Flikker- en stroomkwaliteit

Deze blog behandelt het onderwerp flikkering, wat kan worden gezien als een kwestie van stroomkwaliteit of van elektromagnetische compatibiliteit (EMC), afhankelijk van uw standpunt. We zullen bekijken of aandrijvingen met variabele snelheid flikkering kunnen veroorzaken en ook waar ze kunnen helpen bij het oplossen van een flikkerprobleem.

"Flicker" verwijst naar het effect op elektrische verlichting wanneer de voedingsspanning snel varieert. Dit kan van alles zijn, van af en toe een enkele dip of flits wanneer een grote belasting plotseling wordt aangesloten of losgekoppeld, tot een irritant snel flikkeren als de spanning wordt gemoduleerd met een frequentie in het bereik waar het menselijk oog en de hersenen bijzonder gevoelig zijn, wat ongeveer 0,5 Hz tot 20 Hz.

Flicker wordt soms verward met harmonischen en andere problemen met de netvoedingskwaliteit. Harmonischen zijn per definitie frequenties die gehele veelvouden zijn van de voedingsfrequentie, en ze zijn veel te hoog voor het oog om te reageren. Zowel flikkering als harmonische spanning worden echter veroorzaakt door belastingsstromen die de spanning beïnvloeden vanwege de impedantie van de voedingsbron, dus op locaties waar de voedingsimpedantie hoog is, vanwege een lange voedingslijn of een andere factor, kunnen problemen met zowel harmonische spanning als flikkering samen voorkomen.

Figuur 1 toont een overdreven golfvorm met gesimuleerde flikkering op een vijfde van de voedingsfrequentie. Daarentegen toont figuur 2 een gesimuleerde vijfde harmonische. In figuur 2 is elke cyclus vervormd maar dezelfde vorm, dus er treedt geen flikkering op.

Elektriciteitsleveranciers moeten ervoor zorgen dat hun stroomkwaliteit geschikt is voor het beoogde doel, en ze hebben richtlijnen voor flikkering. Over het algemeen voeren ze alleen metingen uit als er een klacht is, er is zelden enige vorm van routinematig testen van installaties, behalve voor enkele speciale systemen zoals windturbines.

Elektrische producten die in grote aantallen worden vervaardigd, moeten mogelijk voldoen aan de productnormen voor flikkering. De bekendste internationale productnorm is IEC 61000-3-3, of voor Europa EN 61000-3-3, die tests en limieten geeft voor producten met een vermogen tot 16 A per fase. In de Europese Unie is deze norm geharmoniseerd onder de EMC-richtlijn, zodat apparatuur binnen het toepassingsgebied er over het algemeen aan moet voldoen om de CE-markering te dragen en in de EU op de markt te worden gebracht. Voor nominale stroom tot 75 A is IEC 61000-3-11 van toepassing. De normen hebben strikte limieten in het gevoelige frequentiebereik van 0,5 Hz – 20 Hz, maar geen limieten boven 25 Hz.

De normen voor flikkering vereisen allemaal een meting en beoordeling die rekening houdt met het dynamische gedrag van elektrisch licht en de gevoeligheid van het menselijk oog en de hersenen. De flikkercurven (zie verderop) zijn gebaseerd op gloeilampen met wolfraamgloeidraad. Deze zijn nogal gevoelig voor spanning vanwege de kwadratische relatie tussen spanning en vermogen. Aan de andere kant betekent de thermische massa dat ze de neiging hebben om snelle fluctuaties af te vlakken. Natuurlijk worden gloeilampen tegenwoordig zeldzaam. Fluorescentielampen hebben een andere eigenschap met minder gladmakend effect. LED-lampen hebben vaak een regelaar, zodat ze niet worden beïnvloed door spanning, behalve wanneer ze zijn ontworpen om te worden gebruikt met een dimmer. De normen kunnen in de toekomst worden bijgewerkt om het gedrag van moderne lampen weer te geven, maar de kosten van veranderingen bij het vervangen van testapparatuur en het opnieuw testen van producten zijn ongewenst. Waarschijnlijk zullen de limieten op basis van gloeilampen nog enkele jaren gelden.

Interharmonischen

Interharmonischen zijn ongewenste frequenties die geen gehele veelvouden zijn van de voedingsfrequentie, dus ze liggen tussen de harmonischen in het spectrum. Als ze dicht bij een echte harmonische liggen, kunnen ze resulteren in een schijnbare modulatie van de voedingsspanning. In een eenvoudige ohmse belasting zoals een gloeilamp veroorzaken ze geen flikkering omdat hun frequentie hoog is en de lamp alleen gevoelig is voor het lopende gemiddelde van de r.m.s. Spanning. Een gelijkrichter of andere niet-lineaire belasting kan echter som-en-verschilfrequenties genereren die lage frequenties kunnen bevatten als de interharmonische dicht bij een geheel veelvoud van de voedingsfrequentie ligt. Figuur 3 toont een voorbeeld waarbij de interharmonische orde 5.2 is. De piekamplitude is zichtbaar gemoduleerd, maar de r.m.s. spanning niet, en dit zal niet worden gemeten als flikkering. Dit soort golfvorm kan optreden bij regeneratieve aandrijvingen of andere actieve vermogensregelaars waarbij de schakelfrequentie niet fasevergrendeld is met de voeding.

Oorzaken van flikkering

Flikkering wordt altijd veroorzaakt door een variatie in de stroom die uit de voeding wordt getrokken, wat resulteert in een variatie in de voedingsspanning die vervolgens van invloed is op andere belastingen, waaronder verlichting. Er zijn veel mogelijke bronnen, de onderstaande lijst toont enkele van de meest voorkomende.

Afzonderlijke evenementen:

1. Motoren direct online starten. Dit is verreweg de meest voorkomende oorzaak van enkelvoudige spanningsdips. Een inductiemotor trekt tussen 3 en 5 keer zijn nominale stroom bij het starten, en het effect op de spanning wordt verergerd door het feit dat de startstroom achterblijft bij de spanning in fase, zodat de spanningsval in de voedingsimpedantie, die meestal overwegend inductief is , groter is dan voor een ohmse belasting.
2. Grote elektronische apparaten zoals aandrijvingen starten met inschakelstroom voor het opladen van condensatoren
3. Grote transformatoren starten met magnetiserende inschakelstroom
4. Compressoren of pompen starten met tegendruk, waardoor een hoog startkoppel ontstaat

Veel voorkomende willekeurige gebeurtenissen:

1. Boogovens
2. Booglassers
3. Machines onderhevig aan frequente pieken in zware belasting, b.v. mixers, persen enz.

Periodieke of bijna periodieke gebeurtenissen:

1. Automatische puntlasmachines
2. Reciprocerende pompen of compressoren, of soortgelijke pulserende belastingen.
3. Thermostaten of andere regelaars die werken door de belasting te schakelen, vooral met halfgeleiderschakelaars die vaak kunnen werken.
4. Burst-vurende thyristor- of triac-controllers

Het effect van aandrijvingen met variabele snelheid op flikkering

De schijf zelf

De enige manier waarop een omvormer op zichzelf flikkering kan veroorzaken, is door de oplaadinschakelstroom van de condensator wanneer de stroom wordt ingeschakeld. De aandrijvingen van Control Techniques zijn zo ontworpen dat de inschakelstroom de nominale ingangsstroom niet overschrijdt, zodat de spanningsdip niet groter is dan die veroorzaakt door normaal bedrijf bij nominaal vermogen.

Het besturingssysteem

Als de drive in een systeem zit dat ervoor zorgt dat de drive een snel fluctuerend vermogen genereert, kan dit flikkering veroorzaken. Dit kan worden veroorzaakt door geprogrammeerde periodieke werking of door marginale stabiliteit in een feedbackregellus. Elk regelsysteem moet worden beoordeeld om er zeker van te zijn dat het geen overmatige flikkering veroorzaakt.

In een machine met meerdere assen en snelle periodieke bewegingen kan het mogelijk zijn om de besturing zo in te richten dat de vermogenspieken na elkaar optreden. Dit zou de flikkerfrequentie kunnen vermenigvuldigen met het aantal assen, wat het probleem zou kunnen oplossen als het verder gaat dan 25 Hz.

De lading

Motor starten

De omvormer elimineert volledig de plotselinge spanningsdaling die wordt veroorzaakt door het starten van de motor. Niet alleen nemen de motorfrequentie en -spanning op een gecontroleerde manier toe, zodat de motorstroom wordt beperkt, maar ook de ingangsstroom van de omvormer is evenredig met het uitgangsvermogen, niet de uitgangsstroom, zodat de ingangsstroom alleen toeneemt als de motor snelheid neemt toe. Er zijn toepassingen waarbij een schijf de moeite waard is, puur vanwege zijn voordeel bij het starten zonder overmatige spanningsdaling te veroorzaken, als het alternatief een dure versterking van het voedingssysteem zou zijn.

Pulserende belastingen zoals zuigerpompen

De omvormer heeft een zeer beperkte opgeslagen energie in zijn DC-tussenkringcondensator, niet genoeg om een ​​flikkercyclus af te vlakken, dus als het belastingsvermogen fluctueert, fluctueert de ingangsstroom van de omvormer op dezelfde manier. Tenzij er speciale maatregelen worden genomen, zal de omvormer een fluctuerende belasting niet compenseren.

Gewoonlijk maakt de aandrijving gewoon geen verschil voor de mate van flikkering die wordt veroorzaakt door een pulserende belasting, maar het is mogelijk dat een aandrijving dit effect verergert :

• Ten eerste kan het door de snelheid te verminderen de pulsatiefrequentie verlagen tot onder het kritische 25 Hz-punt waar flikkering waarneembaar wordt.
• Ten tweede, als het aandrijfsysteem is geconfigureerd om een ​​nauwkeurige snelheidsregeling te geven met een pulserend belastingskoppel, kan het de vermogensfluctuatie vergroten, omdat het voorkomt dat de motor vertraagt ​​en versnelt in de koppelcyclus. Dit vermindert het voordeel van de opgeslagen energie in de traagheid van de machine, inclusief het vliegwiel, indien aanwezig. Tenzij er een zeer bijzondere reden is om het toerental nauw te regelen binnen de koppelcyclus, is het niet aan te raden om snelheidsregeling met gesloten lus of slipcompensatie te gebruiken bij een pulserende belasting. Het is eigenlijk beter om de snelheid te laten variëren met het koppel om gebruik te maken van de mechanisch opgeslagen energie.

Als een snelheidsregeling met gesloten lus moet worden gebruikt, is het het beste om een ​​overwegend integrale regelaar met een lage versterking te implementeren. Op deze manier wordt de gemiddelde snelheid nauwkeurig geregeld, maar de controller is niet bestand tegen de natuurlijke periodieke variatie binnen een cyclus die wordt veroorzaakt door de slip van de inductiemotor. Deze suggestie lijkt contra-intuïtief, aangezien we geneigd zijn te denken dat een aandrijving met variabele snelheid een snelle en nauwkeurige snelheidsregeling biedt, maar in feite vermindert snelwerkende besturing het voordeel van het vliegwiel of andere traagheid bij het opslaan van energie.

Bovenstaande discussie is van toepassing bij een inductiemotor. Met een permanentmagneetmotor wordt de snelheid inherent nauw geregeld en koppelpulsen worden direct gereflecteerd als ingangsvermogen zonder enige mogelijkheid van rotorslip die enige reductie geeft. Het is mogelijk om een ​​speciaal regelalgoritme in een aandrijving te programmeren die de snelheid bewust dynamisch laat dalen naarmate het koppel stijgt, binnen een rotatiecyclus, terwijl de gemiddelde snelheid op lange termijn op de gewenste waarde wordt gehouden. Dit heeft de neiging om het vermogen constant te houden (vermogen =koppel x snelheid), en het is het vermogen dat de ingangsstroom bepaalt. Control Techniques heeft hiervoor een gepatenteerde toepassing. Het is mogelijk dat dit in sommige toepassingen een nuttige kostenbesparing in het machineontwerp kan opleveren, bijvoorbeeld een zuigerpomp of compressor met meerdere cilinders kan worden vervangen door een pomp met één cilinder.

Flikkerlimieten

Flikker wordt gemeten met behulp van een "flikkermeter" gedefinieerd in de norm IEC 61000-4-15. Limieten voor apparatuur zijn vastgelegd in normen zoals IEC 61000-3-3 en IEC 61000-3-11.

De flikkermeting is van de voedingsspanningsfluctuatie. Voor een producttest moet het testsysteem een ​​gesimuleerde netvoedingsimpedantie bevatten, die in de norm is gedefinieerd. De limieten in IEC 61000-3-3 zijn gebaseerd op een voeding van 230 V 50 Hz met een impedantie van (0,4 + j0,25) W, die een zeer "zwakke" voeding simuleert, d.w.z. een met een lage kortsluitstroom.

Afbeelding 4 toont de limiet voor eenvoudige repetitieve rechthoekige spanningsveranderingen van IEC 61000-3-3, voor een voeding van 230 V 50 Hz. De frequentie-as stelt volledige cycli per seconde voor, d.w.z. elke cyclus omvat twee gelijke maar tegengestelde stappen. Er zijn nadere regels voor het evalueren van andere patronen. De afbeelding toont duidelijk de laag toegestane niveaus voor het kritische frequentiebereik tussen ongeveer 0,5 Hz en 20 Hz.

Flikkering verminderen

We hebben al nagedacht over manieren waarop het gebruik van een aandrijving met variabele snelheid kan helpen om flikkeringen door het starten van de motor of door een pulserende belasting te verminderen.

Conventionele methoden omvatten het gebruik van zuigerpompen met meerdere cilinders om het koppel en vliegwielen af ​​te vlakken.

Waar een grote stroompulsatie onvermijdelijk is, moet de voedingsaansluiting elektrisch dicht bij de inkomende stroomtoevoer van de locatie worden gemaakt om spanningsdaling in kabels die met andere belastingen worden gedeeld te voorkomen. Verlichtingscircuits moeten ook afzonderlijk worden aangesloten in de buurt van de inkomende stroomtoevoer.

In extreme gevallen kan het nodig zijn om een ​​nieuwe voeding met een lagere impedantie te installeren. Gezien de hoge kosten is het de moeite waard om de mogelijkheid te onderzoeken dat creatief gebruik van schijven met variabele snelheid de kosten kan vermijden.