Glühbirnen

Flicker-Simulator: First Time Pass

Alle Geräte müssen die älteste EMV-Norm, nämlich die "Flicker" Prüfung bestehen. Diese bestimmt, wie das Gerät Leistung aus dem Netz beziehen darf, ohne Spannungsschwankungen zu erzeugen, welche die Beleuchtung stören.

In den meisten modernen Geräten ist Flicker durch Software kontrolliert (z.B. Ein- und Ausschalten einer Heizung), auch die Hardware kann betroffen sein, wenn z. B. sowohl Geräte-Spezifikation als auch Flicker-Norm nur durch Optimierung der Kurvenform der Schaltflanken erreicht werden kann.

Was sind die Probleme?

Späte Erkennung: Meist wird die Nichterfüllung der Norm erst spät im Projekt entdeckt, wenn Hardware und Software als Prototypen vorliegen, im schlimmsten Fall erst bei den Abnahmemessungen.

Komplexität: Die Flicker-Messung ist stark nichtlinear und eher schwer zu verstehen.

Mögliche Lösungsansätze

Man kann auf sein Glück vertrauen und abwarten, bis Hard- und Software bereit sind.
Eine gewisse Uebersicht geben die Näherungsformeln und -kurven aus dem Standard.

Flicker Mess-Simulation

Eine viel genauere Aussage ergibt die Simulation der Flicker-Messung, d.h. eines Flickermeters nach IEC 61000-4-15.
Dabei können als Eingangsdaten einerseits Mess- oder Simulationsresultate aus der Reglersimulation und Software-Entwicklung beziehungsweise von Messungen an Funktionsmustern und Prototypen verwendet werden. Andererseits lassen sich generische Kurvenmuster (Rechteck, Trapez...) simulieren.

Das Resultat ist ein "First Time Pass" beim Flicker-Test

Solcept Open Source Flicker Mess-Simulator

Solcept hat einen Flicker-Mess Simulator entwickelt und stellt ihn hier als Open Source unter der Boost Lizenz zur Verfügung.
Der Simulator läuft auf MathWorks MATLAB oder dem Open Source Tool Octave.
Der Simulator ergab für eine 2.5 kW Heizungsregelung 1:1 dieselben Werte wie die Messung mit der realen Software und Elektronik!

Herunterladen und einsetzen

Der Simulator kann von der Download-Sektion heruntergeladen werden. Falls kein MATLAB vorhanden ist, muss vorher Octave installiert werden.

Zusätzlich haben wir Informationen zu Flicker für Entwickler, sowie drei Anwendungsbeispiele:

Ich habe Feedback, Fragen oder Verbesserungen!

 

Flicker kurz und bündig

Dieser Abschnitt führt kurz in die Flicker-Problematik ein und zeigt einige einfache Berechnungsmöglichkeiten auf.

     
     
     

Entstehung von Flicker

Die Betriebsspannung im öffentlichen Stromversorgungsnetz ändert sich über die Zeit. Diese Änderungen kommen vom Spannungsabfall, welcher der Laststrom eines Geräts oder einer Einrichtung an der Quellimpedanz des Netzes hervorruft.

Die zeitlichen Schwankungen dieser Last erzeugen Flicker, d.h. Lichtstromänderungen einer Lampe. Die Auswirkungen dieses "Flackerns" kann von Störung bis zur Auslösung von epileptischen Anfällen bei lichtsensitiven Personen führen.

Flicker Modell

Die Anforderungen an ein Flickermessgerät sind in der Norm [1] IEC 61000-4-15 spezifiziert. Das Flickermeter ist in mehrere Funktionsblöcke unterteilt, welche eine 230 V/60 W-Glühlampe (Referenzlampe) und das menschliche Wahrnehmungssystem (Auge-Gehirn-Modell) nachbilden.

Aus dem resultierenden Momentanwert des Flickers wird im letzten Block nach einem statistischen Verfahren über ein vorgegebenes Beobachtungsintervall der Kurzzeit Flicker Pst gebildet. Der Langzeit Flicker Plt berechnet sich als kubisches Mittel mehrerer Pst-Werte.

In der Norm [2] IEC 61000-3-3 sind die Beobachtungsintervalle und Grenzwerte für Pst und Plt spezifiziert:

Messwert Beobachtungsintervall Grenzwert
Pst10 min1.0
Plt2 h0.65

Betriebszustand des Prüflings

Die Flicker-Norm [2] schreibt vor, dass das Gerät während des Tests in der Weise betrieben wird, wie es bezüglich Flicker am ungünstigsten ist („worst case“).

Wird das Gerät während der gesamten Messdauer (relativ) gleich bleibend betrieben, so gilt Plt = Pst. Falls dieser Zustand für das Gerät zulässig und realistisch ist, ergibt sich als Konsequenz, dass zur Erfüllung der Norm Pst nicht über dem Plt-Grenzwert liegen darf (welcher tiefer ist!).

Abschätzung

Eine rein analytische Berechnung von Pst ist nahezu unmöglich. Im Standard [2] sind jedoch Formeln zur Abschätzung der zu erwartende Pst-Werte angegeben.

n = Anzahl Last-Änderungen im Beobachtungsintervall
Tp = Dauer des Beobachtungintervalls in Sekunden
F = shape factor (1 für rechteckige Spannungs-Änderungen)
d = relative Spannungs-Änderung dU / U

In [2] sind auch Shape Faktoren für verschiedene Kurvenformen angegeben.

Flicker Fakten

  • Flicker wird hervorgerufen durch Lastwechsel. Nur die Grösse der Laständerungen ist relevant, nicht die absoluten Werte.
  • Eine Reduktion von Pst kann nur erreicht werden durch:
    • weniger Lastwechsel n
    • kleinere Lastwechsel dP
    • sanfte (F < 1) statt harte (F = 1) Lastwechsel (z.B. mit Hilfe einer Phasenanschnitt-Steuerung)
  • Der Zusammenhang zwischen Grösse der Lastwechsel und Pst ist linear, d.h. eine Halbierung der geschalteten Leistung bedeutet eine Halbierung von Pst.
  • Der Zusammenhang zwischen Anzahl Lastwechsel pro Zeiteinheit (n/Tp) und Pst ist nicht linear. Eine Halbierung des Lastwechsel reduziert Pst nur um 20%. Für eine Halbierung von Pst muss die Anzahl Lastwechsel um den Faktor 9 reduziert werden!

Referenzen

[1] IEC 61000-4-15, Testing and measurement techniques – Flickermeter – Functional and design specifications, Edition 1.1, 2003-03
[2] IEC 61000-3-3, Limits – Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current 16 A per phase and not subject to conditional connection, Edition 2.0, 2008-06
[3] Wikipedia: Flicker
[4] Wilhelm Mombauer: "Messung von Spannungsschwankungen und Flickern mit dem IEC-Flickermeter", ISBN 3-8007-2525-8, VDE-Verlag

 

 

Flickersimulation mit verschiedenen Kurvenformen

Flickersimulation mit simulierten Spannungsverläufen

In Machbarkeitsstudien oder in der Konzeptphase stellt die Simulation die einzige Möglichkeit dar, um Lösungen bezüglich Flicker beurteilen und optimieren zu können. Für grundlegende Untersuchungen ist dazu in der Regel keine komplette System-Simulation notwendig.

Beispiel: Phasenanschnitt

File: example_phase_control.m

In diesem Beispiel wird untersucht, wie mit Hilfe einer Phasenanschnitt-Steuerung ein sanftes Schalten einer (1 kW) Last und damit eine Reduktion des Flickers erreicht werden kann.
Die Ergebnisse bestätigen, dass der Flicker signifikant verringert werden kann. Bei einer Rampendauer von einer Sekunde kann der Pst-Wert ca. um den Faktor 5 reduziert werden.

Beachten Sie, dass der Einsatz einer Phasenanschnitt-Steuerung Oberschwingungsströme erzeugt , deren Grenzwerte durch die Norm IEC 61000-3-2 definiert sind und entsprechende Filtermassnahmen erforderlich machen.

Flickersimulation mit realen Messdaten

Eine gute Vorhersage der zu erwartenden Flicker-Messwerte kann erreicht werden, in dem Messdaten von einem realen Aufbau (Funktionsmuster, Evaluationsboards, Prototypen...) oder einer System-Simulation in den Flicker Simulator eingespeist werden.

Grundsätzlich liesse sich dazu die Netzspannung aufzeichnen (z.B. mit einem DSO: digitalen Speicher-Oszilloskop). Dazu muss aber gemäss Norm eine Spannungsquelle mit definierter Quellimpedanz und ohne Variationen der Leerlaufspannung verwendet werden (siehe Flicker kurz und bündig).

Einfacher ist es daher die Schaltsignale der Lasten aufzuzeichnen, und daraus die resultierende Netzspannung zu berechnen.

Beispiel: Heizungsregelung

File: example_heater.m

In diesem Beispiel wird ein System untersucht, welches 4 Heizelemente mit einer Leistung von insgesamt 4.5 kW regelt. Die Steuersignale der Heizelemente wurden mit einem DSO aufgezeichnet und als .mat Dateien gespeichert. Der simulierte Wert für Pst liegt bei 1.1 und damit über dem Grenzwert.

Testfälle aus dem Standard

In der Flicker-Norm IEC 61000-4-15 sind Testfälle spezifiziert, mit welchen die Genauigkeit eines Flickermeters überprüft werden muss. Dabei werden rechteckige Spannungsänderungen mit unterschiedlicher Amplitude und Frequenz in das Flickermeter eingespiesen und der resultierende Pst-Wert überprüft.

Beispiel: Performance Test

File: example_testbench_230V_50Hz.m
File: example_testbench_120V_60Hz.m

Diese Beispielel dienen zur Verifikation des Flicker Simulators anhand der spezifizierten Testfälle.

Download FlickerSim

Wenn Sie untenstehenden Download-Link anklicken, erklären Sie sich mit folgenden Nutzungsbestimmungen einverstanden:

  • Das Programm wird ohne Mängelgewähr oder irgendwelche anderen Garantien zur Verfügung gestellt.
  • Das Programm unterliegt der Boost Lizenz.

Benutzen Sie diesen Link oder folgen Sie dem Download Link auf Matlab Central.

Kurz-Anleitung

  1. Inhalt des Zip-Files in ein geeignetes Verzeichnis extrahieren
  2. MATLAB oder Octave starten
  3. Wechsel ins Verzeichnis, welches die extrahierten Dateien enthält (z.B. 'd:\data\flicker_sim\')
  4. Beispiel ausführen (z.B. example_heater)

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