verzerrung des Stroms) ist das Verhältnis des Effektivwerts aller harmonischen Stromkomponenten zum Effektivwert des Grundstroms, ausgedrückt in Prozent. Es wird an den Lastklemmen gemessen – am Eingang des LED-Treibers, Frequenzumrichters oder der USV – und beschreibt, wie verzerrt der von dieser Last aufgenommene Strom ist. Eine reine ohmsche Last hat THD-I = 0 %. Ein typischer getakteter LED-Treiber ohne Leistungsfaktorkorrektur weist einen THD-I von 80–120 % auf.

THD-V (Gesamte harmonische Verzerrung der Spannung) ist das Verhältnis des Effektivwerts aller harmonischen Spannungskomponenten zur Grundspannung, gemessen am Versorgungsbus. Stromharmonische, die durch die Quellimpedanz des Versorgungssystems fließen, verursachen Spannungsharmonische – der harmonische Spannungsabfall über der Impedanz erscheint als Verzerrung der Busspannung. THD-V betrifft alle Geräte, die an den Bus angeschlossen sind, nicht nur die harmonischerzeugende Last. Dies ist der Unterschied: THD-I ist eine Eigenschaft der Last; THD-V ist eine Eigenschaft des Netzes und betrifft jedes angeschlossene Gerät.

Voltage harmonic at order h:
  Vh = Ih × Zh

Where:
  Vh = harmonic voltage component at order h (V)
  Ih = harmonic current component at order h (A)
  Zh = source impedance at harmonic frequency h (Ω)

Source impedance increases with frequency:
  Z at 250Hz (5th) = 5 × Z at 50Hz (fundamental)
  Z at 350Hz (7th) = 7 × Z at 50Hz

Higher source impedance (weak supply, long cables) →
more THD-V for the same THD-I load

THD-I measured: at load input terminals (per IEC 61000-3-2)
THD-V measured: at supply bus (per EN 50160)

IEC 61000-3-2 Klasse C Grenzwerte für LED-Leuchten

IEC 61000-3-2 legt die Grenzwerte für den Oberschwingungsstrom von Geräten mit einem Eingangsstrom bis zu 16 A pro Phase fest, die an öffentliche Niederspannungsnetze angeschlossen sind. Klasse C gilt für Beleuchtungsgeräte, einschließlich LED-Leuchten und deren Treiber. Für Leuchten mit einer Nennleistung über 25 W legt die Norm die Oberschwingungsgrenzen als Prozentsatz des Grundstroms fest, wobei die Grenze für die 3. Oberschwingung vom Leistungsfaktor (cos phi) der Leuchte abhängt.

EN 50160 Spannungsqualität am Niederspannungsanschlusspunkt

EN 50160 definiert die Eigenschaften, die Versorgungsunternehmen am Niederspannungs-Einspeisepunkt bereitstellen müssen. Für Spannungsoberschwingungen legt die Norm fest, dass die THD-V als Wochenmittelwert von 10-Minuten-Messintervallen 8 % nicht überschreiten darf. Einzelne Oberschwingungsspannungsgrenzen gelten für Oberschwingungen bis zur 25. Ordnung: Beispielsweise darf die 3. Oberschwingung 5 % der Grundschwingung nicht überschreiten, die 5. nicht mehr als 6 % und die 7. nicht mehr als 5 %.

Versorgungsunternehmen messen die Einhaltung, indem sie über einen kontinuierlichen 7-Tage-Messzeitraum 10-Minuten-RMS-Mittelwerte mit Klasse-A-Netzqualitätsmessgeräten aufzeichnen. Die Durchsetzung variiert je nach Land – in der EU werden Spannungsqualitätsbeschwerden über die nationale Regulierungsbehörde bearbeitet. Für Installateure legt EN 50160 die Obergrenze dessen fest, was das Versorgungsnetz liefert; wenn die THD-V vor dem Anschluss Ihrer Last bereits 8 % erreicht, besteht bei Hinzufügen weiterer oberwellenerzeugender Geräte das Risiko, den Grenzwert zu überschreiten und die Versorgungsqualität für andere Verbraucher am Abzweig zu verschlechtern.

Auswirkungen auf KNX-Installationen und Schaltanlagenkomponenten

Oberwellenströme verursachen in Gebäudeinstallationen spezifische Probleme, die KNX-Schaltanlagenplaner berücksichtigen müssen. Der kritischste Effekt in Drehstrominstallationen mit einphasigen LED-Lasten ist die Überlastung des Neutralleiters. In einem symmetrischen Drehstromsystem heben sich die Grundschwingungsströme im Neutralleiter auf. Triplen-Oberschwingungen (3., 9., 15.) sind jedoch auf allen drei Phasen in Phase – sie addieren sich arithmetisch im Neutralleiter, anstatt sich aufzuheben. In einer voll ausgelasteten Drehstrominstallation mit einphasigen LED-Treibern mit hohem THD kann der 3. Oberwellen-Neutralstrom den Phasenstrom erreichen oder überschreiten.

3 x 20A phase circuits, THD-I = 90%, 3rd harmonic = 70%:

  3rd harmonic current per phase: 20A × 70% = 14A
  Neutral 3rd harmonic current:   14A × 3 = 42A (adds in neutral)
  Fundamental neutral current:    cancels (balanced 3-phase)

  Total neutral current ≈ 42A (exceeds 20A phase current!)

IEC 60364-5-52 Table 52-D:
  For THD > 15%, size neutral conductor at 1.45× phase rating
  In high-THD LED installations: use same CSA neutral as phase,
  or upsize neutral by one cross-section (e.g. 4mm² phase → 6mm² neutral)

MCB false tripping:
  High-frequency harmonic currents cause MCB thermal element
  to see higher RMS current than 50Hz-only meters show.
  Derate MCB to 0.8× rated current in high-THD circuits.

KNV-Spannungsversorgungen sind SMPS-basierte Geräte. Hohe THD-V auf der Netzseite verursacht Welligkeit am 29-V-DC-KNX-Busausgang, reduziert den SMPS-Wirkungsgrad und beschleunigt die Alterung der Eingangselkos. Die Lebensdauer der Kondensatoren halbiert sich pro 10°C Temperaturerhöhung – Oberschwingungen erhöhen die Verluste und damit die Temperatur. In Umgebungen mit hohem THD sollten KNX-Spannungsversorgungen mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur (PFC) spezifiziert werden, wie z.B. MDT STC-0640.02 oder ABB SU/S 6.5.1, die Oberschwingungen effektiver unterdrücken als passive SMPS-Designs.

VFD-Oberschwingungen und Netzdrossel-Minderung

Ein standardmäßiger 6-Puls-VFD-Antrieb hat einen Diodengleichrichter-Eingang, der nur nahe den Spitzen der Versorgungsspannungswellenform Strom zieht. Dies erzeugt ein charakteristisches Oberschwingungsspektrum, das von der 5. Oberschwingung (250 Hz) und der 7. Oberschwingung (350 Hz) dominiert wird, wobei die 5. typischerweise 25–35 % der Grundschwingung und die 7. 8–15 % beträgt. Der THD-I eines standardmäßigen 6-Puls-Antriebs ohne Minderung liegt typischerweise bei 35–50 %.

Messung: Wann und wie THD bewertet wird

Die THD-Messung erfordert einen True-RMS-Netzqualitätsanalysator, der einzelne Oberschwingungen bis mindestens zur 40. Ordnung auflösen kann. Geeignete Geräte sind der Fluke 435 Series II (Klasse A nach IEC 61000-4-30), Chauvin Arnoux C.A. 8336 und der Carlo Gavazzi EM24 Energieanalysator (Dauerüberwachung). Schließen Sie den Analysator an der Unterverteilung an, die die verdächtigen Verbraucher versorgt, und messen Sie THD-I und die einzelnen Oberschwingungsanteile unter repräsentativen Lastbedingungen.

Kritische Messanlässe: vor der Installation von Kondensatorbänken (Kondensatoren können mit der Netzimpedanz bei Oberschwingungsfrequenzen in Resonanz treten und die Oberschwingungsspannung verstärken – immer THD-V messen, bevor Kondensatorbänke zu einer FU-reichen Anlage hinzugefügt werden); nach großen LED-Retrofit-Projekten (Vergleich vorher/nachher); wenn LS-Schalter ohne erkennbare Überlast auslösen (oberschwingungsbehafteter RMS-Strom verursacht thermisches Auslösen); bei der Untersuchung von KNX-Bus-Stabilitätsproblemen (THD-V erreicht KNX-PSU-Eingang).

Passive Oberschwingungsfilter

Ein passiver Oberschwingungsfilter besteht aus einer Reihen-LC-Schaltung, die auf eine niedrige Impedanz bei einer bestimmten Oberschwingungsfrequenz abgestimmt ist und parallel zum Versorgungsbus geschaltet wird. Oberschwingungsströme der abgestimmten Frequenz nehmen den niederohmigen Pfad durch den Filterkondensator und die Filterdrossel, anstatt zurück ins Netz zu fließen. Ein Filter für die 5. Oberschwingung ist auf 250 Hz abgestimmt: Die Werte für C und L werden so gewählt, dass 1 / (2π × 250 × sqrt(LC)) = 1.

For distributed installations — multiple VFDs spread across a building — filtering at source (one filter per VFD, typically a line reactor or integrated input filter) is preferred over a single large central filter. Central filtering requires the filter to handle the combined harmonic current of all loads and adds complexity; source filtering keeps each drive's harmonics contained. For centralised solutions with large motor control centres, a tuned passive filter bank rated for the total drive kVA may be more economical.

Aktive Oberschwingungsfilter

Aktive Oberschwingungsfilter (AHF) – auch aktive Power Conditioner genannt – messen den von der Last aufgenommenen Oberschwingungsstrom in Echtzeit mittels Stromwandler und DSP-Regler und injizieren dann über einen PWM-Wechselrichter entgegengesetzte Oberschwingungsströme, um die gemessenen Oberschwingungen am Netzverknüpfungspunkt zu kompensieren. Im Gegensatz zu passiven Filtern passt sich ein AHF an wechselnde Lastbedingungen an und kann gleichzeitig Oberschwingungen bis zur 50. Ordnung korrigieren sowie Blindleistung bereitstellen.

Repräsentative Produkte: ABB PQFI (30–200 A Einheiten, Modbus TCP Schnittstelle), Schaffner ECOsine Active (25–200 A). Beide bieten Modbus TCP Register für THD-I und THD-V vor/nach der Kompensation, einzelne Oberschwingungspegel und Filterstatus. Für die KNX-Integration verbinden Sie den AHF Modbus TCP Ausgang mit einem WAGO 750-362 Modbus TCP Gateway, konfiguriert mit dem KNX-Kopplermodul. Weisen Sie THD-V L1/L2/L3 KNX-Gruppenadressen mit DPT 9.002 (2-Byte Float) zu und legen Sie im KNX-Komparatorbaustein eine Schwellwertalarmlogik fest, um einen Alarm auszulösen, wenn THD-V 5 % überschreitet.

KNX-Integration: Carlo Gavazzi EM24 Modbus Register

Der Energieanalysator Carlo Gavazzi EM24 unterstützt Modbus RTU (RS-485) und Modbus TCP (über optionales Ethernet-Modul). Für eine kontinuierliche THD-Überwachung in einem KNX-Gebäudeautomationssystem wird folgende Architektur empfohlen: EM24 Modbus RTU → WAGO 750-485 RS-485-Modul in einem WAGO 750-352 Modbus-RTU-Master-Feldbuscontroller → ETS6 KNX-Gruppenadresszuordnung.

Register  Address  Description                   Format      Scale
0x0028    40041    THD-V L1 (%)                 uint16      ÷10 (e.g. 35 = 3.5%)
0x0029    40042    THD-V L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002A    40043    THD-V L3 (%)                 uint16      ÷10
0x002B    40044    THD-I L1 (%)                 uint16      ÷10
0x002C    40045    THD-I L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002D    40046    THD-I L3 (%)                 uint16      ÷10

Suggested KNX group address mapping:
5/7/1  THD-V L1 (DPT 9.002, %)
5/7/2  THD-V L2 (DPT 9.002, %)
5/7/3  THD-V L3 (DPT 9.002, %)
5/7/4  THD-I L1 (DPT 9.002, %)
5/7/5  THD-I L2 (DPT 9.002, %)
5/7/6  THD-I L3 (DPT 9.002, %)

Alert logic (ETS6 comparator block):
IF THD-V L1 (5/7/1) > 5.0% → send TRUE to 5/7/90 (THD alarm)
→ KNX alarm indicator activation + HA push notification