4 Blikání světelných zdrojů způsobené kolísáním napětí Cíl: Cílem laboratorní úlohy je ověření vlivu rychlých změn efektivní hodnoty napětí na vyzařovaný světelný tok světelných zdrojů. 4.1 Úvod Světelný tok, jakožto hlavní výstupní parametr světelných zdrojů, je závislý na kvalitě napájecího napětí. Kvalita napájecího napětí je posuzována podle mnoha hledisek (kmitočet sítě, odchylky napájecího napětí, krátkodobé poklesy a přerušení napájecího napětí, rychlé změny napětí, nesymetrie napájecího napětí apod.), přičemž všechny parametry kvality napětí se musí pohybovat v předepsaných tolerancích. Všechny parametry včetně povolených mezí udává norma ČSN EN 50160. Pod pojmem rychlé změny napětí se rozumí kolísání maximální hodnoty napětí Umax a tím i efektivní hodnoty napětí Uef v čase (upřesněno níže). Jestliže má efektivní hodnota napětí v elektrické síti tendenci ke kolísání, dochází k ovlivnění činnosti všech připojených elektrických zařízení, přičemž míra ovlivnění správné funkce připojených zařízení je dána především konstrukcí daného zařízení. Na rychlé změny napětí jsou velmi náchylné světelné zdroje. Světelný tok je úměrně závislý na velikosti napájecího napětí, tzn. že změna efektivní hodnoty napětí se projeví změnou světelného toku. Pakliže má napětí kolísavý průběh v čase, rovněž světelný tok, vyzařovaný světelným zdrojem připojeným na toto napětí, v čase kolísá. V závislosti na velikosti napěťových změn a frekvenci kolísání napětí (rychlosti napěťových změn) může dojít až k blikání světelných zdrojů. 4.2 Rozbor úlohy Flikr je vjem nestálosti zrakového vnímání vyvolaný světelným podnětem, jehož jas nebo spektrální rozložení kolísá v čase. Je to důsledek kolísání napětí, které může být způsobeno rušením na straně výroby, přenosu i distribuce elektrické energie. Kolísání napětí je definováno jako série změn efektivní hodnoty napětí nebo jako cyklické změny obálky křivky napětí (Obr.XY) a bývá převážně způsobeno velkou proměnlivou zátěží, tedy zátěží, u níž se rychle mění činný a jalový odběr elektrické energie. Mezi takové zátěže se řadí obloukové pece, pohon válcovacích stolic, navíječky apod. Příčinou kolísání napětí však můžou být i zařízení menších výkonů, např. svářečky, regulátory výkonu, elektrické kladiva, kompresory, výtahy, … V poslední době je flikr stále častěji spojován s provozem větrných elektráren. Kolísání napětí se popisuje následujícími parametry: -
amplituda změn napětí (rozdíl mezi maximální a minimální efektivní nebo špičkovou hodnotou, které se objeví během rušení)
-
počet napěťových změn za jednotku času (frekvence kolísání)
-
následný efekt (např. flikr) napěťových změn spojených s rušením
Obr. 1: Příklad kolísání napětí v elektrické síti Vliv kolísání napětí na elektrická zařízení Kolísání napětí značně ovlivňuje činnost elektrických zařízení připojených k elektrické síti. Do jaké míry bude dané elektrické zařízení kolísáním napájecího napětí ovlivněno, však závisí na mnoha dalších aspektech, zejména konstrukcí elektrického zařízení, aktuálním zatížením zařízení, opotřebením zařízení vlivem stáří, apod.
Obr. 2: Změny jalového výkonu a následné kolísání napětí v bodě připojení obloukové pece [8] Točivé elektrické stroje Kolísání napětí na svorkách indukčního motoru způsobuje změny otáček hřídele a též změnu skluzu, což se negativně promítá do výrobního procesu. V krajních případech může kolísání napětí způsobovat nadměrné vibrace, redukce mechanické pevnosti a zkrácení doby
životnosti. U synchronních strojů kolísání napětí způsobuje též kmitání rotorů, změny otáček a zvýšení ztrát. Zařízení na elektrický ohřev – topné spirály, obloukové pece apod. Spotřebičům patřícím do této kategorie klesá vlivem kolísání napětí jejich provozní účinnost. Světelné zdroje Světelné zdroje reagují na každou změnu amplitudy napájecího napětí změnou vyzařovaného světelného toku (flikr). Prostřednictvím světelných zdrojů se rušivé účinky kolísání napětí přenášejí i na živé bytosti (člověka), neboť blikání světelných zdrojů významně narušuje vidění, způsobuje nepohodlí a výrazně zvyšuje únavu. Blikající světelné zdroje mohou způsobit též zhoršení kvality práce, v některých případech mohou vézt až k nehodám na pracovišti.
Obr. 3: Vliv změn napětí na světelný tok žárovky 230V, 60W [8] Obr. 3.17 jasně dokazuje závislost světelného toku světelného zdroje (žárovky) na velikosti napájecího napětí. Obalová křivka napájecího napětí může mít různé tvary, v případech zakreslených na Obr. 3.15 a Obr. 3.17 hovoříme o tzv. obdélníkové modulaci napětí. Tento typ modulace je charakterizován počtem změn za minutu a velikostí změny ∆U od střední hodnoty. Dalšími typy modulací jsou sinusová, trojúhelníková, … .
4.3 Popis laboratorní úlohy Úloha se skládá z těchto základní částí: - zdroj sinusového napětí 230 V 50Hz - model napájecí sítě - model zátěže s kolísavým odběrem - měřiče míry vjemu blikání - referenčního zdroje a dalších typů světelných zdrojů
-
měřiče světelného toku
Obr. 2. Principální zapojení úlohy Zdroj sinusového napětí napájí model zátěže s kolísavým odběrem Proud do zátěže protéká modelem napájecího vedení. Je možné pomocí flikrmetru sledovat úroveň kolísání napětí v závislosti na: -
elektrické vzdálenosti od zdroje flikru
-
velikosti zátěže a kmitočtu spínání
Na připojeném světelném zdroji je možné posoudit subjektivní vjem flikru vznikající na různých světelných zdrojích (teplotní, výbojové, LED) a pomocí fotočlánku provést měření a analýzu generovaného světelného toku.
Měření kolísání napětí Měření flikru je provedeno pomocí virtuálního měřícího přístroje v prostředí LabView, které bude získává data z měřící karty NI USB-6009. Digitální flikrmetr odpovídá normě CSN 61000-4-15. Přístroj umožňuje měření okamžité, krátkodobé a dlouhodobé míry vjemu flikru a zobrazení kolísání napětí. Zároveň bude prováděno měření skutečného kolísání světelného toku připojeného světelného zdroje za pomocí fotočlánku připojeného k měřící kartě. Virtuální přístroj bude spouštěn na počítači z výbavy laboratoře.
Fotočlánek Pro měření časového průběhu a analýzu generovaného světla slouží fotodioda adaptovaná na spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele BPW 21 s transimpedančním zesilovačem LMV793.
Multifunkční karta NI USB-6009 Karta je vybavena osmi analogovými vstupy, které slouží k měření kolísání napětí a měření kolísání světelného toku. Do vstupu AI0 a aAI1 je připojen Voltage Transduer a do vstupu AI2 je připojen fotočlánek. Dále je vybavena dvěma analogovými výstupy, kterými jsou ovládány modely spotřebičů.
Zdroj sinusového napětí Jako zdroj sinusové napětí je použit buď stabilizovaný laboratorní zdroj nebo je možné úlohu napájet přímo ze sítě.
Model sítě Model sítě je tvořen třemi identickými moduly, které mohou být propojeny do série a je tak možné dosáhnout celkového úbytku napětí až 7,7 % při předpokládaném proudu 1 A. Každý modul má nastavitelnou impedanci ve 3 stupních. Impedance každého modulu je tvořena sériově zapojeným odporem a indukčností, se vzájemným poměrem 0,25+j0,16. Indukčnost je tvořena vzduchovou cívkou s indukčností 1 mH a odpor je tvořen rezistorem 0,22 Ω. Celková impedance jednoho stupně je tedy 0,54 + j 0,314 Ω. Celková impedance jednoho modulu je 1,62 + j 0,942 Ω Každý modul je uložen v samostatné skříňce, počet zapojených stupňů je volen zapojením bezpečnostního laboratorního vodiče do vhodné zdířky. Model kolísavé zátěže – zdroj kolísání napětí Rychlým spínáním odporové zátěže je dosaženo kolísání proudu v napájecím vedení a tím kolísání úbytku napětí na impedanci vedení. To se projeví kolísáním napětí, které roste se vzdáleností od zdroje napětí. Napětí na svorkách zdroje zůstává konstantní, největší kolísání napětí je na svorkách zátěže. Model kolísající zátěže je tvořen externím zátěžným rezistorem a rychlým spínačem. Zátěžný rezistor je připojován k síti pomocí tzv. Solid State Relay, tedy polovodičového bezkontaktního relé. K dispozici jsou dvě relé, jedno se spínáním v nule a druhé s fázovou regulací výkonu. Každé je možné ovládat nezávisle a vytvořit tak dvě kolísající zátěže. Charakter spínání se nastavuje ovládacím software. Zátěžný rezistor je tvořen sériovým zapojením dvou rezistorů, pevný s hodnotou R21 = 150 Ω a reostat R22 = 0…250 Ω; Je tedy možné spínat proud v rozsahu 0,5 – 1,5 A. Pevný rezistor nedovolí překročení proudu obvodem nad 1,5 A. (Velikost je limitována dovolenou proudovou hustotou v cívce modelu sítě).
Ovládání relé Polovodičové relé se ovládá napětím 0-5 V, které je galvanicky odděleno od spínaného obvodu. Ovládací napětí je generováno pomocí multifunkční karty NI USB-6009, která je připojena k počítači pomocí rozhraní USB. Zároveň bude tato karta slouží jako měřící karta pro flikrmetr.
Pozorovací prostor Tento světelný zdroj umístěte do blackboxu, aby se zamezilo interferenci světelných toků testovaného světelného zdroje s ostatními světelnými zdroji v místnosti.
4.4 Úkol měření Změřte úrovně krátkodobé míry vjemu flikru Pst na začátku a konci modelu vedení pro: -
různé délky vedení
-
různé typy spotřebiče
různých úrovních amplitudové modulace napájecího napětí s různým kmitočtem modulace. Porovnejte vliv kolísání napětí na velikost vyzařovaného světelného toku předložených světelných zdrojů. Zjistěte vlastní křivku mezního vjemu blikání pro obdélníkovou modulaci napájecího napětí v rozsahu 1 - 49 Hz. 4.5 Postup měření 15. Zkontrolujte, zda vaše pracoviště obsahuje vše potřebné pro měření. Na stole musí být umístěny: a. Počítač s dotykovým displejem b. Měřicí karta NI USB 6009 připojená k USB portu počítače c. Měřicí převodník napětí (Voltage Transducer) připojený k měřicí kartě d. Tři skříňky s modely sítí e. Skříňka s modelem spotřebiče kabelem připojená k měřicí kartě f. Zátěžné rezistory g. Propojovací vodiče h. Pozorovací prostor se světelným zdrojem a fotočlánkem, připojeným k měřicí kartě. 16. Zapojte úlohu podle schématu za pomoci laboratorních vodičů umístěných na
pojízdném stojanu. Všechny modely sítí spojte do série pro vytvoření maximální impedance sítě. 17. Do objímky v pozorovacím prostoru zašroubujte světelný zdroj. Budete pracovat s žárovkou 60W, halogenovou žárovkou a kompaktní zářivkou. 18. Připojte napájení k modelu spotřebiče a k fotočlánku 19. Zapněte počítač, otevřete složku MPQ1-U4 uloženou na ploše. Zde jsou programy pro ovládání spotřebiče a měřič blikání. 20. Spusťte měřič blikání zástupcem UIF_MPQ1_2010. Nastavte měřič blikání na agregační interval 1 minuta. 21. Spusťte ovladání spotřebiče zástupcem SPOT_MPQ1_2010. 22. Nechte zapojení zkontrolovat vyučujícím 23. Zapněte napájení stykačem na laboratorním stole 24. Nastavte zátěžný rezistor na hodnotu maximálního odporu 25. Stiskněte v programu SPOT tlačítko „Kalibrace“ 26. Nastavte zátěžný rezistor tak, aby obvodem protékal proud 1 A. 27. Přemostěte kontrolní ampérmetr a odpojte ho obvodu. 28. Stiskněte v programu SPOT tlačítko „Konec kalibrace“ 29. Nastavte v programu SPOT v položce „Typ spotřebiče“ volbu „Rámová pila“ 30. Stiskněte tlačítko „Zapnout spotřebič“ 31. Sledujte nyní program UIF. V levé části vidíte úroveň kolísání napětí na záčátku a na konci vedení. V pravé části sledujete velikost skutečného kolísání světelného toku měřeného zdroje. Hodnoty si zaznamenejte. 32. Stiskněte v programu SPOT tlačítko „Vypnout spotřebič“ a proveďte jednu z následujících úprav podle zadání a. Připojte světelný zdroj a měřič blikání k modelu napájecího vedení na začátek, 1/3 nebo na 2/3 délky a vraťte se k bodu 16 b. Změňte typ spotřebiče na „Oblouková svářečka“ a vraťte se k bodu 16 c. Vyměňte světelný zdroj v pozorovacím prostoru a vraťte se k bodu 16 33. Zaznamenané hodnoty zpracujte dle zadání.
4.6 Zpracování výsledků Naměřené hodnoty pro všechny typy naprogramovaných amplitudových modulací výstupního napětí zapište do přehledné tabulky.
4.7 Závěr Proveďte zhodnocení výsledků měření, porovnejte odolnost testovaných světelných zdrojů vůči kolísání napájecího napětí (parametrem je vyzařovaný světelný tok) a odůvodněte rozdíly v odolnostech měřených světelných zdrojů. Srovnejte výsledky měření pro různé elektrické vzdálenosti světelného zdroje od rušivého spotřebiče. Vyjádřete se k přesnosti měření. Shrnutí: Kolísání napětí v elektrické síti, způsobené především časovou změnou jalového výkonu na proměnlivé zátěži, ovlivňuje správnou funkci všech připojených elektrických spotřebičů. Dopad kolísání napětí na funkci spotřebiče je nejlépe viditelný u světelných zdrojů – vyzařovaný světelný tok je úměrný přiloženému napětí. Tento jev je známý též pod názvem flikr. Flikr je tedy subjektivní vizuální dojem při nestabilním světelném toku, jehož jas nebo spektrální rozložení se mění v čase. Blikání světelných zdrojů (flikr) má negativní účinky na člověka, což bylo hlavní příčinou zavedení povolených úrovní míry vjemu flikru. Povolené úrovně flikru jsou uvedeny v normě ČSN EN 50160 – Charakteristiky napětí veřejné distribuční sítě.
