Flimmern und Stromqualität

Dieser Blog befasst sich mit dem Thema Flicker, das je nach Sichtweise als eine Frage der Netzqualität oder der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) angesehen werden kann. Wir werden prüfen, ob Laufwerke mit variabler Geschwindigkeit Flimmern verursachen können und wo sie helfen können, ein Flimmerproblem zu lösen.

„Flicker“ bezieht sich auf die Auswirkung auf elektrische Beleuchtung, wenn die Versorgungsspannung schnell variiert. Dies kann alles sein, von einem gelegentlichen einzelnen Einbruch oder Blitz, wenn eine große Last plötzlich angeschlossen oder getrennt wird, bis hin zu einem irritierenden schnellen Flackern, wenn die Spannung mit einer Frequenz moduliert wird, die in einem Bereich liegt, in dem das menschliche Auge und Gehirn besonders empfindlich sind, was der Fall ist etwa 0,5 Hz bis 20 Hz.

Flimmern wird manchmal mit Oberschwingungen und anderen Problemen mit der Netzqualität verwechselt. Oberschwingungen liegen per Definition bei Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Versorgungsfrequenz sind, und sie sind viel zu hoch, als dass das Auge darauf reagieren könnte. Sowohl Flicker als auch Oberwellenspannung werden jedoch durch Lastströme verursacht, die die Spannung aufgrund der Impedanz der Versorgungsquelle beeinflussen, sodass an Orten mit hoher Versorgungsimpedanz aufgrund einer langen Versorgungsleitung oder eines anderen Faktors Probleme sowohl mit Oberwellenspannung als auch mit Flicker auftreten können zusammen auftreten.

Abbildung 1 zeigt eine übertriebene Wellenform mit simuliertem Flimmern bei einem Fünftel der Versorgungsfrequenz. Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 2 eine simulierte fünfte Harmonische. In Abbildung 2 ist jeder Zyklus verzerrt, hat aber die gleiche Form, sodass kein Flimmern auftritt.

Stromversorger müssen sicherstellen, dass ihre Stromqualität zweckmäßig ist, und sie haben Richtlinien für Flicker. Sie führen in der Regel nur im Reklamationsfall Messungen durch, außer bei einigen Sonderanlagen wie Windkraftanlagen gibt es kaum Routineprüfungen von Anlagen.

Elektrische Produkte, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, müssen möglicherweise Produktnormen für Flimmern erfüllen. Die bekannteste internationale Produktnorm ist IEC 61000-3-3 oder für Europa EN 61000-3-3, die Tests und Grenzwerte für Produkte mit einer Nennleistung von bis zu 16 A pro Phase enthält. In der Europäischen Union ist diese Norm unter der EMV-Richtlinie harmonisiert, so dass Geräte in ihrem Geltungsbereich diese in der Regel erfüllen müssen, um das CE-Zeichen zu tragen und in der EU auf den Markt gebracht zu werden. Für Nennstrom bis 75 A gilt IEC 61000-3-11. Die Standards haben strenge Grenzen im sensiblen Bereich der Wiederholfrequenz von 0,5 Hz – 20 Hz, aber keine Grenzen über 25 Hz.

Die Normen für Flimmern verlangen alle eine Messung und Bewertung, die das dynamische Verhalten von elektrischem Licht und die Empfindlichkeit des menschlichen Auges und Gehirns berücksichtigt. Die Flimmerkurven (siehe später) basieren auf Wolfram-Glühlampen. Diese sind aufgrund des quadratischen Verhältnisses von Spannung und Leistung ziemlich spannungsempfindlich. Andererseits bewirkt die thermische Masse, dass sie dazu neigen, schnelle Schwankungen auszugleichen. Natürlich werden Glühlampen jetzt immer seltener. Leuchtstofflampen haben eine andere Charakteristik mit weniger Glättungseffekt. LED-Lampen haben oft einen Regler, so dass sie von der Spannung unabhängig sind, außer wenn sie für die Verwendung mit einem Dimmer ausgelegt sind. Die Standards könnten in Zukunft aktualisiert werden, um das Verhalten moderner Lampen widerzuspiegeln, aber die Kosten für Änderungen beim Austausch von Testgeräten und erneuten Tests von Produkten sind unerwünscht. Die Grenzwerte auf Basis von Glühlampen werden uns wahrscheinlich noch einige Jahre begleiten.

Zwischenharmonische

Zwischenharmonische sind unerwünschte Frequenzen, die keine ganzzahligen Vielfachen der Versorgungsfrequenz sind, also zwischen Harmonischen im Spektrum liegen. Wenn sie nahe an einer echten Oberwelle liegen, können sie zu einer scheinbaren Modulation der Versorgungsspannung führen. Bei einer einfachen ohmschen Last wie einer Glühlampe verursachen sie kein Flimmern, da ihre Frequenz hoch ist und die Lampe nur auf den laufenden Mittelwert des Effektivwerts empfindlich reagiert. Stromspannung. Ein Gleichrichter oder eine andere nichtlineare Last kann jedoch Summen- und Differenzfrequenzen erzeugen, die niedrige Frequenzen enthalten können, wenn die Zwischenharmonische nahe einem ganzzahligen Vielfachen der Versorgungsfrequenz liegt. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel, bei dem die Zwischenharmonische der Ordnung 5,2 entspricht. Die Spitzenamplitude ist sichtbar moduliert, aber der R.M.S. Spannung nicht, und dies wird nicht als Flimmern gemessen. Diese Art von Wellenform kann bei regenerativen Antrieben oder anderen aktiven Leistungsreglern auftreten, bei denen die Schaltfrequenz nicht mit der Versorgung phasengekoppelt ist.

Ursachen für Flimmern

Flimmern wird immer durch eine Schwankung des aus der Versorgung gezogenen Stroms verursacht, was zu einer Schwankung der Versorgungsspannung führt, die sich dann auf andere Lasten, einschließlich der Beleuchtung, auswirkt. Es gibt viele mögliche Quellen, die folgende Liste zeigt einige der gebräuchlichsten.

Einzelereignisse:

1. Starten von Motoren direkt online. Dies ist bei weitem die häufigste Ursache für einzelne Spannungseinbrüche. Ein Induktionsmotor zieht beim Anlaufen zwischen dem 3- und 5-fachen seines Nennstroms, und die Auswirkung auf die Spannung wird durch die Tatsache verschlimmert, dass der Anlaufstrom der Spannung in Phase nacheilt, so dass der Spannungsabfall in der Versorgungsimpedanz, die normalerweise überwiegend induktiv ist , ist größer als bei einer ohmschen Last.
2. Starten großer elektronischer Geräte wie Antriebe mit Einschaltspitzenstrom zum Aufladen von Kondensatoren
3. Starten großer Transformatoren mit magnetisierendem Einschaltstrom
4. Starten von Kompressoren oder Pumpen mit Gegendruck, wodurch ein hohes Anlaufdrehmoment entsteht

Häufige zufällige Ereignisse:

1. Lichtbogenöfen
2. Lichtbogenschweißer
3. Maschinen, die häufig hohen Belastungsspitzen ausgesetzt sind, z. Mischer, Pressen etc.

Periodische oder fast periodische Ereignisse:

1. Automatische Punktschweißgeräte
2. Kolbenpumpen oder Kompressoren oder ähnliche pulsierende Lasten.
3. Thermostate oder andere Steuerungen, die durch Schalten der Last arbeiten – insbesondere mit Halbleiterschaltern, die häufig arbeiten können.
4. Burst-firing Thyristor- oder Triac-Steuerungen

Die Auswirkung von Laufwerken mit variabler Geschwindigkeit auf Flimmern

Das Laufwerk selbst

Die einzige Möglichkeit, wie ein Laufwerk selbst Flimmern verursachen kann, ist der Kondensatorlade-Einschaltstrom, wenn Spannung angelegt wird. Umrichter von Control Techniques sind so ausgelegt, dass der Einschaltstrom den Nenneingangsstrom nicht übersteigt, sodass der Spannungseinbruch den durch den normalen Betrieb bei Nennleistung verursachten nicht überschreitet.

Das Kontrollsystem

Wenn sich der Antrieb in einem System befindet, das dazu führt, dass der Antrieb eine schnell schwankende Ausgangsleistung erzeugt, kann dies zu Flimmern führen. Dies könnte durch programmierten periodischen Betrieb oder durch marginale Stabilität in einer Rückkopplungsregelschleife verursacht werden. Jedes Steuersystem sollte überprüft werden, um sicherzustellen, dass es kein übermäßiges Flimmern verursacht.

Bei einer Maschine mit mehreren Achsen und schnellen periodischen Bewegungen kann es möglich sein, die Steuerung so anzuordnen, dass die Leistungsspitzen sequentiell auftreten. Dies könnte die Flimmerfrequenz mit der Anzahl der Achsen multiplizieren, was das Problem beseitigen könnte, wenn es sich über 25 Hz bewegt.

Die Ladung

Motor startet

Der Antrieb eliminiert vollständig den plötzlichen Spannungsabfall, der durch den Motorstart verursacht wird. Die Motorfrequenz und -spannung steigen nicht nur kontrolliert an, sodass der Motorstrom begrenzt wird, sondern der Antriebseingangsstrom ist auch proportional zur Ausgangsleistung, nicht zum Ausgangsstrom, sodass der Eingangsstrom nur als Motor ansteigt Geschwindigkeit steigt. Es gibt Anwendungen, bei denen sich ein Antrieb allein wegen seines Startvorteils ohne übermäßigen Spannungsabfall lohnt,  wenn die Alternative eine teure Verstärkung des Versorgungsnetzes wäre.

Pulsierende Lasten wie Kolbenpumpen

Der Frequenzumrichter verfügt über eine sehr begrenzte gespeicherte Energie in seinem Zwischenkreiskondensator, die nicht ausreicht, um einen Flickerzyklus zu glätten. Wenn also die Lastleistung schwankt, schwankt der Eingangsstrom des Frequenzumrichters auf die gleiche Weise. Ohne besondere Maßnahmen gleicht der Antrieb eine schwankende Last nicht aus.

Normalerweise macht das Laufwerk einfach keinen Unterschied zum Flimmerpegel, der durch eine pulsierende Last verursacht wird, aber es ist möglich, dass ein Laufwerk diesen Effekt verschlimmert :

• Erstens kann durch Reduzierung der Geschwindigkeit die Pulsationsfrequenz unter den kritischen 25-Hz-Punkt gesenkt werden, an dem Flimmern wahrnehmbar wird.
• Zweitens, wenn das Antriebssystem so konfiguriert ist, dass es eine enge Drehzahlregelung mit einem pulsierenden Lastdrehmoment ermöglicht, kann es die Leistungsschwankung verstärken, da es verhindert, dass der Motor im Drehmomentzyklus langsamer und schneller wird. Dies verringert den Nutzen der gespeicherten Energie in der Trägheit der Maschine, einschließlich des Schwungrads, falls vorhanden. Sofern es keinen ganz besonderen Grund gibt, die Drehzahl eng innerhalb des Drehmomentzyklus zu regeln, ist es nicht ratsam, eine Drehzahlregelung oder Schlupfkompensation bei einer pulsierenden Last zu verwenden. Besser ist es eigentlich, die Drehzahl mit dem Drehmoment variieren zu lassen, um die mechanisch gespeicherte Energie zu nutzen.

Wenn eine Drehzahlregelung verwendet werden muss, ist es am besten, einen überwiegend integralen Regler mit einer geringen Verstärkung zu implementieren. Auf diese Weise wird die Durchschnittsgeschwindigkeit präzise gesteuert, aber die Steuerung widersteht nicht der natürlichen periodischen Änderung innerhalb eines Zyklus, die durch den Schlupf des Induktionsmotors verursacht wird. Dieser Vorschlag erscheint kontraintuitiv, da wir dazu neigen, an einen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit zu denken, der eine schnelle und genaue Geschwindigkeitssteuerung bietet, aber tatsächlich eine schnell wirkende Steuerung den Vorteil des Schwungrads oder anderer Trägheit bei der Energiespeicherung verringert.

Die obige Diskussion gilt für einen Induktionsmotor. Bei einem Permanentmagnetmotor wird die Drehzahl von Natur aus eng reguliert und Drehmomentpulsationen werden direkt als Eingangsleistung widergespiegelt, ohne dass die Möglichkeit besteht, dass der Rotorschlupf zu einer gewissen Reduzierung führt. Es ist möglich, einen speziellen Regelalgorithmus in einen Antrieb zu programmieren, der die Drehzahl bei steigendem Drehmoment innerhalb eines Drehzyklus gezielt dynamisch abfallen lässt, während die langfristige Durchschnittsdrehzahl auf dem gewünschten Wert gehalten wird. Dadurch wird die Leistung tendenziell konstant gehalten (Leistung =Drehmoment x Drehzahl), und es ist die Leistung, die den Eingangsstrom bestimmt. Control Techniques hat dafür eine patentierte Anwendung. Es ist möglich, dass dies bei einigen Anwendungen zu nützlichen Kosteneinsparungen bei der Maschinenkonstruktion führen könnte, beispielsweise könnte eine Kolbenpumpe oder ein Kompressor mit mehreren Zylindern durch eine Pumpe mit einem Zylinder ersetzt werden.

Flickergrenzen

Flicker wird mit einem „Flickermeter“ gemessen, das in der Norm IEC 61000-4-15 definiert ist. Grenzwerte für Geräte sind in Normen wie IEC 61000-3-3 und IEC 61000-3-11 festgelegt.

Die Flickermessung erfolgt über Schwankungen der Versorgungsspannung. Für einen Produkttest muss das Testsystem eine simulierte Netzimpedanz enthalten, die in der Norm definiert ist. Die Grenzwerte in IEC 61000-3-3 basieren auf einer 230-V-50-Hz-Versorgung mit einer Impedanz von (0,4 + j0,25) W, was eine sehr „schwache“ Versorgung simuliert, d. h. eine mit einem niedrigen Kurzschlussstrom.

Abbildung 4 zeigt die Grenze für einfache sich wiederholende rechteckige Spannungsänderungen aus IEC 61000-3-3 für eine 230-V-50-Hz-Versorgung. Die Frequenzachse stellt vollständige Zyklen pro Sekunde dar, d. h. jeder Zyklus besteht aus zwei gleichen, aber entgegengesetzten Schritten. Es gibt weitere Regeln für die Bewertung anderer Muster. Die Abbildung zeigt deutlich die niedrigen zulässigen Pegel für den kritischen Frequenzbereich zwischen etwa 0,5 Hz und 20 Hz.

Flimmern reduzieren

Wir haben bereits Möglichkeiten in Betracht gezogen, wie die Verwendung eines Frequenzumrichters dazu beitragen kann, das Flackern beim Motorstart oder bei pulsierender Last zu reduzieren.

Herkömmliche Methoden umfassen die Verwendung von Kolbenpumpen mit mehreren Zylindern, um das Drehmoment zu glätten, und Schwungräder.

Wenn eine große Leistungspulsation unvermeidlich ist, sollte der Versorgungsanschluss elektrisch nahe an der Einspeisung des Standorts erfolgen, um den Spannungsabfall in Kabeln zu vermeiden, die mit anderen Verbrauchern geteilt werden. Beleuchtungskreise sollten auch separat in der Nähe der ankommenden Stromversorgung angeschlossen werden.

In extremen Fällen kann es erforderlich sein, eine neue Versorgung mit niedrigerer Impedanz zu installieren. In Anbetracht der hohen Kosten lohnt es sich, die Möglichkeit zu prüfen, dass der kreative Einsatz von Antrieben mit variabler Geschwindigkeit die Kosten vermeiden könnte.