LMG Test Suite

Aussendung von Oberschwingungen

Moderne elektrische und elektronische Geräte können beträchtliche Oberschwingung in das öffentliche Versorgungsnetz aussenden. Aufgabe der Normen IEC 61000-3-2 und IEC 61000-3-12 ist es, die Aussendung dieser Oberschwingungen zu begrenzen, um elektromagnetische Verträglichkeit und Spannungsqualität im Netz zu verbessern.

EN IEC 61000-3-2

Diese Norm bezieht sich auf Prüflinge (EUT) mit einem Eingangsstrom von maximal 16 A pro Phase. Zu den allgemeinen Anforderungen zählt u.a. dass der Prüfling an einem Versorgungsnetz mit 220/380 V, 230/400 V oder 240/415 V bei 50 oder 60 Hz betrieben wird.

Festlegung der Geräteklassen

Die Einteilung der Prüflinge in 4 Geräteklassen ist ein Kernbereich der Norm. Beispiele für Geräte der Klassen A, B, C und D sind u.a.:

Klasse A: symmetrische dreiphasige Geräte, Haushaltsgeräte, nicht tragbare Elektrowerkzeuge
Klasse B: tragbare Elektrowerkzeuge
Klasse C: Beleuchtungseinrichtungen
Klasse D: PCs, Fernsehgeräte, Kühl- und Gefriergeräte

Geräte, die nicht unter die Klassen B, C oder D fallen, werden unter Klasse A eingestuft.

Gemäß der Geräteklassen kommen unterschiedliche Grenzwerte und Prüfbedingungen zur Anwendung. Die LMG Test Suite sieht die Auswahl der Geräteklasse in den Prüfeinstellungen unter Bezug auf die entsprechenden Absätze der Norm, in denen die jeweiligen Grenzwerte und Verfahren beschrieben sind, vor.

Prüfanordnung

Gemäß EN IEC 61000-3-2 Abbildung A.2 kommt folgender Aufbau für Verträglichkeitsprüfungen dreiphasiger Prüflinge mit dem LMG600 zum Einsatz:

Die verwendete Prüfquelle muss den in §A.2 beschriebenen Anforderungen genügen. Lässt man 2 der 3 Phasen außer Acht, so ist der Aufbau für einphasige Prüfungen identisch. In der Software wird klar zwischen Ein- oder Dreiphasenbetrieb unterschieden.

Ablauf

Das Leistungsmessgerät LMG600 wurde für die Messung von Oberschwingungen gemäß EN IEC 61000-4-7 konzipiert. Der Anwender hat die Prüfbedingungen laut Annex B gemäß der Art des Prüflings festzulegen und die entsprechenden Grenzwerte auszuwählen. Diese werden vor der Prüfung an die LMG Test Suite übergeben. Während der Prüfung führt die LMG Test Suite den in §6.3.2 der Norm EN IEC 61000-3-2 beschriebenen Ablauf durch und wendet die entsprechenden Bedingungen und Grenzwerte für die Messungen an.

Gleichzeitig misst das Gerät neben den Oberschwingungen auch die Spannung an den Anschlüssen des Prüflings, um die Einhaltung der Anforderungen von §A.2 sicherzustellen. Die Software kann bei der Prüfung die Oberschwingungen wahlweise gruppieren oder nicht und so auch ältere Versionen der Norm unterstützen. Schließlich können ausgewählte Stromoberschwingungen auch über die Zeit dargestellt werden. Wird dies auch von der Norm nicht gefordert, so kann es doch beim Aufdecken der Ursachen sehr hilfreich sein, die Ursachen für Oberschwingungen bestimmter Ordnungen aufzudecken, die letztlich ein Durchfallen bei der Prüfung bewirken.

Prüfbericht

Gemäß der Norm kann der Bericht sowohl auf Angaben beruhen, die einer Prüfeinrichtung vom Hersteller übermittelt wurden, als auch Einzelheiten eigener Tests des Herstellers wiedergeben. Er enthält alle maßgeblichen Angaben zu den Prüfbedingungen, den Prüfzeitraum, und, sofern dies zur Festlegung der Grenzwerte relevant ist, die Wirkleistung oder Grundschwingung des Stroms und den Leistungsfaktor.

EN IEC 61000-3-12

Diese Norm bezieht sich auf Prüflinge (EUT) mit einem Eingangsstrom > 16 A bis zu 75 A pro Phase, die für den Anschluss an ein öffentliches Niederspannungs-Verteilnetz mit einer Nennspannung von bis zu 240 V (einphasig, 2-3 Leiter) oder 690 V (dreiphasig, 3-4 Leiter) und einer Nennfrequenz von 50 oder 60 Hz vorgesehen sind.

Prüfanordnung

Die Norm EN IEC 61000-3-12 wendet ebenfalls die zuvor für die EN IEC 61000-3-2 in Abbildung A.2 beschriebene Anordnung an.

Die verwendete Prüfquelle muss den in §A.2 beschriebenen Anforderungen genügen. Lässt man 2 der 3 Phasen außer Acht, so ist der Aufbau für einphasige Prüfungen identisch. In der Software wird klar zwischen Ein- oder Dreiphasenbetrieb unterschieden.

Die LMG Test Suite führt die Verträglichkeitsprüfung gemäß der in §7.2 beschriebenen Anforderungen für direkte Messungen durch.

Die Norm erlaubt alternativ zur Bestimmung der Verträglichkeit auch eine Berechnung aufgrund validierter Simulation, die zum Einsatz kommen kann, falls die Anforderungen für die direkte Messung nicht erfüllt werden. Dieser Ansatz liegt teilweise außerhalb des Einsatzbereichs des LMG600 und der LMG Test Suite Software. Das Leistungsmessgerät und die Software können jedoch eingesetzt werden, um wie in §7.3.a beschrieben eine Referenz zu etablieren, mit der darauffolgende Simulationen verglichen werden.

Ablauf

Das LMG600 misst zusammen mit der LMG Test Suite die Stromoberschwingungen wie in §4.2.2 der Norm beschrieben. Dafür werden der über 1.5s gemittelte Effektivwert für individuelle Zeitfenster, wie in EN IEC 61000-4-7 definiert, sowie das arithmetische Mittel der DFT-Werte des Zeitfensters über die komplette Beobachtungsdauer berechnet.

Die Prüfbedingungen (Annex A) und zur Anwendung kommenden Grenzwerte (Tabellen 2 bis 5) müssen vom Anwender verifiziert und korrekt ausgewählt werden. Diese werden an die Testeinstellungen übergeben. Die Software führt den Test dann gemäß der übergebenen Bedingungen aus und entscheidet durch Anwendung der in §4.2.5 beschriebenen Grenzwerte, ob die Vorgaben eingehalten wurden.

Prüfbericht

Der Prüfbericht soll alle Angaben zur Bestimmung des Referenzstroms, des angewandten Kurzschlussverhältnisses, des minimal benötigten Kurzschlussverhältnisses und der angewandten Tabelle, sowie die Prüfbedingungen und Beobachtungsdauern enthalten. 

Flickeraussendung

Anwendungsbereich der Normen EN IEC 61000-3-3 und EN IEC 61000-3-11 ist die Begrenzung von Spannungsschwankungen und Flickerstörungen, die in das öffentliche Niederspannungs-Verteilnetz zurückgespeist werden. Derartige Schwankungen resultieren aus Stromschwankungen, die der Prüfling (EUT) an der Netzimpedanz auslöst.

EN IEC 61000-3-3

Diese Norm gilt für Prüflinge mit einem Eingangsstrom nicht größer als 16 A pro Phase. Der Prüfling ist für den Anschluss an öffentliche Niederspannungs-Verteilnetze mit einer Spannung zwischen Phase und Nullleiter von 220 bis 250 V und einer Frequenz von 50 Hz vorgesehen.

Prüfanordnung

Abbildung 1 der Norm zeigt die Anordnung zur Messung des Flickers. Mit dem LMG600 stellt sich der Aufbau wie folgt dar:

Die Spannungsquelle G muss die Anforderungen von §6.2 erfüllen, während die Messvorrichtung die Messung gemäß der Norm EN IEC 61000-4-15 durchzuführen hat. Die Netzimpedanz beträgt (0.24 + j0.15) Ω auf den Phasen und (0.16 + j0.1) Ω auf dem Nullleiter.

Lässt man 2 der 3 Phasen außer Acht, so ist der Aufbau für einphasige Prüfungen identisch. In der Software kann klar zwischen Ein- oder Dreiphasenbetrieb gewählt werden.

Ablauf

Flicker wird anhand der Spannungsänderungscharakteristik ΔU_hp(t) an den Anschlüssen des Prüflings wie in §4.1 der Norm beschrieben bewertet. Von ΔU_hp(t) schließt das LMG auf die Kennwerte der Flickerbewertung:

• Kurzzeitflickerstärke: P_st
• Langzeitflickerstärke: P_lt
• Maximale Spannungsänderung in eingeschwungenem Zustand: d_c
• Maximale absolute Spannungsänderung: d_max
• Maximale Dauer, für welche die Spannungsabweichung d(t) den Grenzwert für d_c während des Beobachtungszeitraums überschritten hat: T_max

Der Anwender hat sicherzustellen, dass vor jeder Prüfung sowohl die allgemeinen Bedingungen von §6.6 als auch die prüflingsabhängigen Bedingungen von Annex A eingehalten werden. Die LMG Test Suite erlaubt die Auswahl des Prüflingstyps gemäß Annex A und wendet die entsprechenden Bedingungen und Grenzwerte an.

Die Norm EN IEC 61000-3-3 beschreibt neben dem Flickermeter auch weitere Vorgehensweisen wie die Simulation oder Analyse. Diese Ansätze liegen außerhalb des Einsatzbereichs des LMG600 und der LMG Test Suite. In jedem Fall gilt bei der Flickerbewertung der gemessene Wert immer als Referenz.

EN IEC 61000-3-11

Die EN IEC 61000-3-11 gilt für elektrische und elektronische Geräte mit zulässigem Strom bis 75A, die für den Anschluss an öffentliche Niederspannungs-Verteilnetze mit einer Spannung zwischen Phase und Nullleiter von 220 bis 250 V und einer Frequenz von 50 Hz vorgesehen sind.

Die Prüflinge dieser Norm unterliegen einer Sonderanschlussbedingung, was bedeutet, dass der Prüfling nicht notwendigerweise mittels der Referenzimpedanz   gemäß EN IEC 61000-3-3 bewertet wird. Dies deckt auch Geräte mit zulässigem Strom bis 16 A ab, die bei einer Prüfung gemäß EN IEC 61000-3-3 die Anforderungen nicht einhalten. In derartigen Fällen können die Geräte einer erneuten Prüfung gemäß EN IEC 61000-3-11 unterzogen werden.

Prüfanordnung

Der Aufbau wird in Abbildung B.1 der Norm beschrieben und deckt sich weitgehend mit dem oben in EN IEC 61000-3-3 beschriebenen, mit dem einzigen Unterschied, dass der Wert der Netzimpedanz vom Test und den in §6 beschriebenen Messverfahren abhängt.

Ablauf

Das LMG600 folgt als Flickermeter gemäß EN IEC 61000-4-15 der Spannungsänderungscharakteristik ΔU_hp(t), von der die Kennwerte der Flickerbewertung abgeleitet werden:

• Kurzzeitflickerstärke: P_st
• Langzeitflickerstärke: P_lt
• Maximale Spannungsänderung in eingeschwungenem Zustand: d_c
• Maximale absolute Spannungsänderung: d_max
• Maximale Dauer, für welche die Spannungsabweichung d(t) den Grenzwert für d_c während des Beobachtungszeitraums überschritten hat: T_max

Für Prüflinge mit einem Nennstrom bis 16 A gelten die gleichen Prüfbedingungen wie in Annex A der EN IEC 61000-3-3 beschrieben. Bei Geräten mit einem Nennstrom über 16 A sind die allgemeinen Prüfbedingungen von §6.6 der EN IEC 61000-3-3 anzuwenden. Weiterhin gelten für manuell geschaltete Prüflinge andere Bedingungen und Grenzwerte. Die korrekte Anwendung der Prüfbedingungen liegt beim Anwender, der sie in den Einstellungen der LMG Test Suite festzulegen hat. Die Software wird den entsprechenden Ablauf durchführen, um die Verträglichkeit zu bewerten.

Die Netzimpedanz ist ein Schlüsselparameter der Prüfung. Die Entscheidung, ob die Referenzimpedanz Z_ref zur Anwendung kommen soll, oder eine Testimpedanz Z_test liegt beim Anwender. Abhängig von der gewählten Impedanz wird die LMG Test Suite entweder die direkt gemessenen Kennwerte verwenden oder sie gemäß §6.2.3 an Z_test anpassen. Liegen die errechneten Werte innerhalb der Grenzwerte von §5, kann die Einhaltung der Norm erklärt werden.

Sollten die Grenzwerte verletzt werden, so wird der in §6.3 beschriebene Ablauf durchgeführt, und die maximal erlaubte Systemimpedanz Z_syst zur Bewertung der Flickereigenschaften verwendet wie in §6.3.2 beschrieben.

Standbyleistung

Ein in den letzten 20 Jahren stetig gewachsenes Umweltbewusstsein hat zur Erkenntnis geführt, dass das Vermeiden von Energieverschwendung im Zentrum der Bemühungen stehen muss. Eine unbestrittene Quelle derartiger Verschwendung ist eine Vielzahl moderner elektrischer Geräte, die Strom verbrauchen, obwohl sie gerade eigentlich nicht verwendet werden. Zu den typischen Beispielen zählen LED-Statusanzeigen abgeschalteter Geräte, digitale Uhren an Öfen und Mikrowellenherden, oder interne Schaltkreise, die im Standby-Zustand nur auf Fernsteuersignale oder Sensoreingaben zum Wiedereinschalten warten.

Gegenwärtig wird die Anzahl der elektronischen Geräte, die derartiges Verbrauchsverhalten an den Tag legen, auf mehrere Milliarden geschätzt, was zu einem angenommenen jährlichen Energieverbrauch im Bereich von zehntausenden GWh führt.

Die EU Kommission entschied 2008, den Verbrauch elektrischer Geräte (EuP) unter der Ökodesign-Richtlinie 2005/32/EC zu beschränken. Die Richtlinie liefert konsistente, EU-weite Regeln zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit von Produkten. Die Richtlinie 1275/2008 der Kommission legt die Grenzwerte des Verbrauchs im abgeschalteten Zustand und im passiven Standby-Modus fest. Seit 2013 gelten die folgenden Grenzen:

• Maximaler Verbrauch in Betriebsart AUS: 0.5 W
• Maximaler Verbrauch in passivem Standbybetrieb ohne Anzeige von Information: 0.5 W
• Maximaler Verbrauch in passivem Standbybetrieb mit Anzeige von Information oder Status: 1 W

Bei diesen Grenzwerten handelt es sich um Designvorgaben für elektrische und elektronische Produkte, die EU-Richtlinien einhalten müssen. Deshalb muss bereits bei der Entwicklung jedes neuen Produkts der Verbrauch in allen Betriebszuständen zuverlässig ermittelt werden. Die Internationale Elektrotechnische Kommission legt das Verfahren zur Messung niedriger Leistungen in der Norm IEC 62301 fest. Die von CENELEC veröffentlichte europäische EN ist von der IEC 62301 abgeleitet, weitet aber den Geltungsbereich auf zusätzliche Haushalts- und Bürogeräte aus. Nur EN 50564 wird bei der Erteilung des CE-Zeichens angewandt. Daher wird im Folgenden der Schwerpunkt auf diese Norm gelegt.

Die Systemlösung von ZES ZIMMER setzt das LMG600 zur präzisen Leistungsmessung ein und nutzt die LMG Test Suite zur Durchführung normgerechter Prüfungen, Anwendung der entsprechenden Grenzwerte und Erstellung von Berichten.

Verbreitete Schwierigkeiten beim Erfassen niedriger Leistungen

Das Messen niedriger Leistungen ist alles andere als einfach. Eine detaillierte Betrachtung findet sich in unserem Applikationsbericht 112: Messung der Stand-by Leistung und der Energie-Effizienz.

Selbst für anspruchsvolle Leistungsmessgeräte ist es oft eine Herausforderung, die schnellen Pulse und Spitzen, die bei niedrigen Leistungen auftreten, korrekt zu erkennen und zu messen. Darüber hinaus erschweren derart plötzliche Sprünge dem Anwender die Auswahl des passenden Strommessbereichs. Der Einfluss niedriger Leistungsfaktoren kompliziert die Situation zusätzlich. Sie werden nicht nur durch die nicht länger sinusförmigen Ströme verursacht, die in diesen Betriebsarten auftreten, sondern auch durch den Einsatz von Kondensatoren zur Entstörung, die beträchtliche Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung hervorrufen können. Das Problem ist mehr oder weniger das Gleiche: niedrige Leistung muss mit einem viel höheren Strommessbereich gemessen werden. Die geringe Wirkleistung, um die es geht, wird durch einen Strom übertragen, der viel höher als nötig ausfällt, was durch die hohe auftretende Scheinleistung bedingt ist.

Deshalb ist es wichtig, dass ein Messgerät zur Messung niedriger Leistungen Strommessbereiche mit hohen Scheitelfaktoren bereitstellt. So kann die Messunsicherheit vergleichsweise klein gehalten werden, wenn statt eines höheren ein niedrigerer Strommessbereich gewählt wird, während die Stromspitzen zu keiner Übersteuerung führen. Natürlich verbietet sich in diesem Fall die automatische Messbereichswahl, dass sie zu inakzeptablen Lücken bei der Messung führen kann. Weitere Lücken können sowohl von begrenzter Verarbeitungs- und Übertragungskapazität von Daten als auch von Fehlern beim DC-Abgleich hervorgerufen werden. In derartigen Fällen zeichnen sich hochpräzise Messgeräte durch hohe Verarbeitungskapazität und hochwertige Komponenten aus.

Aber letztlich ist keine Spannungs- oder Strommessung perfekt. Jedes Voltmeter hat einen sehr hohen, aber dennoch endlichen Innenwiderstand, und wird deshalb von einem Strom durchflossen, und jedes Amperemeter hat einen zwar sehr geringen, aber von Null verschiedenen Innenwiderstand, der zu einem Spannungsabfall führt. Jede mögliche Anschlusstopologie wird daher eine dieser beiden Fehlerquellen in die Messung einbringen. Für das Messen niedriger Ströme ist es vorzuziehen, den Strommesser direkt an die Last anzulegen, so dass der tatsächlich die Last durchfließende Strom korrekt erfasst wird. Der unvermeidliche Spannungsabfall am Strommesser, der hierdurch fälschlicherweise der Last zugeordnet wird, sollte gegenüber dem Spannungsabfall an der Last sehr gering ausfallen. Umgekehrt sollte man bei der Erfassung sehr geringer Ströme keine zusätzlichen Stromfehler riskieren. Daher ist von einem direkten Anschluss des Spannungsmessers an die Last abzuraten, da der winzige Leckstrom durch das Voltmeter in der gleichen Größenordnung wie der zu messende Strom durch die Last liegen kann.

Spezifikationen eines genauen Messgerätes für niedrige Leistungen

Es gibt Unterschiede hinsichtlich der Definition der Genauigkeit zwischen EN 50564 und der EU-Richtlinie 1275/2008. Erstere legt nur die Genauigkeit des Messgeräts fest, während die Zweite die Genauigkeit des gesamten Aufbaus festlegt. Dem muss besondere Beachtung geschenkt werden, da die EU-Richtlinie Vorrang vor EN 50564 hat.

Annex B der EN 50564 gibt einige Anhaltspunkte zur Spezifikation des Leistungsmessgeräts. ZES ZIMMER legt die Messlatte mit dem LMG600 sehr hoch – einem hochwertigen Power Analyzer mit einer der höchsten Genauigkeiten im Markt. Sowohl die im Vorangegangenen erläuterten Probleme als auch die Betrachtungen §B.2 der EN 50564 werden vom LMG600 mit den folgenden Spezifikationen adressiert:

• Exakte Messung von Spannung, Strom, Wirkleistung, Leistungsfaktor mit 0.025% Genauigkeit
• Echtzeit-Analyse der Messwerte: Effektivwert, Spitzenwert, Scheitelfaktor, etc.
• Synchrone Ausgabe der Messwerte
• Auflösung von 6 Dezimalstellen
• Spezifikation der Genauigkeit unabhängig vom Leistungsfaktor
• Hohe Scheitelfaktoren in niedrigen Strommessbereichen
• Kleinster Strommessbereich 5 mA
• Kontinuierliche, lückenlose Abstatung mit 1.2 MS/s
• Manuelle & automatische Messbereichswahl mit Übersteuerungsanzeige
• Genaue Mittelung der Leistung über die Zeit
• Integration der Energie mit Auflösung von 5 Dezimalstellen
• Analogbandbreite 10 MHz
• Kleinste Zykluszeit 10 ms
• Datenausgabe an PC via Gigabit-Ethernet
• Direkte Shunt-Stromeingänge

Die Norm EN 50564

Die in EN 50564 beschriebenen Methoden der Leistungsmessung gelten für elektrische Geräte unter geringem Verbrauch. Die Nennspannungen variieren von 100-250 V AC für einphasige Geräte oder 130-480 V AC für andere Geräte.

In einer Betriebsart mit geringer Leistungsaufnahme ist der Verbraucher zwar an das Netz angeschlossen, führt aber keine seiner primären Funktionen aus. Diese Betriebsart beinhaltet einen der folgenden Zustände:

• Betriebsart AUS: Das Gerät liefert keine andere Funktion als die Anzeige seiner Betriebsart.
• Betriebsart Standby: Das Produkt bietet eine oder mehrere Bedien- oder Schutzfunktionen wie die Aktivierung anderer Betriebsarten, Statusanzeigen oder das Warten auf Sensoreingaben.  
• Betriebsart Netzwerk: Wenigstens eine Netzwerkfunktion ist aktiviert, wie die Reaktivierung per Netzwerkbefehl oder Kommunikation zur Integrität des Netzwerks.

Es gibt mehrere Produkttypen, die eine oder mehrere dieser Funktionen unter niedriger Leistung unter verschiedenen Umschaltbedingungen in eine oder mehrere Hauptfunktionen übernehmen. Diese Typen sind in §A.5 der Norm detailliert beschrieben.

Ablauf

Ein Test bei niedriger Leistungsaufnahme beinhaltet verschiedene Abläufe, auf die der Anwender ausreichende Sorgfalt verwenden sollte, wie die Vorbereitung des Produktes, ordnungsgemäßes Warmlaufen, erreichen eines stabilen Betriebszustands, sowie die Erkennung und Unterscheidung verschiedener Betriebszustände bei niedriger Leistung.

Weiterhin können Verbraucher niedriger Leistung gemäß ihrer Stabilität als zyklisch oder nicht-zyklisch eingeordnet werden, d.h. ein Produkt kann bei niedriger Leistungsaufnahme stabile Verbrauchswerte aufweisen oder eine regelmäßige Reihe verschiedener Zustände durchlaufen. Für jeden Fall kommen andere Abläufe zur Anwendung.

Die Norm beschreibt in §5.3 drei unterschiedliche Messmethoden:

• Stichproben: Die empfohlene Vorgehensweise für alle Betriebsarten, unumgänglich, wenn die Stabilität der Betriebsarten in Frage gestellt ist. Beinhaltet die Messung von Leistungswerten über gleichlange Intervalle und ihre Auswertung gemäß §5.3.2.
• Mittelung: Nur für nicht-zyklische Verbraucher zugelassen. Beinhaltet die Mittelung der Leistung über eine Beobachtungsdauer auf zwei Arten: entweder durch direkte Messung der mittleren Leistung, oder durch Messung der Energie und Berechnung der Leistung per Division durch die Beobachtungszeit wie in §5.3.3 beschrieben.
• Direkte Ablesung am Messgerät: darf nur angewandt werden, wenn die Stabilität der Leistungsaufnahme des Verbrauchers über eine hinreichend lange Beobachtungsdauer belegt ist. Das genaue Vorgehen ist in §5.3.4 der Norm beschrieben.

Die Entscheidung darüber, welche Art der Stabilität vorliegt und welches Verfahren zur Anwendung kommen soll, liegt letztlich beim Anwender. Zusätzlich muss der Anwender dafür sorgen, dass der Prüfling korrekt angeschlossen ist und vor der Prüfung ordnungsgemäß angeschaltet wird, sowie alle weiteren Einzelheiten beachten, für die menschliche Eingriffe erforderlich sind. Die LMG Test Suite stellt alle Messverfahren für alle Stabilitätstypen in den Pre-Test-Einstellungen bereit. Die Software wertet die Ergebnisse gemäß des angewandten Verfahrens aus und entscheidet über das Bestehen/Durchfallen bei der Prüfung.