Mätningarna av elnätets impedans gjordes i ett labbnät med få inkopplade störkällor. Det kan därför sägas vara idealt. Resultatet av mätningarna visar i samtliga fall en nätimpedans som varierar
ganska kraftigt genom det uppmätta området, Fig. 4.1. Generellt kan sägas att impedansen är låg vid lägre frekvenser för att sedan öka och får en topp vid 90 kHz. Däröver sjunker impedansen igen.
Fig. 4.1: Elnätets impedans uppmätt med filter 1
Elnätets impedans (Fig. 4.2) är formad på samma sätt som i mätningen med filter 1 men med något lägre värden. Eftersom mätningarna inte är gjorda vid samma tillfälle så är det svårt att säga säkert vad orsaken är. Något kan ha ändrats i nätet mellan de olika tidpunkterna. En annan orsak är den mätonogrannhet som avläsningen av oscilloskopet tillför eftersom det är svårt att avläsa exakt. Mest troligt utgör dessa två orsaker sammantaget skillnaden mellan Fig. 4.1 och Fig. 4.2.
Fig. 4.2: Elnätets impedans uppmätt med filter 4
41
5 Resultat och slutsats
Mätningarna på filtren utfördes i en specifik nod på elnätet. Det frekvensspann som användes i mätningarna var förutbestämt mellan 3 till 150 kHz. Det visade sig dock att 10 kHz var den nedre gränsen i praktiken för de filter som konstruerades. Det beror delvis på den valda transformatorn som inte fungerar tillfredsställande under denna frekvens. Det beror också på att de filter som konstruerats har en respons som vid frekvenser under 10 kHz är låg.
Eftersom rapporten i huvudsak avhandlat filter 1 och 4 så jämförs dessa sinsemellan. Mätningarna av nätets impedans visar på en låg impedans i de flesta fall (under 200 Ω). Det är därför viktigt att ett användbart filter för hela frekvensspannet är någorlunda jämt i sin respons vid en låg impedans.
Det verkar inte som om någon betydande del av 50 Hz komponenten passerar bakvägen genom filtret vilket skulle kunna förstöra både filter och kommunikationsutrustning såsom signalgenerator.
Den första simuleringen och mätningen visar att filter 4 har en betydligt jämnare respons än filter 1.
Det gäller i det ideala fallet med en resistans som simulering av elnätets impedans. När elnätet kopplats in blir resultatet mer komplext. Inte minst med tanke på de komponenter i elnätet som ger resonans med filtrets komponenter. Med filter 4 och den aktuella inkopplingspunkt som användes blev denna resonans tydlig över ett större frekvensområde än med filter 1. Det bör dock åter nämnas att det kan bli ett helt annat resultat om inkopplingspunkten och nätets belastning är annorlunda.
Impedansmätningarna kan ge en fingervisning om i vilket område impedansen kan ligga. Dock är det troligt att impedansen kan vara betydligt lägre när ett flertal olika apparater är anslutna till samma fas i den nod i elnätet som används. Syftet med impedansmätningarna är att visa att elnätets impedans går att mäta och därigenom ge en introduktion till fortsatta tester och studier.
Filtrens impedans visade sig variera en del med frekvensen. Filter 1 har en ganska hög impedans vid låga frekvenser och sakta avtagande med frekvensen. Filter 4 däremot har en mycket låg impedans genom hela frekvensspannet. Den lägre impedansen kan utgöra ett problem ifall höga spänningsspikar med hög frekvens finns ute på elnätet. Mätningar gjordes också vid frekvensen 50 Hz och där har båda filtren en hög impedans vilket utgör ett bra skydd för filtret. Filter 1 fick en skillnad i impedansen vid denna frekvens vid olika spänningsnivåer men det beror mest troligt på oscilloskopets onoggrannhet vid den mycket låga ström som passerar filtret. Filter 4 visar en jämn impedans oavsett spänningsnivå och det förklaras med en något högre nivå på strömmen och därmed också mer noggranna siffror.
Utifrån resultaten blir slutsatsen att filter 4 är det bäst anpassade för elnätets låga impedans. Den förbättring som kan göras i en framtida utredning är att öka värdet på den kondensator som sitter närmast elnätet. Det måste dock bli en avvägning för att inte släppa igenom för mycket av 50 Hz komponenten eller dess övertoner in i filtret. De konstruerade filtren är enbart tänkta att användas på en fas. Om alla tre faser skall användas behövs tre likadana filter. Alternativet kan vara att bygga ett speciellt framtaget filter för ett trefassystem.
6 Källförteckning
[1] R. Lund (1988). Svensk elhistoria Nordstedts tryckeri. ISBN 91-7616-016-5 [2] Wikipedia, Mains electricity: http://en.wikipedia.org/wiki/Mains_electricity
[3] European standard (July 2001). Signalling on low-voltage electrical installations in the frequency range 3 kHz to 148,5 kHz. Ref. no. EN 50065-1-1:2001 E
[4] A. Larsson (2006), High Frequency Distortion In Power Grids due to Electronic Equipment ISSN: 1402-1757
[5] Rönnberg S. K, Lundmark, C. M, Wahlberg M, Andersson M, Larsson A, Bollen M. H. J, Attenuation and noise level – potential problems with communication via the power grid, CIRED 2007
[6] Rönnberg S. K, Wahlberg M, Bollen M. H. J, Lundmark C. M, Equipment currents in the frequency range 9-95 kHz, measured in a realistic environment, ICHQP 2008
[7] Rönnberg S. K, Wahlberg M, Bollen M. H. J, Larsson A, Lundmark C. M, Measurments of interaction between equipment in the frequency range 9 to 95 kHz, CIRED 2009
[8] S. Rönnberg. Cired 2007 Session 6. Paper no 0186. Attenuation and noise level - Potential problems with communication via the power grid http://www.ltu.se/polopoly_fs/1.16154!
ronnberg_cired_1.pdf
[9] Echelon’s document: ”PL 3120®/PL 3150®/PL 3170™ Power Line Smart Transceiver Data Book 005-0193-01B”. http://www.echelon.com/support/documentation/Manuals/transceivers/005-0193-01B_PL_Data_Book.pdf
[10] Wikipedia, Galvanic isolation: http://en.wikipedia.org/wiki/Galvanic_isolation
[11] R Gretsch, M Neubauer. ETEP Vol.8 No.5 September/October 1998. “System Impedances and Background Noise in the Frequency Range 2 kHz to 9 kHz”
43
Appendix A
Filter 2 och 3 har liknande egenskaper som filter 1 och har därför utelämnats från rapportens huvuddel. Här är resultaten som simuleringar och mätningar gett för dessa två filter.
A.1 Simuleringar filter 2
Filtret (Fig. A.1) är enligt det ursprungliga Echelon filtret men modifierat med en RCL gren.
R4
Resonansfrekvens (L1,C3) = 2 ∗ 1
1m∗0,033 µ≈27,71 kHzResonansfrekvens (L2,LTX1,C1) = 1
2 ∗
1,012 m∗1µ≈5,00 kHzFig. A.2: Spänning i punkten T2 under den första millisekunden. Med borttagen signalkälla (V1).
Fig. A.3: Med borttagen nätspänning för mätning av filtrets frekvensgång.
I Fig. A.4 syns en kraftig ”spik” på resonansfrekvensen ~5 kHz. Det finns också en mindre topp nära den andra resonansfrekvensen. När frekvensen >15 kHz blir frekvensgången relativt linjär.
R1= 1000 kΩ.
45
Fig. A.4: Filtrets respons i dB när källimpedansen R3 sätts till 1 Ω.
I Fig. A.5 blir responsen varierande genom hela frekvensområdet med en dipp strax under 30 kHz.
Fig. A.5: Filtrets respons i dB med källimpedansen R3= 50 Ω, R1=100 kΩ.
Fig. A.6: R1= 10000 Ω.
47
Fig. A.7: R1= 1000 Ω.
Vid 100 Ω (Fig. A.8 ) börjar filtret tappa ganska mycket på de lägre frekvenserna och kurvan blir mer utdragen.
Fig. A.8. R1= 100 Ω.
I Fig. A.9 planar kurvan ut ännu mer och tappar mycket mellan de låga och de höga frekvenserna.
Skillnaden mellan 2,4 och 10 Ω är den lägre responsen vid lägre impedans. Jämför med Fig. A.10.
Fig. A.9: R1= 10 Ω.
49
Fig. A.10: R1= 2,4 Ω.
A.2 Mätningar filter 2
Verkliga mätningar på filtret:
Fig. A.11: R1= 1000 Ω
Fig. A.12: R1= 100 Ω
51
Fig. A.13: R1= 50 Ω
Fig. A.14: R1= 10,4 Ω
Fig. A.15: R1= 2,4 Ω
Impedansen sedd från elnätsidan simulerad med kortslutning istället för spänningskälla på filtersidan, Fig. A.16
Fig. A.16: Impedansmätning filter 2.
Resultatet ger en kurva med avtagande impedans när frekvensen ökar. Vid 150kHz är impedansen 51 Ω , Fig. A.17.
53
Fig. A.17: Simulerad impedans för filter 2.
Fig. A.18: Uppmätt impedans för filter 2.
A.3 Simuleringar filter 3
Filter med RCL-gren liknande föregående filter. Skillnaden är RCL-grenens resonansfrekvens samt ett mycket större värde på C1, Fig. A.19.
L2
Resonansfrekvens (L2,LTX1,C1) = 2 ∗ 1
1,012 m∗100µ≈0,50 kHz Resonansfrekvens (L1,C3) = 2 ∗ 1
1m∗1µ≈5,03 kHz55
Fig. A.20: Spänning i punkten T2 under den första millisekunden. Med borttagen signalkälla (V1).
Fig. A.21: Med borttagen nätspänning för mätning av filtrets frekvensgång.
I Fig. A.22 har också lägre frekvenser tagits med för att visa resonansfrekvensen. Om
källimpedansen är låg så blir filtrets frekvensgång relativt jämn i intervallet 3 kHz till 150 kHz.
Resonansfrekvensen ligger vid ca 500 Hz. Den andra resonansfrekvensen på ca 5 kHz syns inte alls.
Fig. A.22: Filtrets respons i dB med 1 Ω källimpedans.
Fig. A.23: Filtrets respons i dB med 50 Ω källimpedans. R1=1 MΩ.
57
Fig. A.24: R1=10000 Ω.
Fig. A.25: R1=1000 Ω.
Fig.
Fig. A.26: R1=100 Ω.
Filtret i Fig. A.27 får mycket dåliga egenskaper när det blir belastat samt när källimpedansen är hög. Det kan jämföras med Fig. 6.22 som har låg källimpedans och hög elnätsimpedans.
Den enda skillnaden mellan 2,4 och 10 Ω (Fig. A.27 och A.28) är en genomgående lägre respons vid 2,4 Ω.
59
Fig. A.27: R1=10 Ω.
Fig. A.28: R1=2,4 Ω.
A.4 Mätningar filter 3
Verkliga mätningar på filtret:
Fig. A.29: R1=1000 Ω
Fig. A.30: R1=100 Ω
61
Fig. A.31: R1=50 Ω
Fig. A.32: R1=10,4 Ω
Fig. A.33: R1=2,4 Ω
Elnätets 50 Hz komponent har i detta fall (Fig. A.34 ) ersatts med en spänningskälla med varierbar frekvens. Detta för att se om övertoner i elnätet kan påverka filtret negativt. Kurvan visar att så inte verkar vara fallet. Alla frekvenser under 1KHz ligger på < -57 dB. Simulering av impedansen i filtret sedd från elnätsidan:
63
Fig. A.34: Filtrets respons när ett frekvenssvep görs bakvägen dB(In/Ut).
Fig. A.35: Impedansmätning filter 3.
Impedansen för filter 3 (Fig. 6.36) blir i stort sett likadan som för filter 2.
Fig. A.36: Impedans filter 3.
Fig. A.37: Uppmätt impedans för filter 3
65
Appendix B
B.1 Beräkning av uteffekt från filtret vid 3 kHz/10 Ω för filter 1
Beräkningarna är gjorda vid en inspänning på 10VAc (peak to peak). Fig. B.1 visar filter 1.
R2
Fig. B.1: Filter 1 med 10 Ω nätimpedans.
Vid 3kHz är impedanserna på primärsidan av transformatorn ganska små.
R2= 50 Ω, R3=0,12 Ω
Total resistans blir: 50 + 0,12 = 50,12 Ω ZC = −j
Total reaktiv impedans: −j53,05 j0 ,22 j0,51 j18 ,85=− j33,47Ω
Här blir det ett onödigt stort spänningsfall över ZC1 eftersom den är relativt stor i förhållande till övriga impedanser. Vid 10 Ω nätimpedans kan detta vara av betydelse.
Impedansen totalt (Z1):
50,12233,472=60,27 ΩStrömmen genom kretsen I1=Z1V =60,2710 =0,1659 A
Spänningen över transformatorn Vt =I1∗ZTX1=0,1659∗18,85=3,13 V
Filtrets primärsida med elnätets impedans 10 Ω:
R1= 10 Ω, R4= 0,12 Ω, Total resistans: 10 + 0,12 = 10,12 Ω
ZC2= −j
2∗∗3000∗0,033∗10−6≈−j1607 ,6 Ω
C2:s höga impedans (låga kapacitans) gör att utspänningen blir mycket liten vid 3kHz, största delen av de användbara 3,13V hamnar över kondensatorn.
Impedansen totalt (Z2):
10,1221607,62=1607,6 ΩStrömmen genom filtrets primärsida: I2=Z2Vt=1607,63,13 =1,95 mA Utspänningen Ut blir: I2∗R1=1,9 m∗10=19,5 mV
Uteffekt från filtret: 0,5∗U∗I=0,5∗19,5 m∗1,95 m =19 uW
Total effektförbrukning i filtret: 0,5∗0,1659∗50,12 19u =4,16 W
B.2 Beräkning av uteffekt vid olika frekvens och elnätsimpedans
150kHz/10 Ω:
Enligt simulering med PSpice blir spänningen Ut = 1,695 V.
Det ger uteffekt från filtret : P=0,5∗U2
Ut = 6,56 V.
P =0,5∗6,562
100 =0,22 W
3kHz/1000 Ω:
Ut = 1,67 V.
P=0,5∗1,672
1000 =1,4 mW
150kHz/1000 Ω:
Ut = 9,19 V.
P =0,5∗9,192
1000 =42,2 mW
Dessa beräkningar visar på en stor skillnad i uteffekt mellan den lägsta frekvensen (3 kHz) och den högsta (150 kHz). Filtret är mycket mer effektivt vid högre frekvens
Appendix C
Kondensator 1,0 µF/250 V 15 mmKondensator 2,2 µF/250 V 22,5 mm X2-kond 33 nF 10 mm MKP X2-kond 330 nF 15 mm MKP Lågimp ellyt 100 µF/100 V Säkring 6,3 AT 5x20 keramisk
Säkringshållare 5×20 chassimont PTF/10
Labbkort RE200 HP 100 mm Phenol paper (FR2)
Eftersom två av komponentvärdena 27 µH samt 2,4 µF från simuleringarna var svåra att få tag på så användes istället 22 µH samt kondensatorn 2,2 µF. Detta bör ha en marginell betydelse för
resultatet.
C.2 Komponentlista
Den utrustning som användes för mätningarna på filtren var:
− Tektronics TDS 3034 Oscilloskop.
69
− Philips PM 5139 Tongenerator 0,1 Hz till 20 MHz
− Polar drives spänningsprobe 200:1
− Pearsons strömprobe 10:1