Abschätzung der Direktivität bei parasitären Strahlern

Zur Bestimmung der gestrahlten Störaussendung existieren alternative Messverfahren, mit denen z.B. die abgestrahlte Leistung bestimmt wird, die sich nicht direkt in eine messbare Feldstärke umrechnen lässt. Für die Umrechnung zwischen der maximalen Feldstärke, die ein Prüfling erzeugt, und der gemessenen abgestrahlten Leistung wird die Direktivität benötigt, die bei parasitären Strahlern in der Regel nicht bekannt sind. Bekannte Modelle zur Abschätzung der Direktivität basieren auf Modellen, bei denen die Abstrahlung aus einer bestimmten Anzahl zufällig verteilter Quellen statistisch ausgewertet wird. Inwieweit dieser Ansatz die statistische Verteilung der Direktivität realer Prüflinge beschreibt, wurde bislang nur unzureichend untersucht. realer Prüflinge beschreibt, wurde bislang nur unzureichend untersucht. In dieser Arbeit wurde im ersten Schritt die Direktivität eines Prüflings messtechnisch ermittelt. Der Prüfling bestand aus einer metallischen Box, auf der eine strahlende Stromschleife angebracht ist. Die Parameter des Prüflings wurden im ersten Schritt sowohl durch Messungen als auch durch numerische Simulationen bestimmt und verglichen. Im zweiten Schritt wurde durch die Variation von Anzahl, Größe und Position der strahlenden Elemente des numerischen Modells eine Vielzahl von Prüflingen erzeugt, deren Direktivität durch Simulation bestimmt wurde. Durch eine statistische Auswertung der Daten wurde eine Abschätzung für die Direktivität von unbekannten Prüflingen gewonnen, welche mit dem vorhandenen Modell verglichen wurde

Detektion symmetrischer Oberschwingungskomponenten durch generalisierte Integratoren zweiter Ordnung

Durch die zunehmende Belastung des Energieversorgungsnetzes durch Oberschwingungsströme und -spannungen ist die Entwicklung von aktiv geregelten, leistungselektronischen Oberschwingungsfiltern in den letzten Jahren weit vorangeschritten. Dabei kann das Prinzip der Einspeisung eines Kompensationsstromes hinsichtlich der Geschwindigkeit sowie Genauigkeit mit einer separaten Regelung einer jeweiligen Oberschwingung durch Auftrennen in die jeweiligen symmetrischen Komponenten enorm erhöht werden [1, 2]. Bekannte Verfahren zur Anteilsbestimmung können in frequenz- und zeitbasierte aufgeteilt werden und sind beispielsweise die Analyse durch eine Diskrete Fourier Transformation (DFT) [3, 4] mit anschließender Bestimmung der Komponenten (frequenzbasiert), die Verwendung synchroner Referenzrahmen (SRF) für jede Harmonische und deren Komponenten [5, 6] mit Einsatz verschiedener Filter im Referenzrahmen (zeitbasiert) oder die Verwendung von frequenzadaptiven Filtern, die gleichzeitig Phasenverschiebungen zur Komponentenbestimmung durchführen (zeitbasiert) [7]. Zu letzteren gehören sogenannte generalisierte Integratoren zweiter Ordnung (Second Order Generalized Integrator - SOGI) und werden dank ihrer Frequenzadaptivität als Eingangsfilter für Phasenregelschleifen verwendet [8]. In dreiphasigen Systemen können durch Einsatz zweier SOGI-Filter (Dual Second Order Generalized Integrator - DSOGI) die symmetrischen Komponenten bestimmt [9] werden. Es liegt also nahe, solche schon in der Regelstruktur befindlichen Filter zu verwenden. Soll eine möglichst hohe Unempfindlichkeit gegenüber anderer Harmonischer erfolgen, können mehrere SOGI Filter zur Bestimmung einer jeweiligen Frequenz eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie mehrere SOGI Filter miteinander interagieren und wie mögliche Instabilitäten vermieden werden können. Dabei wird im nächsten Abschnitt auf die symmetrische Komponentenbestimmung mit SOGI eingegangen. Anschließend wird das Verfahren zum Einsatz mehrerer Filter beschrieben und der Einsatz zur Bestimmung der symmetrischen Komponenten verdeutlicht

Analyse ausgewählter Power Quality Parameter für LED-Lampen

Die Forderung, elektrische Last durch die Verwendung effizienter Beleuchtung zu reduzieren, nicht zuletzt durch die EG-Verordnung 244/2009 [1], resultiert seit einiger Zeit in gesteigertem Interesse an LED Lampen. Aufgrund der erforderlichen Gleichrichter weisen LED Lampen jedoch, ähnlich wie die bereits verbreiteten Energiesparlampen, im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen signifikante Unterschiede im Strom-Spannungs-Verhalten auf. Dementsprechend wird die Spannungsqualität (Power Quality) des angrenzenden Versorgungsnetzes beeinflusst. Bei der Diskussion um Energiesparlampen und LEDs wird häufig allein das Energieeinsparpotential betrachtet. Gleichwohl ist eine Untersuchung möglicher Störpotenziale bei hoher Durchdringung des Niederspannungsnetzes mit den neuen Leuchtmitteln erforderlich

Numerische Simulation der Einkopplung transienter elektromagnetischer Felder in nichtlinear-abgeschlossene Leitungsnetzwerke mit einem SPICE-Netzwerksimulator

Die Einkopplung externer elektromagnetischer Felder in Versorgungs-, Verbindungs- und Kommunikationskabel bestimmt maßgeblich die gestrahlte Störfestigkeit der daran angeschlossenen Systeme und Baugruppen. Kabelbäume können dabei als Leitungsnetzwerke modelliert werden [1], [2], auf denen durch Feldeinkopplung angeregte Strom- und Spannungswellen entlang der Einzelleitungen propagieren und an Knotenpunkten sowie Abschlüssen transmittiert bzw. reflektiert werden. Häufig sind Leitungsenden mit nichtlinearen Halbleiterbauelementen abgeschlossen, z. B. als Überspannungsschutz. Deren Berücksichtigung erfordert eine Simulation im Zeitbereich [3]. Dabei können die als verlustarm angenommenen Leitungen als Kette von L-C- Gliedern modelliert werden. Das einfallende Feld einer ebenen Welle wird entsprechend der Agrawal-Formulierung als verteilte Spannungsquellen entlang der Leitung und als konzentrierte Spannungsquellen an den Leitungsenden wirksam. In diesem Beitrag wird ein numerisches Simulationsverfahren für die transiente Feldeinkopplung pulsförmiger ebener Wellen in Leitungsnetzwerke mit nichtlinearen Abschlüssen vorgestellt, das auf einem üblichen SPICE-kompatiblen Netzwerksimulator [4] basiert. Gegenüber ähnlichen vorhandenen Verfahren [5] sind somit viele weitere Halbleiterbauelementmodelle nutzbar. Weiterhin soll durch diesen Ansatz die Effizienz und numerische Stabilität des Simulationsverfahrens erhöht werden

Anwendung der Leitungssupertheorie auf verdrillte Leitungen

Am Beispiel einer verdrillten Doppelleitung wurde die grundlegende Vorgehensweise der Leitungssupertheorie dargestellt. Die erhaltenen Leitungsparameter sind ortsabhängig und ändern sich entlang der Leitung entsprechend der Verdrillung. Die Lösung der Leitungsgleichungen erfolgt mit Hilfe des Matrixexponentials unter Einbeziehung von bestimmten Randbedingungen. Um das gesamte Konzept der Leitungssupertheorie umzusetzen, muss die retardierte Greensche Funktion benutzt werden, die zu komplexwertigen Leitungsparametern führt, welche die Abstrahlungsverluste der Leitung charakterisieren. Bei sehr hohen Frequenzen hängen die Leitungsparameter dann nicht mehr nur von den Abmessungen der Leitung, sondern auch vom Strom ab und müssen damit iterativ bestimmt werden

Analyse von Dämpfungs- und Diversitätseffekten bei Oberschwingungen mittels Frequenz-Kopplungs-Admittanz-Matrizen

Mit der Verdrängung konventioneller linearer Lasten im Energieversorgungssystem durch mehr und mehr nichtlineare, oberschwingungserzeugende Betriebsmittel steigt das gesamte Oberschwingungslevel an. Da Oberschwingungseffekte wie Neutralleiterüberlastung, Fehlfunktionen von Schutzeinrichtungen, Betriebsmittelausfälle und zusätzliche Verluste ungewollt sind, ist es notwendig, die Oberschwingungsbelastung im System zu bewerten. Konventionelle Methoden, die in Oberschwingungsstudien zum Einsatz kommen, nehmen üblicherweise eine unverzerrte Spannungsform an den Klemmen der entsprechenden nichtlinearen Last an und betrachten die resultierenden Oberschwingungsströme, die ins System zurückwirken. Da diese Ströme durch die Netzimpedanzen fließen, verursachen sie Oberschwingungsspannungsabfälle, die wiederum die Klemmenspannungen anderer linearer und nichtlinearer Betriebsmittel verzerren. Zur Vereinfachung werden diese Wechselwirkungseffekte üblicherweise vernachlässigt. Wenn mehrere nichtlineare Lasten die gleiche Netzimpedanz teilen, treten zudem Effekte auf, die als Dämpfung und Diversität bekannt sind [1]. Im Folgenden werden verschiedene Methoden diskutiert, die diese Effekte berücksichtigen. Basierend auf Labormessungen werden die Oberschwingungsströme sowohl von einzelnen Oberschwingungserzeugern als auch Kombinationen dieser analysiert. LED Lampen dienen dabei als Testobjekte. Nach der Bewertung der Eingangsströme in Abhängigkeit des Oberschwingungsgehaltes der Klemmenspannung wird für ausgewählte Lampen ein Modell, das auf Frequenz-Kopplungs-Admittanz-Matrizen basiert und Wechselwirkungseffekte berücksichtigt, abgeleitet. Die Methode wurde ursprünglich in [2] vorgeschlagen, in [3] erweitert und in [4] erneut aufgegriffen. Die Matrizen einzelner Lampen werden kombiniert um das Verhalten parallel geschalteter Lampen zu prognostizieren. Dabei werden auch Dämpfungsund Diversitätseffekte berücksichtigt

Effiziente Berechnung der Einkopplung durch elektrisch große Aperturen in elektrisch lange Leiter im Inneren von Hohlraumresonatoren

Die ungewollte Einkopplung elektromagnetischer Felder durch Aperturen in Gehäuse und anschließend in innere Strukturen wird aufgrund steigender Taktraten zukünftig immer häufiger auftreten. Es ist daher unerlässlich, effiziente Berechnungsverfahren zu entwickeln, da übliche numerische Verfahren eine hohe Anzahl von Unbekannten benötigen. Vorteilhaft sind hier analytische Verfahren, die allerdings häufig auf die Behandlung elektrisch kleiner Aperturen und Leiter beschränkt sind [1, 2]. In dieser Arbeit wird dieser analytische Ansatz für einfache elektrisch große Aperturen und erstmalig unter der Berücksichtigung elektrisch großer Beladungen der Hohlraumresonators verallgemeinert. Da im Inneren des Resonators eine starke Rückwirkung des abgestrahlten Feldes auf die erzeugenden Quellen vorliegt muss dabei auch die Rückwirkung der gestrahlten Felder auf die Quellen berücksichtigt werden [3, 4]. Dazu wird das Problem mit Hilfe eines Regularisierungsansatzes in eine Nah- und eine Fernwechselwirkung zerlegt. Die Wirkung der Apertur wird durch einen äquivalenten magnetischen Strom modelliert und so auf das Problem vieler gekoppelter, elektrisch kleiner Aperturen zurückgeführt [5]. Das Ergebnis ist eine Koppel-Matrix aller elektrisch kleinen Elemente, deren Einträge analytisch, und damit sehr effizient, bestimmt werden können. Das Verfahren, im Folgenden Method of Small Scatterer (MSS) genannt, wird am Beispiel einer spezifischen Geometrie (siehe Abb. 2c) erläutert und durch einen Vergleich mit numerischen Ergebnissen verifiziert

Experimentelle Untersuchung der Einkopplung statistischer elektromagnetischer Felder in Leitungsnetzwerke

Kommunikationsleitungen und Stromversorgungskabel sind ein wichtiges Einfallstor für gestrahlte elektromagnetische Störungen in angeschlossene Geräte. Oftmals wirkt nicht nur eine einzelne Leitung als Antenne, sondern mehrere Leitungen bilden zusammen ein entsprechendes Leitungsnetzwerk. Zur Berechnung der Einkopplung eines einfallenden Feldes auf ein Leitungsnetzwerk kann die klassische Leitungstheorie genutzt werden. Das Feld wird dabei durch eine ebene Welle mit einer bestimmten Einfallsrichtung und Polarisation angenähert. Durch die Überlagerung vieler ebener Wellen mit beliebigen Einfallsrichtungen und Polarisationen lassen sich auch sogenannte statistische Felder nachbilden, wie sie z. B. in Modenverwirbelungskammern vorkommen. In diesem Beitrag soll ein vorhandenes numerisches Simulationsverfahren für Leitungsnetzwerke [2, 4] auf Basis der BLT-Gleichungen messtechnisch validiert werden

Statistische Ermittlung der Direktivität eines elektrisch großen Prüflings mittels analytischer und numerischer Verfahren

Die direkte Messung der maximalen elektrischen Feldstärke eines elektrisch großen Prüflings (engl. equipment under test, EUT) mit hoher Frequenz ist komplex und zeitaufwendig. Im Frequenzbereich oberhalb von 1GHz ist die Modenverwirbelungskammer (MVK) eine geeignete alternative Testumgebung, weil das konkrete Abstrahldiagramm irrelevant ist. Mit Hilfe der Direktivität kann die gemessene abgestrahlte Leistung aus der Messung in der MVK in die entsprechende elektrische Feldstärke konvertiert werden [6]. Dieser Beitrag untersucht den Einfluss verschiedener elektrisch großer Kabelkonfigurationen des EUT auf die Schätzung der Direktivität. Ziel dieser Arbeit ist die Vorstellung der Ergebnisse der abgestrahlten Feldstärke und der Direktivität dieses neuen Simulationsmodells, welches ein Kombination aus dem eigentlichen Prüfling und der Anschlussleitung darstellt. Die Interpretation der Ergebnisse führt zu einer verlässlichen Möglichkeit, die gemessene Gesamtstrahlungsleistung in einer MVK in die äquivalente elektrische Feldstärke in einem bestimmten Abstand zu transformieren. Ein quaderförmiges Metallgehäuse in der Größe eines Computergehäuses mit einem Schlitz und einer Anschlussleitung wird als Prüfling für den Frequenzbereich von 1 GHz bis 6 GHz berücksichtigt (siehe Abbildung 1). Die Anschlussleitung läuft zunächst im Inneren des Gehäuses und wird durch eine kleine Öffnung nach außen geführt. Als Anregung wird eine diskrete Quelle mit einer Leistung von 1W zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Leitung betrachtet. Eine neuartige statistische Untersuchung betrachtet die zufällige Verlegung der Anschlussleitung, die von der Prüflingsoberfläche ausgeht. Die Leitungslänge und die Größe des Gehäuses werden beliebig variiert. Danach werden die abgestrahlte Feldstärke des Kabels und des Prüflings berechnet. Diese Prozedur wird mehrfach wiederholt und statistisch ausgewertet. Für unterschiedliche Konfigurationen wird die maximale Richtwirkung mittels numerischer Simulation (CST MWS Studio) bestimmt. Die Simulationsergebnisse werden mit analytischen Verfahren [3] verglichen. Anschließend werden die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion und die Verteilungsfunktion berechnet, um den Modalwert der Direktivität (das Maximum der Dichtefunktion) besser darzustellen

Messung der Einkopplung statistischer elektromagnetischer Felder in eine verdrillte Doppelleitung mit angepasstem Leitungsabschluss

In vielen Bereichen der Kommunikationstechnik werden verdrillte Leitungen eingesetzt, da diese gegenüber externen elektromagnetischen Feldern eine höhere Störfestigkeit ermöglichen. Aus Kostenund Gewichtsgründen werden solche Leitungen häufig ungeschirmt ausgeführt. Ist vom einfallenden Feld nicht die exakte Einfallsrichtung und Polarisation, sondern nur eine gewisse Verteilung und räumliche Korrelation der Feldgrößen bekannt, so spricht man auch von statistischen Feldern. Solche Felder haben gerade in resonanten Umgebungen eine hohe Praxisrelevanz. Sie können für experimentelle Untersuchungen in Modenverwirbelungskammern erzeugt werden. Im Beitrag wird die Messung der Einkopplung statistischer Felder in eine verdrillte Doppelleitung im Freiraum beschrieben. Ein entsprechendes Simulationsmodell [5] ist bereits vorhanden und kann damit experimentell validiert werden. Ähnliche Messungen wurden bereits bei einer Anregung durch einzelne ebene Wellen mit veränderlicher Einfallsrichtung [1] durchgeführt. Auch für die Anregung durch statistische Felder existieren bereits Messergebnisse [4], allerdings mit einer leerlaufenden bzw. kurzgeschlossenen Leitung. In diesem Beitrag wird eine Leitung mit angepasstem Leitungsabschluss untersucht. Am angepassten Leitungsende treten nahezu keine Reflexionen und damit auch keine Mehrfachreflexionen auf. Deshalb gibt es nur sehr geringe Leitungsresonanzen und der Einfluss der Schlaglänge der Verdrillung lässt sich aus der Frequenzabhängigkeit der eingekoppelten Spannung einfacher ermitteln