LABORATORNÍ ÚLOHA č.1

Vyhodnocení odebíraných proudů spotřebičů používaných v domácnostech a kancelářích Katedra elektroenergetiky a ekologie, Západočeská univerzita v Plzni

___________________________________________________________________________

LABORATORNÍ ÚLOHA č.1 Vyhodnocení odebíraných proudů spotřebičů používaných v domácnostech a kancelářích

Cíl úlohy: Seznámit se s analyzátorem kvality elektrické energie Chauvin Arnoux C.A 8335 Qualistar Plus, jako představitelem analyzátorů určených pro provozní měření. Zjistit průběhy odebíraných proudů typických kancelářských spotřebičů, charakteristické harmonické odebíraných proudů (řád a úroveň dané harmonické) a charakter (účiník) odebíraného proudu daných spotřebičů. Seznámit se s obsahem normy stanovující meze pro emise proudu harmonických u zařízení se vstupním proudem do 16A.

Zadání: Změřte odebírané proudy a výkony vybraných spotřebičů, porovnejte je se štítkovými hodnotami, proveďte analýzu odebíraných výkonů, účiníku, harmonického zkreslení proudů a napětí zvolených spotřebičů pomocí analyzátoru a zkontrolujte odebírané harmonické proudy s limitními udanými v příslušných ČSN.

Dílčí úkoly měření: 1) Zaměřte parametry napájecího napětí (obsah harmonických) a porovnejte je s limity uvedenými v normě ČSN EN 50 160. Vyhovuje napětí v odběrném místě normě? 2) Změřte průběh proudu a proudové harmonické zkreslení THD daných spotřebičů a porovnejte je s typickým průběhem proudu a hodnotou THD pro tuto skupinu spotřebičů (viz tabulku 3). Odpovídá průběh proudu a obsah harmonických typickým hodnotám? 3) Vysvětlete, proč čistě odporové spotřebiče, např. rychlovarná konvice, odebírá harmonické proudy. 4) Porovnejte proudové harmonické zkreslení THD měřených spotřebičů (zvolte pouze jeden monitor a jeden stav otáček ventilátoru) a zakreslete je do sloupcového grafu. 5) Stanovte řády harmonických proudů a srovnejte je s typickým výskytem pro daný typ zařízení (viz tabulku 2). Odpovídá obsah harmonických typickým hodnotám? 6) Změřte úroveň výrazných harmonických proudů (v %) pro dané spotřebiče a ve formě libovolné grafu je porovnejte (pro každý řád výrazné harmonické). 7) Zjistěte charakter odebíraného proudu daných spotřebičů (činný, induktivní, kapacitní) a zpracujte přehled účiníků PF a cos φ všech spotřebičů (pro všechny monitory a otáčky ventilátoru) do tabulky. Pokuste se výsledky zobecnit. 8) Zhodnoťte působení kancelářských spotřebičů na kvalitu elektrické energie a zkontrolujte, zda-li měřené spotřebiče vyhovují normě ČSN EN 61000-3-2 stanovující meze pro emise proudu harmonických daným druhem zařízení (viz tabulky 4 a 5).

Laboratorní úloha č.1

1


___________________________________________________________________________

Analyzované spotřebiče: Monitor 1: DAEWOO 523X; 100-240 V AC; 50/60 Hz; 1,5-0,7 A; Monitor 2: MicroScan 2E/ADI; 100-240 V AC; 50/60 Hz; 1,8 A; LCD monitor: HP 1702; Notebook: ASUS K53U-SX071; PC procesor: Pentium 4; 2,8 GHz; 504 MB RAM; Televizor: FUNAI MK6; 220 V, 70 W; 50 Hz; Rychlovarná konvice: ETA B729; 2 000 W; 230 V; 50 Hz; Vysokotlaká sodíková výbojka: OSRAM NAV-T 70; 70 W; Žárovka: PHILIPS; 230 V; 60 W; Větrák: PROline PSF400; 220-240 V; 50 Hz; 50 W; Vysavač: ETA 7400; 220 V; 50 Hz; 1 000 W; Mikrovlnná trouba: SENCOR; 230 V; 50 Hz; 1 200 W

Postup měření: 1) 2) 3) 4)

Pospojujte jednotlivá zařízení tvořící měřený obvod. Nastavte analyzátor pro měření v 1f soustavách (druh měřené soustavy). Připojte analyzátor do obvodu pomocí proudových a napěťových senzorů. Připojte obvod ke zdroji napětí 400/230 V a podle potřeby uveďte patřičný spotřebič do aktivního režimu. 5) V režimu sledování průběhů proveďte odečet efektivních hodnot proudu a napětí a porovnejte je se štítkovými hodnotami. 6) Odečtěte hodnotu celkového harmonického zkreslení THD napětí a proudu, a z fázorového diagramu zjistěte charakter odebíraného proudu (činný, induktivní, kapacitní). 7) V režimu měření výkonů vyhodnoťte velikosti odebíraných výkonů, jejich charakter, účiníky PF a cos φ, a porovnejte se zjištěním z předchozího bodu. 8) V režimu harmonických proveďte analýzu harmonických napětí a proudů. Stanovte řády a velikost výrazných harmonických a celkové harmonické zkreslení THD. 9) Opakujte měření pro jednotlivé spotřebiče. 10) Zpracujte jednotlivé úkoly měření. Pozn.: a) Pro ventilátor proveďte odečet hodnot pro všechny tři otáčkové stavy. b) Pro vysokotlakou výbojku odečítejte hodnoty až po dosažení úplného výboje. c) Měření proveďte pro všechny typy monitorů.


2


___________________________________________________________________________

Teoretický základ úlohy Vlivem použití nelineárních spotřebičů dochází ke zhoršení „čistoty sítě“, kdy namísto sinusových průběhů napětí a proudů se objevují zkreslené (deformované) průběhy, které se sinusovému průběhu více či méně podobají (obr. 1). Nelineárním spotřebičem je míněno zařízení, které při sinusovém napájecím napětí odebírá nesinusový průběh proudu. Tyto druhy spotřebičů označujeme i pojmem zdroje harmonických.

Obr. 1. Průběh proudu deformovaný třetí a pátou harmonickou

Harmonické proudy a napětí (slangově vyšší harmonické) Odebíraný proud nesinusového průběhu můžeme pomocí Fourierova rozvoje funkce vyjádřit součtem sinusových složek (popř. i složky stejnosměrné), které mají různou amplitudu a jejichž frekvence jsou celistvým násobkem frekvence původního nesinusového průběhu. Proud odebíraný nelineárním spotřebičem lze vyjádřit Fourierovou řadou takto: i (t ) =

∞

∑ ih ( t )

h= 0

i ( t ) = 2 ⋅ I h ⋅ sin(hω t + ∂ h ) kde i0(t) = I0 je stejnosměrná složka a pro h>0 platí h . Sinusová složka o frekvenci shodující se s frekvencí nesinusové funkce, se nazývá základní harmonická. Ostatní sinusové funkce, jejichž frekvence je celistvým násobkem základní harmonické, se nazývají harmonické (slangově vyšší harmonické). Odebíraný harmonický proud vytváří na impedanci napájecí sítě (stanovené pro stejný řád harmonické) harmonický úbytek napětí, který deformuje napájecí napětí v místě přípojného bodu. Celková deformace (zkreslení) napájecího napětí je dáno superpozicí všech harmonických v odebíraném proudu.


3


___________________________________________________________________________

Napětí v místě připojení spotřebiče do sítě lze vyjádřit Fourierovou řadou takto: u(t ) =

∞

∑ uh ( t )

uh ( t ) = 2 ⋅ U h ⋅ sin(hω t + β h ) , kde u0(t) = U0 a pro h>0 platí: . V případě ideálně „tvrdé“ sítě, tj. sítě s nekonečně velkým zkratovým výkonem a tudíž s nulovou impedancí, nedochází k deformaci napájecího napětí a můžeme uvažovat napájecí napětí pouze o základní harmonické (za předpokladu, že před připojením spotřebiče bylo napájecí napětí sinusové). Nelineární spotřebič zpětně ovlivňuje (deformuje) průběh napájecího napětí a takto deformované napájecí napětí může negativně ovlivňovat chod dalších připojených spotřebičů. Z tohoto důvodu jsou normami stanoveny limity pro harmonické v odebíraném proudu spotřebičů. h= 0

Činný, jalový, deformační a zdánlivý výkon Základní definice výkonu vychází z definice okamžitého výkonu, kde platí: ∞

∞

h =0

h=0

p (t ) = u (t ) ⋅ i (t ) = ∑ u h (t ) ⋅ ∑ i h (t ) . Činný výkon spotřebovaný zátěží je definován jako střední hodnota okamžitého výkonu: T T 1 1 ∞ ∞ P = ∫ p(t )dt = ∫ ∑∑ u h (t ) ⋅ ih (t )dt T 0 T 0 h =0 h =0 , kde po úpravách se získá vztah: T ∞ ∞  ∞  1   P = P0 + ∑ Ph = U 0 ⋅ I 0 + ∑  ⋅ ∫ uh (t ) ⋅ ih (t ) ⋅ dt  = U 0 ⋅ I 0 + ∑ (U h ⋅ I h ⋅ cos ϕ h )  h =1 h =1  T 0 h =1

,

kde ϕ h = β h − α h . Činný výkon při neharmonickém průběhu proudu a napětí je roven součtu činných výkonů jednotlivých harmonických složek. Harmonická napětí a proudy nestejného řádu vykazují v součinu nulovou střední hodnotu, nepodílí se tedy na činném výkonu, nýbrž způsobují výkonové zkreslení. V případě sinusového průběhu napětí a proudu platí: P = U 1 ⋅ I 1 ⋅ cos ϕ1 = S ⋅ cos ϕ1 . Jelikož zdánlivý výkon je definován jako součin efektivních hodnot napětí a proudu: ∞

∞

h=0

h=0

∑ U h2 ⋅ ∑ I h2

S =U ⋅I =

a jalový výkon, který udává míru energie střídavě kmitající mezi zdrojem a spotřebičem, je definován vztahem: Q=

∞

∞

h =1

h =1

∑ Qh = ∑ (U h ⋅ I h ⋅ sin ϕ h ) ,

dochází u neharmonických průběhů k nerovnosti S ≥ P + Q , a proto je zaveden pojem 2

„deformační výkon“

D=

2

D = S 2 − ( P 2 + Q2 ) ; ∞

∑ [U k2 ⋅ I 2j + U 2j ⋅ I k2 − 2 ⋅ U k ⋅ I k ⋅ U j ⋅ I j ⋅ cos(ϕ k j≠k


2

−ϕj

)] .

4


___________________________________________________________________________

Deformační výkon představuje neužitečnou složku zdánlivého výkonu, vyvolává nárůst ztrát v napájecí síti a snížení využitelnosti sítě a spotřebičů. Skutečné rozložení vektorů výkonů je patrné z obr. 2.

Obr. 2 Vztah mezi činným, jalovým, deformačním a zdánlivým výkonem Účiník V neharmonických obvodech se kromě účiníku základní harmonické P P1 cos ϕ 1 = 1 = S1 P2 + Q2 1

1

P S ( označovaný také PF – „Power Factor“). definuje tzv. skutečný účiník Tyto účiníky jsou ve vzájemném vztahu λ = µ ⋅ cosϕ 1 , kde µ (někdy označováno jako q) je činitel zkreslení (deformace či kvality). Tento činitel respektuje nejen přítomnost vyšších harmonických, ale také nesouměrnost a nevyváženost odběru.

λ=

Vyhodnocení obsahu harmonických v naměřeném průběhu napětí či proudu Efektivní hodnota deformovaného průběhu proudu či napětí je rovna geometrickému součtu efektivních hodnot jednotlivých harmonických složek

U = U + U +...+U = 2 0

2 1

2 h

∞

∑U k =0

2 h

. Deformovaný průběh může být popsán pomocí procentuálního vyjádření harmonických vztažených k napětí základní harmonické nebo k jmenovité hodnotě napětí: U u h % = h ⋅ 100 [%] U U1 , nebo u = h ⋅ 100 % h%

Un

[ ]

Obsah vyšších harmonických lze popsat pomocí celkového harmonického zkreslení THD n

∑U THD =

h=2

U1

2 h

⋅ 100 [%]

(Total Harmonic Distortion): . Při měření se harmonické vyhodnocují do řádu n = 50, pro výpočty stačí do n = 40.


5


___________________________________________________________________________ Stejné vztahy je možné aplikovat při vyhodnocení harmonických složek v odebíraném proudu spotřebiče. Činitel výkyvu (Crest Factor) CF je poměr mezi špičkovou hodnotou napětí (proudu) a efektivní hodnotou harmonického napětí (proudu) U CF = max ⋅100 [ %] U Pro sinusový průběh CF = 2 = 1, 41 .

Úroveň harmonických v napájecím napětí Zařízení odběratelů musí být schopno činnosti bez zhoršení své funkce až do určité úrovně harmonických v síti. Mez odolnosti zařízení leží nad tzv. kompatibilní úrovní. Ta vyjadřuje maximální úroveň elektromagnetického rušení, o které se předpokládá, že bude ovlivňovat zařízení v konkrétních podmínkách (může být překročena pouze s malou pravděpodobností). Kompatibilní úrovně pro sítě nn jsou stanoveny příslušnou normou ČSN EN 61000-2-2. Hodnoty harmonických napětí v odběrném místě stanovuje norma ČSN EN 50 160 (Tab.1), mimoto celkový činitel zkreslení THD napájecího napětí (zahrnující všechny harmonické až do řádu 40) musí být menší nebo roven 8 %. Tab. 1

Kompatibilní úrovně harmonických napětí dle ČSN EN 61000-2-2 a úrovně harmonických napětí v odběrném místě sítí nn podle ČSN EN 50160 Harmonická napětí v % Un Řád harmonické h IEC 1000-2-2 EN 50 160 Liché hodnoty h nedělitelné 3 5 6 6 7 5 5 11 3,5 3,5 13 3 3 17 2 2 19 1,5 1,5 23 1,5 1,5 25 1,5 1,5 větší než 25 0,2+12,5/h neuvádí Liché hodnoty h dělitelné 3 3 5 5 9 1,5 1,5 15 0,3 0,5 21 0,2 0,5 větší než 21 0,2 neuvádí Sudé hodnoty h 2 2 2 4 1 1 6 0,5 0,5 8 0,5 0,5 10 0,5 0,5


6


___________________________________________________________________________ Harmonická napětí v % Un Řád harmonické h IEC 1000-2-2 EN 50 160 12 až 24 0,2 0,5 větší než 24 0,2 neuvádí

Kompatibilní úrovně mohou být překročeny s 5 % pravděpodobností jak v čase, tak i s ohledem na lokalitu sítě, zatímco charakteristické parametry napětí mohou být překročeny po 5 % stanovené doby sledování, přitom se však toto překročení týká všech odběrných míst v síti. Tímto jsou některé hodnoty charakteristických parametrů podle normy ČSN EN 50 160 větší než kompatibilní úrovně. Je to vyvoláno různými strukturami a charakteristikami evropských sítí. Poznámka: Všeobecný přístup ČSN EN 50160 je vyjádřit všechny charakteristiky napětí ve vztahu k jmenovitému napětí. Norma tedy udává hodnoty harmonických (Tab.1) ve vztahu k jmenovitému napětí. To se odchyluje od obecného postupu, kterým se mají vyjadřovat složky harmonických napětí procentním podílem k základní složce napětí. Mnohé přístroje pro měření harmonických vyjadřují výsledky měření ve vztahu k základní harmonické složce, zejména ty, které měří činitel harmonického zkreslení (THD). Naměřené hodnoty harmonických je potřebné před porovnáváním s hodnotami v ČSN EN 50160 pronásobit přepočítávacím koeficientem, poměr základní harmonické ku hodnotě jmenovitého napětí. Přepočítávací koeficient je obvykle blízký jedné.

Zdroje vyšších harmonických Zdrojů vyšších harmonických je velké množství. Nesinusové proudy jsou odebírány například následujícími zařízeními: obloukové a středofrekvenční elektrické pece, zařízení na bázi výkonové elektroniky (usměrňovače, statické frekvenční měniče, výkonové měniče napětí aj.), svářecí agregáty, přesycené indukčnosti, výbojky, stmívače, televizory, PC, DVD přehrávače, větráky, mikrovlnné trouby, síťové zdroje, zdroje UPS apod. Tab.2

Výskyt jednotlivých harmonických v odebíraném proudu spotřebičů

řád harmonické h 1 2 3 4 5 6 7

zdroje harmonických řádu h základní harmonické výskyt netypický nevyskytuje se u symetrických zátěží svařovací stroje a obloukové pece typická pro tyristorové měniče jen při poruchových stavech zařízení typická pro tyristorové měniče

Všechny zdroje harmonických lze rozdělit s respektováním jejich očekávané soudobosti do dvou skupin podle velikosti celkového harmonického zkreslení THD jejich odebíraného proudu. Do první skupiny patří zařízení s THDi od 10 % do 25 % včetně, do druhé skupiny s THDi vyšší než 25 %.


7


___________________________________________________________________________ Tab. 3 Charakteristiky některých typických zdrojů harmonických

Mez vyzařování určuje maximální hodnotu harmonických způsobenou jedním zdrojem rušení. Skutečná hodnota rušení způsobená jedním zdrojem nesmí tuto hodnotu překročit. V normě ČSN EN 61000-3-2 jsou uvedeny meze pro emise harmonických proudů pro elektrická a elektronická zařízení, která se připojují na napájecí síť nn a jejich vstupní proud nepřesahuje 16 A. Z hlediska této normy jsou všechny elektrické spotřebiče rozděleny do těchto tříd: A: symetrické trojfázové spotřebiče, domácí spotřebiče kromě těch patřících do skupiny D, nářadí kromě přenosných, stmívače pro žárovky, zvuková zařízení B: přenosné elektrické nářadí C: světelná zařízení D: osobní počítače a monitory osobních počítačů, televizní přijímače s příkonem do 600W (tj. zařízení s usměrňovačem a kondenzátorem na vstupu) Mezní hodnoty harmonických složek napájecího proudu 50 Hz pro elektrická zařízení třídy A a B jsou uvedeny v Tab.4. Relativní mezní hodnoty harmonických složek pro svítidla ve třídě C podle této normy jsou obsaženy v Tab.5 a pro zařízení třídy D jsou příslušné meze harmonických definovány v závislosti na jmenovitém příkonu zařízení.


8


___________________________________________________________________________ Tab.4

Mezní hodnoty harmonických složek napájecího proudu spotřebičů třídy A a B

Řád harmonické složky napájecího proudu h

Maximální dovolený proud harmonické [A] Třída A

Třída B Liché harmonické

3

2,3

3,45

5

1,14

1,71

7

0,77

1,155

9

0,4

0,6

11

0,33

0,495

13

0,21

0,315

15 ≤ h ≤ 39

0,15·15/h

0,225·15/h Sudé harmonické

2

1,08

1,62

4

0,43

0,645

6

0,3

0,45

8 ≤ h ≤ 40

0,23·8/h

0,345·8/h

Tab.5 Mezní hodnoty harmonických složek pro svítidla ve třídě C a pro zařízení třídy D

Třída C

Třída D

Řád harmonické složky napájecího proudu h

Maximální dovolený proud harmonické [%] (vstupního proudu základní harmonické)

Maximální dovolený proud harmonické na 1 W příkonu [mA/W]

2

2

3

30·PF

3,4

5

10

1,9

7

7

1

9

5

0,5

11

3

0,35

13

3

0,296

15 ≤ h ≤ 39 (jen liché)

3

3,85/h


9

LABORATORNÍ ÚLOHA č.1

Recommend Documents