Oberschwingungsfilter – wann ein aktiver Filter und wann eine andere Lösung sinnvoll ist

Ein Oberschwingungsfilter reduziert Stromverzerrungen in einer elektrischen Anlage. Nicht jedes Problem mit der Spannungsqualität erfordert jedoch einen Filter. Manchmal genügt es, einen Antrieb anders zu konfigurieren oder eine Drossel einzusetzen. Unter anderen Bedingungen ist ein aktiver Filter für eine ganze Verteilung erforderlich. Entscheidend sind die Messergebnisse, das Oberschwingungsspektrum, die Lastschwankungen und der Punkt, an dem eine Verbesserung erreicht werden soll.

Wann wird ein Oberschwingungsfilter benötigt?

Oberschwingungen entstehen, wenn ein Verbraucher einen nicht sinusförmigen Strom aufnimmt. Typische Quellen in Betrieben sind Gleichrichter, elektronische Netzteile, USV-Anlagen und Frequenzumrichter. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz liegt die fünfte Harmonische beispielsweise bei 250 Hz und die siebte bei 350 Hz. Allein ihr Auftreten bedeutet noch nicht, dass ein Filter erforderlich ist.

Eine Untersuchung ist sinnvoll, wenn Probleme wiederholt auftreten: übermäßige Erwärmung von Anlagenteilen, auffällige Transformatorbelastung, Überlastung des Neutralleiters, Gerätestörungen, Ausfälle von Kondensatoren oder verschlechterte Netzqualitätswerte. Solche Symptome beweisen noch nicht, dass Oberschwingungen die Ursache sind. Überhitzung kann auch durch Überlast, schlechte Kontakte, Unsymmetrie oder unzureichende Kühlung entstehen.

Zunächst muss geklärt werden, was nicht stimmt, an welchem Punkt der Anlage das Problem auftritt und in welchen Betriebszuständen. Erst danach lässt sich beurteilen, ob eine Filterung die passende Maßnahme ist. Einen Überblick über mögliche Gegenmaßnahmen bietet auch die technische Veröffentlichung von Danfoss zur Verringerung von Oberschwingungen (PDF).

Aktiver Filter, passiver Filter oder andere Lösung?

Keine Technologie ist für jede Anlage die beste. Die Auswahl hängt von der Störquelle, der Zahl der Verbraucher und dem Teillastbetrieb ab. Ebenso wichtig ist, ob eine bestehende Anlage nachgerüstet oder ein neuer Antrieb beschafft wird.

Diese Gegenüberstellung dient der Auswahl und ist keine Rangliste der Wirksamkeit. Eine Lösung, die bei einem einzelnen Frequenzumrichter gut funktioniert, kann bei mehreren Produktionslinien mit unterschiedlichen Lastzyklen unzureichend sein. Die Dokumentation von Schneider Electric zur aktiven Oberschwingungsminderung weist außerdem auf die Netzsteifigkeit, den Anteil der Antriebe und die Bewertung der Wirkung in der Gesamtanlage hin.

Wie funktioniert ein aktiver Oberschwingungsfilter?

Ein aktiver Filter misst den Strom an einem festgelegten Punkt und erzeugt mithilfe eines Stromrichters einen Gegenstrom, der ausgewählte Oberschwingungsanteile kompensiert. In der Regel wird er parallel zu den Verbrauchern angeschlossen. So kann er auf Änderungen des Spektrums reagieren und mehrere Maschinen versorgen, sofern Einbauort und Stromwandleranordnung die Erfassung der relevanten Ströme ermöglichen.

Es darf nicht vorausgesetzt werden, dass jeder aktive Filter gleichzeitig sämtliche Oberschwingungen beseitigt, die Blindleistung vollständig kompensiert und die Phasen symmetriert. Funktionsumfang, Priorisierung und gemeinsamer Stromgrenzwert hängen vom jeweiligen Modell ab. Die Anleitung zum aktiven Filter Danfoss AAF 007 (PDF) beschreibt beispielsweise den Kompensationsbereich, die Funktionsprioritäten und die verfügbaren Gerätestromwerte.

Worin unterscheidet sich ein passiver Filter?

Ein passives System nutzt induktive und kapazitive Bauteile. Es kann auf bestimmte Frequenzen abgestimmt oder als Filter für einen bestimmten Umrichter ausgelegt sein. Bei starken Änderungen von Anlagenkonfiguration und Last ist es gewöhnlich weniger flexibel als ein aktives System. Die Auslegung erfordert eine Resonanzprüfung und die Bewertung des Verhaltens bei geringer Last, wenn kapazitive Blindleistung eine Rolle spielen kann.

Dabei ist zwischen einem passiven Filter und einer Verdrosselung der Kondensatorbatterie zu unterscheiden. Die Drossel in der Kompensationsanlage verändert vor allem deren Resonanzverhalten. Sie ist nicht automatisch ein gleichwertiger Oberschwingungsfilter für die gesamte Installation.

Was zeigen die Messungen: THDi, THDu und Oberschwingungsspektrum?

THDi bezeichnet das Verhältnis des Effektivwerts der Oberschwingungsströme zum Strom der Grundschwingung. THDu beschreibt die entsprechende Verzerrung der Spannung. Es handelt sich um unterschiedliche Kenngrößen: Ein einzelner Verbraucher kann einen hohen THDi aufweisen, während die Spannungsverzerrung an der Hauptverteilung vergleichsweise gering bleibt. Wesentlich sind dabei die Netzimpedanz und die Verteilung der Lasten.

Ein einzelner THD-Wert vom Messgerät reicht nicht aus. Benötigt werden das Spektrum der einzelnen Oberschwingungsordnungen, die Stromwerte in Ampere, Zeitverläufe und gleichzeitige Spannungsmessungen. Bei geänderter Last kann der prozentuale THDi sinken, obwohl der absolute Oberschwingungsstrom unverändert bleibt.

Als Orientierung für die Messplanung dienen unter anderem IEC 61000-4-30:2025 (Verfahren zur Messung der Netzqualität, 2026 berichtigt) und IEC 61000-4-7 (Messung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen). Diese Normen legen Messverfahren fest, entscheiden aber nicht allein über den Kauf eines Filters.

Warum erfordert ein hoher THDi nicht immer einen großen Filter?

Ein vereinfachtes Rechenbeispiel: In zwei Betriebszuständen beträgt der gesamte Effektivwert der Oberschwingungsströme 30 A, während sich der Grundschwingungsstrom ändert. In diesem Modell werden weder die einzelnen Oberschwingungsordnungen noch mögliche Auswirkungen einer Blindleistungskompensation gesondert betrachtet.

Im Zustand B ist der THDi nur halb so hoch. Der Filter müsste jedoch weiterhin den angenommenen Oberschwingungsstrom von 30 A bewältigen. Eine Geräteauslegung allein anhand des prozentualen THDi ist deshalb falsch. In einer realen Anlage müssen zusätzlich Spektrum, Spitzenwerte, zeitliches Zusammenfallen der Phasenströme, Lastdynamik, Neutralleiterstrom und der angestrebte Minderungsgrad berücksichtigt werden. Dieses Beispiel ist keine Bemessung des Nennstroms eines konkreten Filters.

Welche Daten werden vor der Auswahl eines Oberschwingungsfilters benötigt?

Eine erste Bestandsaufnahme kann mit dem einpoligen Netzschema und einer Liste der wichtigsten Geräte beginnen. Für eine technische Entscheidung werden jedoch Daten aus dem tatsächlichen Anlagenbetrieb benötigt. Hilfreich sind:

• Einpoliges Netzschema: Transformatoren, Verteilungen, Versorgungskonzept, Lage des gemeinsamen Netzanschlusspunkts und geplanter Filterstandort.
• Liste nichtlinearer Verbraucher: Gleichrichter- und Umrichtertypen, Leistungen, Drosseln, integrierte Filter und geplante Erweiterungen.
• Ströme und Spektrum: Grundschwingungsanteil, einzelne Harmonische und deren Effektivwerte in Ampere, THDi je Phase sowie THDu.
• Zeitverläufe: Minimal- und Maximalwerte, Anfahren von Produktionslinien, Anlaufvorgänge, Rezepturwechsel und Teillastzustände.
• Netz und Schutz: Transformatorparameter, Kurzschlussdaten, Leiterquerschnitte, Schutzeinrichtungen, thermische Bedingungen und Platz in der Schaltanlage.
• Bestehende Kompensation: Leistung und Stufen der Kondensatorbatterie, Verdrosselung, Regler sowie Ausfall- und Schalthistorie.
• Investitionsziel: Schutz bestimmter Maschinen, Verringerung der Oberschwingungseinspeisung ins Netz, Verbesserung der Werte an einem definierten Anlagenpunkt oder Beseitigung dokumentierter Störungen.

Messungen sind am Einspeisepunkt des Betriebs, in der Verteilung der betroffenen Verbraucher und bei Bedarf nahe der Oberschwingungsquelle sinnvoll. Dafür sind nicht immer drei gleichzeitig eingesetzte Analysatoren erforderlich; der Umfang richtet sich nach dem Problem. Die Messung muss einen repräsentativen Betriebszyklus abdecken und nicht nur einige zufällige Minuten. Es besteht keine allgemeine Pflicht, für jede Filterauslegung sieben Tage zu messen: Die Aufzeichnungsdauer richtet sich nach der Prozessdynamik und dem Untersuchungsziel.

In Industrieanlagen ist außerdem der Beurteilungspunkt wichtig. IEC 61000-2-4:2024 bezieht Kompatibilitätspegel auf innerbetriebliche Kopplungspunkte (IPC). Diese Werte dürfen nicht ungeprüft auf beliebige Sammelschienen, Antriebsklemmen oder den Anschluss an das öffentliche Netz übertragen werden. Abnahmekriterien sind für den konkret benannten Punkt und vereinbarte Betriebsbedingungen festzulegen.

Wo sollte der Filter installiert werden und wie wirkt er mit der Blindleistungskompensation zusammen?

Ein Filter an einem einzelnen Verbraucher mindert dessen Einfluss auf den vorgelagerten Anlagenteil. Ein Gerät an einer gemeinsamen Verteilung kann die Oberschwingungen mehrerer Maschinen kompensieren, beseitigt aber nicht automatisch jede Verzerrung in allen Leitern und Abzweigen. Der Einbauort ist deshalb ebenso Teil der Planung wie Position und Polarität der Stromwandler sowie das Regelungskonzept.

Ein weiteres Thema ist die Blindleistungskompensation. Kondensatoren verändern die Netzimpedanz bei unterschiedlichen Frequenzen. Ist die Kondensatorbatterie nicht für die vorhandenen Oberschwingungen ausgelegt, können einzelne Anteile verstärkt, Kondensatoren oder Drosseln überlastet und Schutzprobleme ausgelöst werden. Vor der Filterauswahl müssen deshalb Aufbau und Schaltzustände der vorhandenen Kompensationsanlage bekannt sein, um mögliche Resonanzen zu beurteilen.

Bestimmte AHF-Ausführungen können auch Blindstrom oder Unsymmetrie kompensieren. Dabei verteilt sich ihr Nennstrom gemäß der Gerätesteuerung auf mehrere Funktionen. Ohne Prüfung dieser Grenzen darf im Angebot keine „gleichzeitige vollständige Filterung und vollständige Kompensation“ zugesagt werden. Eine verdrosselte Kondensatorbatterie, ein passiver Filter, ein aktiver Oberschwingungsfilter und ein statischer Blindleistungsgenerator (SVG) haben unterschiedliche Hauptaufgaben, auch wenn sich einzelne Funktionen überschneiden.

Wenn vor allem bestimmte Antriebe die Störungen verursachen, sollten deren Ausstattung und Betriebsweise parallel untersucht werden. Einen größeren Überblick bietet unser Beitrag über Elektromotoren und elektrische Antriebe.

Wie lassen sich Angebote für aktive und passive Filter vergleichen?

Wer nur den Preis und die Zusage „THDi unter 5 %“ vergleicht, riskiert eine Fehlentscheidung. Ohne Messpunkt, Belastung und Netzparameter ist nicht klar definiert, welches Ergebnis sich bei der Abnahme nachweisen lässt. Eine Anfrage sollte folgende Angaben verlangen:

1. Leistungsumfang: welcher Transformator, welche Verteilung, welche Verbrauchergruppe und welcher Beurteilungspunkt vom Filter erfasst werden.
2. Eingangsdaten: auf welchem Spektrum, welchen Strömen und Betriebsszenarien die Auslegung beruht und welche Grenzen die Messungen haben.
3. Geräteparameter: kontinuierlicher Kompensationsstrom, zulässige Überlast, regelbare Oberschwingungen, Reaktionsgeschwindigkeit, Versorgung, Kühlung und Schutzart.
4. Integration in die Anlage: Anschlussplan, Stromwandler, Schutz, Selektivität, Kondensatorbatterien und Resonanzuntersuchung.
5. Prüfbares Ziel: welche Werte bei welchen Betriebszuständen, mit welchem Messverfahren und welcher Toleranz erreicht werden müssen.
6. Lebenszykluskosten: Eigenverbrauch, Kühlung, Wartung, Ersatzteilverfügbarkeit, Garantie und Bedingungen einer erneuten Parametrierung nach Prozessänderungen.

Zwei Angebote mit ähnlichem Nennstrom müssen nicht dieselbe Wirkung erzielen. Ein Filter kann die dominierenden Oberschwingungen gut beherrschen, aber weniger Reserve für die Blindleistungskompensation haben. Ein anderer benötigt möglicherweise mehr Platz oder eine aufwendigere Kühlung. Annahmen vor dem Kauf zu prüfen ist meist günstiger, als die Auslegung nach der Inbetriebnahme zu korrigieren.

Wie erfolgen Abnahme und Bewertung der Betriebskosten?

Bei der Abnahme sollten die Messwerte vor und nach der Umsetzung unter möglichst vergleichbaren Lastbedingungen und am selben Messpunkt gegenübergestellt werden. Das Protokoll sollte mindestens das Stromoberschwingungsspektrum, ausgewählte Phasenströme, THDi, THDu, den Zustand der Kondensatorbatterie, die Filterauslastung und das Verhalten bei Prozessänderungen enthalten. Sollte ein bestimmter Wert am Netzanschlusspunkt erreicht werden, muss genau dort gemessen werden.

Auch nach der Inbetriebnahme bleibt Wartungsarbeit. Ein aktiver Filter verbraucht selbst Energie und muss seine Verlustwärme abführen. Reinigung der Kühlung, Kontrolle von Alarmen, regelmäßige Messungen und eine Anpassung der Einstellungen nach größeren Änderungen der Verbraucher sind einzuplanen. Bei passiven Systemen sind induktive und kapazitive Bauteile sowie die thermischen Bedingungen zu kontrollieren.

Ein niedrigerer THDi bedeutet nicht automatisch eine proportionale Einsparung in kWh. Mögliche geringere Leitungsverluste oder eine Entlastung des Transformators hängen von tatsächlichen Strömen, Widerständen und Betriebszeiten ab. Dem sind Eigenverbrauch und Instandhaltungskosten des Filters gegenüberzustellen. Auch Blindenergieentgelte lassen sich aus dem Oberschwingungsspektrum allein nicht verlässlich beurteilen. Wenn die Frage aus der Stromrechnung entsteht, kann zunächst eine Analyse der Stromverteilungsrechnung sinnvoll sein; sie ersetzt jedoch keine Netzqualitätsmessung.

Häufige Fragen

Bedeutet ein THDi von 40 %, dass ein Filter erforderlich ist?

Nein. Der prozentuale THDi allein reicht ohne Grundschwingungsstrom, Spektrum, Messpunkt und technisches Ziel nicht für eine Kaufentscheidung. Auch Spannungsverzerrung und Störfestigkeit der angeschlossenen Geräte spielen eine Rolle.

Kann ein aktiver Oberschwingungsfilter eine Kondensatorbatterie ersetzen?

Nicht jedes Modell. Manche Geräte bieten Blindleistungskompensation, doch der gemeinsame Stromgrenzwert gilt für alle Funktionen. Vor einem Austausch müssen der Blindleistungsbedarf Q, der Betriebsbereich des Geräts und mögliche Resonanzen geprüft werden.

Hilft ein Oberschwingungsfilter gegen Spannungseinbrüche?

Ein herkömmlicher Oberschwingungsfilter ist nicht zur Beseitigung von Spannungseinbrüchen vorgesehen. Sind kurzzeitige Verringerungen des Spannungseffektivwerts das Hauptproblem, müssen Ursache und geeignete Schutzmaßnahme für den Prozess gesondert untersucht werden.

Wie sollte ein Betrieb beginnen?

Am besten steht am Anfang eine kurze Problembeschreibung: Wann tritt die Störung auf, welche Geräte laufen dann und was wurde bereits gemessen? Ein Netzschema, Oberschwingungsspektren oder Stromverläufe, ein Antriebsverzeichnis oder Daten der Kondensatorbatterie erleichtern die Einschätzung, welche Untersuchung sinnvoll ist. Für das erste Gespräch muss noch kein vollständiger Messdatensatz vorliegen.

Wenn Sie klären möchten, ob Ihre Anlage einen Oberschwingungsfilter, eine andere Maßnahme direkt an der Störquelle oder zunächst Messungen benötigt, senden Sie Energy Trend eine Beschreibung der Anlage und die verfügbaren Daten. Die nächsten Schritte lassen sich dann auf den konkreten Anlagenpunkt und das technische Problem abstimmen.

Technische Quellen

• IEC 61000-4-30:2025 — Messverfahren für Netzqualitätsparameter; Ausgabe mit Berichtigung vom Juli 2026.
• IEC 61000-4-7:2002+A1:2008 — Messgeräte und Verfahren für Ober- und Zwischenharmonische.
• IEC 61000-2-4:2024 — Kompatibilitätspegel in industriellen Verteilnetzen.
• Danfoss: Practical aspects of mains interference reduction (PDF) — Vergleich von Methoden zur Verringerung von Verzerrungen.
• Schneider Electric: Active harmonic mitigation at low-voltage — Auswahlkriterien für industrielle Anlagen.