Flicker en harmonischen Inhoud 1. Flicker: meten volgens IEC 61000-3-3 en 61000-3-11 2. Flickermeter volgens IEC 61000-4-15 3. Implementatie van een flickermeter in Simulink 4. Harmonischen: meten volgens IEC 61000-3-2 en 61000-3-12 5. Harmonischen: praktische metingen 1
1. Flicker: meten volgens IEC 61000-3-3 en 61000-3-11 1.1. Proefopstelling ~ R X R T X T ~ R X R T X T M 3~ ~ R X R T X T Fasespanning Lijnstroom PC Flickermeter Oscilloscoop PC 1.1. Proefopstelling 2
1.2. Resultaten flickermeter Pst number Pst value 1 3.291 2 3.24 3 5.248 4 3.196 5 0.309 6 5.228 7 0.39 8 0.389 9 0.345 10 0.354 11 0.203 12 0.239 Plt = 3.191 Berekening PLT door flickermeter P 3,291 35,64377 3,24 34,01222 5,248 144,5378 3,196 32,64527 0,309 0,029504 5,228 142,8916 0,39 0,059319 0,389 0,058864 0,345 0,041064 0,354 0,044362 0,203 0,008365 0,239 0,013652 Plt 3,191213 LT = 3 12 i = 1 3 STi P 12 1.2. Resultaten oscilloscoop Spanning Stroom 3
1.2. Resultaten oscilloscoop U(t) : 268.0792 241.4294 242.6910 225.0022 190.8998 187.2540 199.5139 218.7647 227.0236 235.6336 243.4847 239.6999 237.7963 238.4744 242.0083 240.2081 239.2281 238.6521 241.1892 240.0378 Niet correcte eerste waarde, doordat de start niet op een nuldoorgang ligt. Tf Tt 10 ms 1.2. Resultaten oscilloscoop F = 0.94 Tf = 20 ms Tt = 50 ms F = 0.94 4
1.2. Resultaten oscilloscoop 2 ms, 36 1.2. Resultaten oscilloscoop Tf Tt F U (max) U (max) top Un d (max) tf PST PST tot Gemeten Pst 1 20 50 0,94 77,78 54,99876544 242 22,726763 41367,30302 3,754335773 3,29 2 10 60 0,94 76,79 54,29872973 242 22,437492 39705,87213 3,706549807 3,24 3 10 60 0,94 79,33 56,09478095 241,5 23,227653 44356,16557 3,837080035 4 10 60 0,94 86,26 60,99503095 241,5 25,256742 57988,83641 4,172274346 4,982801 5,25 5 10 60 0,94 85,418 60,39964704 242,5 24,907071 55458,67283 4,114510684 3,2 6 20 40 0,94 85 60,1040764 244 24,632818 53528,13257 4,069205644 7 10 60 0,94 87,39 61,79406161 244,3 25,294335 58265,49576 4,178484651 5,122218 5,23 Plt form 1 3,367941944 3,191 Plt form 2 flick 3,300913188 t f = 2.3 d P ST ( F. ) 3. 2 2. 3 t = T p max f 1 3. 2 T p = 600s P LT P LT 2.3 t = T p = 3 12 i = 1 f 1 3.2 3 STi P 12 T p =7200s 5
2.1. Architectuur 2. Flickermeter volgens IEC 61000-4-15 Architectuur kan in twee delen verdeeld worden: -simulatie van de lamp-eye-brain chain respons -on-line statistische analyse van het flickersignaal en de output van de resultaten Implementatie bestaat uit 5 blokken: -blok 1: input and calibration -blok 2, 3 and 4: chain response -blok 5: statistical analysis 2.1. Architectuur - let op het feit dat de meter als een analoge meter beschreven wordt, met een digitalisering in blok 5 6
2.1. Architectuur Blok 1: signaalgenerator voor calibratie input voltage adaptor: flicker wordt relatief uitgedrukt (verhouding) schalen van de input heeft geen invloed Blok 2: kwadrateren: simulatie van het gedrag van een lamp 2.1. Architectuur Blok 3: Weighting filters: eerste filter: eliminatie van DC en netharmonischen tweede filter: weighting filter voor simulatie van de lamp-eye chain Range selector: zie verder: van belang voor de analoge meter Transfer functie voor de weighting filters: 7
2.1. Architectuur Blok 4: Squaring multiplier: Eye-brain chain Eerste orde sliding mean filter Opslageffect in de hersenen Tijdsconstante van 300 ms Blok 5: On-line statistische analyse: Sampling of the flicker level Minimum sample rate is 50 s -1 Verdeel flicker level in klassen (bins) Tel hoeveel keer het flicker niveau voorkomt op een zeker niveau (frequency distribution function) Bereken de cumulative probability function in the time-at-level statistical method 2.1. Architectuur Blok 5: voorbeeld met 10 klassen 8
2.2. Evaluatie Short-term flicker evaluation: * Observatie tijd Tst = 10 min * Formule: de percentielen Pi zijn de flicker levels die overschreden worden gedurende i% van de tijd. Pi s zijn de uitgemiddelde waarden, bijv.: Long-term flicker evaluation: * combinatie van N short-term periodes: 2.3. Performance testing Betekenis van V/V: 50 Hz, 1V gemiddelde spanning, V/V van 40%, 8.8 Hz rechthoekige modulatie: 9
2.3. Performance testing De volgende waarden zouden een Pst = 1.00 ± 0.05 moeten geven: waarde x 3 Pst = 3 3. Implementatie van een flickermeter in Simulink 3.1. Matlab & Simulink Matlab: MATrix LABoratory high-performance language for technical computing integrates: mathematics visualisation programmation M-files 10
3.1. Matlab & Simulink Simulink: software package for modelling, simulating and analysing building models as block diagrams linked to Matlab by the workspace (variables, postprocessing, ) 3.1. Matlab & Simulink Simulink building blocks: basic building blocks: sources, sinks, functions, subsystems user functions: ~ M-files ~ S-function M-files ~ C-MEX S-functions (compiled C-coded S-functions) toolboxes and third-party libraries: ~ dspace RTI1102 11
3.2. Model Blok testsignaal: simulatie: input via generator testsignaal volgens norm (Pst=1) werkelijke meting: toevoer via datafile 12
Blok 1: voltage adapter en sliding filter voltage adapter: verwachte input van het model is 1Vrms berekenen van RMS-waarde (M-function) sliding filter voor het wegfilteren van trage spanningsvariaties nadeel: opstart transiënt (Simulink ziet dit de start als een aangelegde stap) de opstart transiënt wordt als flicker beschouwd oplossing: * transiënt verminderen door andere startwaarde * eerste x aantal seconden weglaten Blok 1: voltage adapter en sliding filter welke startwaarde: * RMS-waarde is altijd ongeveer 1V (andere waarden zijn aanpasbaar via de voltage adapter) * test gebeurde met 7.07V en 9.9V als initialisatiewaarde voor sftijd10s Trunc van eerste x seconden Evalflicker1(0) Evalflicker1(10) Evalflicker1(20) Evalflicker1(30) Evalflicker1(40) Evalflicker1(50) Evalflicker1(60) Evalflicker1(70) Evalflicker1(80) Evalflicker1(90) Init = 0 0.4350 3.3324 1.0863 2.6046 1.0000 2.8038 2.1172 2.5160 2.1341 1.1808 Init = 10/sqrt(2) 2.1904 2.3797 1.6114 1.3801 1.3529 1.3306 1.3216 1.3002 1.2817 1.2666 Init = 9.99 2.0834 1.5251 1.3131 1.2666 1.2666 1.2666 1.2666 1.2666 1.2666 1.2666 Te oscillerend St.st vanaf 90s St.st. vanaf 30 s gebruikte methode: 9.9 neem de eerste 40s als ongeldige meetpunten, dus 10 min + 40s meten 13
Blok 2: squaring operator RMS-waarde en vermogen van de lamp zijn gerelateerd: U²/R Blok 3: Weighting filters 14
Blok 4: Sliding mean filter en versterker voor calibratie averaging filter: simulatie van het opslag effect in het menselijk geheugen versterker: ~ calibratie ~ testsignalen moeten Pst = 1 geven Blok 5: Statistische analyse sampler: 100 Hz sampling sfhistogram: S-function voor het berekenen van een histogram memory en feedback: cumulatie per bin 15
Blok 6: Data: blok voor het oplossen van Matlab-problemen probleem: Simulink onthoudt alles (400 bins, gesampled op 1kHz, 10 min) Beperken van geheugenverbruik: - eerste versie: Matlab loopt tegen 640 MB geheugengebruik Oplossing: alles schrijven naar file i.p.v. variabelen - tweede versie: Bestand is 1 GB en kan niet door Matlab geopend worden Oplossing: schrijven enabled pas in de laatste seconde Probleem, we hebben de 40ste seconde ook nodig. Daarom volgend systeem om ook de 40ste seconde op te slaan Naverwerking van de data: Evalueren met evalflicker.m Resultaat is de CPF en de Pst-waarde 16
Handleiding: -laat het model lopen -laat evalflicker lopen -kijk naar fig. 1 -als de waarde op het maximaal aantal bins (bins is bijvoorbeeld 6400) niet 0 is, dan moet je max verhogen (maximum hiervoor is 2200 voor 20% variatie) - let op:bij max*2 moet aantal bins ook *2 voor dezelfde calibratie! Invloed van samplefrequentie (Simulink) op het resultaat: Basis simulatiestap voor simulaties: - testsignaal is 50 Hz en 13.5 Hz modulatie - gemeenschappelijk veelvoud is 337.5 Hz of 3 ms Test met volgende frequenties: - 200 Hz geeft Pst = 1.0368-1 khz geeft Pst = 0.9785-2 khz geeft Pst = 0.9791-337.5 Hz geeft Pst = 0.9797-650 Hz geeft Pst = 1.0237 Voor echte metingen: - samplefrequentie is 2 x gewenste maximale flickerfrequentie - norm spreekt over 33.3 Hz, dit geeft 66.6 Hz - Pst = 0.9998 - intern zit echter een sampler op 100 Hz, hiervoor nemen we een simulatiestap van 5e-3 of 200 Hz 17
3.3. Performance testing Testwaarden (norm): - juiste waarde is Pst = 1 (versterkingswaarde 3e5) - maximale fout moet < 5% (gemeten < 3%) - simulatiestap 5e-3 Variaties/min 1 square DV/V % 2.724 Pst juist 1 Pst gemeten 1.0282 bins 1200 maxhistinput 30 2 square 2.211 1 1.0066 800 20 7 square 1.459 1 1.0119 400 10 39 square 0.906 1 1.0189 400 10 110 square 0.725 1 1.0156 400 10 1620 square 0.402 1 0.9951 400 10 1620 square 1.206 3 2.9960 800 20 8.8 sine 20 (max. vereiste meetwaarde) 57 6400 6555 3.3. Performance testing Probleem: * niet altijd real time: * afhankelijk van de computersnelheid * afhankelijk van sampletijd (bijv. op 3.2 GHz) 200 Hz: rekentijd 64% van real time 1 khz: rekentijd 153% van real time * voorlopige oplossing: 10 min. loggen, daarna verwerken * volgende stap: m-files (interpreter) omzetten naar gecompileerde C-files 18
4. Harmonischen: meten volgens IEC 61000-3-2 en 61000-3-12 4.1. IEC 61000-3-2 en IEC 61000-3-12 harmonic currents scope: 61000-3-2: equipment having an input current 16A per phase (low voltage public network; no limits for network <220 V phase ) 61000-3-12: equipment having an input current > 16A and 75A per phase (max. 240V single phase, 690V three phase) important definitions: Total harmonic current: total rms value of the harmonic components of orders 2 to 40: 40 2 I n n= 2 4.2. IEC 61000-3-2 Classification: Class A: - balanced three phase equipment - household appliances - tools (non-portable) - dimmers - audio Class B: - portable tools - non-prof arc welding equipment Class C: - lighting equipment Class D: - PC, monitor, TV 19
4.3. Limits 61000-3-2: Class A: table 1 Class B: table 1 x 1.5 Class C > 25 W: table 2 Class C < 25 W: table 3 column 2 OR 3de harm < 86% and 5th harm < 61% Class D: table 3 4.4. Meten Voedingsspanning: stabiel beperkte harmonische vervorming: Testcircuit: Enkelfasige en driefasig Zs en Zm zijn niet gedefinieerd, maar moeten voldoende laag zijn 20
4.4. Meten Meetprincipe: - voor elke harmonische: 1.5 s smoothed rms current bepalen - observatietijd: voldoende voor een herhaalbaarheid van 5% - meetkundig gemiddelde van de gemeten waarden Toepassen van de limieten: - individuele harmonische, meetkundig gemiddelde limiet - voor elke harmonische orde, elke 1,5 s smoothed value 150% limiet (200% onder bepaalde voorwaarden) Smoothed value: - beschrijving in IEC 61000-4-7 - digitale LPF met tijdsconstante 1.5 s 4.5. IEC 61000-3-12 Belangrijke definities: Three phase short circuit power S sc = U 2 nom / Z Rated apparent power: Short circuit ratio: 21
4.6. Limieten: 4.7. Meten Meetprincipe: - voor elke harmonische: 1,5 s smoothed rms current bepalen - observatietijd: voldoende voor een herhaalbaarheid van 5% (10% boven 7de orde, 1% voor grondgolf) - meetkundig gemiddelde van de gemeten waarden Toepassen van de limieten: - individuele harmonische, meetkundig gemiddelde limiet - voor elke harmonische orde, elke 1,5 s smoothed value 150% limiet Smoothed value: - beschrijving in IEC 61000-4-7: * per harmonische, de RMS sturen door een digitale LPF met tijdsconstante 1.5 s 22
5. Harmonischen: praktische metingen 5.1. Oscilloscoop met fft-functie Principe: neem een geheel aantal periodes en voor een fft uit let op: - oscilloscoop geeft amplitude en geen RMS - Micro VIP geeft RMS 5. Harmonischen: praktische metingen 5.1. Oscilloscoop met fft-functie Tijdsbasis: * voor onze oscilloscoop: - 40 000 punten per reading - mogelijk aantal sec/div: 1s, 2s, 5s, 10s - aantal seconden per reading: 10s, 20s, 50s, 100s - samplefrequenties (40 000 samples per aantal seconden): 4 khz, 2 khz, 800 Hz, 400 Hz - 40ste orde harmonische is 2 khz, dus volgens Shannon F s = 4 khz - besluit: max. 1sec/div 23
5. Harmonischen: praktische metingen 5.1. Oscilloscoop met fft-functie Probleem: - wat met de 1.5s smoothing? - voert een fft een smoothing uit? Signaal met subharmonische. Subharmonische bevat geen geheel aantal perioden binnen de 1.5s. -volgens de norm: per periode de rms waarde van elke harmonische bepalen smoothing 5. Harmonischen: praktische metingen 5.1. Oscilloscoop met fft-functie Vgl. zonder subharmonische en met subharmonische: Grondgolf 3de 9de Zonder 230 V 23 V 11.5 V Met 232.2 V 23.22 V 11.60 V Is dit hetzelfde als smoothing? Indien niet, is de fout toelaatbaar? 24
5. Harmonischen: praktische metingen 5.2. MicroVIP Driefasige energie analyzer Extentie: harmonic box 4 khz sampling 1 meting / seconde Extentie: memory pack Loggen: 1 record/min 25
26
27
28