Die Integrität des Stromnetzes schützen
IEC 61000-3-2 Harmonischen-Tests und IEC 61000-3-3 Flicker-Messungen
Harmonische sind Ströme oder Spannungen mit Frequenzen, die ganzzahligen Vielfachen der Netzgrundfrequenz (typischerweise 50/60 Hz) entsprechen. Sie entstehen bei nichtlinearen Lasten – wie sie häufig bei Schaltnetzteilen (SMPS) auftreten – und können verschiedene Leistungsqualitätsprobleme verursachen. Deshalb ist die Harmonischenanalyse wichtig: Sie ermittelt, welche Harmonischen auftreten, wie groß sie sind und wie sie sich in verschiedenen Betriebszuständen ändern. Diese Details geben Aufschluss über die Ursache der Harmonischen und über das Risiko für das Netz.
Flicker bezeichnet kurzzeitige Schwankungen von Spannung und Strom. Ursache ist meist ein Gerät, dessen Leistungsaufnahme sich schnell ändert. Während Harmonische die Verzerrung innerhalb einer periodischen Signalform beschreiben, betrifft Flicker eher die zeitliche Veränderung der Leistung, die eine Last dem Netz abverlangt. Flicker ist deshalb relevant, weil sowohl das Netz selbst als auch die angeschlossenen Geräte von einer stabilen Versorgung ausgehen. Verursacht ein Gerät wiederholt kurzzeitige Spannungseinbrüche oder schnelle Lastwechsel, kann es andere Geräte im selben Netz stören.
Harmonischen- und Flicker-Tests sollen in erster Linie sicherstellen, dass ein Gerät die Integrität des Stromnetzes nicht beeinträchtigt. Der Nachweis der bestimmungsgemäßen Funktion des Geräts ist nicht ihre Aufgabe. Ein Gerät kann „einwandfrei funktionieren“ und trotzdem schlecht mit dem umgebenden Ökosystem interagieren.
Konformitätstests für Harmonische und Flicker werden üblicherweise in einer kontrollierten Umgebung mit stabilisierter Wechselstromquelle und kalibrierten Messmitteln durchgeführt.
Häufige Ursachen für das Nichtbestehen der Konformitätsprüfung:
- Nichtlineare Stromaufnahme: Schaltnetzteile nehmen Strom in kurzen Impulsen auf, was zu harmonischer Verzerrung führen kann. Dies lässt sich durch Eingangsfilterung oder passive Korrektur vermeiden.
- Unzureichend korrigiertes PFC-Verhalten: Geräte mit hoher Leistungsaufnahme (über 75 W) sollten über eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) verfügen. Eine schlecht umgesetzte PFC kann zu Emissionen außerhalb des zulässigen Bereichs führen, da sie Harmonische niedriger Ordnung einbringt und den Scheitelfaktor erhöht.
- Einschaltstrom beim Start: Beim Einschalten eines Geräts können kurzzeitige Stromspitzen auftreten. Diese Spitzen können die Grenzwerte für Stromharmonische überschreiten, selbst wenn der stationäre Zustand innerhalb der Vorgaben liegt.
- Wechsel zwischen Leistungszuständen: Eingebettete Systeme wechseln häufig ihre Betriebszustände. Diese Übergänge können Harmonische oder Flicker verursachen.
Leistungsanalysatoren und Oszilloskope können unerwünschte Harmonische und Flicker aufdecken. Leistungsanalysatoren verfügen über einen Harmonischen-Modus, der eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchführt, um den Effektivwert (RMS) und Phasenwinkel zu berechnen. Bestimmte Leistungsanalysatoren, wie zum Beispiel der LMG von ZES Zimmer, können dies für die ersten bis zu 200 Harmonischen leisten. Stromharmonische werden am häufigsten mit einem Oszilloskop und geeigneten Tastköpfen gemessen. Die Ergebnisse werden üblicherweise sowohl in grafischer als auch in numerischer Form präsentiert. In einigen Fällen unterstützt ein Oszilloskop auch einen automatischen Test zur Konformitätsprüfung nach einer oder mehreren Normen für Harmonische. In der Validierungs- und Konformitätsphase kommen Leistungsanalysatoren zum Einsatz, um Berichte zu erstellen und zu ermitteln, welche Harmonischen die in den Normen festgelegten Grenzwerte überschreiten.
