Verständnis von Flackern: Auswirkungen auf Netzqualität und wie Frequenzumrichter helfen

Dieser Blog befasst sich mit Flackern (Flicker), das als Netzqualitäts- oder EMV-Thema gesehen werden kann, je nach Blickwinkel. Wir betrachten, ob Frequenzumrichter Flackern verursachen können und wo sie helfen, ein Flackernproblem zu lösen.

„Flackern“ bezeichnet die Wirkung auf elektrische Beleuchtung, wenn die Netzspannung schnell schwankt. Dies reicht von einem gelegentlichen einzelnen Einbruch oder Blitz beim plötzlichen An- oder Abschalten großer Lasten bis hin zu einem irritierenden schnellen Flackern, wenn die Spannung in dem Frequenzbereich moduliert wird, auf den das menschliche Auge und Gehirn besonders empfindlich reagieren – etwa 0,5 Hz bis 20 Hz.

Flackern wird manchmal mit Oberschwingungen und anderen Netzqualitätsproblemen verwechselt. Oberschwingungen sind per Definition ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz und viel zu hoch für das Auge. Dennoch werden sowohl Flackern als auch Oberschwingungsspannung durch Lastströme verursacht, die wegen der Netzquellenimpedanz die Spannung beeinflussen. An Orten mit hoher Netzimpedanz (lange Zuleitung oder andere Faktoren) können sowohl Oberschwingungsspannung als auch Flackern gemeinsam auftreten.

Abbildung 1 zeigt eine übertriebene Kurvenform mit simuliertem Flackern bei einem Fünftel der Netzfrequenz. Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 2 eine simulierte 5. Oberschwingung. In Abbildung 2 ist jeder Zyklus verzerrt, aber gleich geformt, sodass kein Flackern auftritt.

Abbildung 1: Simuliertes Flackern bei 0,2-facher Netzfrequenz

Abbildung 2: Simulierte 5. Oberschwingung

Netzbetreiber müssen sicherstellen, dass ihre Netzqualität zweckdienlich ist, und haben Richtlinien für Flackern. Meist führen sie nur Messungen bei Beschwerden durch; routinemäßige Prüfungen von Installationen gibt es selten, außer bei speziellen Systemen wie Windkraftanlagen.

In großer Stückzahl hergestellte elektrische Produkte müssen möglicherweise Produktnormen für Flackern erfüllen. Die bekannteste internationale Produktnorm ist IEC 61000-3-3 (in Europa EN 61000-3-3), die Prüfungen und Grenzwerte für Produkte bis 16 A pro Phase vorgibt. In der EU ist diese Norm unter der EMV-Richtlinie harmonisiert, sodass Geräte in ihrem Geltungsbereich sie einhalten müssen, um das CE-Zeichen zu erhalten und in der EU in Verkehr gebracht zu werden. Für Nennströme bis 75 A gilt IEC 61000-3-11. Die Normen haben strenge Grenzwerte im empfindlichen 0,5–20-Hz-Wiederholungsfrequenzbereich, aber keine Grenzwerte über 25 Hz.

Alle Flackernormen erfordern Messung und Bewertung, die das dynamische Verhalten von Glühlampen und die Empfindlichkeit von Auge und Gehirn berücksichtigen. Die Flackerkurven (siehe später) basieren auf Glühwendellampen. Diese sind wegen des quadratischen Spannungs-Leistungs-Verhältnisses sehr spannungsempfindlich. Andererseits glättet die thermische Masse schnelle Schwankungen. Glühlampen werden nun selten. Leuchtstofflampen haben andere Eigenschaften mit weniger Glättung. LED-Lampen haben oft einen Regler, sodass sie von Spannung unberührt sind, außer wenn sie für Dimmer ausgelegt sind. Die Normen könnten zukünftig an moderne Lampen angepasst werden, aber die Kosten für Austausch von Prüfeinrichtungen und Neuprüfung sind unerwünscht. Wahrscheinlich bleiben die auf Glühlampen basierenden Grenzwerte noch einige Jahre bestehen.

Zwischenharmonische (Interharmonische)

Zwischenharmonische sind unerwünschte Frequenzen, die keine ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz sind – sie liegen im Spektrum zwischen den Harmonischen. Wenn sie nahe an einer echten Harmonischen liegen, können sie eine scheinbare Modulation der Netzspannung bewirken. An einer einfachen ohmschen Last wie einer Glühlampe verursachen sie kein Flackern, da ihre Frequenz hoch ist und die Lampe nur auf den laufenden Mittelwert der Effektivspannung reagiert. Ein Gleichrichter oder andere nichtlineare Last kann jedoch Summen- und Differenzfrequenzen erzeugen, die Niederfrequenzen enthalten können, wenn die Zwischenharmonische nahe an einem ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz liegt. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel, wo die Zwischenharmonische der Ordnung 5,2 ist. Die Spitzenamplitude ist sichtbar moduliert, aber der Effektivwert nicht, und dies wird nicht als Flackern gemessen. Solche Kurvenformen können bei regenerativen Umrichtern oder anderen aktiven Leistungscontrollern auftreten, wo die Schaltfrequenz nicht phasengesperrt mit dem Netz ist.

Abbildung 3: Beispiel für Zwischenharmonische der Ordnung 5,2

Ursachen von Flackern

Flackern wird immer durch eine Veränderung des vom Netz bezogenen Stroms verursacht, was zu einer Netzspannungsschwankung führt, die dann andere Lasten einschließlich Beleuchtung beeinflusst. Es gibt viele mögliche Quellen, im Folgenden einige der häufigsten:

Einzelereignisse:

1. Direktstart von Motoren (DOL). Dies ist bei weitem die häufigste Ursache für einzelne Spannungseinbrüche. Ein Asynchronmotor zieht beim Start das 3- bis 5-fache seines Nennstroms, und der Effekt auf die Spannung wird dadurch verschärft, dass der Anlaufstrom phasenweise hinter der Spannung nachhinkt, sodass der Spannungsfall in der meist induktiven Netzimpedanz größer ist als bei ohmscher Last.
2. Einschalten großer elektronischer Geräte wie Umrichter mit Kondensator-Einschaltstrom
3. Einschalten großer Transformatoren mit Einschaltmagnetisierungsstrom
4. Start von Kompressoren oder Pumpen mit Gegendruck, was hohes Anlaufmoment verursacht

Häufige zufällige Ereignisse:

1. Lichtbogenöfen
2. Lichtbogenschweißgeräte
3. Maschinen mit häufigen hohen Lastspitzen, z. B. Mischer, Pressen etc.

Periodische oder fast periodische Ereignisse:

1. Automatische Punktschweißgeräte
2. Kolbenpumpen oder -kompressoren oder ähnliche pulsierende Lasten
3. Thermostate oder andere Regler, die durch Lastschaltung arbeiten – besonders mit Halbleiterschaltern, die häufig schalten können
4. Paketgesteuerte Thyristor- oder Triac-Regler

Auswirkung von Frequenzumrichtern auf Flackern

Der Umrichter selbst

Die einzige Möglichkeit, wie ein Umrichter selbst Flackern verursachen kann, ist der Kondensator-Einschaltstrom beim Einschalten. Control-Technics-Umrichter sind so ausgelegt, dass der Einschaltstrom den Nenn-Eingangsstrom nicht übersteigt, sodass der Spannungseinbruch nicht den durch normalen Nennbetrieb verursachten übersteigt.

Das Steuerungssystem

Wenn der Umrichter in einem System ist, das ihn veranlasst, eine schnell schwankende Leistungsabgabe zu erzeugen, kann dies Flackern verursachen. Dies könnte durch programmierte periodische Betriebsweise oder durch marginale Stabilität in einem Regelkreis verursacht werden. Jedes Steuerungssystem sollte darauf geprüft werden, dass es kein übermäßiges Flackern verursacht.

In einer Maschine mit mehreren Achsen und schnellen periodischen Bewegungen kann es möglich sein, die Steuerung so anzuordnen, dass die Leistungsspitzen nacheinander auftreten. Dies könnte die Flackernfrequenz mit der Achszahl multiplizieren, was, wenn es über 25 Hz geht, das Problem beseitigen könnte.

Die Last

Motorstart

Der Umrichter beseitigt den plötzlichen Spannungseinbruch durch Motorstart vollständig. Nicht nur werden Motor-Frequenz und -Spannung kontrolliert hochgefahren, sodass der Motorstrom begrenzt wird, sondern auch der Umrichter-Eingangsstrom ist proportional zur Ausgangsleistung, nicht zum Ausgangsstrom, sodass der Eingangsstrom nur ansteigt, wenn die Motordrehzahl zunimmt. Es gibt Anwendungen, wo ein Umrichter allein wegen seines Nutzens beim Start ohne übermäßigen Spannungsfall lohnenswert ist, wenn die Alternative eine teure Netzverstärkung wäre.

Pulsierende Lasten wie Kolbenpumpen

Der Umrichter hat sehr begrenzte gespeicherte Energie im DC-Zwischenkreiskondensator – nicht genug, um einen Flackernzyklus zu glätten. Wenn die Lastleistung schwankt, schwankt der Umrichter-Eingangsstrom同样. Ohne spezielle Maßnahmen kompensiert der Umrichter eine schwankende Last nicht.

Meist macht der Umrichter keinen Unterschied beim Flackern durch pulsierende Lasten, aber es ist möglich, dass ein Umrichter diesen Effekt verschlimmert:

• Erstens, durch Drehzahlreduzierung kann er die Pulsationsfrequenz unter den kritischen 25-Hz-Punkt bringen, wo Flackern wahrnehmbar wird.
• Zweitens, wenn das Umrichtersystem für präzise Drehzahlregelung bei pulsierendem Lastmoment konfiguriert ist, kann es die Leistungsschwankung verstärken, weil es verhindert, dass der Motor im Momentenzyklus abbremst und beschleunigt. Dies reduziert den Nutzen der in der Maschinen-Trägheit (einschließlich Schwungrad, falls vorhanden) gespeicherten Energie. Es sei denn, es gibt einen sehr speziellen Grund, die Drehzahl im Momentenzyklus präzise zu regeln, ist es nicht ratsam, geschlossene Drehzahlregelung oder Schlupfkompensation bei pulsierender Last zu verwenden. Es ist tatsächlich besser, die Drehzahl mit dem Moment variieren zu lassen, um die mechanisch gespeicherte Energie zu nutzen.

Muss geschlossene Drehzahlregelung verwendet werden, ist es am besten, einen vorwiegend integral wirkenden Regler mit niedrigem Verstärkungsfaktor einzusetzen. So wird die Mitteldrehzahl präzise geregelt, aber der Regler widersteht nicht der natürlichen periodischen Variation innerhalb eines Zyklus, die durch den Asynchronmotorschlupf verursacht wird. Dieser Vorschlag wirkt kontraintuitiv, da wir Frequenzumrichter als schnelle und präzise Drehzahlregler betrachten, aber tatsächlich reduziert schnelle Regelung den Nutzen von Schwungrad oder anderer Trägheit als Energiespeicher.

Die obige Diskussion gilt für Asynchronmotoren. Bei permanenterregten Synchronmotoren ist die Drehzahl inhärent eng geregelt, und Momentenpulsationen spiegeln sich direkt als Eingangsleistung wider, ohne dass Rotorschlupf eine Reduktion ermöglicht. Es ist möglich, einen speziellen Steueralgorithmus in einen Umrichter zu programmieren, der die Drehzahl absichtlich dynamisch absinken lässt, wenn das Moment steigt, innerhalb eines Drehzyklus, während die langfristige Mitteldrehzahl am Sollwert gehalten wird. Dies tendiert dazu, die Leistung konstant zu halten (Leistung = Moment × Drehzahl), und die Leistung bestimmt den Eingangsstrom. Control Techniques hat hierfür eine patentierte Applikation. Dies könnte in einigen Anwendungen nützliche Kosteneinsparungen im Maschinendesign ermöglichen, z. B. Ersetzen einer mehrzylindrigen Kolbenpumpe oder -kompressor durch eine einzylindrige.

Flackern-Grenzwerte

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

Die Flackermessung erfasst die Netzspannungsschwankung. Für einen Produkttest muss das Testsystem eine simulierte Netzquellenimpedanz enthalten, definiert in der Norm. Die Grenzwerte in IEC 61000-3-3 basieren auf 230 V, 50 Hz Netz mit Impedanz (0,4 + j0,25) Ω, was ein sehr „schwaches“ Netz simuliert (niedriger Kurzschlussstrom).

Abbildung 4 zeigt den Grenzwert für einfache periodische rechteckige Spannungsänderungen aus IEC 61000-3-3 für 230 V, 50 Hz Netz. Die Frequenzachse stellt vollständige Zyklen pro Sekunde dar, wobei jeder Zyklus aus zwei gleich großen, aber entgegengesetzten Stufen besteht. Es gibt weitere Regeln für andere Muster. Die Abbildung zeigt deutlich die niedrigen erlaubten Pegel im kritischen Frequenzbereich zwischen ca. 0,5 Hz und 20 Hz.

Abbildung 4: Flackern-Grenzwerte für periodische rechteckige Spannungsänderungen

Flackernreduzierung

Wir haben bereits betrachtet, wie Frequenzumrichter helfen können, Flackern durch Motorstart oder pulsierende Lasten zu reduzieren.

Konventionelle Methoden umfassen Mehrzylinder-Kolbenpumpen zur Glättung des Moments und Schwungräder.

Wo große Leistungspulsationen unvermeidbar sind, sollte der Netzanschluss elektrisch nah am Einspeisepunkt erfolgen, um Spannungsfall in mit anderen Lasten geteilten Kabeln zu vermeiden. Beleuchtungskreise sollten ebenfalls separat nah am Einspeisepunkt angeschlossen werden.

In extremen Fällen kann ein neuer Netzanschluss mit niedrigerer Impedanz nötig sein. Angesichts der hohen Kosten lohnt es, zu prüfen, ob kreativer Einsatz von Frequenzumrichtern die Kosten vermeiden kann.