Wissenswertes zur EN 61000-3-2
Normkonform?
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Ursachen von Netzrückwirkungen, über die aktuellen normativen Anforderungen und die Konsequenzen für die Entwicklung und Prüfung elektronischer Geräte ab dem 1.1.2001.
Autor:
Dipl.-Ing. Kurt Lamedschwandner
EMV-Prüfzentrums Seibersdorf
Die Anzahl der nichtlinearen Verbraucher am Netz nimmt laufend zu und führt zu einem stetigen Ansteigen des Oberschwingungsgehalts der Netzspannung. Eine häufige Ursache dafür sind Schaltnetzteile, wie sie in Computern, Fernsehern usw. eingesetzt werden. Sie entnehmen dem Versorgungsnetz einen nicht-sinusförmigen und damit oberschwingungsbehafteten Strom, welcher an der Netzimpedanz einen Spannungsabfall verursacht, der sich in einer Abweichung des Spannungsverlaufs von der idealen Sinusform bemerkbar macht.
Oberschwingungen
Für die normgerechte Messung der Stromoberschwingungen (die Norm EN 61000-3-2 fordert die Messung bis zur 40. Harmonischen), muss im Prüflabor ein ideales oberschwingungsfreies Netz zur Verfügung stehen (die EN 61000-3-2:1995/A14:2000 legt hinsichtlich der relativen Oberschwingungsanteile der Prüfspannung die folgenden Anforderungen fest: 0,9 Prozent für die Oberschwingung der 3. Ordnung, 0,4 Prozent für die Oberschwingung der 5. Ordnung usw.). Dieses wird mittels einer Signalquelle und einer Leistungsendstufe erzeugt. Nur dadurch ist gewährleistet, dass ausschließlich die vom Verbraucher erzeugten Stromoberschwingungen gemessen werden. Spannungs- und Frequenzstabilität sowie geringer Klirrfaktor sind die wesentlichsten Merkmale dieses künstlichen Netzes. Weiters muss der Innenwiderstand der Quelle annähernd Null Ohm betragen. Während der Messungen sind die Einstellungen des Gerätes so festzulegen, dass erwartet werden kann, dass der höchste Gesamt-Oberschwingungsstrom (maximum total harmonic current) unter üblichen Betriebsbedingungen erreicht wird. Bei der Messung werden für jede Oberschwingungsordnung die mit der Zeitkonstante von 1,5 s geglätteten Effektivwerte der Oberschwingungsströme in jedem Zeitfenster der diskreten Fouriertransformation (DFT) bestimmt. Anschließend wird der arithmetische Mittelwert der in den DFT-Zeitfenstern gemessenen Werte über die gesamte Beobachtungsdauer berechnet. Alle mit der Zeitkonstante von 1,5 s geglätteten Effektivwerte der Oberschwingungsströme müssen kleiner oder gleich 150 Prozent der anwendbaren Grenzwerte sein. Der Mittelwert für die einzelnen Oberschwingungsströme, der über die gesamte Beobachtungsdauer der Prüfung gewonnen wurde, muss kleiner oder gleich den anwendbaren Grenzwerten sein. Die Beobachtungsdauer ist so zu wählen, dass die Wiederholbarkeit der Messungen besser als ±5 Prozent ist.
Rechtliches Inkrafttreten von EMV-Normen
Die EMV-Normen der europäischen Normungsorganisationen CENELEC und ETSI erhalten erst durch die Veröffentlichung ihrer Fundstellen im Amtsblatt der EU den Status harmonisierter europäischer Normen. Das Datum der erstmaligen Veröffentlichung einer Norm im Amtsblatt der EU ist daher als das Datum des rechtlichen Inkrafttretens einer harmonisierten europäischen Norm zu verstehen. Aus dem rechtlich verbindlichen Inkrafttreten einer EMV-Norm erwächst für den Hersteller oder Inverkehrbringer die Möglichkeit, nach dieser Norm zu prüfen.
Für neu in Kraft tretende Normen gelten Übergangsfristen, innerhalb derer nach Entscheidung des Herstellers entweder noch nach der bisher geltenden EMV-Norm oder schon nach der gerade rechtlich in Kraft getretenen EMV-Norm geprüft werden kann. Das Ende derartiger Übergangsfristen wird durch das Datum der Beendigung der Konformitätsvermutung für die ersetzte Norm (doc = date of cessation) bestimmt. Es wird von der Kommission der EU festgelegt und in der Liste der Fundstellen harmonisierter europäischer EMV-Normen im Amtsblatt der EU aufgeführt.
Die EN 61000-3-2 „Elektromagnetische Verträglichkeit – Grenzwerte für Oberschwingungsströme“ wurde erstmals im Amtsblatt der EU 95/C241 vom 16.9.1995 veröffentlicht und ist daher mit diesem Datum rechtlich verbindlich in Kraft getreten. In der neuesten Liste der Fundstellen harmonisierter EMV-Normen im Amtsblatt der EU 00/C359 vom 14.12.2000 wird für die Norm EN 61000-3-2 plus Änderungen A1 und A2 als Datum der Beendigung der Konformitätsvermutung für die ersetzte Norm (doc) der 1.1.2001 angegeben. Ab diesem Datum ist die in der EN 61000-3-2 festgelegte Übergangsfrist abgelaufen und die Prüfung darf dann nicht mehr auf Grundlage der Vorgängernorm (EN 60555-3:1987) erfolgen, sondern nur noch nach EN 61000-3-2 plus deren Änderungen. Weiters wurde im Amtsblatt vom 14.12.2000 auch die EN 61000-3-2:1995/A14:2000 erstmals veröffentlicht. Sie ist daher mit 14.12.2000 rechtlich verbindlich in Kraft getreten. Als doc ist im Amtsblatt der 1.1.2004 angegeben. Ab diesem Zeitpunkt wird die Übergangsfrist ablaufen und die Prüfung darf dann nicht mehr auf Grundlage der Vorgängernorm (EN 61000-3-2 + A1 + A2) durchgeführt werden. Zur Zeit liegt bereits ein Entwurf der Nachfolgenorm EN 61000-3-2:2000 vor. Diese ist jedoch noch nicht im Amtsblatt gelistet.
Welche Änderungen bringt die EN 61000-3-2:1995/A14:2000?
Als die beiden entscheidendsten Veränderungen sind die Änderung der Definition der Klasse D und die genauere Festlegung des Messverfahrens zur Bestimmung der Oberschwingungsströme und der Eingangswirkleistung zu nennen. In Zukunft fallen nur noch Personalcomputer und deren Monitore sowie Fernseh-/Rundfunkempfänger in die Klasse D – und zwar unabhängig von der Kurvenform des Eingangsstroms. Die Grenzwerte sind erst ab einer Eingangswirkleistung von 75 W anzuwenden. Durch die genauere Festlegung des Messverfahrens sollen auch die Probleme der Reproduzierbarkeit bei schwankender Stromaufnahme behoben werden (siehe Kasten 1).
Die EN 61000-3-2:1995/A14:2000 legt Grenzwerte für Oberschwingungsströme für Geräte fest, welche einen Geräte-Eingangsstrom bis zu und einschließlich 16 A je Leiter haben und an das öffentliche Niederspannungsnetz angeschlossen werden. Für Geräte mit Nennspannungen unter 220 V und mit einer Bemessungsleistung (rated power) von 75 W oder weniger (falls es sich nicht um Beleuchtungseinrichtungen handelt) sind bisher noch keine Grenzwerte erarbeitet worden. Ebenso für professionell genutzte Geräte mit einer Gesamt-Bemessungsleistung (total rated power) größer 1.000 W. Die Grenzwerte für Oberschwingungsströme gelten für die Außenleiter-Netzströme und nicht für die Ströme im Null-Leiter. Die Tabelle 1 gibt die Grenzwerte für Geräte der Klasse A an.
Spannungsschwankungen und Flicker
Unter Flicker versteht man den subjektiv störenden Eindruck, den Lichtschwankungen auf Menschen ausüben. Die menschliche Flickerempfindlichkeit hängt von der Häufigkeit der Störungen und von der Stärke der Helligkeitsschwankungen ab. Die Flickermessung soll unerwünschte Spannungsschwankungen der Netzspannung, verursacht durch Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen auf Grund der nichtlinearen Stromaufnahme der angeschlossenen Verbraucher, aufdecken. Die Wirkungsweise des Flickermeters entspricht der menschlichen Wahrnehmung. Es simuliert mit Hilfe einer Bewertungskurve die unterschiedlichen Empfindlichkeiten des Systems Auge-Gehirn bei unterschiedlichen Frequenzen. Auf Helligkeitsschwankungen mit einer Frequenz von 8,8 Hz reagiert das menschliche Auge am empfindlichsten. Das Flickermeter liefert als Messergebnisse den Kurzzeit- und den Langzeit-Flickerwert.
Die EN 61000-3-3:1995 legt Grenzwerte für Spannungsschwankungen und Flicker fest, welche einen Geräte-Eingangsstrom bis zu und einschließlich 16 A je Leiter haben und die zum Anschluss an das öffentliche Niederspannungsnetz mit 220 V bis 250 V (50 Hz) vorgesehen sind. Für die in einem Kurzzeit-Intervall ermittelte Flickerstärke ist gemäß EN 61000-3-3:1995 ein Grenzwert von 1,0 (Kurzzeit-Flickerwert), für die in einem Lanzeit-Intervall ermittelte Flickerstärke ist ein Grenzwert von 0,65 (Langzeit-Flickerwert) einzuhalten. Für die Ermittlung der Flickerwerte ist in der EN 61000-3-3:1995 eine Beobachtungsdauer von zehn Minuten für die kurzzeitigen Flickerstörungen und von zwei Stunden für die langzeitigen Flickerstörungen festgelegt. Die Beobachtungsdauer muss den Teil der gesamten Betriebsdauer enthalten, in welcher der Prüfling die ungünstigste Folge von Spannungsänderungen erzeugt. Eine relative konstante Spannungsabweichung darf 3 Prozent nicht überschreiten. Weiters darf ein relativer Spannungseinbruch 3 Prozent über eine Zeitdauer von mehr als 200 ms nicht überschreiten. Der größte relative Spannungseinbruch darf nicht größer als 4 Prozent sein.
Bei der Prüfung nach EN 61000-3-3 wird der Prüfling über eine Bezugsimpedanz (0,24 + j 0,15 W für Außenleiter bei 50 Hz) an die Spannungsquelle angeschlossen. Um bezüglich möglicher Störungen auf der sicheren Seite zu liegen, wurde diese Bezugsimpedanz so gewählt, dass ein Großteil der Anschlusspunkte von Kundenanlagen eine kleinere Impedanz als diese Bezugsimpedanz aufweisen. Deshalb sind in der Praxis auch bei Geräten kaum Störungen zu erwarten, wenn diese „leichte Probleme“ mit der Einhaltung der Grenzwerte der EN 61000-3-3:1995 haben. Die neue Norm EN 61000-3-11:2000, die für Geräte mit einer Stromaufnahme bis 75 A gilt und im Amtsblatt vom 14.12.2000 erstmals veröffentlicht wurde (doc ist der 1.11.2003), soll diesem Umstand Rechnung tragen. Sie erlaubt es, Geräte welche die Grenzwerte der EN 61000-3-3 nicht erfüllen, dann an das öffentliche Niederspannungsnetz anschließen zu dürfen, wenn dieses am Anschlusspunkt eine gemäß EN 61000-3-11 berechnete kleinere Impedanz nicht überschreitet.
Zusammenfassung
Elektrische und elektronische Geräte, die in einem EWR Land in Verkehr gebracht werden, müssen seit dem 1.1.1996 die EMV-Richtlinie 89/336/EWG erfüllen und die CE-Kennzeichnung tragen. Alle Geräte bis zu einer Stromaufnahme von 16 A je Leiter, die an das öffentliche Niederspannungsnetz angeschlossen werden sollen, müssen nun seit 1.1.2001 auch die Netzrückwirkungsnormen (EN 61000-3-2 und EN 61000-3-3) einhalten. Dies gilt für alle Geräte die auf den Markt gebracht werden, nicht nur für Neuentwicklungen! Damit löste die Normengruppe EN 61000-3 die Normengruppe EN 60555 vollständig ab.
Die Normengruppe EN 61000-3 gibt Grenzwerte für Oberschwingungen des Eingangsstromes und für Flickerwerte an. Die Einhaltung bestimmter Leistungsfaktoren ist damit nicht gefordert. Ab einer gewissen Leistungsklasse werden nichtlineare Verbraucher wie Schaltnetzteile jedoch nicht ohne Leistungsfaktorkorrektur auskommen, um die Anforderungen der Normengruppe EN 61000-3 erfüllen zu können.
In Seibersdorf wird für die Messung der Netzrückwirkungen von Geräten ein vollautomatischer Messplatz der Firma Spitzenberger und Spies eingesetzt.
EMV-Prüfzentrum Seibersdorf
Tel. (050) 550-2805
kurt.lamedschwandner@arcs.ac.at
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