Från 230VAC till musikalitet

[Anders65]

Det var ett tag sen jag gjorde en musikalitetstråd här. Så nu tyckte jag det var dags igen. Jag har funderat lite på distortion kopplat till nätspänningen som vi matar våra apparater med. Visst finns det mycket skrivet om det redan. Både här på Euphonia, men givetvis på många andra ställen med. Men jag tänkte gå lite djupare utan att hamna på för mycket på det teoretiska planet. Sen tänkte jag avgränsa mig till att i stort sätt bara skriva om tankar och aspekter kring själva strömförsörjningen, vilket betyder att jag inte skriver så mycket om jordning. Varför inte jordning kan man undra? Jag ser det nog som två olika områden som visserligen har beroenden mellan varandra, men jag vill gärna fokusera på ett område i taget. 

 

Om vår växelspänning i vägguttaget var ideal, dvs utan harmoniska övertoner, utan överlagrade störningar och om förimpedansen eller som jag av historiska skäl hellre kallar den källimpedansen vore noll ohm över ett stort frekvensområde och om dessutom spänning och ström var i fas så skulle jag nog inte ha så mycket att skriva om i denna tråd...

 

Men som vanligt är världen inte ideal utan vi har en massa saker att ta hänsyn till. 

- Källimpedansen är inte noll ohm och den är dessutom frekvensberoende. Men vad har det med saken att göra? Vi har ju alltid 50Hz i uttagen. Jo, vi vill ju ha 50Hz och en ren sinusvåg, men i verkligheten ser det inte alls ut så. Även om vi inte skulle ha överlagrade störningar på spänningen så finns det i verkligheten en mängd harmoniska övertoner som spelar roll på många sätt. Det gör till exempel att källimpedansen på övertonerna inte är densamma som för grundtonen på 50Hz. Detta är ett område jag tänkte skriva om.

- De apparater vi kopplar in till nätspänningen är långt ifrån resistiva. Strömmen som vi tar ut från nätspänningen är inte heller linjär i förhållande till nätspänningen, utan högst "icke linjär". Jag kommer skriva en del om detta med.

 

Jag kommer försöka se "problemet" dels från nätets håll och dels från apparatens håll.

 

Finns det andra områden som du gärna ser att jag skulle försöka täcka in kring detta?

 

/Anders

[Sammy]

Detta kommer bli spännande att följa tråden då jag tycker att just ström är en viktig del i välljud som man inte kommer runt på ett enkelt sätt! Kan den här tråden vara måne en hint om en kommande strömkabel 

[Anders65]

23 minutes ago, Sammy said:

Kan den här tråden vara måne en hint om en kommande strömkabel 

Visst finns det en koppling, men jag kommer inte skriva om den biten här. Det blir inget om det projektet i denna tråd. Men kopplingen är att innan jag gör något vill jag förstå hur saker och ting förhåller sig och då läser jag på lite. Tänkte dela en del av det här i tråden. 

[calle_jr]

 

Ser fram emot detta.

 

 

12 hours ago, Anders65 said:

Jag kommer försöka se "problemet" dels från nätets håll och dels från apparatens håll.

 

 

12 hours ago, Anders65 said:

källimpedansen på övertonerna inte är densamma som för grundtonen på 50Hz

Källimpedansen är väl alltid densamma, men den är en funktion av frekvensinnehållet?

 

 

 

 

[LPL]

12 hours ago, Anders65 said:

Finns det andra områden som du gärna ser att jag skulle försöka täcka in kring detta?

En viktig aspekt som jag ser det när det kommer till strömmatning är apparaterna som du är inne på, vilka filter som sitter i nätdelen eller avsaknaden av dessa. Kanske ännu viktigare är strömrenare, grenuttag o.s.v. Min erfarenhet är i alla fall att samspelet mellan eventuell strömrenare, grenuttag och strömkablar är ett viktigt område.

 

Om man lägger jordning som ett eget kapitel så kanske skärmning för in- och utstrålning och hur det påverkar nätkabelns egenskaper i övrig kan vara ett område att titta närmare på. Jag tror att många har någon uppfattning om skärmning på just strömkablar.

[Anders65]

 

Testar lite med LaTex - då jag har lite problem att får det att fungera.

 

\(Z=\sqrt{L \over C}\)

 

\(Z=\sqrt{R^2+X^2}\)

 

[Anders65]

5 hours ago, calle_jr said:

Källimpedansen är väl alltid densamma, men den är en funktion av frekvensinnehållet?

Oj, jag uttryckte mig nog lite tokigt kanske.

 

Impedansen (Z) vid ex ett 230-uttag borde vara vektorsumman av resistansen (R) och reaktansen (X) i nätet. Normalt sätt är reaktansen i induktiv.

 

\(Z=\sqrt{R^2+X^2}\)

 

Där den induktiva reaktansen är en funktion av induktansen och frekvensen.

 

\(X=2 \pi L f\)

 

Stämmer resonemanget så långt?

 

[octavia rs]

Vill man kolla vilken impedans man har i ett uttag så finns de ett lätt sätt.

1 st. portabel energimätare som kan mäta spänning och ström, helst samtidigt.
1 st. värmefläkt, hårtork, vattenkokare eller annan jämförbar last.

Testmiljön består av ett spänningssatt schukouttag.

Bruksanvisningen är som följer:

1. Plugga in energimätaren i det uttag man vill mäta förimpedansen vid.
2. Plugga in lasten i energimätaren, dock avstängd.
3. Läs av spänningen U₁.
4. Koppla in lasten.
5. Läs av spänning U₂ och strömmen I.
6. Koppla ifrån lasten och upprepa punkt 3-6 några gånger för att få stabila värden på U₁ och U₂
7. Beräkna förimpedansen som Z = (U₁ - U₂) / I Ω.

Förklaring:

Matningen kan ses som en spänningskälla, dess inre resistans R_i och ledningsresistanserna i L och N som bilden visar.
 

[Anders65]

2 hours ago, LPL said:

Min erfarenhet är i alla fall att samspelet mellan eventuell strömrenare, grenuttag och strömkablar är ett viktigt område.

Det är absolut ett område jag kommer täcka in. Sen är strömrenare för mig ett luddigt begrepp. Skulle kunna vara ett nätfilter, faskorrektion (faskorrektion används för att få spänning och ström att ligga mer i fas med varandra) eller en funktion som minskar nivån på harmoniska övertoner på nätspänningen.

 

2 hours ago, LPL said:

Jag tror att många har någon uppfattning om skärmning på just strömkablar.

Säkerligen är det så. Störningar till apparater via nätkabeln handlar om ledningsbundna störningar som inte orsakas av påstrålade fält. Utan snarare härör från andra elektriska apparater som är anslutna till nätspänningen.

 

Men med det sagt så kan nätkablar störa närliggande kablar.

- Elektriska fält kan koppla kapacitivt från nätkablar till andra närliggande kablar. Där kan skärmning fungera bra, men där handlar det om störningar från nätkablar med mycket högre frekvenser än 50 Hz. Men säg att en switchad nätdel skapar ledningsbundna störningar på elnätet så kan dessa sedan koppla kapacitivt från nätkablar till andra känsliga kablar. Speciellt till andra kablar som ligger intill och längs med nätkablar.

- AC-Strömmar i nätkablar med låga frekvenser kan koppla induktivt till andra kablar, men där hjälper inte skärmning. 

[LPL]

27 minutes ago, Anders65 said:

Sen är strömrenare för mig ett luddigt begrepp. Skulle kunna vara ett nätfilter, faskorrektion (faskorrektion används för att få spänning och ström att ligga mer i fas med varandra) eller en funktion som minskar nivån på harmoniska övertoner på nätspänningen.

Hahaha, det var därför jag valde att skriva "strömrenare" vilket är en rätt vanlig benämning, men säger inte så mycket om själva funktionen. Det kan väl i princip vara allt från ett grenuttag utan filter, bara en enkel varistor, mer avancerade passiva och aktiva filter till en regenererare. Det är kanske mest intressant där tillverkare har ett helhetstänk med filterverkan i "strömrenare" och kablage.

 

27 minutes ago, Anders65 said:

Störningar till apparater via nätkabeln handlar om ledningsbundna störningar som inte orsakas av påstrålade fält. Utan snarare härör från andra elektriska apparater som är anslutna till nätspänningen.

Det är tydligt att det är så om man mäter lite, det räcker att slå på slutstegen och se vad som händer

 

27 minutes ago, Anders65 said:

Speciellt till andra kablar som ligger intill och längs med nätkablar.

Personligen tycker jag man kan bortse från det i resonemanget då separation mellan kablarna förhoppningsvis är bland det första som man tar hand om i sin anläggning.

[Anders65]

52 minutes ago, octavia rs said:

Vill man kolla vilken impedans man har i ett uttag så finns de ett lätt sätt.

 

Tackar för tipset!

 

En fråga. Om nätspänningen har en del distortion behövs nog TRMS-mätning av spänning och ström för att få bra noggrannhet kan jag tänka mig. Men energimätare kanske mäter TRMS?

[octavia rs]

Nu mäter jag inte riktigt på det sättet @Anders65 eftersom jag har mätinstrument som gör det när man mäter i nätet använder man ofta en faktor x1,5 för att vara på säkra sidan eftersom impedansen ändras beroende på hur varma kablarna är, visar mitt instrument tex. 400mOhm så utgår jag ifrån att där är 600mOhm för att vara på säkra sidan.

 

Men oftast använder jag beräkningsprogram där jag antingen utgår ifrån matande transformator och lägger in storlek, kabeltyp, area, längd ansluten effekt m.m. och får då ut värden i varje kopplingspunkt. Är de matning ifrån elleverantör så är de skyldiga att kunna lämna uppgifter på Zför och Ik3 kortslutningsström vilket jag lägger in i programmet och utgår ifrån det.

 

Huruvida man behöver ta distorsion på nätet i beaktande de har jag inte hört nått om men visst ska man ner på väldigt exakta värden så kan man kanske behöva det men när det gäller impedansen för min skull vad jag använder värdena till så är de inte behövligt med väldigt exakta värden. Tex. befintligt kablage får man ju ofta höfta längden vilket då kan ge skillnader i mOhm.

[LPL]

53 minutes ago, Anders65 said:

Om nätspänningen har en del distortion behövs nog TRMS-mätning av spänning och ström för att få bra noggrannhet kan jag tänka mig. Men energimätare kanske mäter TRMS?

Kan inte tänka mig att enkla energimätare har TRMS. Då jag har provat att mäta ström och spänning som @octavia rs beskriver så är det lite knepigt att få stabila värden. Mer avgörande för mätresultatet skulle jag säga är att vara noggrann med att få fram bra medelvärden och gärna att ström och spänning kan avläsas parallellt.

[Anders65]

Tackar @octavia rs för mycket bra kommentarer. Hoppas på många kommentarer framöver i tråden, då jag saknar bakgrund inom elkraft. 

 

Jag intresserar mig speciellt för övertoner i nätet då jag tror att de kan spela roll på flera sätt inom vårt område. Och kanske kommer några nya insikter.

 

[octavia rs]

2 hours ago, LPL said:

Mer avgörande för mätresultatet skulle jag säga är att vara noggrann med att få fram bra medelvärden och gärna att ström och spänning kan avläsas parallellt.

 

Precis som du skriver så får man göra flera mätningar och ta ett medelvärde. Fördelen med att mäta just spänning/ström utan last och med last är att resultatet verkligen tar med hela kedjan så impedansen i just de ögonblicket kommer troligtvis stämma väl överens med vad det verkligen är. Sen kommer som sagt impedansen variera med hur belastat nätet är tillbaka till transformatorn men som sagt det går ändå att få fram ett värde som stämmer.

 

Om du inte läst tråden "Det smutsiga nätet" @Anders65 så är den väldigt nyttig speciellt detta inlägg ifrån den 27 mars 2016.

 

 

[Anders65]

46 minutes ago, octavia rs said:

Om du inte läst tråden "Det smutsiga nätet" @Anders65 så är den väldigt nyttig speciellt detta inlägg ifrån den 27 mars 2016.

Jag kan verkligen rekommendera tråden "Det smutsiga elnätet". Har läst en del i den tidigare, men tack för pekaren till inlägg från 27/3 2016 om övertoner 

 

Jag når inte den nivån av tydliga och bra beskrivningar här, men man skulle kunna se denna tråd som ett försök försätta från den tråden i några specifika områden som till exempel när det gäller övertoner i elnätet. 

 

 

[Anders65]

Många vet att harmonisk distortion i elnätet är ett problem. I tråden "Det smutiga elnätet" ser vi hur övertoner skapas av alla apparater som har likriktare i sig. Problemet som beskrivs är mycket riktigt relevant för alla apparater som har en strömförbrukning som inte är linjär med spänningen. Vilket är den övervägande delen av de elektriska prylar vi har i hemmet. Det vi kan göra för att minimera harmonisk distortion orsakad av alla dessa prylar är att sänka impedansen i elnätet och/eller att dela upp lasterna på olika faser. Till exempel så att ljudsystemet kör på mer eller mindre en egen fas. 

 

Så långt tycker jag att det finns mycket skrivet kring detta. Alla förstärare, försteg, DACar osv har inbyggda likriktare. Om vi har en nätspänning med harmonisk distortion orsakad av vanlig utrustning i hemmet så kommer sinusvågen plattas till vid max och min-spänning. Detta är samma sak som att det skapas harmoniska övertoner till grundtonen på 50 Hz. När vi matar en transformator med en sådan kurvform uppstår förluster i den. Dels genom virvelströmmar och dels genom magnetiska förluster i kärnan. Om vi pratar industriella system med transformatorer för höga effektuttag så riskerar denna distortion att skada transformatorer på grund av överhettning. Det är förstås inget vi riskerar i ljudutrustning, men det blir en annan konsekvens som mycket väl kan ha betydelse. På grund av ökade förluster så kommer transformatorernas impedans att öka och det är inte något vi gillar när det gäller slutsteg.

 

Med andra ord så genom att minska impedansen i elnätet så minskar den harmoniska distortionen på nätspänningen, vilket leder till att vi även får lägre förluster och inte minst en lägre impedans i transformatorn som sitter i slutsteget. 

 

När vi sätter in ett nätfilter för att filtrera bort störningar som kommer från annan utrustningsom är ansluten till elnätet så minskar vi högfrekventa common mode och differential mode störningar till ljudutrustningen. En del kanske menar att det inte behövs, eftersom det ofta redan sitter filter på nätintaget i utrustningen. Men generellt sätt så blir den totala filterfunktionen mycket effektivare om man seriekopplar två filter. Probemet när det gäller slutsteg som har en mycket dynamisk strömförbrukning (ej klass A) är de ofta är beroende av en stabil nätspänning för att prestera så bra som möjligt. Det är bra med låg impedans hos nätspänningen, men här ser vi två krav som strider mot varandra. Vi vill ha nätfilter eftersom högfrekventa störningar via elnätet kan passera rakt genom transformators kapacitiva koppling mellan primär och sekundärsida och vidare genom olinjäriteter i ex strömförsörjningen kan modulera/påverka ljussignalen i audioområdet. Hur sådan modulation uppstår är överkurs i tråden. Men i vilket fall så är det inte bra att få in högfrekventa störningar via nätkabeln. Samtidig så kommer nätfiltret öka impedansen eftersom det sitter drosslar som har en viss resistans i serie med fas och nolla.

[calle_jr]

 

 

 

Bra att du understryker att det inte bara handlar om att separera för att förhindra störningar från övriga hushållet, utan också att minska förimpedansen för hifimatningen.

Jag tycker att detta är ett bra tillgrepp;

 

                          _{---- säkring ------ hifi ------}

--- huvudbrytare --<

                          ^{---- säkring --- filter --- hushållsel -----}

 

 

8 hours ago, Anders65 said:

Hur sådan modulation uppstår är överkurs i tråden

Jag får väl bara konstatera att detta är för svårt att visa på ett trovärdigt sätt.

Jag har försökt pressa Peo på om vi kunde exemplifiera, men förstår samtidigt att om det blir för många antaganden blir inte resultatet trovärdigt och allt annat än allmängiltigt. Jag tänker att man borde kunna komma lite längre än bara "var god skölj".

Jag skulle vilja veta hur och i vilken storleksordning matningsspänningen kan påverkas av övertoner.

 

[LPL]

1 hour ago, calle_jr said:

Bra att du understryker att det inte bara handlar om att separera för att förhindra störningar från övriga hushållet, utan också att minska förimpedansen för hifimatningen.

Alla störningar oavsett vart dom kommer i från tycker jag är intressant att ta i beaktande. Sedan vad och om det går att påverka är en annan sak.

Med låg förimpedans och "städning" i gruppcentralen upplever jag inte direkt hushållselen som något problem längre.

Däremot upplever jag tyvärr att det är skakigt i elnätet och fluktuerar över tid.

 

 

 

+ THD-V

+ THD-I

+ ”Superharmonics”

+ EMI

[MatsT]

11 hours ago, Anders65 said:

Probemet när det gäller slutsteg som har en mycket dynamisk strömförbrukning (ej klass A) är de ofta är beroende av en stabil nätspänning för att prestera så bra som möjligt.

Bra påpekande. 

 

Det är säkert detta som gör att filtrering av nätspänning på storförbrukare med konventionell nätdel och stora kondensatorer inte upplevs positiv. 

Då är en faktor inringad och jag ser fram emot fler förklaringar av vad som händer med strömförsörjning av våra apparater.

 

[Anders65]

38 minutes ago, MatsT said:

Då är en faktor inringad och jag ser fram emot fler förklaringar av vad som händer med strömförsörjning av våra apparater.

Jag tror att många filter inte tar hänsyn till den typ av väldigt dynamisk last som ett slutsteg är. Det finns poänger med att använda filter, men då måste de vara konstruerade så att impedansen sett från förstärkaren snarare minskar jämfört med att ansluta en vanlig nätkabel direkt. Hur kan man då göra detta?

 

Ja det finns många sätt förstås. Det elegantaste tycker jag är att använda en klass D eller AB förstärkare som skapar en filtrerad och reglerad 230VAC-nätspänning till slutsteget. Gör man en bra konstruktion kan man få en mycket låg impedans och distortion över hela audiofrekvensområdet => optimala förutsättningar för slutsteg. Ett annat sätt som visserligen bara funkar en bit upp i frekvens är att använda en PFC-kondensator (Power Factor Correction) direkt efter nätfiltret. Filtret måste ha så låg DC-resistans som möjligt och matchas ihop med PFC-kondensatorn. En enkel lösning, som borde ge lite bättre förutsättningar för slutsteg jämfört med en enkel nätkabel. Ska göra lite simuleringar på det tror jag.

[Anders65]

Det var lite tyst från mig ett par dagar här... men jag har försökt simulera vad som händer med frekvensspektrat på utspännningen från en vanlig 50 Hz toroidtrafo med helvågslikriktning, glättningskondensator och resistiv last när jag tillför en överlagrad "störsignal" på 10 kHz på nätspänningen. Syftet är att se vad som händer med spänningen i ett slutsteg med en vanlig linjär strömförsörjning om vi får in en störning via nätspänningen. Blir det bara en liten rest kvar av störningen eller händer det något annat?

 

Jag har mätt upp en toroidtrafo på 160VA och använder värdena för den SPICE-modell jag kör simuleringen med.

 

Att jag kör med 10 kHz är bara ett exempel för att se vad som uppstår om det finns överlagrade störningar på nätspänningen.

 

Det visade sig att det skapas en mängd intermodulationsprodukter av 10 kHz och 50 Hz som sprider sig över frekvensspektrat.

 

 

 

[Anders65]

Med ovanstående resultat så betyder det att det finns risk för att störningar på nätspänningen som ligger högre upp i frekvens än audioområdet letar sig in i det hörbara området genom den intermodulation som uppstår i strömförsörjningen av apparater. Detta tycker jag talar för att det är en fördel att filtrera nätspänningen bredbandigt för att minimera risken för detta. Men samtidigt måste man se till att inte öka impedansen på inkommande nätspänning eftersom det kan påverka dynamiska egenskaper hos ex slutsteg. Fortsätter att gräva lite kring detta.

[VoicesInMyHead]

2 minutes ago, Anders65 said:

Med ovanstående resultat så betyder det att det finns risk för att störningar på nätspänningen som ligger högre upp i frekvens än audioområdet letar sig in i det hörbara området genom den intermodulation som uppstår i strömförsörjningen av apparater. Detta tycker jag talar för att det är en fördel att filtrera nätspänningen bredbandigt för att minimera risken för detta. Men samtidigt måste man se till att inte öka impedansen på inkommande nätspänning eftersom det kan påverka dynamiska egenskaper hos ex slutsteg. Fortsätter att gräva lite kring detta.

 

är det dock en kabels uppgift att göra denna filtrering? vill man inte överlåta detta åt någon form av "strömrenare" innan kablarna för att sedan inte ha någon begränsande eller hämmande faktor i kablarna?

[Anders65]

1 minute ago, VoicesInMyHead said:

är det dock en kabels uppgift att göra denna filtrering? vill man inte överlåta detta åt någon form av "strömrenare" innan kablarna för att sedan inte ha någon begränsande eller hämmande faktor i kablarna?

Jag delar din åsikt i att problemet inte löses ett filter i kabeln som man ansluter i apparaten. Ett enkelt filter riskerar att precis som du skriver att bli begränsande eller hämmande genom den ökade impedansen 

 

Men jag jobbar lite på en ny typ av kabellösning som hanterar både impedansproblemet och behovet av filter. Jag vill ha en generisk lösning för sista metern till känsliga apparater. Men jag behöver jobba mer med impedansproblemet innan jag ser exakt hur en sådan lösning skulle se ut. Har beställt lite material för initiala tester men jag behöver komplettera min mätrigg med en bredbandig strömprob. 

[Sammy]

Du kanske skulle höra lite med Respons Reidar ifall han har lust att dela med sig av sina tankar när det gäller elkablage.

 

 

[Anders65]

39 minutes ago, Sammy said:

Du kanske skulle höra lite med Respons Reidar ifall han har lust att dela med sig av sina tankar när det gäller elkablage.

 

 

Tackar för tipset. Jag kollar :-)

[conan]

Hur stor dämpning av 10kHz fick du i trafon?

 

Principiellt kan man ju fläska på med ett brant ingångsfilter innan trafon men sen kan man se trafon som ett filter i sig själv också.

 

Kanske mäta upp magnetfältet runt trafon och se hur illa det är med 10kHz? Det är inte så roligt att få in en magnetiskt inducerad 10kHz nånstans.

 

[Anders65]

8 minutes ago, conan said:

Principiellt kan man ju fläska på med ett brant ingångsfilter innan trafon men sen kan man se trafon som ett filter i sig själv också.

Trafon har förstås även en filtrerande funktion. Jag har med läckinduktansen på primär o sekundärsida, DC-resistanserna i lindningarna och kapacitansen mellan primär och sekundär lindning. Det jag inte har med i modellen är magnetiska förluster och effekter av de virvelströmmar som blir relevanta när man kommer upp i frekvens. Så filtereffekten i trafon med min modell blir kanske en indikation, men inte helt korrekt. Men jag kan kolla lite på det med modellen jag har.

[Anders65]

6 hours ago, Anders65 said:

Men jag kan kolla lite på det med modellen jag har.

Det blir inte mycket till filter med transformator-modellen jag har. Men förlusterna i en 50 Hz trafo ökar med frekvensen, vilket ger en slags filterverkan. Men den motverkas dock till någon del av kapacitansen mellan primär- och sekundär-sidorna. Så hur karaktäristiken ser ut varierar nog mellan olika typer av transformatorer skulle jag tro.