50Hz-Bandpass/Filter

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo zusammen,

von einem verzerrten gemessenen 50Hz-Signal will ich zuverlässig die Nulldurchgänge der 50Hz-Schwingung wissen. Und das Ganze möglichst nach 1µs im laufenden Betrieb am Stromnetz. Würde sagen, das fällt schon unter „Echtzeit“ …

Meiner Meinung nach löst man sowas prinzipiell mit einem Bandpass und nachfolgendem Vergleich der Differenzspannung zu 0V.
Der zweite Teil der Aufgabe (Erkennung der Nulldurchgänge) an sich ist gelöst, was mir jetzt allerdings noch Sorgen macht, ist der Filter bzw. Bandpass.
Solang es sich um reine Oberschwingungen (100Hz, etc.) handelt, die ihre Nulldurchgänge an den gleichen Stellen haben wie die 50Hz, seh ich auch noch keine Probleme.

Aber: wie bau ich den Bandpass so, dass ich wirklich zuverlässig meine 50Hz am Ausgang sehe und nicht mal 45Hz, dann 55Hz usw.
Für alle, die sich das mal simulieren wollen, ein Beispiel: überlagert doch einfach mal zwei Quellen (10V und 50Hz & 4V und 345Hz) und lasst die Spannung aufzeichnen. Wer kann mir immer zuverlässig sagen, wo der 50Hz-Nulldurchgang ist? Und das in Echtzeit (Schwer bei einer Simulation … *g*)?

Ok, schon klar: wenn bekannt ist, welche Verzerrung auf der Leitung ist, dann kann ich’s rausrechnen. Und wenn ich das nicht weiß?
Mal abgesehen davon kostet jede Rechnung Zeit, die in diesem Fall nur sehr begrenzt zur Verfügung steht.

Ich freu mich auf Ideen und Anregungen.
Es grüßt ein ratloser
peherr

#2

Hi,

ein bisschen muss ich Dich „auf den Topf setzen“:

das Ganze möglichst nach 1µs im laufenden Betrieb am

Bei 50 Hz hast due alle 10000us einen Nulldurchgang, da kannst Du nicht nach 1us die Phase kennen!

Meiner Meinung nach löst man sowas prinzipiell mit einem
Bandpass und nachfolgendem Vergleich der Differenzspannung zu
0V.

Ja, aber in der Regel reicht ein Tiefpass. Oberwellen entstehen ab 100Hz, also muss er bis 50Hz durchlassen, ab 100Hz abschneiden. Mann würde einen aktiven, mehrpoligen Chebycheff TP nehmen.

Ein- und ausschaltende Geräte erzeugen auch um die 50Hz kurzfristige Frequenz- bzw. Phasenschwankungen. Wenn Du die auch in den Griff kriegen willst, wird’s aufwändig, z. B. mit Resonanzkreisen (= Bandfilter), langsamen PLLs o. Ä… Dann müsstest Du erst einmal genauer spezifizieren, was erreicht werden soll und mit einer Zeit bis zur genauen Erkennung der Phase von „vielen“ Nulldurchgängen rechnen.

Grüße

Uwe

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#3

Schließe mich den Erläuterungen von Uwe an - hier noch ein paar Bemerkungen:

Du kannst dir einen Bandpass bauen, der z.B. von 40 Hz bis 60 Hz alles durchlässt, aber außerhalb alles abblockt. Die 345Hz von deinem Bsp. abzublocken wäre also kein Problem. Falls aber langfristig noch ein 55 Hz-Signal neben dem 50 Hz-Signal vorhanden ist, dann musst du ein sehr enges Filter bauen.

Theoretisch ist es übrigens so, dass ein Signal aus gewissen Frequenzen besteht - die ändern sich nicht mit der Zeit. Das, was man von den Spektrum-Analyzern und Equalizern kennt, ist im Gegensatz dazu das Resultat der diskreten FFT…

Die (wiederum theoretisch :smile: schnellste Methode, deine Nulldurchgänge zu ermitteln, wäre m.E. das Signal abzutasten und die Nullstellen rechnergestützt zu berechnen. So könnte man bereits nach z.B. 1/10 Periodendauer schon einigermaßen den kommenden Nulldurchgang extrapolieren.

Wenn du dir Filter zusammenbastelst, musst du übrigens berücksichtigen, dass diese fleißig die Phase des Signals verdrehen - müsste man aber wieder rausrechnen können, oder aber um n*360° drehen lassen, dann isses egal bei dir.

#4

Hallo Uwe,

Bei 50 Hz hast due alle 10000us einen Nulldurchgang, da kannst
Du nicht nach 1us die Phase kennen!

Kurz zur Begriffsklärung, bevor ich ins Bett geh:
Phase = Verschiebung zwischen Spannung und Strom?
Ist in diesem Fall komplett irrelevant - ich hab’ nur die Leiter-Erde-Spannungen (mit allem „Müll“, der da evtl. mit drauf ist) ohne Informationen über den Strom.

Gute Nacht,
peherr

#5

Hallo peherr,

Phase = Verschiebung zwischen Spannung und Strom?

Nein Spannung - Spannung.

Wenn du dein Filter als 4-Pol betrachtest, ist die Spannung am Eingang phasenverschoben zum Ausgang. Ist dummerweise bei jedem Filter so.
Damit ergibt sich ein Problem, wenn du den Nulldurchgang schon nach 1µs erkennen willst.

Eine mögliche Lösung wäre den 4-Pol so zu gestalten, dass die Phasenverschiebung ein vielfaches von 180° aufweist. Du wertest dann zwar den Nulldurchgang eines früheren Nullurchgangs aus, dieser ist dann aber zum aktuellen Nulldurchgang synchron.

MfG Peter(TOO)

#6

Hallo zusammen,

von einem verzerrten gemessenen 50Hz-Signal will ich
zuverlässig die Nulldurchgänge der 50Hz-Schwingung wissen. Und
das Ganze möglichst nach 1µs im laufenden Betrieb am
Stromnetz. Würde sagen, das fällt schon unter „Echtzeit“ …

Hallo,

kurze Antwort: geht nicht.

Etwas länger: egal wie immer du die 50 Hz vom Rest trennen willst, je besser die Filterung, desto langsamer. Ein trennscharfes Filter braucht lange zum Einschwingen. Ich würde eine PLL-Schaltung vorschlagen, die auf 50 Hz einrastet, aber dafür gilt das gleiche. Du könntest das Ganze auch rein digital lösen, indem du die Nulldurchgänge mit einem time stamp speicherst und eine Art Ausgleichssinus berechnest, aber auch dafür gilt: erst mit genügend Durchgängen aus der Vergangenheit wird die Genauigkeit akzeptabel. Das ist ein mathematischer Zusammenhang, den man nicht umgehen kann.

Du kannst das auch informationstheoretisch betrachten: ein einzelner Nulldurchgang enthält einfach nicht genug Information. Du kannst ihm nicht ansehen, ober er von einer Oberwelle verschoben ist.

Gruss Reinhard

#7

Danke @ all,

ich werd’ jetzt mal in mich gehen und mir überlegen, wie ich auf anderem Wege zu meinen Informationen über die Nulldurchgänge komme. Irgendwas wie: „Vorhersage mit Hilfe der vergangenen Nulldurchgänge“ … ;-9

Gruß
peherr

#8

Hallo,
die Frage ist doch: wozu brauchst Du diese Information?
Gruß
loderunner

#9

Hallo,
die Frage ist doch: wozu brauchst Du diese Information?
Gruß
loderunner

Hi loderunner,

Ziel der ganzen Aktion ist die Realisierung eines geregelten (hoch-)dynamischen TCSC (Thyristor Controlled Series Capacity)-ähnlichen Moduls für die E-Versorgungsnetze. Bisher gibt’s die eigentlich nur gesteuert bzw. mit manuell veränderbaren Zündparametern (also Rechner anstöpseln und über Datenkabel neue Zündbedingungen angeben).

Mit Schwierigkeiten bei der Implementierung der Regelung (hohe Rechenleistung, zeitkritisch) habe ich gerechnet; dass das Eingangsfilter schon Probleme machen könnte, stand so nicht auf dem Plan … :wink:

Gruß
peherr

#10

Hallo,

Ziel der ganzen Aktion ist die Realisierung eines geregelten
(hoch-)dynamischen TCSC (Thyristor Controlled Series
Capacity)-ähnlichen Moduls für die E-Versorgungsnetze.

Okay, da braucht man die Information zum Einschalten wirklich.
Aber eigentlich doch nur als Referenz, da die 50Hz doch ziemlich genau und vor allem konstant sind, oder reicht das nicht?
Dann käme vielleicht doch eine PLL in Frage?

Mit Schwierigkeiten bei der Implementierung der Regelung (hohe
Rechenleistung, zeitkritisch) habe ich gerechnet; dass das
Eingangsfilter schon Probleme machen könnte, stand so nicht
auf dem Plan … :wink:

Tja, warum soll es Dir besser gehen als den anderen :wink: ?

Gruß und viel Glück
loderunner

#11

Hallo peherr,

Mit Schwierigkeiten bei der Implementierung der Regelung (hohe
Rechenleistung, zeitkritisch) habe ich gerechnet; dass das
Eingangsfilter schon Probleme machen könnte, stand so nicht
auf dem Plan … :wink:

Die Frequenzänderungen im Verbundnetz sind aber sehr gering und vor allem relativ langsam. Irgendwo gibt es eine Norm dazu, frag mich aber nicht nach einer Nummer oder so.

Bei Spitzenbelastung hängt die Frequenz etwas nach, was dann in der Nacht wieder aufgeholt wird. Soweit ich informiert bin, werden die Perioden pro Tag gezählt und mit Atomuhren verglichen, sodass die Langzeitstabilität garantiert werden kann.

Somit müsstest du mit einer PLL und einem entsprechenden (langsamen) Filter hinkommen.
Wenn deine Referenz eine konstante Phasenverschiebung hat, kann man diese rausrechen. Weiterhin kannst du Störungen mit statistischen Methoden und Wahrscheinlichkeiten „entsorgen“. Wenn dein System eingerastet ist, kann es nicht sein, dass der nächste Nulldurchgang schon nach 9ms kommt, solch schnelle Frequenzänderungen kommen im Verbundnetz nicht vor.

Ich hatte einmal ein ähnliches Problem zu lösen. Dabei ging es um eine Förderschnecke und einem Trichter, welche zusammen mit dem Antrieb auf einer Waage standen. Mit dem System wurde K’Stoff-Granulat dosiert. Das schlechteste System bestand aus einer 30kg-Wage bei welcher der Aufbau 15kg Masse hatte. Bei Förderschnecken ist das Problem, dass ab und zu Körner in der SChnecke verkeilen, was dann Schläge auf der Waage im Bereich von über 10kg erzeugt.
Durch Trendrechnungen und eliminieren der nicht in den Trend passendenden Einzelmessungen, konnte ich das Problem in den Griff bekommen. Für das Ganze reichte dann ein 4MHz 6801 8-Bit Controller, welcher zusätzlich das Analogsignal der Wäägezelle aufbereitete und auch noch die Datenübertragung erledigte.

MfG Peter(TOO)

#12

P.S
Die Rechenpower des Entwicklers ist oft reziprok proportional zur benötigten Rechenleistung des zu verwendenden Controllers :wink:)

MfG Peter(TOO)