OliNo

Duurzame Energie

Achtergronden THD en IEC61000-3-2 meetgegevens lampmeetrapport

Geplaatst door Marcel van der Steen in Uitleg
Tags:
Geef een reactie

teaser_expl_lampmeasrepDit artikel geeft de achtergrond en de uitleg van de THD en IEC61000-3-2 gerelateerde meetgegevens die bij de lampen worden gepubliceerd.

Dit houdt het lampmeetartikel kort en overzichtelijk, terwijl de lezer bij vragen in dit artikel meer uitleg kan vinden.

Harmonische vervorming en conformiteit aan IEC 61000-3-2:2006

Stroom- en spanningsvorm
OliNo meet de spanningsvorm over en stroomvorm door de lampen. Daarvan maakt het een plaatje ter visualisatie, en tevens een plaatje van het vermogensspectrum van de stroom.

ar111_g53_12v_50w_u_i_waveforms

De spanning over en de stroom door een 50 W halogeenlamp met halogeentrafo

klv_120cm_ledtl_highcri_u_i_waveforms

De spanning over en de stroom door een 17.5 W led-TL buis

Aan het plaatje van de stroom- en spanningsvorm is te zien in hoeverre de stroom een mooie sinusvorm heeft en in fase loopt met de spanning. Mocht de stroomvorm niet een mooie sinus zijn, dan is dat een indicatie dat er meerdere harmonischen inzitten. Dat wil zeggen dat de totaalstroom kan opgebouwd worden uit de som van een sinusvormige stroom + een set van sinuvormige stromen met hogere frequenties (een harmonische is en sinusvorm met een bepaalde frequentie). Ook zijn eventuele steile flanken te zien, en wanneer deze er zijn, dan is dat ook een indicator van een aantal hogere harmonischen. Hoe steiler de flanken, des te meer harmonischen met een hoge frequentie.

De harmonische inhoud

ar111_g53_12v_50w_harmonics

Harmonische inhoud van de stroom door de 50W halogeen + trafo

klv_120cm_ledtl_highcri_harmonics

Hamonische inhoud van een 17.5 W led tl buis.

De zojuist gegeven twee plaatjes laten de harmonische inhoud van de stroom zien die door de lampen (+ eventuele eigen transformator) loopt. De zwarte paaltjes geven aan de amplitudes van de sinusvormige stromen en de x-as geeft aan welke frequentie die sinus heeft. Eén harmonische wordt dus weergegeven door één paaltje op de x-as en dit paaltje geeft van de harmonische aan (1) de amplitude (tov de eerste harmonische bij 50 Hz) en (2) de frequentie (in hertz, zie daarvoor de x-as).

De som van al deze harmonischen zal dus leiden tot de stroomvorm zoals weergegeven in de eerste plaatjes.

In deze laatste plaatjes is ook aangegeven wat de norm toestaat. De NEN-EN IEC 61000-3-2:2006 (plus amendementen 1 en 2) geeft maximumwaardes aan voor harmonischen voor verlichtingsapparatuur (klasse C in de norm). In amendement 2 wordt vermeld dat er specifieke limieten zijn voor verlichting > 25 W en <= 25 W. Dit is in de plaatjes ook te zien. De toegestane harmonische limieten voor de 17.5 W led-TL buis zijn anders dan voor de 50 W halogeenlamp. Voor de lamp <= 25 W zijn twee limieten gedefinieerd ALS het een gasontladingslamp betreft; voor de 3e en de 5e harmonische . Voor andere type verlichting met een vermogen van <= 25 W gelden er GEEN harmonische limieten! Voor de gasontladingslampen <= 25 W geldt tevens een specifieke eisen vwb de stroomvorm, hierop wordt later teruggekomen.

De 50 W halogeen lamp + stroombron voldoet aan de norm; de zwarte paaltjes vallen in de groene paaltjes die de limieten aangeven. De led-indicatoren bovenaan geven aan per harmonische (dus per frequentie) of die harmonische aan de gestelde limiet voldoet. Een groene indicator wil zeggen dat eraan voldaan wordt (of dat er geen limiet is).

De led-TL buis met een verbuik van <= 25 W kent geen norm voor harmonischen.

Eis aan stroomvorm voor verlichting <= 25 W

De NEN-EN-IEC 61000-3-2:2006/A2:2009 (dit is amendement 2 uit 2009) geeft een extra set van eisen aan de opgenomen stroomvorm, dit voor alleen gasontladingslampen.

klv_120cm_ledtl_highcri_waveform_checked

Check op de stroomvorm door een denkbeeldige gasontladingslamp

De extra eisen zijn:

  1. de golfvorm van de stroom bereikt 5 % van de maximale waarde op zijn laatst bij 60º
  2. de golfvorm van de stroom bereikt de maximale waarde op zijn laatst bij 65º
  3. de golfvorm van de stroom is afgezakt tot 5% van de maximale waarde op zijn vroegst bij 90º

Indicatoren boven de halve golfvorm geven aan of aan iedere afzonderlijke eis voldaan wordt.

Eis aan de spanningsvorm

Er is tevens een eis aan de spanningsvorm van de spanning die gebruikt wordt om de lampen te voeden. Deze eisen stellen (o.a.) limieten aan de harmonische inhoud van de spanningsvorm.

ar111_g53_12v_50w_harmonics_voltage

Spanningsvorm bij de 50 W halogeenlamp als belasting

klv_120cm_ledtl_highcri_harmonics_voltage

Spanningsvorm bij de 17.5 W led-TL buis als belasting

De spanningsvorm voldoet niet aan de NEN-EN-IEC 61000-3-2:2006 limieten gesteld aan de harmonischen. De plaatjes geven aan bij welke harmonischen het misgaat. De overschrijdingen zijn niet groot, echter rekening moet gehouden worden dat een niet perfecte spanningsvorm ook zijn invloed zal hebben op de stroomvorm. De spanningsvorm is bij deze voorbeelden niet volgens de norm; de resultaten voor de stromen moeten gezien worden als (serieuze) indicatie.

Noot: de eisen aan de spanning zijn behoorlijk zwaar. Zelfs wanneer er nauwelijks belasting is op het stuk netwerk waar het meettool zit en wanneer de sinus van de spanning er goed uitziet, dannog wordt aan de eis niet voldaan. Dit is gezien bij het dimmen van een lamp en daar wordt in de volgend paragraaf op teruggekomen.

Dimmen

Er staat in de genoemde norm ook iets over dimmen. Wanneer de lamp dimbaar is en gedimd wordt, dan dient de lamp in 5 dimstanden gemeten te worden en de minst gunstige resultaten zijn dan geldig.

Een voorbeeld bij een lamp die gemeten is wanneer deze gedimd werd.

De norm stelt dat er op 5 verschillende mechanische posities van dimmen ingesteld moet worden en dan de meest ongunstige situatie eruit te nemen.

dimming_harmonics_1001dimming_harmonics_7501dimming_harmonics_5001dimming_harmonics_2501dimming_harmonics_0001

Geen dimmen (100%), dan 75 %, dan 50 %, dan 25 % dan 0 % (maximaal dimmen)

De situatie is het minst gunstig bij 75 % en 50 % lichtoutput (dus een beetje dimmen en de dimmer op de helft). Er zijn echter geen eisen aan de harmonische inhoud.

De spanning zelf (en dit heeft niets te maken met de lamp zelf) voldoet niet aan de harmonische inhoudseis van de norm.

dimming_harmonics_voltage_100dimming_harmonics_voltage_750dimming_harmonics_voltage_500dimming_harmonics_voltage_250dimming_harmonics_voltage_000

Geen dimmen (100%), dan 75 %, dan 50 %, dan 25 % dan 0 % (maximaal dimmen)

In geen van de situaties is het voltage goed genoeg. Dat terwijl bij 25 % en 0 % het voltage er heel mooi sinusvormig uitziet, zie daarvoor onderstaande plaatjes.

dimming_u_i_waveforms_100dimming_u_i_waveforms_750dimming_u_i_waveforms_500dimming_u_i_waveforms_250dimming_u_i_waveforms_000

Geen dimmen (100%), dan 75 %, dan 50 %, dan 25 % dan 0 % (maximaal dimmen)

Het voltage ziet er steeds beter uit als een mooie sinus, en dan blijkt toch dat de harmonische inhoud niet voldoet aan de eisen door de IEC norm gesteld. De 3e harmonische is veel afgenomen, maar de 5e en 7e voldoen steeds niet. Het is dus niet te verwachten dat in de toekomst bij de OliNo metingen de spanning zal voldoen aan de IEC eisen.

In ieder geval is de dimmer + de lamp geen probleem vwb de harmonische inhoud.

Total Harmonic Distortion

De totale harmonische vervorming heeft veel verband met hetgeen uitgelegd over de conformiteit aan IEC 61000-3-2:2006. In deze uitleg ging het al over harmonischen en de harmonische inhoud van de stroomvorm. De Total Harmonic Distortion is een maatgevend getal over de totale harmonische inhoud van de stroomvorm.
Even iets over harmonische stromen. Deze geven een aantal nadelen, zie hiervoor een uitgebreide opsomming door Bas van Duijnhoven:
Harmonischen kunnen problemen veroorzaken in de installaties die upstream van de verbruiker liggen. Die dus de verbruiker voeden, deze effecten vergroten de kosten van de voedende installatie en dit zijn dus de verdekte kosten van een (LED) verlichtingsinstallatie. Zie in dit verband ook een interessante publicatie van Schneider.

  1. Hogere harmonische kunnen elektromagnetische velden veroorzaken die andere apparatuur beïnvloeden (ook wel EMC). De toegestane hoeveelheid harmonischen is gespecificeerd in NEN-EN-IEC 61000-3-2
  2. Hogere harmonischen genereren extra stromen tijdens het leveren van vermogen aan de last, dit resulteert in extra verwarming in kabels en verdelers
  3. Hogere harmonischen veroorzaken grotere spanningsval over kabels omdat de X (de imaginaire of inductieve weerstand) van een kabel afhankelijk is van de frequentie van het signaal. Verder gaan door het skin effect de hogere harmonische stromen maar aan de buiten zijde van de kern lopen waardoor ook de spanningsval en het vermogens verlies toeneemt. Voordeel is wel dat door deze effecten de harmonische stromen wat worden gedempt
  4. In driefasen systemen veroorzaken veelvouden van de 3e harmonischen een stroom in de nul (deze stromen worden in de nul niet meer opgeheven maar opgeteld). Hierdoor kan bij een groot aandeel van deze stromen de nul overbelast raken tov de fase aders. En daarbij ook extra spanningsval veroorzaken. Veel huisinstallaties hebben een een-fase aansluiting en hierin speelt dit probleem niet, maar in de voedende kabels van het energiebedrijf en grotere installaties in kantoren en andere grotere gebouwen kennen dit probleem wel.
  5. 3 fasen transformatoren: in het voedende deel van de installatie (energie bedrijf of eigen trafo van een gebouw) worden door grote hoeveelheden harmonischen extra belast. Wel is het zo dat alle veelvouden van de 3e harmonische voor de trafo niet meer aanwezig zijn (de trafo filtert deze eruit, voor de in NL gebruikte trafo’s met een driehoek wikkeling primair en ster wikkeling secundair)
  6. Indien generatoren gebruikt worden voor het voeden van installatie met veel harmonischen moeten deze juist gedimensioneerd worden om de hoger harmonische stromen te kunnen leveren. g) Energiebedrijven stellen in hun aansluit voorwaarden (die niemand echt goed leest) voorwaarden aan de maximale hoeveelheid harmonischen op het aansluitpunt. Deze voorwaarden gelden niet voor huishoudlijke aansluitingen maar wel voor grotere aansluitingen van bijv. kantoorgebouwen. Indien de grenswaarde wordt overschreden moeten in principe aan de verbruikerkant maatregelen (filters) genomen worden om deze harmonischen te beperken.
  7. Indien apparatuur ter verbetering van de cos-phi is aangebracht kan deze worden beïnvloed door het optreden van hogere harmonische stromen. In deze apparatuur moeten dan zuig-filters worden opgenomen om deze stromen in de cos-phi verbeteringsinstallatie te voorkomen.

Hierbij dus een hele hoop redenen om hogere harmonischen te beperken, wat gedaan kan worden o.a. in de verbruiker zelf; dus in het geval van lichtbronnen, in de voedingsunit die in de lichtbron zelf gebouwd zit of wordt meegeleverd. Er zijn verschillende technieken voor, wat varieert van passieve powerfactor correctie door middel van spoelen of condensatoren, tot actieve powerfactor correctie waarbij de afgenomen stroomvorm actief wordt bijgestuurd om het te laten lijken op een sinus en om deze in fase te laten zijn met de spanning.

De berekening van de THD, volgens IEC 61000-3-2:2006

De THD is de ratio tussen de r.m.s. waarde van de som van de harmonische componenten (harmonische 2 tot en met 40, dus van 100 – 2000 Hz en niet de grondharmonische) en de r.m.s. waarde van de fundamentele component (de grondharmonische, met 50 Hz).

Het resultaat dat gegeven wordt is in %, dus de waarde wordt vermenigvuldigd met 100.

5 Reacties to “Achtergronden THD en IEC61000-3-2 meetgegevens lampmeetrapport”

  1. D. Bakker Says:

    Ondrwerp: Storing vanuit TL-lampen door piekspanningen
    Een fabrikant (Ledworld) waarschuwt op zijn website “LED lampen mogen niet op een groep aangesloten worden waarin ook TL-buizen of spaarlampen met een starter zijn aangesloten.” De installatie van mijn huis bevat in enkele groepen TL-verlichting en spaarlampen en daarop zou ik dus geen led lampen mogen aansluiten. Ik vraag mij af of dat wel zo is. Naar mijn idee zijn er wettelijke regels voor dat soort zaken van toepassing, in de EMC-richtlijn (2004/108/EG), waarin wordt bepaald dat elektrische apparaten andere apparaten niet mogen storen en dat ze zelf ook een bepaalde weerstand moeten hebben tegen EMC-storingen.
    Mijn vraag is: is het flauwe kul van Ledworld, of dekt deze fabrikant zich al vast in tegen klagers? Of zit er toch ergens een kern van waarheid in die waarschuwing en moet ik toch rekening houden met TL-buizen die op dezelfde groep zijn aangesloten?
    Ter informatie: ik heb een driefasenaansluiting in mijn huis en de elektrische installatie is over drie fasen verdeeld, dus ook de verlichting (met led- en TL-lampen).

  2. mvdsteen Says:

    Beste Hr Bakker,
    ik denk dat de waarschuwing komt omdat men bij Ledworld bang is van spanningspieken. En die zouden komen omdat een gewone tl met een gewone vsa en een gewone starter deze spanningspieken opbouwt om de buis te laten ontsteken. En er worden pieken gegenereerd over de tl buis alleen om deze te laten ontsteken. Deze echter blijven over de buis zelf staan maar komen in verzwakte mate over het net, want de vsa (de spoel) die in serie staat met de tl buis genereert deze piek alleen over de tl buis en minder over het net. Men is dan bang voor pieken waar de led mogelijkerwijs van zou kunnen beschadigen of de levensduur korter van zou kunnen worden.

    Mbt de EMC richtlijn heb je natuurlijk gelijk dat dit een verplichting is vanuit de Nederlandse wet (die afgeleid is van de EU richtlijn) die stelt dat men niet zal storen en niet gestoord worden. Echter het gaat in deze EMC richtlijn vooral over storing door de lucht middel straling en daar verwacht ik met een gewone TL eigenlijk ook geen probleem. Ook deze moeten voldoen aan de EMC richtlijn. Het is wel zo dat het aan- en uitschakelen best wel eens uitgesloten kan worden omdat dat maar van korte duur is. Meestal gaat men ervan uit dat het geheel warm en op temperatuur stabiel is en dan gaat men meten. Hoe dan ook, overgangsverschijnselen zijn dan misschien wel uitgesloten maar we hebben het dan over EMC door de lucht en niet over het net waar Ledworld bang voor is.

    Al met al zie ik nog niet in waarom men uit zou moeten kijken voor een groep waar gewone TL verlichting in is opgenomen.

  3. Ferry Meerman - LEDworld.nl Says:

    De conclusie van de heer Steen is juist. Echter had dit probleem vooral invloed op de oudere generatie LED lampen. Deze lampen konden inderdaad geen piekspanning opvangen welke vrij kwam uit de starters van TL verlichting. Deze bevindingen zijn puur uit ervaring voort gekomen en vonden wij het zaak om problemen eerder te voorkomen, dan deze op te moeten lossen. Dit probleem is inmiddels niet meer aan de orde en zal ook niet meer vermeld worden in onze nieuwe webshop. Wel zijn wij nog steeds van mening dat de piekspanning invloed kan hebben op de lange levensduur van LED. Overigens heeft dit niets met EMC te maken.

  4. eilering Says:

    ik heb ook nog ergens een rapportje waarin de resultaten staan van een harmonische meting aan verschillende belastingen; stofzuiger, led lamp, spaarlamp etc. Misschien leuk om dat hier aan te plakken? zeg maar waar het naar toe moet.

    Frans

  5. Marcel van der Steen Says:

    Hoi Eilering, stuur t rapport maar. Ik kan zien of ik het dan eraan toe kan voegen (als het in mijn ogen past). Mijn email is marcel apestaartje olino punt org.

Geef een reactie

 

WP Theme & Icons by N.Design Studio
Gebruiksvoorschriften | Privacybeleid Adverteren Entries RSS Comments RSS Log in