LABORATORNÍ ÚLOHA č.1

Transkript

1 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc LABORATORNÍ ÚLOHA č Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Cíl úloy: Seznámit se s analyzátorem kvality elektrické energie Cauvin Arnoux CA 8335 Qualistar Plus, jako představitelem analyzátorů určenýc pro provozní měření Zjistit průběy odebíranýc proudů typickýc kancelářskýc spotřebičů, carakteristické armonické odebíranýc proudů (řád a úroveň dané armonické) a carakter (účiník) odebíranéo proudu danýc spotřebičů Seznámit se s obsaem normy stanovující meze pro emise proudu armonickýc u zařízení se vstupním proudem do 6A Zadání: Změřte odebírané proudy a výkony vybranýc spotřebičů, porovnejte je se štítkovými odnotami, proveďte analýzu odebíranýc výkonů, účiníku, armonickéo zkreslení proudů a napětí zvolenýc spotřebičů pomocí analyzátoru a zkontrolujte odebírané armonické proudy s limitními udanými v příslušnýc ČSN Dílčí úkoly měření: ) Zaměřte parametry napájecío napětí (obsa armonickýc) a porovnejte je s limity uvedenými v normě ČSN EN 5 6 Vyovuje napětí v odběrném místě normě? ) Změřte průbě proudu a proudové armonické zkreslení THD danýc spotřebičů a porovnejte je s typickým průběem proudu a odnotou THD pro tuto skupinu spotřebičů (viz tabulku 3) Odpovídá průbě proudu a obsa armonickýc typickým odnotám? 3) Vysvětlete, proč čistě odporové spotřebiče, např ryclovarná konvice, odebírá armonické proudy 4) Porovnejte proudové armonické zkreslení THD měřenýc spotřebičů (zvolte pouze jeden monitor a jeden stav otáček ventilátoru) a zakreslete je do sloupcovéo grafu 5) Stanovte řády armonickýc proudů a srovnejte je s typickým výskytem pro daný typ zařízení (viz tabulku ) Odpovídá obsa armonickýc typickým odnotám? 6) Změřte úroveň výraznýc armonickýc proudů (v %) pro dané spotřebiče a ve formě libovolné grafu je porovnejte (pro každý řád výrazné armonické) 7) Zjistěte carakter odebíranéo proudu danýc spotřebičů (činný, induktivní, kapacitní) a zpracujte přeled účiníků PF a cos φ všec spotřebičů (pro všecny monitory a otáčky ventilátoru) do tabulky Pokuste se výsledky zobecnit 8) Zodnoťte působení kancelářskýc spotřebičů na kvalitu elektrické energie a zkontrolujte, zda-li měřené spotřebiče vyovují normě ČSN EN 6-3- stanovující meze pro emise proudu armonickýc daným druem zařízení (viz tabulky 4 a 5) Laboratorní úloa č

2 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Analyzované spotřebiče: Monitor : DAEWOO 53X; -4 V AC; 5/6 Hz;,5-,7 A; Monitor : MicroScan E/ADI; -4 V AC; 5/6 Hz;,8 A; LCD monitor: HP 7; Notebook: ASS K53-SX7; PC procesor: Pentium 4;,8 GHz; 54 MB RAM; Televizor: FNAI MK6; V, 7 W; 5 Hz; Ryclovarná konvice: ETA B79; W; 3 V; 5 Hz; Vysokotlaká sodíková výbojka: OSRAM NAV-T 7; 7 W; Žárovka: PHILIPS; 3 V; 6 W; Větrák: PROline PSF4; -4 V; 5 Hz; 5 W; Vysavač: ETA 74; V; 5 Hz; W; Mikrovlnná trouba: SENCOR; 3 V; 5 Hz; W Postup měření: ) Pospojujte jednotlivá zařízení tvořící měřený obvod ) Nastavte analyzátor pro měření v f soustavác (dru měřené soustavy) 3) Připojte analyzátor do obvodu pomocí proudovýc a napěťovýc senzorů 4) Připojte obvod ke zdroji napětí 4/3 V a podle potřeby uveďte patřičný spotřebič do aktivnío režimu 5) V režimu sledování průběů proveďte odečet efektivníc odnot proudu a napětí a porovnejte je se štítkovými odnotami 6) Odečtěte odnotu celkovéo armonickéo zkreslení THD napětí a proudu, a z fázorovéo diagramu zjistěte carakter odebíranéo proudu (činný, induktivní, kapacitní) 7) V režimu měření výkonů vyodnoťte velikosti odebíranýc výkonů, jejic carakter, účiníky PF a cos φ, a porovnejte se zjištěním z předcozío bodu 8) V režimu armonickýc proveďte analýzu armonickýc napětí a proudů Stanovte řády a velikost výraznýc armonickýc a celkové armonické zkreslení THD 9) Opakujte měření pro jednotlivé spotřebiče ) Zpracujte jednotlivé úkoly měření Pozn: a) Pro ventilátor proveďte odečet odnot pro všecny tři otáčkové stavy b) Pro vysokotlakou výbojku odečítejte odnoty až po dosažení úplnéo výboje c) Měření proveďte pro všecny typy monitorů Laboratorní úloa č

3 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Teoretický základ úloy Vlivem použití nelineárníc spotřebičů docází ke zoršení čistoty sítě, kdy namísto sinusovýc průběů napětí a proudů se objevují zkreslené (deformované) průběy, které se sinusovému průběu více či méně podobají (obr ) Nelineárním spotřebičem je míněno zařízení, které při sinusovém napájecím napětí odebírá nesinusový průbě proudu Tyto druy spotřebičů označujeme i pojmem zdroje armonickýc Obr Průbě proudu deformovaný třetí a pátou armonickou Harmonické proudy a napětí (slangově vyšší armonické) Odebíraný proud nesinusovéo průběu můžeme pomocí Fourierova rozvoje funkce vyjádřit součtem sinusovýc složek (popř i složky stejnosměrné), které mají různou amplitudu a jejicž frekvence jsou celistvým násobkem frekvence původnío nesinusovéo průběu Proud odebíraný nelineárním spotřebičem lze vyjádřit Fourierovou řadou takto: i( t) = i ( t) = i t I kde i (t) = I je stejnosměrná složka a pro > platí ( t ) ( ) = sin ω + Sinusová složka o frekvenci sodující se s frekvencí nesinusové funkce, se nazývá základní armonická Ostatní sinusové funkce, jejicž frekvence je celistvým násobkem základní armonické, se nazývají armonické (slangově vyšší armonické) Odebíraný armonický proud vytváří na impedanci napájecí sítě (stanovené pro stejný řád armonické) armonický úbytek napětí, který deformuje napájecí napětí v místě přípojnéo bodu Celková deformace (zkreslení) napájecío napětí je dáno superpozicí všec armonickýc v odebíraném proudu Laboratorní úloa č 3

4 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Napětí v místě připojení spotřebiče do sítě lze vyjádřit Fourierovou řadou takto: u( t) = u ( t) u =, kde u (t) = a pro > platí: ( t) = sin( ω t + β ) V případě ideálně tvrdé sítě, tj sítě s nekonečně velkým zkratovým výkonem a tudíž s nulovou impedancí, nedocází k deformaci napájecío napětí a můžeme uvažovat napájecí napětí pouze o základní armonické (za předpokladu, že před připojením spotřebiče bylo napájecí napětí sinusové) Nelineární spotřebič zpětně ovlivňuje (deformuje) průbě napájecío napětí a takto deformované napájecí napětí může negativně ovlivňovat cod dalšíc připojenýc spotřebičů Z tooto důvodu jsou normami stanoveny limity pro armonické v odebíraném proudu spotřebičů Činný, jalový, deformační a zdánlivý výkon Základní definice výkonu vycází z definice okamžitéo výkonu, kde platí: p( t) = u( t) i( t) = u ( t) i ( t) = = Činný výkon spotřebovaný zátěží je definován jako střední odnota okamžitéo výkonu: T T P = p( t) dt = u ( t) i ( t) dt T T = =, kde po úpravác se získá vzta: T P = P + P = I + u t i t dt I ( I ) T ( ) ( ) = + cosϕ = = =, kde ϕ = β α Činný výkon při nearmonickém průběu proudu a napětí je roven součtu činnýc výkonů jednotlivýc armonickýc složek Harmonická napětí a proudy nestejnéo řádu vykazují v součinu nulovou střední odnotu, nepodílí se tedy na činném výkonu, nýbrž způsobují výkonové zkreslení V případě sinusovéo průběu napětí a proudu platí: P = I cosϕ = S cosϕ Jelikož zdánlivý výkon je definován jako součin efektivníc odnot napětí a proudu: S = I = I = a jalový výkon, který udává míru energie střídavě kmitající mezi zdrojem a spotřebičem, je definován vztaem: = ( sinϕ ) Q = Q = I = = docází u nearmonickýc průběů k nerovnosti S P + Q deformační výkon D = S P + Q ( ) ; ( ),, a proto je zaveden pojem [ k j j k k k j j k j ] D = I + I I I cos ϕ ϕ j k Laboratorní úloa č 4

5 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Deformační výkon představuje neužitečnou složku zdánlivéo výkonu, vyvolává nárůst ztrát v napájecí síti a snížení využitelnosti sítě a spotřebičů Skutečné rozložení vektorů výkonů je patrné z obr Obr Vzta mezi činným, jalovým, deformačním a zdánlivým výkonem Účiník V nearmonickýc obvodec se kromě účiníku základní armonické P P cosϕ = = S P + Q λ = P definuje tzv skutečný účiník S ( označovaný také PF Power Factor ) Tyto účiníky jsou ve vzájemném vztau λ = µ cosϕ, kde µ (někdy označováno jako q) je činitel zkreslení (deformace či kvality) Tento činitel respektuje nejen přítomnost vyššíc armonickýc, ale také nesouměrnost a nevyváženost odběru Vyodnocení obsau armonickýc v naměřeném průběu napětí či proudu Efektivní odnota deformovanéo průběu proudu či napětí je rovna geometrickému součtu efektivníc odnot jednotlivýc armonickýc složek = = Deformovaný průbě může být popsán pomocí procentuálnío vyjádření armonickýc vztaženýc k napětí základní armonické nebo k jmenovité odnotě napětí: u = % [%] k = % %, nebo u = [ ] Obsa vyššíc armonickýc lze popsat pomocí celkovéo armonickéo zkreslení THD n = THD = (Total Harmonic Distortion): Při měření se armonické vyodnocují do řádu n = 5, pro výpočty stačí do n = 4 [%] n Laboratorní úloa č 5

6 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Stejné vztay je možné aplikovat při vyodnocení armonickýc složek v odebíraném proudu spotřebiče Činitel výkyvu (Crest Factor) CF je poměr mezi špičkovou odnotou napětí (proudu) a efektivní odnotou armonickéo napětí (proudu) CF = max [ % ] Pro sinusový průbě CF = =, 4 Úroveň armonickýc v napájecím napětí Zařízení odběratelů musí být scopno činnosti bez zoršení své funkce až do určité úrovně armonickýc v síti Mez odolnosti zařízení leží nad tzv kompatibilní úrovní Ta vyjadřuje maximální úroveň elektromagnetickéo rušení, o které se předpokládá, že bude ovlivňovat zařízení v konkrétníc podmínkác (může být překročena pouze s malou pravděpodobností) Kompatibilní úrovně pro sítě nn jsou stanoveny příslušnou normou ČSN EN 6-- Hodnoty armonickýc napětí v odběrném místě stanovuje norma ČSN EN 5 6 (Tab), mimoto celkový činitel zkreslení THD napájecío napětí (zarnující všecny armonické až do řádu 4) musí být menší nebo roven 8 % Tab Kompatibilní úrovně armonickýc napětí dle ČSN EN 6-- a úrovně armonickýc napětí v odběrném místě sítí nn podle ČSN EN 56 Harmonická napětí v % n Řád armonické IEC -- EN 5 6 Licé odnoty nedělitelné ,5 3, ,5,5 3,5,5 5,5,5 větší než 5,+,5/ neuvádí Licé odnoty dělitelné ,5,5 5,3,5,,5 větší než, neuvádí Sudé odnoty 4 6,5,5 8,5,5,5,5 Laboratorní úloa č 6

7 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Harmonická napětí v % n Řád armonické IEC -- EN 5 6 až 4,,5 větší než 4, neuvádí Kompatibilní úrovně moou být překročeny s 5 % pravděpodobností jak v čase, tak i s oledem na lokalitu sítě, zatímco carakteristické parametry napětí moou být překročeny po 5 % stanovené doby sledování, přitom se však toto překročení týká všec odběrnýc míst v síti Tímto jsou některé odnoty carakteristickýc parametrů podle normy ČSN EN 5 6 větší než kompatibilní úrovně Je to vyvoláno různými strukturami a carakteristikami evropskýc sítí Poznámka: Všeobecný přístup ČSN EN 56 je vyjádřit všecny carakteristiky napětí ve vztau k jmenovitému napětí Norma tedy udává odnoty armonickýc (Tab) ve vztau k jmenovitému napětí To se odcyluje od obecnéo postupu, kterým se mají vyjadřovat složky armonickýc napětí procentním podílem k základní složce napětí Mnoé přístroje pro měření armonickýc vyjadřují výsledky měření ve vztau k základní armonické složce, zejména ty, které měří činitel armonickéo zkreslení (THD) Naměřené odnoty armonickýc je potřebné před porovnáváním s odnotami v ČSN EN 56 pronásobit přepočítávacím koeficientem, poměr základní armonické ku odnotě jmenovitéo napětí Přepočítávací koeficient je obvykle blízký jedné Zdroje vyššíc armonickýc Zdrojů vyššíc armonickýc 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 přerávače, větráky, mikrovlnné trouby, síťové zdroje, zdroje PS apod Tab Výskyt jednotlivýc armonickýc v odebíraném proudu spotřebičů řád armonické zdroje armonickýc řádu základní armonické výskyt netypický nevyskytuje se u symetrickýc zátěží svařovací stroje a obloukové pece typická pro tyristorové měniče jen při porucovýc stavec zařízení typická pro tyristorové měniče Všecny zdroje armonickýc lze rozdělit s respektováním jejic očekávané soudobosti do dvou skupin podle velikosti celkovéo armonickéo zkreslení THD jejic odebíranéo proudu Do první skupiny patří zařízení s THD i od % do 5 % včetně, do drué skupiny s THD i vyšší než 5 % Laboratorní úloa č 7

8 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Tab 3 Carakteristiky některýc typickýc zdrojů armonickýc Mez vyzařování určuje maximální odnotu armonickýc způsobenou jedním zdrojem rušení Skutečná odnota rušení způsobená jedním zdrojem nesmí tuto odnotu překročit V normě ČSN EN 6-3- jsou uvedeny meze pro emise armonickýc proudů pro elektrická a elektronická zařízení, která se připojují na napájecí síť nn a jejic vstupní proud nepřesauje 6 A Z lediska této normy jsou všecny elektrické spotřebiče rozděleny do těcto tříd: A: symetrické trojfázové spotřebiče, domácí spotřebiče kromě těc patřícíc do skupiny D, nářadí kromě přenosnýc, stmívače pro žárovky, zvuková zařízení B: přenosné elektrické nářadí C: světelná zařízení D: osobní počítače a monitory osobníc počítačů, televizní přijímače s příkonem do 6W (tj zařízení s usměrňovačem a kondenzátorem na vstupu) Mezní odnoty armonickýc složek napájecío proudu 5 Hz pro elektrická zařízení třídy A a B jsou uvedeny v Tab4 Relativní mezní odnoty armonickýc složek pro svítidla ve třídě C podle této normy jsou obsaženy v Tab5 a pro zařízení třídy D jsou příslušné meze armonickýc definovány v závislosti na jmenovitém příkonu zařízení Laboratorní úloa č 8

9 Vyodnocení odebíranýc proudů spotřebičů používanýc v domácnostec a kanceláříc Tab4 Mezní odnoty armonickýc složek napájecío proudu spotřebičů třídy A a B Řád armonické složky napájecío proudu Maximální dovolený proud armonické [A] Třída A Licé armonické Třída B 3,3 3,45 5,4,7 7,77,55 9,4,6,33,495 3,, ,5 5/,5 5/ Sudé armonické,8,6 4,43,645 6,3,45 8 4,3 8/,345 8/ Tab5 Mezní odnoty armonickýc složek pro svítidla ve třídě C a pro zařízení třídy D Řád armonické složky napájecío proudu Třída C Maximální dovolený proud armonické [%] (vstupnío proudu základní armonické) Třída D Maximální dovolený proud armonické na W příkonu [ma/w] 3 3 PF 3,4 5, ,5 3,35 3 3, (jen licé) 3 3,85/ Laboratorní úloa č 9