Wie sind Spannungseinbruchgeneratoren für Spannungsunterbrechungstests nützlich?

Spannungseinbruchgenerator definieren
NEMA MG1-16.48 definiert Spannungseinbruch als größte Spannungsdifferenz von der Nennausgangsspannung des Generators. Einschaltströme beim Motorstart oder große Blocklasten begrenzen die Motordrehzahl und eine geringere Erregung des Hauptfeldes erzeugt diese Einbrüche. Da sich die Ursachen und Lösungen für kurzzeitige Spannungseinbrüche von denen für Blocklasten unterscheiden, werden diese unabhängig gemessen und analysiert. Aufgrund seiner unverzögerten Natur tritt der größte durch den Motoreinschaltstrom verursachte Einbruch innerhalb von fünf Zyklen auf und kann nur mit einem Oszilloskop überwacht werden. Mechanische Rekorder können Einbrüche erkennen, die durch schwere Blocklasten verursacht werden, die die Motordrehzahl verlangsamen.

Anhaltende Dip-Verwirrung
Da sind einige Aggregatemarken schwer zu vergleichen Spannungseinbruch ist in der Firmendokumentation anders definiert. Anstelle eines sofortigen Spannungseinbruchs wird ein anhaltender Spannungseinbruch geliefert, der den Abfall mit einer niedrigeren, aber längeren Erholungskurve bewertet.
Durch einen Vergleich der subtransienten Reaktanz von zwei Generatoren mit vergleichbaren AVR-Reaktionszeiten kann ein aussagekräftiger Vergleich des Motorstart-Spannungseinbruchs erhalten werden. Beim Starten desselben Motors haben zwei Maschinen mit identischer Untertransientenreaktanz ungefähr denselben Spannungseinbruch.

Infolgedessen werden Anbieter, die einen anhaltenden Spannungseinbruch als Maß für den Spannungseinbruch verwenden, nur eine pauschale „Ja“- oder „Nein“-Antwort darauf geben, ob ihr Stromaggregat den von anderen Herstellern festgelegten Standards für sofortige Spannungseinbrüche entspricht.
Nur so ist sichergestellt, dass Sie vergleichbare Angebote für die von Ihnen beschriebenen Projekte erhalten.

Das Einschwingverhalten von Stromaggregaten verstehen
Es besteht kein Grund zur Sorge um die Fähigkeit des örtlichen Versorgungsunternehmens, die Last aufzunehmen, oder um vorübergehende Auswirkungen auf die Stromqualität, wenn ein Schalter einige hundert kW an einen Stromkreis sendet. Dies sind jedoch legitime Probleme, wenn Strom von einem Generatorsatz bezogen wird. Die Lastmenge, die in einem Schritt akzeptiert werden kann, sowie das Ausmaß der vorübergehenden Auswirkungen auf die Stromqualität variieren stark zwischen den Generatormodellen.

Wenn ein Stromaggregat stark belastet wird, fällt die Motordrehzahl vorübergehend ab – oder sinkt – bevor sie wieder in den stabilen Zustand zurückkehrt. Bei Entlastung steigt die Motordrehzahl kurzzeitig an – oder schwingt über. Die Qualität der elektrischen Energie wird verändert, da die Generatorfrequenz durch die Motordrehzahl bestimmt wird. Einschwingverhalten ist die Messung dieser vorübergehenden Geschwindigkeitsschwankungen.

Die Länge und die prozentuale Frequenzänderung einer transienten Reaktion werden gemessen (siehe Abbildung unten). Die Zeit, die der Motor benötigt, um in den stationären Betrieb zurückzukehren, wird als Erholungszeit bezeichnet. Dies kann von einer Sekunde bis zu zwanzig Sekunden reichen. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Prozentsatz des Eintauchens und je länger der Motor braucht, um sich zu erholen, desto mehr Gewicht wird dem Bus hinzugefügt.

Einbrüche sind oft gefährlicher als Überschwinger, da eine übermäßige Blocklast zum Abwürgen des Motors und zum Abfallen der Generatorspannung führen kann. Die Rotationsmasse des Generatorsatzes hilft bei der Frequenzhaltung, obwohl die Trägheit zwischen Generator und Motor sorgfältig ausgeglichen werden muss. Wenn ein größerer Generator angegeben wird, wird der Frequenzabfall reduziert, wodurch mehr Motorleistung für die Rückgewinnung zur Verfügung steht. Der Spannungsregelungsmechanismus des Generatorsatzes ist die kritischste Komponente, die das Ansprechverhalten bei Einschwingvorgängen beeinflusst. Volt-pro-Hertz-Spannungsregelungsverfahren steuern die Spannung, indem sie der Frequenz proportional folgen.

Da eine große Blocklast die Motordrehzahl und Generatorfrequenz reduziert, sinkt die Spannung, wodurch der Motor effizient entlastet und die Erholungszeit verkürzt wird. Dieses System wird von allen Cat-Stromaggregaten verwendet. Konstantspannungsregelungssysteme haben einen geringeren Prozentsatz an Spannungsänderungen, aber eine viel längere Erholungszeit. Wenn der Motor voll belastet ist, steigt die Gefahr eines Motorstillstands. Einige Generatoren verwenden Doppelspannungs-pro-Hertz-Regelungsverfahren. Während diese Methoden die Blockladefähigkeiten erheblich verbessern oder die Wiederherstellungszeit verkürzen, haben sie einen viel höheren Spannungseinbruch. Das vorübergehende Ansprechverhalten wird auch durch die Motoreinstellung beeinflusst.

Die meisten Aggregatmotoren sind turboaufgeladen, um zusätzliche Pferdestärken – und kW – bereitzustellen, ohne dass ein größerer Motor erforderlich ist. Der Nachteil der Turboaufladung liegt im vorübergehenden Ansprechverhalten. Luft wird zu einem begrenzenden Element in Transportszenarien. Je länger das Einschwingverhalten eines Aggregatmotors ist, desto turboaufgeladener ist er. Spannungseinbrüche und Kurzzeitunterbrechungen werden durch Störungen in einem Stromnetz verursacht, die durch schnelle Änderungen starker Lasten verursacht werden. An das Stromnetz angeschlossene ständig wechselnde Lasten verursachen Spannungsänderungen. Da diese Vorkommnisse Auswirkungen auf elektrische und elektronische Geräte haben können, müssen sie in einer Laborumgebung nachgeahmt werden.

IEC 61000-4-30-Tests
• IEC 61000-4-11, die sich auf elektrische und elektronische Geräte mit einem Nenneingangsstrom von nicht mehr als 16 A pro Phase zum Anschluss an 50-Hz- oder 60-Hz-Wechselstromnetze bezieht.
• IEC 61000-4-34, die für elektrische und elektronische Geräte mit einem Nenneingangsstrom von mehr als 16 A pro Phase gilt, insbesondere Spannungseinbrüche und kurze Unterbrechungen für Geräte, die an 50-Hz- oder 60-Hz-Wechselstromnetze angeschlossen sind, einschließlich 1-Phasen und 3-Phasen-Netz. IEC empfiehlt Vor-Ort-Messungen im gesamten Stromversorgungssystem für Ströme von mehr als 75 A pro Phase.
• IEC 61000-4-29, die für elektrische und elektronische Geräte gilt, wenn Spannungseinbrüche, kurze Unterbrechungen oder Spannungsänderungen an Gleichstromanschlüssen auftreten.
Wie bei allen grundlegenden EMV-Normen besteht das Ziel darin, eine einzige Referenz für die Bewertung der Störfestigkeit elektrischer und elektronischer Geräte zu schaffen, wenn sie diesen Phänomenen ausgesetzt sind. Produktnormen sind dafür zuständig, die Relevanz und Anwendbarkeit der in der Grundnorm genannten Prüfungen zu bestimmen. Das hier bereitgestellte Material konzentriert sich auf die Norm IEC 61000-4-11.

Anforderungen an Testgeräte
Spezielle Testgeräte können in Labors verwendet werden, um Spannungseinbrüche, kurze Unterbrechungen und Variabilitätstests zu replizieren. Die IEC-Grundnormen sehen optional Spannungsänderungsprüfungen vor. Im Folgenden sind die Standards aufgeführt, die Prüfgeräte erfüllen müssen, um für Konformitätsprüfungen verwendet werden zu können:

• Leerlauf-Ausgangsspannung – die Generator-Ausgangsspannung muss innerhalb von 5 % der eingestellten Spannungseinbrüche liegen, wenn keine Last angelegt wird. Einbruchspegel werden als 0 %, 40 %, 70 % und 80 % der Nennspannung angegeben.
• Änderung der Ausgangsspannung unter Last – die Spannungsänderung von unbelastet zu belastet muss weniger als 5 % des definierten Einbruchs betragen.
• Ausgangsstromfähigkeit – der Generator muss in der Lage sein, kurzzeitig einen Strom von mehr als 16 A bei dem erforderlichen Einbruchspegel zu führen. Am schwierigsten ist es bei einem Einbruch von 40 %, wenn der Generator 40 Sekunden lang 3 A aushalten muss.
• Spitzeneinschaltstrom-Fähigkeit – Die Testausrüstung sollte die Spitzeneinschaltstrom-Fähigkeit nicht begrenzen. Die maximale Spitzenleistung des Generators darf 1000 A bei 250 V bis 600 V Netz, 500 A bei 200 V bis 240 V Netz und 250 A bei 100 V bis 120 V Netz nicht überschreiten.
• Spannungsüberschreitung/-unterschreitung – Wenn der Generator mit einer ohmschen Last von 100 belastet wird, muss die momentane Spitzenüberschreitung/-unterschreitung der tatsächlichen Spannung weniger als 5 % des eingestellten Einbruchpegels betragen.
• Spannungsanstiegs- und -abfallzeiten – Der Generator muss in der Lage sein, während einer plötzlichen Spannungspegeländerung zwischen 1 und 5 Sekunden umzuschalten.
• Phasenverschiebung – der Generator muss in der Lage sein, Phasen zwischen 0 und 360 Grad zu verschieben.
• Phasenbeziehung und Nulldurchgang – der Generator muss Wechselstrom erkennen und synchronisieren können. Die Phasenbeziehung der Spannungseinbrüche und -unterbrechungen muss weniger als 10° der Netzfrequenz betragen. Außerdem muss die Nulldurchgangssteuerung des Generators innerhalb von 10° der Netzfrequenz liegen.

Bedeutung von Anstiegs- und Abfallzeiten
Es ist wichtig, Testgeräte zu verwenden, die die erforderlichen schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten erfüllen, während Spannungseinbrüche und kurze Unterbrechungen durchgeführt werden, um eine größere Phasenverschiebung während des Umschaltens zu vermeiden. Die Schaltzeit von 1 s – 5 s ist das Worst-Case-Szenario und bildet einen Kurzschluss im Stromnetz in der Nähe der elektronischen Geräte nach. Daher können Tests mit schnellem Schalten die Haltbarkeit der zu bewertenden Ausrüstung in der Worst-Case-Situation beurteilen. Als Beispiel betrachten wir die Auswirkung von Schaltzeiten auf ein 230V / 50Hz Stromnetz.

Wir können die Phasenverschiebung für verschiedene Schaltzeitpunkte unter Verwendung der Wechselstromfrequenz bestimmen. Wir können sehen, dass die in IEC 5-61000-4 festgelegte Grenze der langsamsten Umschaltzeit von 11 s zu einer Phasenverschiebung von nur 0.09° führt. Ein Pre-Compliance-Dip-Generator mit einer Schaltzeit von 200 s fügt eine Phasenverschiebung von 3.6° hinzu und eine Schaltzeit von 500 s fügt eine Phasenverschiebung von 9° hinzu.

Ein Abfall des Testpegels ist ein sekundärer Effekt dieser beträchtlichen Phasenverschiebung. In 60-Hz-Stromnetzen ist die Auswirkung der Phasenverschiebung sogar noch ausgeprägter. Eine Schaltzeit von 200 s entspricht beispielsweise einer Phasenverschiebung von 4.3° bei 60 Hz, während eine Schaltzeit von 500 s einer Phasenverschiebung von 10.8° entspricht. Angesichts der Tatsache, dass der Startwinkel des wahren Einbruchs auch durch die Genauigkeit des Generators diktiert werden kann, ist das Beibehalten einer verringerten Phasenverschiebung aufgrund des Schaltvorgangs ziemlich vorteilhaft.

Bedeutung der Einschaltstromfestigkeit
Wenn Sie elektronische Geräte an ein Stromnetz anschließen, fließt Einschaltstrom in die Geräte, was zu Schäden führen kann. Die meisten elektronischen Geräte sind mit einer Schaltung zur Begrenzung dieses Einschaltstroms ausgestattet. Wenn sich das Stromnetz nach einem Spannungseinbruch oder einer kurzen Unterbrechung erholt, fließt derselbe Einschaltstrom wieder, aber die Schutzschaltung kann deaktiviert werden. Um Geräteschäden während eines Spannungseinbruchs oder einer kurzen Unterbrechung zu minimieren, muss der Dip-Generator ausreichend Strom liefern, ohne den Einschaltstrom zu begrenzen.

Das Spannungseinbrüche Prüfgeräte für kurze Unterbrechungen sollten idealerweise die Spitzeneinschaltstrom-Treiberkapazität erfüllen. Wenn die Testausrüstung diese Anforderung erfüllt (mindestens 1,000 A für 250 V – 600 V-Netze, 500 A für 220 V – 240 V-Netze und 250 A für 100 V – 120 V-Netze), ist das Messen des Einschaltspitzenstroms des Prüflings unnötig, was Zeit spart. Wenn der beobachtete Einschaltstrom des EUT weniger als 70 % der gemeldeten Einschaltstrom-Antriebsfähigkeit der Testausrüstung beträgt, erlaubt IEC 61000-4-11 eine Problemumgehung durch die Verwendung eines Generators mit einem niedrigeren Einschaltstrom. Da beide Merkmale vor der Prüfung gemessen werden müssen, erhöht sich der Zeit- und Kostenaufwand.

Änderungen zwischen IEC 61000-4-11 Ed.2 und Ed.3
IEC 61000-4-11 Ed.3 wurde 2020 herausgegeben und ersetzt die vorherige IEC 61000-4-11 Ed.2 von 2004. Die wichtigsten Änderungen in der Norm sind eine explizitere Beschreibung der Anstiegs- und Abfallzeit und eine Wiederholung der strenge Anforderung, einen Generator mit Anstiegs- und Abfallzeiten im Bereich von 1 s bis 5 s für Konformitätstests zu verwenden.

Die Über-/Unterschreitungsanforderungen des Standards waren in Ausgabe 2 unklar, was zu Missverständnissen darüber führte, welche Parameter während der Kalibrierung/Verifizierung gemessen werden mussten. Gemäß einigen Interpretationen sollten Überschwingen und Unterschwingen sowohl dann aufgezeichnet werden, wenn ein Pegelübergang auftritt, als auch wenn der Pegelübergang beendet ist.

Überschwingen und Unterschwingen sind jetzt explizit als Effekte definiert, die nach dem Umschalten auftreten, anstatt vor dem Umschalten. Dies zeigt an, dass ein Unterschwingen einer fallenden Flanke lediglich eine Messung erfordert, ein Überschwingen einer steigenden Flanke jedoch eine Messung erfordert. Bei Messung mit einer ohmschen Last von 100 muss das Überschwingen oder Unterschwingen weniger als 5 % der tatsächlichen Spannung betragen.

FAQs
Warum tritt der Spannungsabfall auf?
A Spannungseinbruch geschieht, wenn die Versorgungsspannung (UF) unter eine Schwelle fällt, die auf 90 % der angegebenen Versorgungsspannung (Uc) eingestellt ist. Ein Spannungseinbruch tritt in einem mehrphasigen System auf, wenn mindestens eine der Spannungen unter die Schwelle fällt, und endet, wenn alle Spannungen gleich oder über der Schwelle sind.

Was genau ist ein Spannungseinbruchs- und Unterbrechungstest?
Spannungseinbrüche und kurze Unterbrechungen werden durch Ausfälle in einem Stromnetz verursacht, die durch schnelle Änderungen starker Lasten verursacht werden. An das Stromnetz angeschlossene ständig wechselnde Lasten verursachen Spannungsänderungen.

Was genau ist eine Spannungsunterbrechung?
Eine Spannungsunterbrechung tritt auf, wenn die URMS(1/2)-Spannung unter den festgelegten Unterbrechungspegel fällt. Typischerweise wird die Unterbrechungsschwelle deutlich niedriger eingestellt als der Spannungseinbruchpegel. Die Unterbrechung beginnt, wenn die URMS(1/2)-Spannung unter den Unterbrechungsschwellenwert fällt und endet, wenn die URMS(1/2)-Spannung gleich oder größer ist als der Unterbrechungsschwellenwert plus Spannungshysterese.

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