Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení
47
3.1.11 Měření zapínacího proudu elektrických spotřebičů Cíl: Seznámit studenty s průběhy zapínacích proudů různých spotřebičů v závislosti na podmínkách v okamţiku připojení. 3.1.11.1 Úvod
Po přivedení napájecího napětí na jakýkoliv spotřebič probíhá přechodný děj různých průběhů, který je dán jednak charakterem zátěţe, kterou představuje spotřebič pro napájecí síť, a dále parametry samotné sítě a okamţiku připnutí. 3.1.11.2 Rozbor úlohy
Elektrické spotřebiče představují z hlediska parametrů vstupního odvodu, téměř celé moţné spektrům zátěţí sítě, které se mohou v reálných situacích vyskytnout. Přičemţ se jedná spotřebiče statické, ale i dynamické, tudíţ uvaţovaný přechodný děj můţe mít charakter elektromagnetický, ale i elektromechanický. Provedeme-li rozbor pouţívaných spotřebičů je patrné, ţe u všech dojde při připojení k distribuční síti k proudovým nárazům, které mohou při velkých výkonech představovat problém z hlediska koordinace jistících prvků. V případě odporových zátěţí, kterou můţeme v prvním přiblíţení povaţovat za čistě rezistentní, je rezistivita závislá přímo úměrně na teplotě a tedy protékající proud se bude měnit podle Ohmova zákona adekvátně tomu. Značným zapínacím proudem se projevují měniče s napěťovým meziobvodem, kde je přechodný děj spojen s nabíjením vyhlazovacího kapacitou. Například u výbojových zdrojů světla a to aţ na výjimky prochází celý start specifickými fázemi, které znamenají značně dynamicky měnící se průběh okamţité hodnoty proudu doprovázený proudovými impulsy. Souhrnně lze říci, ţe průběh zapínacího proudu spotřebičů je dán především zapojením a dimenzování vstupních elektrických obvodů spotřebiče a jejich principem funkce. De-fakto průběh okamţité hodnoty zapínacího proudu v prvních několika málo periodách síťové frekvence souvisí s připojováním kapacity, indukčnosti a/nebo teplotně závislého odporu, za specifických počátečních podmínek, daných především fází napětí v okamţiku sepnutí a výchozím stavem připojovaného prvku, přes impedanci napájecí cesty. Na základě uvedeného je moţně sestavit zjednodušen matematický model ve formě diferenciálních rovnic, jejichţ řešením dostaneme průběh proudu. Abychom však postihli všechny souvislosti, byl by matematický popis příliš sloţitý. V takovém případě je jednodušší zjistit průběh zapínacího proudu měřením. Z hlediska odezvy napájecího systému na zapínací proudy nás kromě průběhu okamţité hodnoty proudu při zapnutí i, zajímá maximální velikost zapínacího proudu, která je pro moţnost porovnání obvykle vztaţena k jmenovité efektivní hodnotě proudu odebíraného spotřebičem v ustáleném stavu: I SW ,rel
maxi IN
(-;A,A)
( 3.45 )
(A;VA,V,-)
( 3.46 )
Jmenovitou efektivní hodnotu proudu lze vypočítat podle vztahu IN
PN UN
kde PN je jmenovitý činný příkon, UN jmenovité napájecí napětí a celkový účiník odběru. Uvedené parametry jsou dostupné u kaţdého spotřebiče, případně mohou být změřeny. Typické hodnoty účiníku: spínaného počítačového zdroje λ=0,6, kompaktní zářivky λ=0,5 a ţárovky λ=1, nominální hodnota asynchronního motoru λ=0,8, atd.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
48
A dále efektivní hodnota proudu v první půl-periodě síťové frekvence: I1 p / 2
2 T
t SW T / 2 2
i
(A;s,A)
(t )dt
( 3.47 )
t SW
kde T je doba periody a tSW je okamţik sepnutí. Schéma zapojení měřícího pracoviště je na Obr. 3.19. Zátěţe jsou k napájecí síti připojeny přes spínač, triak (SSR) umoţňující řízení fáze zapnutí a vloţenou ve čtyřech stupních řízenou impedanci. Vlastní vnitřní impedanci napájecí sítě v místě připojení lze tak řízeně zvýšit. Řízení úhlu sepnutí stejně jako nastavení vloţené impedance je realizováno digitálními výstupy (DO) multifunkční karty NI USB 6009. Současně je analogovými vstupy (AI) přes převodníky měřen proud a napětí na vstupu a napětí na zátěţi. Ovládání DO a snímání AI je provedeno přes ovládací program v LabVIEW z PC. Vzhled čelního panelu ovládacího programu je na Obr. 3.20.
L ~230V 50Hz
Zátěţ
~230V 50Hz
N DO0-DO2
DO3
PE USB AI1 AI0 AI1 AI2
DO0-DO2 NI USB6009
DO3
~230V 50Hz
AI2
~230V 50Hz
Obr. 3.19: Schéma uspořádání měřícího pracoviště Před kaţdým měřením je třeba provést nastavení měřícího systému vycházející z předpokládaného průběhu proudu. Vţdy je tedy nezbytné odhadnout maximální hodnotu proudu při přechodném ději a podle toho nastavit převod proudového převodníku. Převodové konstanty proudového a napěťových převodníků se následně zadají do ovládacího programu tak, aby změřené průběhy byly ve správném měřítku. Nominální výstup převodníků je 5 V. Následuje volba impedance a zapínacího úhlu. Plné vloţené impedanci odpovídá volba (3/3), naopak při zvolení (0/3) prochází proud pouze přes vnitřní impedanci napájecí sítě a impedance napájecí cesty je tedy nejmenší. Doba ON time TON definuje dobu, po kterou bude zátěţ připojena od okamţiku připojení. Čas TON volíme dostatečně dlouhý, rovný celkové době trvání přechodného děje. Optimálně v závislosti na typu zátěţe, tedy očekávané délce přechodného děje, 10 aţ 100 period síťového kmitočtu. Jelikoţ je měření na stejné zátěţi opakováno několikrát a potřebujeme aby byly vţdy dodrţeny stejné počáteční podmínky musí být doba připojení ON time TON dostatečně krátká, typicky je vyhovující doba odpovídající 10-ti periodám.
Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení
49
Spouštění měření je moţné volit mezi reţimem Auto a Single. V reţimu Auto je spouštění automatické a v reţimu Single se řídí spouštěcími podmínkami zadávanými v následujícím. Pro náhled měřených signálů volíme reţim Auto a pro záznam přechodného děje reţim Single. Záznam přechodného děje je moţné spouštět od proudu s odpovídající hranou a úrovní, nebo od napětí na zátěţi. Nastavení doby Pre-trigger TPRE definuje délku záznamu před splněním trigrovací podmínky (pro zobrazení průběhů před připojením, kdy doba jedné periody nominálního síťového kmitočtu je dostatečná) a naopak dobou Post-trigger TPOST nastavíme délku záznamu přechodného děje od splnění spouštěcí podmínky. Čas TPOST volíme dostatečně dlouhý pro záznam celého přechodného děje, avšak ne příliš dlouhý s ohledem objem záznamu a dobu připojení zátěţe, nastavený čas delší neţ TON postrádá smysl. Součet obou časů určuje celkovou šířku záznamového okna. Sepnutí zátěţe se zvolenými parametry a záznam přechodného děje se provede tlačítkem Measure. Záznam se všemi parametry následně uloţíme tlačítkem Save.
Obr. 3.20: Čelní panel ovládacího programu 3.1.11.3 Úkol měření
Zapojte pracoviště podle schématu, případně překontrolujte zapojení a změřte zapínací proudy předloţených spotřebičů za zadaných podmínek a vydnoťte jejich průběh. V kaţdé měřící skupině musí alespoň jeden student s sebou přinést flash disk pro naměřená data. 3.1.11.4 Postup měření
1. Zapojte pracoviště podle schématu zapojení.
50
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
2. S ohledem na předpokládané velikosti zapínacích proudů (ODVOĎTE) nastavte měřící rozsahy převodníků tak, abyste zachytili poţadovaný přechodový jev při zapnutí. Stejně tak proveďte pro měřící převodníky napětí. 3. Připojte na napájení všechny zdroje obvodu a měřící či vyhodnocovací zařízení, kromě měřených spotřebičů. Síťové kabely připojte do zásuvek, Hlavní napájecí obvod na síťové napájení laboratorního stolu. Tento obvod nezapínejte! 4. Zapojte a zapněte PC, spusťte ovládací program a proveďte jeho nastavení (dle pokynů cvičícího). 5. Pro zapnutí hlavního silového obvodu vyčkejte příchodu cvičícího, který provede kontrolu pracoviště a zadá podmínky měření! 6. Připojte zadanou zátěţ a nastavte parametry měření (stupeň impedance a úhel sepnutí) dle pokynů. 7. Proveďte měření a záznam uloţte. 8. Opakujte měření (body 6 a 7) pro všechny zadané kombinace zátěţe, zapínacího úhlu a vloţené impedance. 9. Všechny záznamy poté zpracujte pomocí vhodného SW v grafické podobě a proveďte rozbor a vyhodnocení záznamů. 3.1.11.5 Zpracování výsledků
Vhodným prostředkem pro zpracování záznamů je jakýkoliv tabulkový procesor či MATLAB, neboť změřené průběhy dostaneme v podobě posloupnosti vzorku. Vybrané reprezentativní záznamy zpracujte do grafů a připojte k protokolu. Ze změřených průběhů proudů vyhodnoťte pro kaţdý záznam (s danými parametry měření – zátěţ/impedance/úhel) maximální (relativní) velikost proudu a efektivní hodnotu proudu za první půl-periodu (prostřednictvím numerické integrace diskrétního průběhu). Výsledky zpracujte tabelárně, a příslušné závislosti (podle zadání cvičícího) vyneste do grafů. Příklady změřených průběhů proudů při startu vybraných světelných zdrojů jsou na Obr. 3.21, přičemţ tyto změřené průběhy jsou jedny z mnoha moţných.
Obr.3-21a: žárovka 0°
Obr.3-21b: žárovka 90°
Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení
Obr.3-21c: kompaktní zářivka 0°
51
Obr.3-21d: kompaktní zářivka 90°
Obr. 3.21: Příklady průběhů náběhových proudů 3.1.11.6 Závěr
V závěru proveďte zhodnocení a rozbor změřených průběhů s popsáním fází jejich náběhových proudů s ohledem na teorii a poukaţte na výhody a nevýhody jejich hromadného nasazení. Shrnutí: Velikost zapínacího proudu můţe podle typu spotřebiče dosahovat aţ stonásobku ustálené efektivní hodnoty. S ohledem na tento fakt, je třeba při návrhu napájení koordinovat rozsah instalace s jištěním dané větve.
