Geräteoptimierung zur Reduzierung der Störaussendung und zur Erhöhung der Störfestigkeit in einem Frequenzbereich von 2 kHz bis 150 kHz

Die Umsetzung von Klimaschutzmaßnahmen wird unter anderem durch die fortwährende Erhöhung der Energieeffizienz von elektrischen Verbrauchern und Erzeugern umgesetzt, wobei leistungselektronische Komponenten eine Schlüsseltechnologie darstellen. Dieses führt zu steigenden Emissionen im Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 150 kHz, welche auch als „Supraharmonische“ bezeichnet werden. Aufgrund lückenbehafteter Grenzwerte wurden bisher nur wenige Untersuchungen zu dieser Störungsart durchgeführt. In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung der supraharmonischen Störaussendung sowie der supraharmonischen Störfestigkeit von typischen Haushaltsgeräten vorgenommen, welche die Betrachtung aktueller normativer Vorgaben und die Entstehung supraharmonischer Störungen sowie die Auslegung von Filterschaltungen berücksichtigt. Die charakteristische Störaussendung und Störfestigkeit der einzelnen Geräte werden topologieabhängig bestimmt. Darauf aufbauend werden die Auswirkungen supraharmonischer Störungen auf die in den Geräten eingebauten Komponenten analysiert und besonders belastete Komponenten identifiziert. Anschließend werden verschiedene Optimierungsmaßnahmen beschrieben und deren Eignung anhand von Anwendungsbeispielen verifiziert. Zusätzlich werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, die eine Vorgehensweise bei der Optimierung bestehender und neuer Schaltungen aufzeigen.

---

Das Thema „supraharmonische Störungen“ ist in den letzten Jahren vermehrt in den Fokus der Forschung gerückt und beschreibt Störphänomene die dem Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 150 kHz zuzuordnen sind. Vor Allem die steigende Anzahl von Erzeugern und Verbrauchern mit integrierten leistungselektronischen Komponenten führt zu einem vermehrten Auftreten supraharmonischer Störungen im Niederspannungsnetz. Beispiele stellen Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen, Elektrofahrzeuge aber auch einige Haushaltsgeräte dar, die aufgrund von steigenden Effizienzansprüchen zunehmend mit leistungselektronischen Komponenten ausgestattet werden. Aufgrund lückenbehafteter Grenzwerte wurden bisher nur wenige Untersuchungen zu dieser Störungsart durchgeführt. In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung der supraharmonischen Störaussendung sowie der supraharmonischen Störfestigkeit von typischen Haushaltsgeräten vorgenommen, welche die Betrachtung aktueller normativer Vorgaben und die Entstehung supraharmonischer Störungen sowie die Auslegung von Filterschaltungen berücksichtigt. Für eine detaillierte Charakterisierung der Störausendung werden zunächst typische Haushaltsgeräte ausgewählt und anhand der verwendeten Schaltungstopologie klassifiziert, um eine topologieabhängige Beurteilung sowohl der Störaussendung als auch der Störfestigkeit vornehmen zu können. Aufgrund der geringen Aussagekraft der normativ vorgesehenen Messverfahren bezüglich spezieller Charakteristika der einzelnen untersuchten Schaltungen werden im nächsten Schritt erweiterte Messverfahren für die Störaussendungsmessung sowie die Störfestigkeitsmessung definiert. Darauf aufbauend werden die Auswirkungen supraharmonischer Störungen auf die in den Geräten eingebauten Komponenten analysiert und besonders belastete Komponenten identifiziert. Anschließend werden verschiedene Optimierungsmaßnahmen beschrieben und deren Eignung anhand von Anwendungsbeispielen verifiziert. Zusätzlich werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, die eine Vorgehensweise bei der Optimierung bestehender und neuer Schaltungen aufzeigen. Dafür werden die Optimierungsmaßnahmen noch einmal verglichen und deren Eignung für verschiedene Anwendungsfälle hervorgehoben sowie mögliche Hemmnisse aufgezeigt. Es wird gezeigt, dass die Störfestigkeitsoptimierung durch Dämpfungsmaßnahmen Lebensdauerminderungen und Überlastungen von einzelnen Komponenten wirksam verhindern kann und für nahezu alle Haushaltsgeräte mit identifizierten Störfestigkeitsproblemen geeignet ist. Die Störausendungsoptimierung erfolgt durch den Einsatz angepasster Filterschaltungen und vor allem höheren Schaltfrequenzen, welches aufgrund der grundsätzlich noch sehr geringen Störaussendung von Haushaltsgeräten im supraharmonischen Bereich vor allem bei aktiven PFC-Schaltungen von Bedeutung ist.