Ist die Messung der Netzoberwellen in der Vorprüfung so einfach?

Die Netzoberwellen-Prüfung nach IEC 61000-3-2 (EN 61000-3-2) ist ein komplexes Messverfahren das jedoch mit einem entsprechend aufwendigen Messsystem bewältigt werden kann. Solche normenkonformen Systeme haben somit auch Ihren Preis. Die Anforderungen an die Messmittel sind abhängig von den Betriebsbedingungen der Prüflinge und in den Normen IEC 61000-4-7 und IEC 61000-3-2 (EN 61000-3-2) genau definiert.

Auf dem Markt werden unterschiedliche Messsysteme angeboten die sich auch im mittleren und unteren Preissegment anbieten. Einige dieser Verfahren heben Anspruch auf Normenkonformität, andere zielen bewusst auf die Anwendung in der Vorprüfung (Precompliance) für Entwicklung und Inhouse Tests. Dieser Aufsatz soll helfen die unterschiedlichen Messgeräte richtig einzuordnen. Ein System zur Messung der Stromoberwellen setzt sich aus drei Funktionsblöcken zusammen: Netzquelle, Oberwellen-Analysator und Auswerte-System. Je nach Anbieter können dies einzelne Geräte sein, oder es handelt sich um ein System das mehrere Blöcke zu einem Gerät zusammenfasst. So sind bei einigen Herstellern Oberwellen Analysator und Auswertesystem in einem Gehäuse, oder es ist sogar das ganze System inklusive Netzquelle in einem Gerät zusammengefasst.

1. Die Netzquelle
Lasten mit Gleichrichter und kapazitiver Glättung führen zu einer impulsförmigen Stromaufnahme im Spannungsmaximum. In der Norm IEC 61000-3-2 werden diese Verbraucher in der Klasse D erfasst. Die Zuordnung erfolgt durch Messung der Stromkurvenform und Vergleich mit einer Hüllkurve. (siehe Figur 2)

Die Oberwellen Grenzwerte der Klasse D sind auf die aufgenommene Leistung bezogen. Mit der einfachen und weitverbreiteten Schaltung von Dioden-Gleichrichter und Glättungskondensator sind diese Grenzwerte aber ohne weitere Massnahmen nicht einzuhalten. Mit einfachen Geräten ohne Möglichkeit der Kurvenform Auswertung ist eine Einordnung in die Klasse D schwierig.

Stromflusswinkel :
Der Stromflusswinkel (siehe Figur 2) wird im Wesentlichen durch den Glättungskondensator bestimmt. Dieser wiederum ist durch die Leistung und die erwünschte Glättungsqualität vorgegeben. In der Praxis kann hier von Werten zwischen 0.3 µF bis 2 µF pro Watt aufgenommener Leistung ausgegangen werden. Dies führt zu einem Stromflusswinkel von ca. 30° bis 35°. Um die Klasse D Grenzwerte zu erfüllen muss dieser aber erfahrungsgemäss auf grösser zirka 65° verbreitert werden.

Oberwellen :
Im Frequenzbereich betrachtet führt die einfache Gleichrichterschaltung zu einer sehr hohen 5ten Oberwelle (250Hz) von ca 80%. Das heisst, von 1 A rms Stromaufnahme sind 0.8 A in der 5ten Oberwelle!! Um die Klasse D Grenzwerte zu erfüllen muss die 5te Oberwelle aber unter ca 45% gedrückt werden.

Seriedrosseln im Gleichrichter sind hier ein Lösungsweg, eleganter und platzsparender sind regelungstechnische Massnahmen wie die sogenannte PFC ( Power Factor Correction )

Einfluss der Spannungsqualität
Neben der Grösse des Glättungskondensators bestimmt aber noch ein weiterer Faktor den Stromflusswinkel und damit die Oberwellen ganz entscheidend. Es ist dies die Kurvenform der Spannung. Ist die Spannung im für den Stromfluss entscheidenden Maximum abgeflacht, so führt dies zu einer massiven Vergrösserung des Stromflusswinkels. In der Praxis ist dies fast immer mehr oder weniger der Fall, da eben solche Verbraucher mit Stromimpulsen im Spannungsmaximum, an einem realen Netz mit endlicher Netzimpedanz, zu einem grösseren Spannungsabfall im Maximum und somit zu einer Abflachung der Spannungsform führen.

Hierzu ein Beispiel : Ein Verbraucher von 500W bezieht seinen Strom zwischen 75° bis 105° und 255° bis 285° (Stromflusswinkel 30°). Der Gesamtstrom beträgt bei 230V ca. 2A. Der Spitzenstrom beträgt ca 10A. An einer realistischen Netzimpedanz von 0.5 Ohm führt dies zu einem Spannungsabflachung im Maximum von 0.5 Ohm * 10A = 5V.

Dies scheint vorerst wenig, führt aber zu einer beträchtlichen Verlängerung des Stromfluss-winkels. Zudem sind oft viele solcher Lasten an derselben Netzimpedanz parallel geschaltet

Die Abflachung der Spannungsform bei endlicher Netzimpedanz führt zu einer Art Selbstbegrenzungseffekt. An parallel angeschlossenen Verbrauchern sinkt wegen der Abflachung der Spannung der Oberwellengehalt im Strom.

Für die Prüfung eines Verbrauchers nach 61000-3-2 wird eine „saubere“ Spannungskurvenform vorgeschrieben. Neben den Grenzwerten für die jeweiligen Oberwellen sind auch Forderungen für die Höhe und den Winkel des Spannungsmaximums aus oben aufgeführten Gründen festgeschrieben. (siehe nachstehende Tabelle)

Spannung 230 V  2 %
Frequenz 50 / 60 Hz  0,5 %
Bei Dreiphasensystem soll der Winkel zwischen den Phasen sein: 120°  1,5 °
Die maximal zulässigen Oberwellenanteile 3 0,9 %
5 0,4 %
7 0,3 %
9 0,2 %
2 bis 10 0,2 %
11 bis 40 0,1 %

Spitzenwert der Spannung 1,40 bis 1,42 rms.
Der Spitzenwert der Spannung muss nach dem Nulldurchgang sein:
Die letzte Anforderung hat für Klasse A und B keine Gültigkeit. 87° bis 93°

Prüfungen direkt an realen, abgeflachten Netzen führen zu massiv falschen Messwerten. Solche Messungen sind leider auch für reine Vorprüfungen unbrauchbar und gaukeln viel zu kleine Oberwellen Anteile vor. Dies sei hier anhand einer praktischen Prüfung dokumentiert. Beide Messungen zeigen denselben Prüfling. ( Figur 3 ) 

Nach IEC61000-3-2 werden wie Tabelle 1 und Figur 3 zeigt recht hohe Anforderungen an die Netzquelle gestellt, die meist in Form eines Leistungsverstärkers realisiert wird. In der Vergangenheit war dies nur mit speziell auf diese Anwendung dimensionierten, linearen Verstärkern zu erreichen. In jüngster Zeit gelangen immer mehr die sehr viel kompakteren, getakteten Verstärker zum Einsatz. Der technische Aufwand ist jedenfalls beträchtlich, so ist bei 16 A rms ein Verstärker für eine Leistung von über 3.5 KW notwendig, je nach Prüfling muss der Verstärker auch in der Lage sein, einen hohen Einschaltstrom zu liefern, der bei vielen Prüflingen über 100 A liegen kann.

Der technische Aufwand und damit auch der Preis kann verringert werden, wenn anstatt eines Vollverstärkers ein Überlagerungsverstärker eingesetzt wird. Solche Verstärker erzeugen die Netzsinusspannung nicht komplett neu, sondern schwimmen sozusagen auf der Netzspannung und regeln lediglich die Fehler aus.

Ob linearer oder getakteter Verstärker oder Überlagerungsverstärker, die Norm macht hier keine Einschränkungen. Erfüllt werden müssen lediglich die Grenzwerte wie in Tabelle 1 aufgeführt

2. Der Oberwellen Analysator
Die Anforderungen an das Messgerät und das Auswerteverfahren sind in der Norm IEC 61000-4-7 und zusätzlich in 61000-3-2 ausführlich beschrieben. Vereinfacht gesagt müssen die Oberwellen bis zur 40ten mit einer Bandbreite von 3Hz und einer Genauigkeit von zirka 0.2% gemessen werden. Im Allgemeinen stellt dies für heutige meist DSP (Digital Signal Prozessor) gestützte Messgeräte keine besonderen Schwierigkeiten dar. Einige Details sind jedoch zu beachten.

Fluktuierende Verbraucher
Die Norm unterscheidet zwischen fluktuierenden und nicht fluktuierenden Verbrauchern. Fluktuierend heisst, dass die Stromaufnahme entweder gesamthaft oder auch nur in einzelnen Oberwellen nicht konstant ist. Jedes Zu- oder Abschalten einer geräteinternen Last führt zu einer Änderung der Stromaufnahme. Somit gehören sehr viele Verbraucher zu dieser Gruppe.
Jede einzelne Oberwelle wird vorerst mit einem 1.5 sec RC - Filter geglättet. Dies beruhigt die Messung sozusagen bei sehr schnellen Änderungen. Im Weiteren ist es zulässig, dass einzelne Oberwellen (2 bis 10 und 3 bis 19.) für eine kurze Zeit bis auf 150% des eigentlichen Grenzwertes anwachsen dürfen. Als „kurze“ Zeit werden maximal 15 sec innerhalb jedes 2.5 minütlichen Beobachtungsraumes definiert.

Diese Art von Messung bedingt eine Echtzeit - Messung. Einfache Oberwellenanalysatoren erlauben dies nicht, da aufgrund der begrenzten Rechenleistung die Auswertung der Fourrier Analyse um Faktoren länger ist als die eigentliche Messzeit. Zusätzlich ist die Überprüfung der 150% Limiten wohl nur mit einem automatisierten System praktikabel.

Zwei-Kanal-Messung
Einige Systeme sind zweikanalig ausgeführt und können Spannung und Strom gleichzeitig messen. Damit besteht die Möglichkeit die Qualität der Spannung, während der Prüfung zu Überwachen und sicherzustellen, dass die geforderten Limiten für die Prüfung eingehalten werden. Dies ist insbesondere bei sich ändernden Lastverhältnissen nötig.

3. Auswerte System
Wie erwähnt hat die Verbraucherklasse D relative Grenzwerte, dies gilt teilweise auch für die Klasse C ( Beleuchtungseinrichtungen ). Zusammen mit der aufwendigen Behandlung der fluktuierenden Oberwellen fallen somit bei einer Messung recht viele Daten wie: aktuelle Leistungsaufnahme, 2te bis 40zigsten Oberwelle kontinuierlich an. Ein Oberwellen Messsystem sollte nicht zuletzt deswegen auch über eine geeignete Visualisierung der Daten, einer automatischen Gut/Schlecht Beurteilung des Prüflings an Hand der aktuellen Messdaten und über eine Protokollierung verfügen.

Zusammenfassung:
Die gängige Meinung das Oberwellenmessverfahren nach IEC 61000-3-2 sei zu aufwendig, ist nur eine Frage des verwendeten Systemes. Mit einem normkonformen und teilweise automatisierten System dauert die Messung nicht länger als mit einfachen Systemen.
Der Vorteil eines normkonformen Messsystems liegt jedoch auf der Hand, aus den Messresultaten kann mit Sicherheit die richtige und kostengünstige Korrekturmassnahme getroffen werden.
Der Einsatz von kostengünstigen Messsystemen ist nur lohnend, wenn die im Aufsatz erläuterten Problemkreise bewusst einbezogen werden. Auch dann fehlen noch die Erfahrungen oder Angaben, wie nahe an die Grenzwerte die Messwerte liegen dürfen, dass bei einer normkonformen Messung der Prüfling nicht durchfällt.
Auch für die Vorprüfung kann nicht auf den Verstärker verzichtet werden, wenn die Messergebnisse verglichen werden sollen, da je nach Zeitpunkt der Messung das öffentliche Netz Unterschiede aufweist.