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

Swingend het nieuwe jaar in

Swingend het nieuwe jaar in

De gehele crew van Boston Dyniamics heeft zich ingezet om ons een swingend begin te geven van het…

3D-printen: een accordeon

3D-printen: een accordeon

Sinds 2001 is Casper Burkhardt de Nederlandse importeur voor accordeonbouwer Pigini en reparateur…

Best of CES - een vliegende auto's of een transparante TV?

Best of CES - een vliegende auto of een transparante TV?

Het team de Amerikaanse tech-site CNet heeft een selectie gemaakt van de beste producten op de…

Gaan superheld-gadgets in de toekomst ons leven redden?

Gaan superheld-gadgets ons leven redden?

Het exoskelet van Iron Man, Hawkeye met zijn superieure zicht en Collosus die zijn lichaam in…

's Werelds eerste elektrische vierzitter komt uit China

's Werelds eerste elektrische vierzitter komt uit China

Het Chinese Liaoning General Aviation Research Institute gaf zijn elektrische vierzitter RX4E in…

Meer videos »

Laatste nieuws

's Werelds eerste 4p passagiersvliegtuig op waterstof en li-ion krijgt testvluchtvergunning

's Werelds eerste 4p passagiersvliegtuig op waterstof en li-ion de lucht in (video)

's Werelds eerste volledig elektrische vierpersoons passagiersvliegtuig heeft een testvluchtvergunning gekregen. De Hy4 is ontwikkeld in Duitsland en vliegt op waterstof, aangevuld met extra power uit een li-ion…

Een rat kan best een elektrisch wagentje besturen

Of zetten we een rat op de heftruck?

De mens denkt tegenwoordig vooral aan robots als het gaat om het overnemen van vervelende taken, maar wat blijkt? De rat is ook heel geschikt. Als je hem beloont met lekkere zoete ontbijtgranen, rijdt hij bijvoorbeeld…

Fe-Mn-K-katalysator maakt vliegtuigbrandstof uit 'lucht'

Vliegen op uitlaatgas

Onderzoekers hebben een efficiënte manier gevonden om uit de lucht afgevangen koolstof om te zetten in vliegtuigbrandstof. Zo kunnen vliegtuigen dus deels vliegen op hun eigen uitstoot.

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Agenda

25 februari 2021, 24, 25 en 26 februari 2021

Machineveiligheid in vogelvlucht (online training)

15 maart 2021, Utrecht

Technishow + Esef

TechniShow is ingedeeld in verschillende sectoren waar productietechnieken, fases en toebehoren van het...

24 maart 2021, Brussel

Machineering

Maak- en engineeringtechnologie in levende lijve en met fysieke interactie ontdekken.

Meer agendapunten »