Het gebruik van pulsvormige signalen voor responsie testen

Door: Bas ten Have, Universiteit Twente

Niet lineaire elektronische huishoudelijke apparatuur wordt steeds meer gebruikt door consumenten in laagspanningsnetwerken. Deze moderne apparatuur waar halfgeleiders in verwerkt zijn, zijn onder andere Led-verlichting, geschakelde voedingen (computers) en frequentie regelaars. Bij deze apparatuur volgt de stroom de netspanning niet, in tegenstelling tot lineaire apparatuur, zoals een kachel of gloeilamp waarbij dit wel gebeurt. Dit verschil is weergeven in Figuur 1, waarbij het verschil tussen een lineaire en niet-lineaire belasting duidelijk zichtbaar is. We hebben bewust het vervuilde net van ons gebouw gebruikt en de afwijkingen in de sinus worden veroorzaakt door de vele niet-lineaire gebruikers.

Het gebruik van deze niet-lineaire belastingen kan zorgen voor EMC problemen. Zo kunnen statische energiemeters worden beïnvloed door de niet-lineariteit van dergelijke belastingen. Uit recent onderzoek is gebleken dat misaanwijzingen voorkomen kunnen worden wanneer statische energie meters worden belast met gedimde spaar- of Led-verlichting [1], of een snelheid gecontroleerde waterpomp [2], [3]. Een analyse van de stroomvorm in [4] heeft laten zien dat de boosdoeners over het algemeen smalle pulsvormige signalen zijn met een snelle stijgtijd.

Om dergelijke stroomvormen te meten in een gecontroleerde lab-omgeving of tijdens metingen in huishoudens bij de geïnstalleerde meter, zijn accurate stroomtransformatoren (zoals een stroomtang) nodig. Door de snelle stijgtijd van de pulsvormige signalen is een breed frequentie bereik, zonder faseverschuiving noodzakelijk. Het karakteriseren van de elektrische responsie van een stroomtransformator wordt conventioneel gedaan door middel van sinusoïdevormige signalen waarbij de frequentie (en amplitude) wordt verhoogd om zodoende het gedrag over een groot bereik vast te stellen, zoals weergeven in Figuur 2.

Figuur 2: Test signaal van een traditionele frequentie-domein test, waarbij de frequentie elke cyclus met 1.02 wordt vermenigvuldigd, zoals gebruikt in IEC 61000-4-19 [5].

Bij degelijke traditionele testen wordt op elk moment tijdens de test slechts één frequentie (en amplitude) getest, terwijl de kritische pulsvormige signalen die resulteren in EMI problemen bestaan uit een combinatie van frequenties. Door de niet-lineariteit van systemen is de superpositie van meerdere geteste frequenties, zoals gedaan wordt in traditionele testen, niet equivalent aan een pulsvormig signaal [6]. Hierom is het interessant om een test methode die gebruik maakt van pulsvormige signalen te onderzoeken.

Om de pulsvormige signalen die resulteren in EMI na te bootsen, worden hier blokgolfsignalen gebruikt, waardoor er heel veel harmonische vervorming aan het testsignaal wordt toegevoegd. In Figuur 3 is een voorbeeld van een testsignaal weergeven. Van deze blokgolf kan de repetitie-frequentie, amplitude, en inschakeltijd (duty-cycle) worden aangepast om zo de signalen van interesse te testen (en dus een verscheidenheid aan combinaties van frequenties). Op deze manier wordt er een controleerbaar impulsief tijd-domein signaal gecreëerd. De responsie van een transformator kan worden geanalyseerd in tijd-domein, waarbij tijd-domein parameters van de responsie en het testsignaal kunnen worden vergeleken. Zo kan er nagegaan worden hoe accuraat de responsie van de transformator correspondeert met de stijgtijd, valtijd, piekwaarde, puls breedte, en lading (of oppervlakte) van het test signaal.

Figuur 3: Blokgolf test signaal voor een tijd-domein test.

Alternatief kan de responsie van het pulsvormig signaal, bestaande uit verschillende frequenties, ook worden weergeven in het frequentie domein, om zo een vergelijkbare karakteristiek van de geteste transformator te krijgen zoals in de conventionele test. Hiervoor kan de tijd-domeinresponsie met behulp van een Fast Fourier Transform (FFT) worden omgezet in een frequentiedomeinrepresentatie van de responsie. Als er dan verschillende pulsvormige signalen worden gebruikt, bijvoorbeeld met verschillende repetitiefrequenties, wordt er een wijd bereik aan frequenties getest. Er is slechts een zeer beperkt aantal pulsvormige signalen nodig voor het vergelijken met een traditionele (frequentie-domein) test. Om dit te testen zijn er twee verschillende pulsvormige signalen gebruikt en vergeleken met een traditionele test. Het resultaat is weergeven in Figuur 4. Er is te zien dat de pulstest in overeenstemming is met de traditionele test. In het voorbeeld van twee pulsvormige signalen resulteerde het in minder meetpunten dan de traditionele test. Door een combinatie van verschillende pulsvormige signalen op een slimme manier te kiezen moet het mogelijk zijn om hetzelfde aantal meetpunten te krijgen als met een traditionele test.
 

Figuur 4: Frequentie responsie door middel van traditionele test en puls test van de geteste transducer.

Hiermee is aangetoond dat een tijd-domeintest met behulp van pulsvormige signalen een goed alternatief biedt voor en mogelijk een meer intuïtieve testmethode is dan traditionele frequentie-domeintestmethodes. Waarbij er met behulp van de pulsvormige signalen simultaan meerdere frequenties worden getest, ten opzichte van één frequentie per tijdsmoment met een traditionele test.

[1] F. Leferink, C. Keyer, and A. Melentjev, "Static energy meter errors caused by conducted electromagnetic interference," IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, vol.5 no. 4, pp. 49-55, 2016.
[2] B. Have, T. Hartman, N. Moonen, C. Keyer, and F. Leferink, "Faulty Readings of Static Energy Meters Caused by Conducted Electromagnetic Interference from a Water Pump," Renewable Energy and Power Quality Journal (RE&PQJ), pp. 15-19, Santa Cruz de Tenerife, Spain, 2019.
[3] B. Have, T. Hartman, N. Moonen, and F. Leferink, "Misreadings of Static Energy Meters due to Conducted EMI caused by Fast Changing Current," 2019 Joint International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 445-448, Sapporo, Japan, 2019.
[4] B. Have, T. Hartman, N. Moonen, and F. Leferink, "Inclination of Fast Changing Currents Effect the Readings of Static Energy Meters," 2019 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2019), pp. 208-213, Barcelona, Spain, 2019.
[5] "IEC 61000-4-19: Testing and measurement techniques – Test for immunity to conducted, differential mode disturbances and signaling in the frequency range from 2kHz to 150kHz at a.c. power ports," 2014.
[6] B. Have, T. Hartman, N. Moonen, and F. Leferink, "Why Frequency Domain Tests Like IEC 61000-4-19 Are Not Valid; a Call for Time Domain Testing," 2019 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2019), pp. 124-128, Barcelona, Spain, 2019.