Programming PC-Based Multi-Function Oscilloscopes: A User-Friendly Approach to Rapid Prototyping of Spectral Analysis Code

Personal computer (PC)-based multi-function oscilloscopes are compact and low-cost programmable instruments that typically combine a multi-channel data acquisition unit, a signal generator and a USB interface to the PC. Although general purpose functions for spectral analysis based on the Fast Fourier Transform (FFT) are usually provided by the manufacturer in the accompanying software, the development of code for particular needs still remains a critical issue. This paper shows how new or more specific algorithms for frequency domain measurements can be easily implemented and tested for this class of instruments without spending time on a long and expensive training with dedicated development environments. The proposed approach is based on a recently introduced software shell, called DSPrototyper, where user interface and basic operations (for signal acquisition, processing and display) are already built-in and new measurement functions can be easily added by users having only a basic knowledge of programming languages. Some application examples are discussed in the paper focussing on the spectral analysis of a periodic signal and the implementation of algorithms that do not adopt the conventional time-domain windowing to reduce the spectral leakage

Pendeteksian Harmonisa Arus Berbasis Feed Forward Neural Network Secara Real Time

The development of power electronics converters has been widespread in the industrial, commercial, and home applications. The device is considered to produce harmonics in non-linear loads. Harmonics cause a decrease in power quality in the electric power system. To prevent a decrease in power quality caused by harmonics in the power system, the detection of harmonics has an important role. Therefore, this paper proposed feed forward neural network (FFNN) for harmonic detection. The design of harmonic detection device is designed with a feed forward neural network method that it has two stages of information processing, namely the training stage and the testing stage. FFNN has input harmonics and THDi as output. To detect harmonics, frst training is conducted to recognize waveform patterns and calculate the fast fourier transform (FFT) process offline. Prototype using the AMC1100DUB current sensor, microcontroller and display. To validate the proposed algorithm, compared by standard measurement tool and FFT. The results show the proposed algorithm has good performance with the average percentage error compared by standard measurement tool and FFT of 5.33 %

New Method for Spectral Leakage Reduction in the FFT of Stator Currents: Application to the Diagnosis of Bar Breakages in Cage Motors Working at Very Low Slip

[EN] Motor current signature analysis has become a widespread fault diagnosis technique for induction machines (IMs), because it is noninvasive and requires low resources of hardware (a current sensor) and software (a fast Fourier transform). Nevertheless, its industrial application faces practical problems. One of its most challenging scenarios is the detection of broken bars in IMs working at very low slip, like large machines with a very small rated slip, or unloaded induction motors in off-line tests. In these cases, the leakage of the main supply component can hide the fault harmonics, even with a severe fault. Diverse solutions to this problem have been proposed, such as the use of smoothing windows, advanced spectral estimators, or the removal of the supply component. Nevertheless, these methods modify the spectral content of the current signal or add a high computational burden. In this work, a new approach is proposed, based on the analysis of the current with a very fine spectrum, obtained via simple zero padding, followed by the extraction of a practically leakage-free conventional, coarse spectrum. The method is experimentally validated by the diagnosis of a broken bar fault in a 3.15-MW induction motor.This work was supported in part by the Spanish "Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades (MCIU)," in part by the "Agencia Estatal de Investigacion (AEI)," and in part by the "Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER)" in the framework of the "Proyectos I+D+i-Retos Investigacion 2018," Project under Grant RTI2018-102175-BI00 (MCIU/AEI/FEDER, UE). The Associate Editor coordinating the review process was Hongrui Wang. (Corresponding author: Manuel Pineda-Sanchez.)Puche-Panadero, R.; Martinez-Roman, J.; Sapena-Bano, A.; Burriel-Valencia, J.; Pineda-Sanchez, M.; Pérez-Cruz, J.; Riera-Guasp, M. (2021). New Method for Spectral Leakage Reduction in the FFT of Stator Currents: Application to the Diagnosis of Bar Breakages in Cage Motors Working at Very Low Slip. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 70:1-11. https://doi.org/10.1109/TIM.2021.30567411117

A Simple Adjustable Window Algorithm to Improve FFT Measurements

Abstract-The Fourier spectrum of a periodic signal may be obtained by fast Fourier transform algorithms, but, as is well known, special care must be taken to avoid severe distortions introduced by the sampling process. The main problem is the leakage generated by the truncation required to obtain a finite length sampled data. The usual procedure to reduce leakage is to multiply the sampled signal by a weighting window. Several kinds of windows have been proposed in the literature, and today they are also included in many commercial instruments. A simple alternative procedure is proposed in this paper. It is implemented with a PC compatible data acquisition board (DAQ) and consists of an algorithm that uses decimation and interpolation techniques. This algorithm is equivalent to the use of an adjustable sampling frequency and correspondingly an adjustable window size. Results obtained by this method on both harmonic and polyharmonic signals are empirically analyzed and compared with those given by an instrument with built-in FFT capabilities

A new method for analysis of signal harmonic distortion byevaluation of power quality

Naučna rasprava izložena u ovoj tezi bavi se analizom kvaliteta električne energije. Visok nivo električne energije podrazumeva da su napon napajanja i struja potrošača idealne sinusoide sa tačno određenom amplitudom i učestanošću. Bilo kakva odstupanja od idealnog nazivaju se izobličenja i najčešće se karakterišu sa harmonicima. Poslednjih godina dolazi do naglog razvoja poluprovodničkih komponenata. Takve komponente su uticale na ubrzan razvoj snažnih uređaja energetske elektronike. Ti uređaji su nelinearnog karaktera, što dovodi do pojave harmonika u signalima napona i struja elektroenergetskog sistema. Prvi problem kojim se bavi ova teza je analiza talasnih oblika struja ispravljača. Metode primenjene za analizu su wavelet transformacija (VT) i modulated overlapped transformacija (MLT). MLT nadoknađuje nedostatak VT da dekomponuje signal u odgovarajuće podopsege koji mogu sadržati i više harmonika i daje tačnu informaciju o svakom harmoniku. Obe metode su pogodne za offline analizu. Za online analizu predložen je hibridni metod baziran na diskretnoj Furijeovoj transformaciji (DFT) i adaptivnom pojasnom filteru (EPLL). Hibridni metod je zadržao dinamički odziv DFT-a, dok je EPLL obezbedio sinhronizaciju sa osnovnom učestanošću sistema. Hibridni metod daje dovoljno tačnu informaciju o osnovnom i višim harmonicima samo ako su njihove učestanosti ceolobrojni umnožak učestanosti osnovnog harmonika. U slučaju pojave interharmonika, odnosno kada taj odnos više ne važi, hibridni metod ne daje tačne rezultate. Za analizu takvih signala predložen je novi metod, koji je baziran na adaptivnom diskretnom pojasnom filteru (ANF) t.j. metod koristi diskretni pojasni filter za modelovanje harmonijskih komponenata u ulaznom signalu, dok se prošireni Kalmanov filter (EKF) koristi kao adaptivni mehanizam. Novi metod je preuzeo osobinu ANF-a da može adaptivno da prati promene učestanosti i osobinu EKF-a da ima bolji dinamički odziv. Metode su implementirane na digitalnom procesoru za obradu signala i upoređene sa postojećim metodama. Metode pokazuju prednosti u odnosu na druge metode.Scientific research in this thesis discusses power quality analysis. High power quality assumes that both the voltage power supply and the load current are ideal sinusoidal signals with a precisely defined amplitude and frequency. Any deviations from this ideal vaweform are considered as distortion and are characterised by harmonics. Over the last few decades, there has been a rapid development of semiconductor components. Such components made an impact on the fast development of power electronics devices. These devices are nonlinear, introducing harmonics in both voltage and current of the power grid. The first issue researched in this thesis is the analysis of the rectifier voltage and current waveforms. Methods used for the analysis are the wavelet transform (WT) and the modulated overlapped transform (MLT). The MLT overcomes the drawback of the WT, which decomposes the signal into subbands that can contain more harmonics, and gives accurate information about every harmonic. Both methods are suitable for offline analysis. For online analysis, a hybrid method is proposed, based on the discrete Fourier transform (DFT) and the adaptive notch filter (EPLL). The hybrid method retains a good dynamic response of the DFT whereas the EPLL provides a synchronisation with the fundamental system frequency. The hybrid method provides accurate information on the fundamental and the higher harmonics only if their frequencies are integer multiples of the fundamental frequency. In the case of interharmonics, i.e. when this integer ratio is not valid, the hybrid method does not provide accurate results. In order to analyse such signals, a new method is proposed. It is based on discrete adaptive notch filter (ANF), i.e. the method uses a discrete notch filter for modeling the harmonic components in the input signal, whereas an Extended Kalman Filter (EKF) is used as an adaptation algorithm. The adaptive notch Kalman filter inherited the property of the ANF to adaptively track changes in the frequency and the property of the EKF to have a faster dynamic response. Methods have been implemented in a digital signal processor and compared with the existing ones. The methods show advantages compared to other methods

New advanced methods for the spectral analysis of time-varying waveforms in power systems

This thesis presents new advanced methods for the spectral analysis of time-varying waveforms in power systems. First, the main non-parametric, parametric and hybrid methods are presented in details under an analytical review of the state of the art, stressing both their advantages and their weaknesses. Then, a new advanced modified parametric method and three new advanced hybrid methods are presented in this thesis. All of the proposed methods guarantee an accuracy typical of the parametric methods, though with a significantly lower computational efforts

Algoritmos de análisis multi-resolución para la medida de armónicos y eventos de tensión en sistemas eléctricos

En la actualidad, la rápida evolución de la tecnología está motivando un crecimiento exponencial en el uso de cargas no lineales, como fuentes de alimentación conmutadas, iluminación fluorescente o lámparas de bajo consumo. Además, la firme apuesta de las instituciones por el desarrollo de fuentes de generación distribuida, como plantas fotovoltaicas o parques eólicos, está modificando el actual escenario energético hacia redes de distribución y transporte más difíciles de controlar y estimar. Esto conlleva una nueva realidad metrológica, donde los armónicos de tensión y corriente y los eventos de tensión cobran especial relevancia a la hora de cuantificar los parámetros eléctricos tradicionales. Las distorsiones que llegan de estas fuentes de generación renovables son mayores y más difícilmente cuantificables en comparación con aquellas provenientes de grandes centrales de generación. Es por ello que las magnitudes de potencia y energía son más complicadas de medir de forma correcta mediante los métodos tradicionales de análisis de calidad de red. Las herramientas matemáticas recogidas en la actual normativa de calidad de red adolecen de un pésimo comportamiento a la hora de ser aplicadas a determinadas ondas distorsionadas con características fluctuantes. Por tanto, en lo que a métodos matemáticos se refiere, este nuevo paradigma energético demanda algoritmos de medida renovados, en consonancia con las nuevas técnicas de operación del sistema eléctrico. En respuesta a esta situación y durante los últimos años, este problema se ha solucionado parcialmente mediante el empleo de nuevas herramientas de análisis, entre las que destaca la transformada wavelet. En lo relativo a monitorización, multitud de autores han realizado avances en dicha transformada obteniendo resultados prometedores. Por ejemplo, en los últimos años se ha utilizado el análisis multi-resolución (adaptación de la transformada wavelet) en aspectos muy diversos de la ingeniería eléctrica, desde el desarrollo de métodos predictivos hasta el análisis de series temporales no lineales. Tras realizar una exhaustiva revisión del estado del arte en el campo de la medida de armónicos y eventos de tensión, se han detectado varias carencias importantes que motivaron la investigación realizada por el autor en los últimos años. En las siguientes líneas se exponen los hallazgos encontrados, para que de esta manera el lector pueda vislumbrar los aspectos en los que esta tesis hará hincapié complementando dichos puntos "débiles". Aunque las familias wavelet están siendo utilizadas en un sinfín de aplicaciones ingenieriles, sorprendentemente no hay ningún tipo de investigación publicada donde se describa una metodología, clara y objetiva, referente a la selección de dichas familias wavelet. Es cierto que existen gran cantidad de artículos en referencia al uso de la transformada wavelet, pero en ninguno de ellos se explica la razón de utilizar una familia wavelet determinada frente a las demás. Por ejemplo, en varios textos se exponen, de forma superficial, algunos conceptos a tener en cuenta a la hora de seleccionar la familia wavelet, pero centrándose únicamente en las wavelets Daubechies (db1, db4, db24 y db40). Un año más tarde, diversos autores vuelven a utilizar varias de las familias wavelet anteriormente citadas, pero sin justificación técnica alguna. De forma similar ocurre con la medida del contenido armónico mediante la transformada wavelet. Los avances más significativos en esta materia solo incluyen desarrollos con anchos de banda muy limitados, o con obtenciones parciales de los ordenes armónicos impares. Otros autores han orientado su investigación a la medida de parámetros secundarios, de acuerdo a la norma internacional IEEE 1159-2008, como es el caso del THD. En ningún caso de los revisados se presenta un sistema completo de medida de armónicos, como sí que se va a realizar en esta tesis. En referencia a la caracterización de eventos de tensión, sucede de forma parecida a lo observado en los armónicos, encontrando escasos trabajos de investigación, posiblemente frenados por la nula actualización de las normativas vigentes referentes a nuevos métodos de medida. Por ejemplo, en la reciente edición de la norma IEC 61000-4-30 todavía se contemplan los métodos tradicionales de medida de eventos de tensión basados en el cálculo del valor eficaz. Esto deriva en una falta de sensibilidad y precisión de los algoritmos frente a eventos "no ideales", yendo en oposición a lo que realmente se necesita en la actualidad: medidas con una gran precisión temporal. Referente a la selección de la mejor familia wavelet, ocurre igual que en el caso anterior, donde los autores no establecen unas pautas concretas que garanticen la validez del proceso de selección. En este sentido, la presente tesis intenta completar estos "vacíos" detectados, aportando una metodología clara y objetiva a la hora de implementar los nuevos métodos de medida de armónicos y eventos de tensión. De la misma manera, para comprobar la validez de los resultados alcanzados, se llevarán a cabo completas baterías de ensayo donde se simulen condiciones de medida no contempladas hasta el momento

Medida de armónicos en el marco de los estándares IEC para la caracterización de variadores de frecuencia

En esta tesis se desarrolla una metodología de caracterización experimental de variadores de frecuencia que excitan motores de inducción, en función de los contenidos armónicos de sus salidas, mediante un plan de ensayos definido y un sistema que unifica todas las medidas, con la finalidad de conocer la calidad de la energía generada y detectar posibles fallos en los motores. Para ello, ha sido preciso primero conocer el contenido armónico que se pretende evaluar en el sistema variador-motor y también la forma de medirlo, para después desarrollar un sistema de medida y procesamiento de dicho contenido, basado en los conocimientos anteriores. Este sistema se ha inspirado en los analizadores de la red eléctrica que ya existen comercialmente y en su misma normativa internacional de medida de calidad de la red, pero adaptándolo a las necesidades específicas de medición a la salida de los variadores de frecuencia ensayados en esta tesis.Departamento de Ingeniería EléctricaDoctorado en Ingeniería Industria