Transcript ons uitgebreide artikel over Harmonische en Flicker metingen.

Harmonischen en flikker
volgens IEC61000-3-2 &
IEC61000-3-3
Netvervuiling meten met vermogensanalysator
Vervuiling van de elektriciteit is aan de orde van de dag. De afgelopen decennia heeft de niet te
stuiten intrede van niet-lineaire belastingen bijgedragen aan een toenemende vervuiling van onze
elektriciteitsnetten. En het feit dat wij in het verleden allemaal afnemer waren is ook al lang passé, want
de toenemende integratie van alternatieve, lokale, energieopwekking maakt ons mogelijk allemaal ook tot
leverancier. De mate van vervuiling valt onder de noemer power quality (PQ). Twee belangrijke onderdelen
zijn de mate van de harmonische vervorming en de gevolgen van sterk variërende belastingen, oftewel flikker.
RENÉ BOS, TT&MS
P
akweg 50 jaar geleden was de
gloeilamp een van de ‘stabiele’
ohmse factoren in het elektriciteitsnet. Daarnaast zorgde het gebruik
van inductieve en capacitieve belastingen, zoals transformatoren, motoren
en TL-verlichting voor een faseverschuiving tussen spanning en stroom, uitgedrukt in cos ϕ. Over het algemeen was
de opgenomen stroom sinusvormig en
konden we spreken van lineaire belastingen.
Power factor
Maar wat heeft een slechte cos ϕ ook al
weer voor gevolgen? Bij een cos ϕ < 1 is
het schijnbaar opgenomen vermogen
hoger dan het werkelijk genuttigde
vermogen. Het schijnbare vermogen
moet wel worden getransporteerd. Dit
vereist een zwaarder netwerk, veroorzaakt hogere netverliezen en brengt
dus hogere kosten voor de netbeheerder met zich mee.
En dat is waar de power factor (PF) zijn
intrede doet. De power factor is de verhouding tussen het werkelijk opgenomen vermogen (P) en het schijnbaar
vermogen (S).
S = Urms x Irms. De PF is altijd een getal
tussen 0 en 1.
Als de stroom niet dezelfde vorm heeft
als de sinusvormige spanning, spreken
we van een niet-lineaire belasting.
Deze gebruikt ook maar een deel van
20
!"#$%
&'()*+%
(",+*%-&.$"*%
/&*'"012./+%!+*!"*'103%
!+*!41#5+%+#+6$*1.1$+1$%
!
het opgewekte vermogen en veroorzaakt harmonische stromen in het net,
op veelvouden van de 50 Hz netfrequentie. Harmonische stromen hebben
geen nuttige inhoud, maar belasten
wel het net met een harmonische vervorming (THD). De THD, ofwel de totale
harmonische vervorming, geeft een
indicatie van de harmonische inhoud
van de stroom of spanning en is dus
een maat voor de vervorming ten
opzichte van de zuivere sinusvorm.
De crestfactor is een maat voor de verhouding tussen de piekwaarde van de
!
stroom of spanning en zijn RMS-waarde. Zo is de crestfactor van een sinusvormig signaal 1,4. Bij elektronische
voorschakelapparatuur, waarbij de
stroom vooral getrokken wordt in de
pieken van de spanning, kan de crestfactor aanzienlijk hoger liggen.
De kwaliteit van de spanning van het
publieke elektriciteitsnet is van belang
voor de correcte werking van alle op
het elektriciteitsnet aangesloten apparaten. Want door het opnemen van
niet-sinusvormige stromen wordt ook
elektronica 5-2014
EL05 20-23 netwerkvervuiling .indd 20
08-05-2014 08:24:47
Meettechniek
Cos ϕ meter
De vermogensanalysator PPA5531 van Newtons4th.
de netspanning zelf vervormd. En dit
heeft op zijn beurt weer invloed op de
werking en de vorm van de opgenomen stromen van niet-vervuilende
apparaten. Binnen diverse normen en
regelgevingen is vastgesteld in hoeverre vervormingen acceptabel zijn. In
principe is het van belang dat de belastingen zich zo ohm’s mogelijk gedragen. (PF ≈ 1).
internationale standaard hun lokale
standaarden. Deze herleidbare meetstandaard wordt vervolgens weer als
referentie gebruikt voor de markt
waarin het meten van PQ noodzakelijk
is. Maar ook binnen R&D, het kwaliteitlab en bij producttesten zijn geschikte
meetstandaarden noodzakelijk.
Harmonischen en flikker
De International Electrotechnical Commission, gehuisvest in Geneve, Zwitserland, heeft al geruime tijd geleden
standaarden vastgesteld voor het
nakomen van de gestelde eisen en
limieten. Harmonischen en flikker vallen onder de IEC61000 standaard. Die
is ontwikkeld om limieten aan te geven
betreffende het vervormende effect
dat apparatuur heeft op het AC-net. Dit
wordt bereikt door:
1. Het verstrekken van limieten betreffende de magnitude van harmonische stromen die worden veroorzaakt
door
elektrische
apparatuur.
(IEC61000-3 Part 2 - Harmonics).
2. Het verstrekken van limieten betreffende het niveau van spanningsvariaties veroorzaakt door elektrische
apparatuur. (IEC61000-3 Part 3 – Voltage fluctuations).
De nationale kalibratie- en kwaliteitinstanties ontwikkelen op basis van deze
IEC61000-3-2 is van toepassing op
apparatuur waarbij de maximale fasestroom kleiner is dan 16 ampère, en
strekt zich uit tot de 40e harmonische
voor zowel spanning als stroom.
Belangrijke parameters zijn: watt,
power factor, voltage crest factor en
frequentie. (Apparatuur met een
stroom opname tussen >16 A and ≤ 75
A per fase is beschreven in IEC/ 610003-12.)
Wel is er binnen deze groep een onderverdeling gemaakt in vier classificeringen:
• Class A: gebalanceerde 3-fase apparatuur (RMS lijnstromen verschillen
minder dan 20%) en alle andere apparatuur, uitgezonderd die in de volgende klassen.
• Class B: draagbaar gereedschap.
Meetresultaten worden weergegeven op het display van de PPA5531.
elektronica 5-2014
EL05 20-23 netwerkvervuiling .indd 21
21
08-05-2014 08:24:48
!
!
!
• Class C: verlichtingsapparatuur, inclu-!
sief dimmers met een actief ingangsvermogen van meer dan 25 W.
• Class D: apparatuur met een ingangsstroom met een ‘speciale golfvorm’
en een fundamenteel actief ingangsvermogen tussen 75 en 600 W. Wat
de golfvorm van de ingangsstroom
ook moge zijn, apparatuur uit klasse
B en klasse C en tijdelijk motoraangedreven apparatuur wordt niet
beschouwd als klasse D apparatuur.
IEC61000-3-3, flikker wordt veroorzaak
door veranderingen in de belasting.
Deze uiten zich door amplitudeveranderingen in de spanning. De amplitudeverandering wordt gemeten over
een vastgestelde referentie-impedantie en een zogenoemd eye-brain
model.
De parameters die worden gemeten
zijn onder andere de short term flicker
Pst en de long time flicker Plt.
In de standard IEC 61000-3-3 zijn de
waarnemingsintervallen en de limieten voor Pst- en Plt-waarden gespecificeerd. De relatie tussen amplitude,
belastingveranderingen en Pst is lineair.
Zo zal bij halvering van de belasting
ook de Pst-waarde halveren.
waarde
waarnemingsinterval
limiting
waarde
Pst
10 min
1,0
2u
0,65
Plt
Vermogensanalysator
!
!
Hoe gaan we ons aan al deze normen
houden? Verschillende fabrikanten
hebben hiervoor specifieke meetapparatuur en software ontwikkeld. Newtons4th heeft bijvoorbeeld op basis
van de PPA5500 serie, high accuracy
power analysers, het model PPA5531.
Dat is inzetbaar in een groot aantal
vermogenstoepassingen, waaronder
analyse van harmonischen en flikker
conform IEC61000-3-2 en IEC61000-3-3.
Met de PPA5531 is waar nodig een vol-
De normimpedantie.
22
!
/0+11.*!
,.&.*!
23!
45.)+(67!
8*5(!
%&'()''*)!
+,-.)'(&+.!
"#$!
Testsysteem met normimpedantie.
ledig compliant meetsysteem te realiseren. Het ontwerp wijkt op een aantal
vlakken af van de momenteel beschikbare oplossingen in de markt. Dit resulteerde in een uitermate nauwkeurige
analyzer waarbij vooral de fasenauwkeurigheid opvalt. Bij het ontwerp van
geïntegreerde stroomshunts is het van
belang dat deze zich als pure weerstand gedragen over een relatief groot
frequentiegebied. Door in het ontwerp
de parasitaire-inductieverschijnselen
te minimaliseren is een belangrijke verbetering in lineariteit van de shunt
verkregen.
De kracht van de PPA 5531 zit hem niet
alleen in het ontwerp van de hardware
maar ook in de combinatie met de door
Newtons4th ontwikkelde IECSoft
IEC61000 software. Deze software
loodst de gebruiker in zes duidelijke
stappen van het opzetten van de desbetreffende test, tot het volledige testrapport. IECSoft bevat tevens een aanvullend
inrush
testprogramma.
Hiermee kan de gebruiker het schakelgedrag van de UUT en de daaruit voortvloeiende Dmax (delta spanning) waarden nader analyseren door de grafische
presentatie van het voortschrijdende
gemiddelde en de uiteindelijke resultaten.
De gemeten data worden op een overzichtelijke manier in de software gepresenteerd en zijn direct te gebruiken
voor een nadere interpretatie of diagnostische doeleinden. De zogenoemde
rewind functie maakt het mogelijk
terug te gaan in de (test) tijd om een
mogelijk event in meer detail te analyseren.
Binnen R&D is er in eerste instantie
vaak alleen een snelle indruk nodig van
de desbetreffende DUT. Uitgebreide
rapportage is dan (nog) niet nodig. In
dat geval kan de PPA5531 ook volledig
zelfstandig de harmonischen- en flikkermetingen uitvoeren waarbij de
meetresultaten worden weergegeven
op het display zoals hier in een aantal
voorbeelden wordt getoond.
Full compliant testsysteem
Een full compliant testsysteem dient
naast de analyser ook een geschikte
wisselspanningsvoeding te bevatten.
Deze AC-voeding zorgt voor de stabiele
en schone ‘referentie’-netspanning
met lage eigen harmonische vervorming. In de uitgang van de AC-source
wordt een zogenoemde normimpedantie opgenomen, in een 1- of 3-fase
uitvoering.
Binnen de IECSoft 61000 software is
een setup-functie voor een mogelijke
AC-source geïntegreerd. Door een combinatie van de hier genoemde items is
een full compliant harmonischen- en
flikkertestsysteem voor 1- en/of 3-fase
applicaties realiseerbaar.
Naast het gebruik in de specifieke
IEC61000-3-2 en IEC61000-3-3 applicaties is de power analyser toepasbaar
als 1-/3-fase vermogensmeter binnen
applicaties als PWM-motorbesturing,
ballast testing, led-driver testing, rendementsmetingen, power loss/transformatormetingen en voor standby
power. 
TT&MS
tel.: (0252) 621080
www.ttms.nl
elektronica 5-2014
EL05 20-23 netwerkvervuiling .indd 22
08-05-2014 08:24:48