Titel des Vortrages. Versorgungsnetze mit differentiellen Störungen im Frequenzbereich von 0 bis 150 khz (IEC ) (E) Martin Lutz, EMC PARTNER

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1 Titel des Vortrages Versorgungsnetze mit differentiellen Störungen im Frequenzbereich von 0 bis 150 khz (IEC ) (E) Martin Lutz, EMC PARTNER Abstrakt Im Frequenzbereich von 2 khz bis 150kHz besteht eine Lücke bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit. In der Praxis äussert sich dies mit Störungen an elektrischen Geräten und Einrichtungen, angeschlossen an das a.c. Versorgungsnetz. Damit eine Verträglichkeit entsteh, braucht es drei unterschiedliche Normen, Kompatibilitäts- Angaben, Limiten für die Störaussendung und Prüflevel für die Störfestigkeit. Durch die Energiewende wurde die breite Anwendung von Solaranlagen mit den notwendigen Invertern gefördert, dadurch sind neue Störquellen entstanden. In dem Vortrag wird kurz aufgezeigt welche Erfahrungen aus der Praxis vorliegen. Eine Lücke bezüglich der Störfestigkeit wird die IEC (FDIS) schliessen. Die Störfestigkeitsprüfung dieser Norm wird vorgestellt und erklärt. Verantwortlich für diese Norm ist TC77A Arbeitsgruppe WG6 Sprache des Vortrage Deutsch, Folien Englisch Vortragender Name: Lutz Vorname: Martin Firma: EMC-PARTNER AG e-mai:; management@emc-partner.ch Zur Person: Martin Lutz ist Gründer und Inhaber von EMC PARTNER AG. Er ist seit über 30 Jahren in der EMV-Standardisierung von IEC TC77A und TC77B tätigt. Für die Arbeit in dem Bereich der Elektromagnetischen Verträglichkeit in der IEC wurde er mit dem 1906 AWARD ausgezeichnet. Weltweit hat er Seminare abgehalten, an Symposien Fachbeiträge beigesteuert und Bücher zur EMV Prüfthematik veröffentlicht. Abstract EMC PARTNER EMC PARTNER AG ist eine 20-jährige Firma mit Sitz in Laufen Schweiz. Das Ziel der Firma ist die Entwicklung von qualitativ, hochstehenden Impulsgeneratoren, deren Fertigung und weltweitem Vertrieb. Das Kerngeschäft sind Impulsgeneratoren im Bereich von einigen Volt bis 200kV und Impulsströme im Bereich von einigen A bis zu 100kA. Zwei-Drittel der Belegschaft von 35 Personen sind Ingenieure und Fachkräfte. Alle namhaften Firmen in den Industrie-Bereichen: Elektrische Energieversorgung, Flugzeugelektronik, Automobilelektronik, Telekommunikation, Militär, usw. sind Kunden von EMC PARTNER.

2 2 Smart Grid New Technology Installing new Energy sources: - Solar installation - Wind mills - Geothermic - Etc. Energy Usage is growing 25% per year - More electrical goods - Increasing number of Computers -Can be solved by implementation of smart grid and: Energy saving with power electronic 30%: - Variable speed drive - Regenerative breaking (trains, elevators, conveyor system, cranes, etc. - Switched mode power supplies Pro Jahr beträgt die Zunahme des Bedarfes an elektrischer Energie weltweit etwa 25%. Dies ist zurückzuführen auf die Erhöhung der Anzahl Geräte, die laufend an das Energienetz angeschlossen werden, sowie der Erschliessung von neuen Märkten wie: Elektroauto, Wärmepumpen, IT (Cloud Computing) etc. Um den Bedarf an elektrischer Energie zu decken, braucht es neben neuen Energiequellen die Reduktion des Stromverbrauches der am Markt eingeführten Produkte. Mit dem Einsatz von Power Elektronik wie: getakteten Netzteilen, Invertern etc. kann die Effizienz um 30% gesteigert und damit Energieeinsparrungen von etwa 30% erreicht werden. Example: Variable Speed Drives Der Einsatz von Power Elektronik ist mit Generierung von Störungen verbunden, die durch die Filter im tiefen Frequenzbereich nicht gänzlich unterdrückt werden können und somit ins Versorgungsnetz gelangen und elektronische Geräte stören können.. Mit dem Einsatz von Power Elektronik nehmen auch die Störungen zu im Frequenzbereich bis etwa 150kHz. Current Flow In Deutschland wurde durch den weitverbreiteten Einsatz von Solaranlagen mit Invertern und den dazu notwendigen neuen elektronischen Elektrizitätszählern eine Störung der Zähler beobachtet und in Fachbeiträgen publiziert und dokumentiert. Die Zähler sind mit CE Zeichen gekennzeichnet und sind entsprechend der EMV Richtlinie geprüft worden. Die Analyse der Unverträglichkeit ergab, dass differenzielle Störungen von Invertern die Störung an den Zählern verursachte. Current Flow

3 3 Unter hohem zeitlichem Druck wurde nun versucht, die Lücke bei der Ströfestigkeit zu schliessen. Die schon bald zur Publikation freigegebene IEC wird die bestehende Lücke auf der Seite der Störfestigkeit schliessen. Mit den nachstehenden Folien wird, wie nebenstehend aufgelistet, auf die einzelnen aufgeführten Punkte eingegangen. Nebenstehend sind die möglichen Störquellen aufgelistet, die differenzielle Störungen im niedrigen Frequenzbereich bis 150kHz erzeugen, als auch die elektronischen Geräte, die durch die differenziellen Störungen beeinflusst werden könnten. Neben den schon erwähnten elektronischen Elektrizitätszählern sind noch eine ganze Reihe von weiteren Geräten betroffen. In einem Studienbericht von 205A/Sec 03397R werden die Fälle aufgelistet, in denen ein Fehlverhalten eruiert und rapportiert wurde. Damit wird die Dringlichkeit einer Ströfestigkeitsprüfnorm ersichtlich.

4 4 Die Analyse der publizierten Normen zu Beginn der Arbeit von WG6 ergab rasch dass keine der bestehenden Norm diese Störquelle beinhaltet. Im Bereich von 2 khz bis 150 KHz besteht nur die IEC für Common Mode Störungen. Die neue Störquelle fehlt bei der Umgebungsbeschreibung, der Kompatibilitäts Normen, und ebenfalls sind keine Emissionsnormen für diesen Frequenzbereich vorhanden. Um eine Verträglichkeit zu erreichen müssen für alle drei Typen von Normen die Lücken geschlossen werden: Kompatibilität x Störfestigkeit IEC x Limiten für die Störaussendung IEC x The Standard are necessary to reach Compatibility Probability Disturbance (Emission) Emission IEC x Compatibility IEC Immunity Equipment Immunity IEC x Der Zusammenhang dieser drei Normen wird nebenstehend gezeigt. Die WG6 musste die Arbeit der Störfestigkeitsnorm sofort beginnen und konnte nicht warten, bis die IEC mit der neuen Umgebungsbeschreibung abgeschlossen hat. Es ist den WG6 Mitgliedern bewusst, dass nach der Veröffentlichung der Kompatibilitätsnorm die jetzt definierten Prüflevels eventuell angepasst werden müssen. 1 = Emission limits 2 = Min. Immunity level Safety Margin Disturbance level Vielen Personen ist die Philosophie der Basisnorm nicht geläufig, darum soll hier kurz erklärt werden, was der Inhalt der Basisnorm enthält. Pro Störquelle eine Basisnorm Festschreiben der Prüfmethode Klare Definition der Prüfsysteme mittels der Kalibration Grundlegender Prüfaufbau Vorschläge der Prüflevel Messunsicherheit der Kalibrationsmessgeräte

5 5 Der Ablauf der Prüfung kann damit wie folgt vollzogen werden: Kalibration des Prüfsystems Bestehen der Kalibration Prüfung durchführen mit dem Prüfling als Black Box Es sind keine Strom- oder Spannungsmessungen während der EMV Prüfungen erforderlich. Für die Erarbeitung dieser neuen Norm ist TK/77A WG6 zuständig. Die Norm wird 2014 veröffentlicht. Von Anbeginn wurde eine klare Trennung zwischen dem Teil -16 und der neuen Norm gemacht, indem einen neue Nummer gelöst wurde -19. Die Begründung liegt in den unterschiedlichen Störquellen und den unterschiedlichen Prüflingen. Angepasst an die Typen von Prüflingen: niedrigen und hohen Impedanzen wurden auch entsprechend zwei Tabellen mit Prüfwerten definiert Strom für niedrige Impedanzen z.b. elektronische Elektrizitätszähler Strom für hohe Impedanzen z.b. PLC Power Line Communication equipment

6 6 Calibration point without CDN Isc and Voc Calibration point without EUT Isc and Voc Damit nur ein Sinus Generator für beide Anwendungen verwendet werden muss, wurde die folgende Lösung gefunden: Der Sinusgenerator muss im Kurzschluss den Strom für die niedrigen Lastimpedanzen um 4 A generieren können und der gleiche Generator sollte auch für die Spannungsprüfung eingesetzt werden können, mit Spannungen bis zu 30V. Dies wird durch die Verwendung eines Übertragers im CDN möglich. Nebenstehend sind die Prüflevels für Spannung und Strom und das Amplituden-Frequenz-Profil dargestellt. Mangels der vorliegenden Kompatibilitäts-Norm wurden diese Werte aus verschiedenen Berichten zusammengetragen und als Kompromiss für die erste Störfestigkeitsnorm definiert. Entsprechend der in der Praxis festgestellten Beeinflussungen werden zwei Modes für die Spannung festgelegt. Fig.2 CW mit Pausen mit schrittweiser Erhöhung der Frequenzen Fig.3 Rechteck Modulation mit Erhöhung der Frequenzen

7 7 The verification of the generators shall be carried out in open circuit for the differential voltage generator with a differential probe of minimum 1 MΩ and in short circuit for the differential current generator with a shunt of maximum 0,01 Ω using an oscilloscope or other equivalent measurement instrumentation with 10 MHz minimum bandwidth. For differential voltage verification, the open circuit voltage at the EUT port of the CDN shall be measured with the voltage differential probe. For differential current verification, the short circuit current at the EUT port shall be measured using the shunt. The impedance shall be verified measuring the values of the open circuit voltage divided by the short circuit output current at 2 khz and 150 khz. Wie in allen Basisdokumenten ist der Kalibrations Prozess des Strom- und des Spannungs- Generators klar definiert. Für die Spannungsprüfung muss ein CDN eingesetzt werden, das ebenfalls überprüft werden muss. Test set up Voltage Test Der Prüfaufbau für die Spannungsprüfung ist nebenstehend als Beispiel gezeigt. Der Generator ohne CDN ist so ausgelegt, dass auch die Stromprüfung mit dem gleichen Generator durchgeführt werden kann. Ein Prüfaufbau besteht aus: Versorgungsnetz mit der Entkopplung DN Den Generator mit der Kopplung CN Kommunikation dem Netz überlagert zwischen AE und EUT.

8 8 Die im Bild beschriftete Current source entspricht dem Generator bei der Spannungsprüfung. Die Quelle Iload current source wird gebraucht, um z.b. den Prüfling in einen repräsentativen Betrieb zu versetzen für eine Fehlerauswertung via Betriebsanzeige des Prüflings. Test set up Electricity Meters Das nebenstehende Bild zeigt einen praktischen Prüfaufbau für die Prüfung von elektronischen Elektrizitätszählern. Product specific Basic Standard Hint for Product Standard in an appendix of the basic standard Zusammenfassung Mit der Veröffentlichung der IEC wird, in Abweichung zur Vorgabe des ACEC, die Immunitätsnorm vor der Kompatibilitätsnorm veröffentlicht. Dies geschieht, um die Störfestigkeit gegen differentiellen Störungen so rasch als möglich zu erreichen. Die Kompatibilitätsnorm mit der Erweiterung der differentiellen Störungen ist in Arbeit. Das Festlegen der Emissions-Limiten gestaltet sich wesentlich schwieriger, da abhängig von den Produkten die Limiten festzulegen sind.