EO

Het gebruik van pulsvormige signalen voor responsie testen

17 september 2020 om 15:33 uur

Figuur 1. Links een lineaire belasting van een kachel en rechts een niet-lineaire belasting van een snelheid gecontroleerde waterpomp.

Het testen van de responsie van stroomtransformatoren wordt gedaan door middel van sinusoïde signalen waarvan de frequentie in kleine stapjes wordt verhoogd om het gedrag over een groot frequentiebereik vast te stellen. Signalen die elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaken, zijn echter vaak niet-lineaire pulsen. Door de niet-lineariteit van systemen is het niet toegestaan om zomaar van het frequentie-domein naar het tijd-domein te transformeren. Hierdoor is de vraag of het niet intuïtiever is om responsies te testen met behulp van pulsvormige signalen.

 

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.

 

2Figuur 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.


3Figuur 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.
 

4Figuur 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.  

 

Video's

Veilige robotcel

Veilige robotcel

De samenwerking met robots is niet meer weg te denken uit de huidige industriële omgevingen.…

Lego-voorbeelden van complexe mechanische principes

Lego-voorbeelden van complexe mechanische principes

Het YouTube-kanaal van Redshoebox is gespecialiseerd in het maken van dynamische Lego-modellen,…

De hyperloop uitgelegd

De hyperloop uitgelegd

Om consumenten voor te lichten die misschien in de war zijn over wat de hyperloop eigenlijk is en…

Waarom de trein niet duurzamer is dan het vliegtuig

Waarom de trein niet duurzamer is dan het vliegtuig

Veel mensen pakken nu het kan het vliegtuig naar een zonnige bestemming. Vaak wordt de trein gezien…

Hoe print je een brein op een computerchip?

Hoe print je een brein op een computerchip?

Ons geheugen zit bijzonder complex en fascinerend in elkaar. We krijgen tijdens het leven veel…

Meer videos »

Laatste nieuws

Fraunhofer werkt aan industriële massaproductie brandstofcellen

Fraunhofer werkt aan industriële massaproductie brandstofcellen

In het onderzoeksproject H2FastCell werkt een onderzoeksteam van Fraunhofer IPA en Campus Schwarzwald samen met een industrieel consortium aan de ontwikkeling van een robotcel voor de geautomatiseerde…

Wereldprimeur: watertaxi op waterstof

Wereldprimeur: watertaxi op waterstof

In de scheepvaart zien we nog maar weinig toepassingen van waterstof . Dat komt doordat waterstof veel duurder is dan bijvoorbeeld diesel; het nog ontbreekt aan een goede infrastructuur zoals tankstations; en omdat…

HvA onderzocht verschillen tussen laptop voedingen

HvA onderzocht verschillen tussen laptop voedingen

De Hogeschool van Amsterdam (HvA) testte de voedingen van laptops in opdracht van FHI en de Nederlandse EMC-ESD vereniging aan de hand van EMC-richtlijn. Doel van deze tests was om te onderzoeken of er verschillen waren…

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Product van de maand

RSS
Volledig metalen transponderschakelaar CTA

Met een volledig metalen behuizing is deze CTA een nóg sterkere variant dan de kunststof versie.

Agenda

15 september 2021, Den Bosch

Materials+Eurofinish+Surface

Hier komt materiaalkunde samen met oppervlaktetechniek.

15 september 2021, Den Bosch

Kunststoffen 2021

Ontmoetingsplek voor de kunststofketen in de Benelux

16 september 2021

Webinar Draadloze Netwerken in de industrie

Over de kenmerken van Bluetooth, Wireless LAN en Trusted Wireless en aspecten als bereik, topologie,...

Meer agendapunten »