Flikker begrijpen: Impact op stroomkwaliteit en hoe variabele-snelheidsaandrijvingen helpen

Deze blog kijkt naar het onderwerp flikker, wat gezien kan worden als een kwestie van stroomkwaliteit of van Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC), afhankelijk van uw standpunt. We zullen overwegen of variabele-snelheidsaandrijvingen flikker kunnen veroorzaken en ook waar ze kunnen helpen een flikkerprobleem op te lossen.

"Flikker" verwijst naar het effect op elektrische verlichting wanneer de voedingsspanning snel varieert. Dit kan variëren van een incidentele enkele dip of flits wanneer een grote belasting plotseling wordt aangesloten of losgekoppeld, tot aan een irriterende snelle flikker als de spanning gemoduleerd is op een frequentie in het bereik waar het menselijke oog en brein bijzonder gevoelig voor zijn, wat rond de 0,5 Hz tot 20 Hz ligt.

Flikker wordt soms verward met harmonische en andere stroomkwaliteitskwesties. Harmonische zijn per definitie op frequenties die gehele veelvouden zijn van de voedingsfrequentie, en ze zijn veel te hoog voor het oog om te reageren. Echter, zowel flikker als harmonische spanning worden veroorzaakt door belastingstromen die de spanning beïnvloeden door de bronimpedantie van de voorziening, dus op locaties waar de voorzieningsimpedantie hoog is, vanwege een lange voedingslijn of een andere factor, kunnen problemen van zowel harmonische spanning als flikker samen optreden.

Figuur 1 toont een overdreven golfform met gesimuleerde flikker op een vijfde van de voedingsfrequentie. In tegenstelling hiertoon toont Figuur 2 een gesimuleerde vijfde harmonische. In Figuur 2 is elke cyclus vervormd maar dezelfde vorm, dus er treedt geen flikker op.

Elektriciteitsleveranciers moeten ervoor zorgen dat hun stroomkwaliteit geschikt is voor het doel, en ze hebben richtlijnen voor flikker. Over het algemeen voeren ze alleen metingen uit als er een klacht is, er is zelden enig soort routine testing van installaties, behalve voor sommige speciale systemen zoals windturbines.

Elektrische producten die in grote aantallen geproduceerd worden, moeten mogelijk aan productstandaarden voor flikker voldoen. De bekendste internationale productstandaard is IEC 61000-3-3, of voor Europa EN 61000-3-3, die tests en limieten geeft voor producten tot 16 A per fase. In de Europese Unie is deze standaard geharmoniseerd onder de EMC-richtlijn, zodat apparatuur binnen haar bereik doorgaans moet voldoen aan het om de CE-markering te dragen en op de markt in de EU gebracht te worden. Voor nominale stroom tot 75 A geldt IEC 61000-3-11. De standaarden hebben strikte limieten in het gevoelige 0,5 Hz – 20 Hz herhalingsfrequentiebereik, maar geen limieten boven 25 Hz.

De standaarden voor flikker vereisen alle een meting en beoordeling die rekening houdt met het dynamische gedrag van elektrische lampen en de gevoeligheid van het menselijke oog en brein. De flikkerkurven (zie later) zijn gebaseerd op wolfram-draad gloeilampen. Deze zijn redelijk gevoelig voor spanning vanwege de kwadraatswet-relatie van spanning en vermogen. Aan de andere kant betekent de thermische massa dat ze geneigd zijn snelle fluctuaties glad te strijken. Natuurlijk worden draadlampen nu ongebruikelijk. Fluorescente lampen hebben een andere karakteristiek met minder gladstrijkend effect. LED-lampen hebben vaak een regulator zodat ze onbeïnvloed zijn door spanning, behalve wanneer ze ontworpen zijn voor gebruik met een dimmer. De standaarden kunnen in de toekomst worden bijgewerkt om het gedrag van moderne lampen te reflecteren, maar de kosten van wijzigingen in het vervangen van testapparatuur en hertesten van producten zijn onwelkom. Het is waarschijnlijk dat de limieten gebaseerd op draadlampen nog enkele jaren bij ons zullen blijven.

Interharmonische

Interharmonische zijn ongewenste frequenties die niet op gehele veelvouden van de voedingsfrequentie liggen, dus ze liggen tussen harmonische in het spectrum. Als ze dicht bij een echte harmonische liggen, kunnen ze resulteren in een schijnbare modulatie van de voedingsspanning. In een simpele resistieve belasting zoals een draadlamp veroorzaken ze geen flikker omdat hun frequentie hoog is en de lamp alleen gevoelig is voor het lopende gemiddelde van de effectieve spanning. Echter, een gelijkrichter of andere niet-lineaire belasting kan som-en-verschil frequenties genereren die lage frequenties kunnen omvatten als de interharmonische dicht bij een geheel veelvoud van de voedingsfrequentie ligt. Figuur 3 toont een voorbeeld waar de interharmonische van orde 5,2 is. De piekamplitude is zichtbaar gemoduleerd, maar de effectieve spanning is het niet, en dit zal niet als flikker gemeten worden. Dit soort golfform kan optreden met regeneratieve aandrijvingen of andere actieve vermogenscontrollers waar de schakelfrequentie niet fase-gekoppeld is met de voorziening.

Oorzaken van flikker

Flikker wordt altijd veroorzaakt door een variatie van stroom getrokken van de voorziening, wat resulteert in een variatie van de voedingsspanning die dan andere belastingen inclusief verlichting beïnvloedt. Er zijn veel mogelijke bronnen, de onderstaande lijst toont enkele van de meer voorkomende.

Enkele gebeurtenissen:

1. Motoren direct op het net starten. Dit is verreweg de meest voorkomende oorzaak van enkele spanningsdips. Een asynchrone motor trekt tussen 3 en 5 keer zijn nominale stroom bij het starten, en het effect op de spanning wordt erger door het feit dat de startstroom in fase achterloopt op de spanning, zodat de spanningsval in de voorzieningsimpedantie, die doorgaans preponderant inductief is, groter is dan voor een resistieve belasting.
2. Grote elektronische apparaten zoals aandrijvingen starten, met condensator oplaad-inrush stroom
3. Grote transformatoren starten met magnetisatie-inrush stroom
4. Compressoren of pompen met tegen-druk starten, wat een hoge startkoppel veroorzaakt

Frequency willekeurige gebeurtenissen:

1. Boogovens
2. Booglasapparaten
3. Machines onderhevig aan frequente zware belastingpieken, bijv. mengers, pressen etc.

Periodieke of bijna periodieke gebeurtenissen:

1. Automatische puntlasapparaten
2. Teruggaande pompen of compressoren, of gelijkaardige pulserende belastingen.
3. Thermostaten of andere controllers die werken door de belasting te schakelen – met name met halfgeleiderschakelaars die frequenter kunnen opereren.
4. Burst-firing thyristor of triac controllers

Het effect van variabele-snelheidsaandrijvingen op flikker

De aandrijving zelf

De enige manier waarop een aandrijving flikker in zichzelf kan veroorzaken, is door de condensator oplaad-inrush stroom wanneer spanning wordt aangelegd. Control Techniques aandrijvingen zijn zo ontworpen dat de inrush stroom de nominale invoerstroom niet overschrijdt, dus de spanningsdip overschrijdt niet die veroorzaakt door normaal draaien op nominaal vermogen.

Het besturingssysteem

Als de aandrijving in een systeem zit dat de aandrijving doet een snel fluctuerende vermogensuitgang genereren, dan kan dit flikker veroorzaken. Dit kan veroorzaakt worden door geprogrammeerde periodieke operatie of door marginale stabiliteit in een terugkoppeling besturingslus. Elk besturingssysteem moet beoordeeld worden om te zorgen dat het geen excessive flikker zal veroorzaken.

In een machine met meerdere assen en snelle periodieke bewegingen, kan het mogelijk zijn om de besturing in te richten zodat de vermogenspieken achtereenvolgens optreden. Dit zou de flikkerfrequentie kunnen vermenigvuldigen met het aantal assen, wat, als het boven de 25 Hz komt, het probleem kan elimineren.

De belasting

Motorstarten

De aandrijving elimineert de plotselinge spanningsval veroorzaakt door motorstarten volledig. Niet alleen rampen de motorfrequentie en spanning op een gecontroleerde manier op zodat de motorstroom beperkt wordt, maar ook de aandrijving invoerstroom is evenredig met de uitgangsvermogen, niet de uitgangsstroom, dus de invoerstroom rampent alleen op naarmate de motorsnelheid toeneemt. Er zijn toepassingen waar een aandrijving de moeite waard is puur voor zijn voordeel in starten zonder excessive spanningsval te veroorzaken, als de alternatieve een dure versterking van het voorzieningssysteem zou zijn.

Pulserende belastingen zoals teruggaande pompen

De aandrijving heeft zeer beperkte opgeslagen energie in zijn DC-link condensator, niet genoeg om een flikkercyclus glad te strijken, dus als het belastingvermogen fluctueert, fluctueert de aandrijving invoerstroom op dezelfde manier. Tenzij speciale maatregelen genomen worden, zal de aandrijving niet compenseren voor een fluctuerende belasting.

Doorgaans maakt de aandrijving simpelweg geen verschil in het niveau van flikker veroorzaakt door een pulserende belasting, maar het is mogelijk voor een aandrijving om dit effect erger te maken:

• Ten eerste, door de snelheid te verlagen, kan het de pulseringsfrequentie naar beneden brengen onder de kritieke 25 Hz punt waar flikker waarneembaar wordt.
• Ten tweede, als het aandrijvingssysteem geconfigureerd is om nauwe snelheidscontrole te geven met een pulserend belastingkoppel, dan kan het de vermogensfluctuatie versterken, omdat het de motor voorkomt om te vertragen en te versnellen in de koppelcyclus. Dit vermindert het voordeel van de opgeslagen energie in de inertie van de machine, inclusief het zwiekrad als aangebracht. Tenzij er een heel bijzondere reden is om de snelheid nauwkeurig te controleren binnen de koppelcyclus, is het niet raadzaam om gesloten-lus snelheidscontrole of glijdingcompensatie met een pulserende belasting te gebruiken. Het is eigenlijk beter om de snelheid te laten variëren met het koppel om gebruik te maken van de mechanisch opgeslagen energie.

Als gesloten-lus snelheidscontrole moet worden gebruikt, is het het beste om een preponderant integrale controller met een lage versterking te implementeren. Op deze manier wordt de gemiddelde snelheid nauwkeurig gecontroleerd, maar de controller weerstaat niet de natuurlijke periodieke variatie binnen een cyclus veroorzaakt door de asynchrone motor glijding. Dit voorstel lijkt counter-intuïtief, aangezien we geneigd zijn te denken dat een variabele-snelheidsaandrijving snelle en nauwkeurige snelheidscontrole biedt, maar eigenlijk vermindert snel-reagerende controle het voordeel van het zwiekrad of andere inertie in het opslaan van energie.

De bovenstaande discussie geldt met een asynchrone motor. Met een permanente-magnet motor is de snelheid inherent nauwkeurig geregeld en koppelpulseringen worden direct gereflecteerd als invoervermogen zonder enige mogelijkheid van rotor-glijding wat enige reductie geeft. Het is mogelijk om een speciaal controle-algoritme in een aandrijving te programmeren dat de snelheid bewust laat dalen dynamisch als het koppel stijgt, binnen een rotatiecyclus, terwijl de langetermijn gemiddelde snelheid op de gewenste waarde wordt gehouden. Dit neigt het vermogen constant te houden (vermogen = koppel x snelheid), en het is vermogen wat de invoerstroom bepaalt. Control Techniques heeft een gepatenteerde toepassing voor dit. Het is mogelijk dat dit nuttige kostenbesparingen in het machineontwerp kan opleveren in sommige toepassingen, bijvoorbeeld een multi-cilinder teruggaande pomp of compressor kan vervangen worden door een eencilinder een.

Flikkerlimieten

Flikker wordt gemeten met een "flikkermeetapparaat" gedefinieerd in de standaard IEC 61000-4-15. Limieten voor apparatuur worden gesteld in standaarden zoals IEC 61000-3-3 en IEC 61000-3-11.

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

Figuur 4 toont de limiet voor eenvoudige herhalende rechthoekige spanningsveranderingen uit IEC 61000-3-3, voor een 230 V 50 Hz voorziening. De frequentie-as vertegenwoordigt complete cycli per seconde, d.w.z. elke cyclus omvat twee gelijke maar tegengestelde stappen. Er zijn verdere regels voor het evalueren van andere patronen. De figuur toont duidelijk de lage toegestane niveaus voor het kritieke frequentiebereik tussen ongeveer 0,5 Hz en 20 Hz.

Flikker verminderen

We hebben al manieren overwogen waarop het gebruik van een variabele-snelheidsaandrijving kan helpen flikker te verminderen van motorstarten of van een pulserende belasting.

Conventionele methoden omvatten het gebruik van multi-cilinder teruggaande pompen om het koppel glad te strijken, en zwiekraden.

Waar een grote vermogenspulsatie onvermijdelijk is, moet de voorzieningsaansluiting elektrisch dicht bij de inkomende voeding van de site gemaakt worden om de spanningsval in kabels gedeeld met andere belastingen te vermijden. Verlichtingscircuits moeten ook apart dicht bij de inkomende voeding worden aangesloten.

In extreme gevallen kan het nodig zijn om een nieuwe voorziening met lagere impedantie te installeren. Gezien de hoge kosten, is het de moeite waard om de mogelijkheid te verkennen dat creatief gebruik van variabele-snelheidsaandrijvingen de kosten kan vermijden.