40

Rok LXXV 2007 nr 3

NORMY - WYMAGANIA - PRZEPISY

Nowe metody badań i pomiarów harmonicznych
w prądach fazowych urządzeń przyłączanych do sieci zasilającej

Krzysztof Zimmermann

Stosowanie różnych metod pomiaru i przyrządów

pomiarowych, opartych na różnych zasadach działania,

powoduje, że pomiary zawartości harmonicznych w prądach

fazowych, wykonywane w różnych laboratoriach, nie są

porównywalne. Aby uniknąć takiej sytuacji, Komitet 77 IEC

opracował nową edycję normy IEC 61000-4-7, która

podaje dokładne zasady budowy miernika do pomiarów

harmonicznych.

Norma zakłada, że docelowo nie będą stosowane inne metody po-

miaru. Jednocześnie ukazała się nowa edycja normy IEC 61000-3-
2, określająca dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych przez
urządzenia o prądach fazowych do 16 A, oraz nowa norma IEC
61000-3-12, dotycząca urządzeń o prądach znamionowych powyżej
16 A.

Pomiary zawartości harmonicznych emitowanych przez urządze-

nia przyłączane do sieci energetycznej wykonuje się najczęściej
przy użyciu dobrej klasy oscyloskopu cyfrowego, wyposażonego
w opcję DFT (dyskretnej transformaty Fouriera). Pomiar prądu jest
wykonywany za pomocą boczników. Otrzymywany sygnał ma więc
wartość 60 lub 150 mV, w zależności od rodzaju zastosowanych
boczników, natomiast wejście oscyloskopu znajduje się na potencja-
le sieci. Stosowany oscyloskop musi w związku z tym mieć również
odpowiednie napięcie izolacji, równe co najmniej napięciu sieci.

Oprócz opisanej metody, wiele laboratoriów badawczych stosuje

specjalizowane mierniki do pomiaru harmonicznych, różniące się
zasadami konstrukcji, dokładnościami, sposobami pomiaru prądu
itp., co uniemożliwia jednoznaczność wyników.

W artykule podano podstawowe wymagania stawiane miernikom

opisanym w nowej edycji normy PN EN 61000-4-7 oraz sposób wy-
konywania pomiarów harmonicznych. Schemat blokowy miernika
podano na rysunku.

Obwody wejściowe

Obwody wejściowe pomiaru napięcia powinny być przystosowane

do maksymalnych wartości napięcia i częstotliwości analizowanego
napięcia zasilającego. Powinnny także zachować swoje charaktery-
styki i dokładność pomiaru w zakresie do 1,2 wartości maksymal-
nej napięcia. Moc obwodu wejściowego nie powinna przekraczać
0,5 kVA przy 230 V.

Obwód wejściowy prądu powinien być wyposażony w niskona-

pięciowe, wysokoimpedancyjne wejście napięciowe, które może
być połączone z bocznikami rezystancyjnymi. Zakres napięciowy
powinien wynosić 0,1÷5 V. Obwód wejściowy powinien być przy-
stosowany do ciągłego obciążenia 1,2-krotnym prądem.

Przeciążenie prądem o wartości 10-krotnego prądu znamiono-
wego przez czas 1 sekundy nie powinno powodować uszkodzeń
miernika.

Dokładność

Zakres mierzonych częstotliwości harmonicznych wynosi 2 kHz,

jednak niektóre normy wymagają pomiarów w szerszym zakresie.
W celu uzyskania odpowiedniego tłumienia, próbkowanie może
odbywać się z częstotliwością dużo większą niż zakres pomiaro-
wy. Rozróżnia się dwie klasy dokładności mierników zawartości
harmonicznych. Klasa I jest przeznaczona do zastosowań laborato-
ryjnych i powinna być stosowana w pomiarach zgodności wyrobu
z normami.

Dokładność przyrządu klasy I powinna wynosić:

przy pomiarze napięcia: ±5% wartości napięcia mierzonego

i ±0,05% wartości napięcia nominalnego,

przy pomiarze prądu: ±5% wartości mierzonego prądu i ±0,15%

prądu nominalnego,

Mgr inż. Krzysztof Zimmermann – Instytut Elektrotechniki Oddział w Gdańsku

Napięcie
wejś

j

y

W

e

w

o

i

c

ście 1

Prąd

wejściowy

Wejście dla mocy czynnej Wyjście 2a

Wyjście 2b

Wyjście 3

Wstępne
przetworzenie

Wstępne

przetworzenie

Generacja
częstości
próbkowania

Próbkowanie

DFT

Grupowanie

Wygładzanie

Sprawdzanie
zgodności

Schemat blokowy
miernika harmonicznych

Rok LXXV 2007 nr 3

41

NORMY - WYMAGANIA - PRZEPISY

pomiar mocy czynnej powinien być wykonywany z dokładnością

±1% w przypadku pomiarów mocy o wartości powyżej 150 W lub z do-
kładnością ±1,5 W w przypadku mniejszych wartości mierzonej mocy.

Miernik powinien być wyposażony w fi ltr antyaliasingowy o tłu-

mieniu -3 dB dla częstotliwości powyżej zakresu pomiarowego.
Producent miernika powinien podać wszystkie dane dotyczące do-
kładności. Szerokość okna pomiarowego powinna wynosić 10 okre-
sów, z prostokątnym oknem ważącym. Okno pomiarowe powinno
być zsynchronizowane z grupą 10 okresów, z błędem ±0,03%. Utra-
ta synchronizacji powinna być sygnalizowana przez przyrząd.

Na wyjściu DFT (wyjście 1) powinny być otrzymywane oddziel-

nie współczynniki a

m

i b

m

szeregu Fouriera.

Grupowanie i wygładzanie

Widmo harmonicznych – oprócz podstawowych harmonicznych,

będących całkowitymi krotnościami częstotliwości podstawowych
– zawiera również prążki pośrednie, w odstępach co 5 Hz od czę-
stotliwości harmonicznej. Celem następnego elementu miernika jest
grupowanie i obliczenie wartości skutecznej całej grupy harmonicz-
nych. Następnie powinno nastąpić wygładzenie sygnału za pomocą
cyfrowego odpowiednika fi ltru dolnoprzepustowego pierwszego
rzędu, o stałej czasowej 1,5 s. Schemat blokowy fi ltra oraz jego
współczynniki podano w normie PN EN 61000-4-7.

Analogicznie powinno być wykonywane wygładzanie modułu

mocy czynnej i współczynnika mocy. Znajomość tych wartości jest
konieczna przy posługiwaniu się normami dotyczącymi dopuszczal-
nych poziomów emisji harmonicznych, jak np. PN EN 61000-3-2,
gdzie dopuszczalne poziomy zawartości harmonicznych dla niektó-
rych rodzajów sprzętu są podane w zależności od mocy urządzenia.
Moc czynna badanego urządzenia powinna być mierzona w tym sa-
mym oknie czasowym, co harmoniczne.

Kalibracja

Przyrząd do pomiaru harmonicznych powinien być wyposażony

w urządzenie kalibrujące lub co najmniej posiadać odpowiednie
wejście, umożliwiające okresową kontrolę przyrządu. Jeżeli układ
kalibrujący jest wewnątrz przyrządu pomiarowego, producent po-
winien podać niepewność kalibratora.

Wykonywanie pomiarów

W odróżnieniu od poprzedniej edycji, w normie nie wymaga się

oddzielnego źródła napięcia, dającego „czystą” sinusoidę, ale okre-
ślono warunki, jakie powinno spełniać źródło zasilania.

Wartość ustalona napięcia probierczego powinna być utrzymywa-

na w przedziale ±2% wartości znamionowej, a częstotliwość powin-
na być utrzymywana w przedziale ±0,5% częstotliwości znamiono-
wej. W przypadku zasilania trójfazowego napięcia fazowe powinny
być przesunięte w fazie o kąty: 0

o

, 120

o

±1,5

o

, 240

o

±1,5

o

.

Szczytowa wartość napięcia probierczego powinna mieścić się

w granicach od 1,40 do 1,42 jego wartości skutecznej i powinna być
osiągana pomiędzy 87

o

i 93

o

,

licząc od momentu przejścia napięcia

przez zero.

Norma podaje również dopuszczalną zawartość harmonicznych

w napięciu zasilającym urządzenie badane.

W przypadku konieczności wykonania pomiarów mocy czynnej

powinna być ona mierzona przez pomiar napięcia na zaciskach ba-
danego urządzenia oraz prądu urządzenia badanego.

Okresy przejściowe

Norma określająca zasady budowy miernika do pomiaru zawarto-

ści harmonicznych obowiązuje od października 2005 r. Niestety, do
tej pory na rynku brak miernika, który spełniałby wszystkie wyma-
gania tej normy.

Do czasu następnej rewizji normy dopuszcza się stosowanie ist-

niejących przyrządów pomiarowych, których działanie jest oparte
na starej edycji normy, z 1991 roku. Pomiary wykonane w taki spo-
sób powinny być oznaczone (w raportach z badań) jako „Mierzone
za pomocą przyrządu zgodnego z normą IEC 61000-4-7:1991.” Nie
jest wyraźnie określone, jakie normy mają być stosowane przy okre-
ślaniu poziomów dopuszczalnych emisji harmonicznych.