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LED-Licht: Von der Innovation zum Stand der Technik (5)

Die Effizienz-Debatte ist „durch“. Nachdem wir es geschafft haben, dass sich nur noch effiziente Leuchtmittel und Beleuchtungstechniken auf dem Markt 
befinden – ob nun durch Mode, auf Grund von EU-Verordnungen oder doch 
tatsächlich aus Vernunft – kann man sich endlich den anderen (grundlegenden) Eigenschaften des Lichts zuwenden.

Einschaltstrom einer LED-Lampe 14 W (Quelle: S. Fassbinder/ep)

Oberschwingungeneiner LED (Osram 3 W LED)

Es wirkt etwas befremdlich, dass ausgerechnet jetzt die Frage nach den Oberschwingungen und den Einschaltströmen von LED-Lampen in die Diskussion gerät.

Ja, die LED sind neu und bevölkern soeben massenhaft die Niederspannungsnetze, doch unterscheiden sich die Eingangsstufen der elektronischen Betriebsgeräte – ob extern oder integriert – weder von denen der KLL, noch von den meisten anderen elektronischen Geräten.

Deren Netzrückwirkungen wurden bereits ausführlich dargestellt [22], weswegen an dieser Stelle eine kurze Zusammenfassung ausreichen sollte.

Oberschwingungen

Was Oberschwingungen sind, wird daher an dieser Stelle als bekannt vorausgesetzt. Wie beschrieben [22], setzen wirklich wirksame Grenzwerte für Oberschwingungen bei Lampen erst über einer Leistungsaufnahme von 25 W ein, bezogen jeweils auf das einzelne Exemplar. Sehen wir uns also die möglichen Netzrückwirkungen noch einmal an:

Einphasig

Im Bereich bis 25 W sind die Grenzwerte für die höchstzulässige Verzerrung der Eingangsströme (Abweichung von der Sinusform – wie die Spannung sie eigentlich vorgibt – also Strom-Oberschwingungen) recht großzügig, sodass der Hersteller kaum Gegenmaßnahmen einbauen muss [23].

Diese Lampen verfügen, wie die meisten elektronischen Betriebsmittel ihrer Leistungsklasse, zumeist über eine Eingangsstufe, die zunächst aus einer Gleichrichterbrücke und einem Glättungskondensator besteht. Dies führt zu periodischen Stromspitzen immer kurz vor dem Spannungsscheitel, wenn der Kondensator nachgeladen wird, und zu Stromflusspausen über die übrige Zeit, solange die Restspannung auf dem Kondensator größer ist als der Augenblickswert der gleichgerichteten Sinuskurve.

Nun geben viele Körnlein bekanntlich einen Haufen. Da sich stets sehr viele solcher „Körnlein“ am Netz befinden, ist auch die Spannung schon deutlich sichtbar verformt.

Weitere Folge ist, dass der effektive Eingangsstrom eines derart gespeisten Betriebsmittels wesentlich größer ist als der Wirkstrom, in der Regel etwa doppelt so groß. Eine 3-W-Lampe nimmt also eine Scheinleistung von rund 6 VA auf. Verantwortlich ist hierfür nur zum kleineren Teil die Phasenverschiebung der Strom-Grundschwingung gegenüber der speisenden Spannung, also die Grundschwingungs-Blindleistung, obwohl diese Lampen sich durchweg leicht kapazitiv verhalten.

Der größere Teil steckt jedoch in der Verzerrungs-Blindleistung Qv (auch mit D bezeichnet), also in den Strom-Oberschwingungen, die eine weitere Form der Blindleistung darstellen. Die Tabelle gibt einen Überblick über die bedeutendsten Oberschwingungen h des Aufnahmestroms dieser Lampe (und der Spannung des speisenden Netzes im Moment der Messung). Fazit hieraus:

Netzspannung U = 230,0 V,

Effektivstrom I = 22,9 mA,

Grundschwingungsstrom I1 = 13,2 mA,

Wirkleistung (gemessen) P = 2,87 W,

Scheinleistung S = 5,17 VA,

Grundschwingungs-
Scheinleistung S1 = 3,04 VA,

Grundschwingungs-
Blindleistung Q1 = 0,98 VA,

Verzerrungs-
Blindleistung Qv = D = 4,19 VA,

Verschiebungs-
Leistungsfaktor cosφ = 0,947,

Gesamt-Leistungsfaktor λ = 0,556.

Entsprechend stärker werden die Leitungen beansprucht, also im vorstehenden Beispiel mit 5,17 VA, um 2,87 W an die Lampe zu bringen. Früher allerdings mussten an dieser Stelle 50 VA übertragen werden, um 50 W an die entsprechende Glühlampe zu bringen.

Dreiphasig

Was solche einphasigen verzerrenden Lasten in dreiphasigen Netzen anrichten können (und was eher nicht), wurde ebenfalls im „Elektropraktiker“ schon mehrfach dargestellt [22], auch und gerade im Hinblick auf LED-Lampen bzw. deren Betriebsgeräte [24]. An dieser Stelle soll daher eine kurze Bilanzierung dessen genügen:

  • Wie im Abschnitt „Einphasig“ausgeführt, fällt beim Ersatz von Glühlampen durch LED-Lampen die Wirkleistung auf rund 1/10 des vorherigen Werts. Trotz der erheblichen Verschlechterung des Leistungsfaktors von 1 auf grob 0,5 fällt daher der Strom noch immer auf 1/5 des alten Werts. Das Netz wird hierdurch in der Summe also eher entlastet als höher belastet.
  • Auch eine Überlastung des Neutralleiters ist nicht mehr zu befürchten, wenn seine Auslegung mit vollem Querschnitt (gleich dem der Außenleiter) erfolgt. Zwar fehlen in DIN VDE 0298-4 [25] nach wie vor Grenzwerte für 4 belastete Adern, doch finden sich im Beiblatt 3 zur DIN VDE 0100-520 [26] Hinweise, wie zu verfahren ist, wenn durch Oberschwingungen verursachende Einphasenlasten trotz symmetrischer Aufteilung alle 4 aktiven Leiter belastet sind.
  • Am wichtigsten ist jedoch – je mehr Elektronik in einem Gebäude betrieben wird – dass eine Verteilungsanlage nach dem TN-S-System errichtet wird, so wie es die VDE 0100-444 [27] für Bestandsgebäude empfiehlt und für Neuanlagen fordert.


    Autor: 
    L. Erbe

    Literatur:

    [13] Fassbinder, S.; Kleger, R.: LED dimmen – ein Erfahrungsbericht. ET Elektrotechnik 9/2013.

    [14] Fassbinder, S.; Kleger, R.: Noch ein Versuch: LED-Spots dimmen. ET Elektrotechnik 2/2015.

    [22] Fassbinder, S.: Analyse und Auswirkungen von Oberschwingungen. epTHEMA, Huss Medien Berlin 2014, 40 S. Siehe www.elektropraktiker.de/nc/fachinformationen/fachartikel/epthema-oberschwingungen-1.

    [23] DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2):2010-03: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Teil 3-2: Grenzwerte – Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom 16 A je Leiter).

    [24] Fassbinder, S.: Der Neutralleiter wird so schnell nicht abbrennen – LEDs und Oberschwingungen. Elektropraktiker, Berlin 69 (2015) 1 und 2.

    [25] DIN VDE 0298-4:2013-06: Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen – Teil 4: Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in und an Gebäuden und von flexiblen Leitungen.

    [26] DIN VDE 0100-520 VDE 0100-520 Beiblatt 3:2012-10: Errichten von Niederspannungsanlagen – Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Teil 520: Kabel- und Leitungsanlagen – Beiblatt 3: Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen in 3-phasigen Verteilungsstromkreisen bei Lastströmen mit Oberschwingungsanteilen.

    [27] DIN VDE 0100-444:2010-10: Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-444: Schutzmaßnahmen – Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen.

    Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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