Analyse av Elektriske Forstyrrelser fra LED-Teknologier

Abstract

Denne oppgaven omhandler forskjellene mellom lav- og høyfrekvent støy, med fokus på frekvensområdet 2-150 kHz. Det eksisterer et stort rammeverk med hensyn på EMC, både under og over dette spekteret. Årsakene er et resultat av at standardene er nedarvet fra da topologien i det elektriske nettet var okkupert av mer eller mindre lineære laster. Moderne teknologi har muliggjort opptrappingen av ulinære laster, men disse kan forårsake problemer med hensyn til det elektriske nettet og andre elektriske apparater.

Relevant teori med hensyn til lav- og høyfrekvent støy er presentert i de første delene av denne oppgaven. Deretter følger en introduksjon til digital signal prosessering og fundamentalene om tid-frekvens-analyser, slik at potensielle utfordringer i dagens rammeverk av analysemetoder kan bli bedre satt på agenda.

En beskrivelse av eksperimentell utstyr er deretter presentert og vurdert, før resultatene av både lav- og høyfrekvent analysene er gjengitt. Lavfrekventanalysen fokuserer på aspektet med harmoniske, mens høyfrekventanalysen fokuserer på hele spekteret og de tidsvarierende karaktersitkkene som eksiterer der.

Resultatene er fulgt opp med en diskusjon rundt begrensingene i det eksperimentelle utstyret og analysemetodene. Resultatene viser og forklarer forskjellene med utførelsene av både lavog høyfrekvent-analyse. Det fremgår at lavfrekvent-analyse er lettere å utføre og beskrive enn høyfrekvent-analyse. Dette er på grunn av flere faktorer som omhandler usikkerhet i både ustyr og målemiljø.

Fouriertransformasjonen (FT) og "Kort-tid fouriertransformasjonen" (STFT) har blitt benyttet gjennom denne avhandlingen. Det vises at lavfrekventfenomen fra LED i stor grad består av harmoniske komponenter. FT er dermed et effektivt verktøy for å analysere lavfrekvent-fenomener fra LED. Det er også vist i tidligere forskning at LED kan produsere høyfrekvent ledningsbunden forstyrrelser. Målinger utført på LED-pærer i denne avhandling indikerer også denne trenden. De høyfrekvente forstyrrelsene vises som "bredbånd"-komponenter i frekvensdomene når en FFT analyse har blitt utført. Hvis analysen tas et sted videre i tid-frekvens-domene, avsløres disse bredbånd-komponentene å ha dynamisk karakteristikk. EMC-standarderer som blir benyttet i dag kan ikke redegjøre for disse karakteristikkene, da intrumenter som typisk blir benyttet for å måle EMI fra feks. lysartikler ikke kan gi data som muliggjør tid-frekvens-analyser. Annet måleutstyr og tid-frekvens-analyser kan derfor bli et nødvendig verktøy for å måle EMI fra forskjellige elektriske artikler.

This thesis concerns the difference in low- and high-frequency disturbances, with the main focus on disturbances within 2-150 kHz. There’s lots of framework with respect to EMC both below and above this spectrum. The distinction is inherited from the old electric topology when loads were mostly linear. Modern technology has enabled the rise of non-linear loads, which can cause problems with regard to the electric supply and other electrical appliances.

Relevant theory with respect to a formal understanding of differences between low- and high frequency EMC are introduced in the first parts the thesis. Digital Signal Processing and an introduction to time-frequency analysis are then presented in order to grasp the potential challenges of todays’ analyzing framework and the usage of time-frequency distributions.

A description of experimental equipment is then presented before the results of both a low- and high frequency analysis are conducted. The low frequency analysis focuses on the aspects of harmonics, while the high frequency analysis focuses on the whole spectrum and time-varying characteristics.

The results are followed with a formal discussion regarding limitations in experimental equipment and analyzing methods. The obtained results shows and explains the differences with conducting both low- and high-frequency analysis, in which the former is much easier performed than the latter. Low-frequency analysis is mostly constant in character for each appliance. High-frequency analysis requires much more sensitivity and accuracy, and other more advanced methods are necessary in order to describe interactions and characteristics.

The Fourier transform (FT) and the short-time Fourier transform (STFT) has been used throughout this thesis. It shows that low frequency phenomena emitted by LED consist mainly of harmonic components. FT is therefore effective for analysis of low-frequency phenomena from LED. It has been shown in earlier research that LED may emit high-frequency conducted disturbances. Measurements of simple retrofit LED bulbs conducted during this thesis may also support these findings. The disturbances found in the higher spectrum of these measurements appears as broadband components in the frequency domain when FFT analysis has been applied. If the analysis is further extended in the time-frequency domain, these broadband characteristics reveal themselves as disturbances of dynamic character. EMC-standards currently in use, do not account for these characteristics, and instruments typically used for measuring EMI from lightning appliances cannot provide data for time-frequency analysis. Other measurement equipment and time-frequency analysis may therefore be needed in future practise for measuring EMI from various electric appliances.