EAIiE	Kompatybilność elektromagnetyczna	Data wykonania: 31.05.2010
Elektronika i Telekomunikacja	Temat: Zaburzenia przewodzone	Data oddania:
Zespół: C	Agnieszka Stańco Przemysław Ćwik Karol Brodziak	Ocena:

1. Podstawowe parametry określające jakość energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym.

Jednym z podstawowych parametrów jakości energii elektrycznej jest współczynnik cosϕ, określający przesunięcie fazowe między przebiegami czasowymi napięcia i prądu. Za jego pomocą określa się charakter odbiornika. Z punktu widzenia dostawcy energii elektrycznej, najkorzystniej jest gdy cosϕ=1, czyli odbiór energii elektrycznej ma charakter czysto rezystancyjny. Do kompensacji cosϕ <1 stosuje się baterie kondensatorów włączanych równolegle z obciążeniem indukcyjnym.

Sytuacja komplikuje się gdy w systemie pojawiają się prądy odkształcone. Wówczas współczynnik cosϕ nie jest wystarczającym parametrem określającym jakość energii. Konieczne jest wprowadzenie nowych parametrów które by pełniej opisywały rzeczywiste przebiegi prądów i napięć. Taką wielkością jest współczynnik THD (ang. Total Harmonic Distortion) i jest to iloraz wartości skutecznej harmonicznych do wartości skutecznej harmonicznej podstawowej. Rozróżnia się napięciowe THD_U i prądowe THD_I .

, (1)

, (2)

Współczynnik ten procentowo określa zawartość wyższych harmonicznych w stosunku do podstawowej harmonicznej.

Dla przebiegów odkształconych analogicznie jak dla sinusoidalnych definiuje się współczynnik mocy PF ang. Power Factor.

, (3)

gdzie:

P, S - moc czynna, pozorna

, (4)

(5)

Dla zobrazowania związku współczynnika PF z wyższymi harmonicznymi oraz współczynnikiem przesunięcia fazowego cosϕ, przeprowadzono kilka operacji matematycznych uzyskując równanie (8). Mianowicie zakładając sinusoidalne napięcie zasilania, możemy zapisać że:

,
, (6)

co daje w rezultacie:

, (7)

Z równania (5) widać że współczynnik PF zależy od współczynnika przesunięcia fazowego cosϕ oraz ilorazu podstawowej harmonicznej prądu do całkowitej wartości skutecznej. Stosunek ten określa stopień odkształcenia przebiegu prądu od sinusoidy. Można zapisać równanie (8) wiążące współczynnik przesunięcia fazowego z współczynnikiem THD:

, (8)

Z powyższej zależności można wywnioskować że jeżeli przebieg prądu ma kształt sinusoidy i THD=0, wówczas współczynnik mocy PF jest równy cosϕ. Natomiast jeżeli przebieg prądu jest w fazie z napięciem, czyli ϕ=0 (cosϕ=1) to współczynnik mocy PF zależy tylko od THD. W praktyce korekcja współczynnika mocy PF przy wykorzystaniu układów PFC (ang. Power Factor Correction) wiąże się zarówno z kompensacją wyższych harmonicznych jak i przesunięcia fazowego.

2. Schemat pomiarowy do określenia parametrów napięcia zasilania.

Rys. 1. Schemat blokowy do pomiaru parametrów napięcia zasilania

W celu pomiaru kształtu napięcia sieciowego należy podłączyć sondę wysokonapięciową do gniazda sieciowego. Podzielnik sondy powinien być ustawiony na 1000x (przycisk podzielnika nie wciśnięty). Aby odwzorowanie napięcia było odpowiednie, taki sam podzielnik należy ustawić w oscyloskopie. Aby zobaczyć widmo sygnału i określić zawartość harmonicznych należy przełączyć oscyloskop w tryb MATH/FFT.

3. Schemat pomiarowy do badania układu prostowniczego z mostkiem Graetza.
   
   
   

Rys. 2. Schemat blokowy do pomiaru układu z mostkiem Graetza

Rys. 3. Schemat układu do pomiaru mostka Graetza

• Połączenie 1-2 służy jako wyprowadzenie przewodu zasilającego na którym można mierzyć prąd zasilający układ. Pomiaru dokonuje się sondą prądową, która mierzy pole magnetyczne wywołane przepływem prądu przez przewód otoczony jej obcęgami. Z obudowy sondy należy odczytać odpowiedni przelicznik prądu na napięcie wyjściowe i dopasować do niego ustawienie oscyloskopu.

• Połączenie 4-5 doprowadza prąd z mostka Gretza do kondensatorów wygładzających i obciążenia. Oprócz prostego połączenia przewodowego można w tym miejscu zastosować dławik.

• Połączenie 6-(7/8/9/10/11) umożliwia wybór pojemności wygładzającej.

• Złącza 12 i 13 służą do podłączenia obciążenia. Na stałe podłączona jest tam dioda, która sygnalizuje poziom naładowania kondensatorów. Jako obciążenie używany jest moduł z żarówkami, którego schemat przedstawiony jest na rys. 2. W celu wyboru danej pary żarówek należy wykonać odpowiednie połączenie 4-(3/5/6).

Rys. 8. Schemat obciążenia rezystancyjnego - żarówki

Opracowanie wyników

Należy obejrzeć i zarejestrować przebiegi:

1. Napięcia i prądu sieci (sondą napięciową podłączona do gniazda sieciowego i innych interesujących punktów, sondą prądową) w stanie ustalonym przy podłączeniu różnej wartości obciążenia, pojemności wygładzającej oraz dławika (między zaciskami 4-5)

2. Napięcia i prądu na wyjściu obciążenia (sonda napięciowa podłączoną zacisków 12 i 13) w stanie ustalonym przy podłączeniu różnej wartości obciążenia, pojemności wygładzającej oraz dławika

3. Napięcia i prądu udarowego sieci w stanach nieustalonych podczas włączania układu z obciążeniem/bez obciążenia, z różnymi wartościami pojemności wygładzającej. Pomiarów dokonać kilka razy, aby zaobserwować stany przejściowe przy różnych fazach napięcia sieciowego. Do rejestrowania stanów przejściowych użyć opcji „Single sequence” w oscyloskopie.

Parametry mostka podczas pomiarów:

Pojemność wyjściowa C: 100uF, 400uF

Indukcyjność wyjściowa L: 0.18H

Obciążenie Rload (w postaci żarówek): 40, 100, 200

Wyniki symulacji

Rys. 4. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 400uF

Rys. 5. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 100uF

Na wykresach możemy obserwować przebiegi dla trzech obciążeń (rezystancja wyliczona z mocy żarówek). Przy użyciu mniejszej pojemności wyjściowej stan na obciążeniu ustala się szybciej ale pojawia się znacznie większy impuls prądu przy włączeniu zasilania. Przyjęto model diody 1n4007:

.MODEL DI_1N4007 D ( IS=76.9p RS=42.0m BV=1.00k IBV=5.00u

+ CJO=26.5p M=0.333 N=1.45 TT=4.32u)

4. Schemat pomiarowy do badania układu prostowniczego z mostkiem Valley-Fill.

Rys. 6. Schemat blokowy do pomiaru układu z mostkiem Valley-Fill

Rys. 7. Schemat układu do pomiaru mostka Valley-Fill

• Połączenie 1-2 służy jako wyprowadzenie przewodu zasilającego na którym można mierzyć prąd zasilający układ.

• Połączenie 4-5 doprowadza prąd z mostka Gretza do kondensatorów wygładzających w układzie Valley-Fill i obciążenia. Oprócz prostego połączenia przewodowego można w tym miejscu zastosować dławik.

• Połączenie 6-(7/8/9/10/11) oraz 11-(16/17/18/19) umożliwia wybór pojemności filtru

• Złącza 20 i 21 służą do podłączenia obciążenia. Na stałe podłączona jest tam dioda, która sygnalizuje poziom naładowania kondensatorów. Jako obciążenie używany jest moduł z żarówkami, którego schemat przedstawiony jest na rys. 2. W celu wyboru danej pary żarówek należy wykonać odpowiednie połączenie 4-(3/5/6).

• Złącza 12/13/14/15 służą do podłączenia dodatkowego elementu R lub L lub RL w celu zmniejszenie prądów maksymalnych oraz poprawy współczynnika zawatrości charmonicznych THD prądu sieciowego.

Należy obejrzeć i zarejestrować przebiegi:

1. Napięcia i prądu sieci (sondą napięciową podłączona do gniazda sieciowego i innych interesujących punktów, sondą prądową) w stanie ustalonym przy podłączeniu różnej wartości obciążenia, pojemności wygładzającej oraz innych elementów (między zaciskami 12/13/14/15)

2. Napięcia i prądu na wyjściu obciążenia (sonda napięciowa podłączoną zacisków 20 i 21) w stanie ustalonym przy podłączeniu różnej wartości obciążenia, pojemności wygładzającej oraz innych elementów (między zaciskami 12/13/14/15)

3. Napięcia i prądu udarowego sieci w stanach nieustalonych podczas włączania układu z obciążeniem/bez obciążenia, z różnymi wartościami pojemności wygładzającej oraz innych elementów (między zaciskami 12/13/14/15). Pomiarów dokonać kilka razy, aby zaobserwować stany przejściowe przy różnych fazach napięcia sieciowego. Do rejestrowania stanów przejściowych użyć opcji „Single sequence” w oscyloskopie.

Parametry mostka podczas pomiarów:

Pojemność wyjściowa C: 22uF, 200uF

Obciążenie Rload (w postaci żarówek): 40, 100

Wyniki symulacji:

Rys. 8. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 22uF

Rys. 9. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 200uF

5. Wykaz stosowanych przyrządów:

• Mostek Gretza,

• Układ prostownika typu Valley-Fill

• Obciążenie rezystancyjne na 450VDC małej mocy - żarówki

• Dławik 0.18H

• oscyloskop (TDS 1001B)

• sonda wysokonapięciowa (HZ 115)

• sonda prądowa cęgowa DC-100kHz , 30A (HZ56)

6. Literatura:

1. Instrukcja do ćwiczenia: „Pomiary zaburzeń przewodzonych oraz badanie prostowników sieciowych i układów PFC małej mocy”, Laboratorium EMC;

2. Skrypt AGH wydz. EAIiE, „Zasilacze i stabilizatory liniowe”, oprac. Maciej Obszarny

3. Materiały udostępnione przez prowadzącego,

Mostek Valley-Fill

obciążony żarówkami

---