EMC_sprawko_konspekt

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:

Podstawowe

parametry

określające

jakość

energii

elektrycznej

systemie

elektroenergetycznym.

Jednym z podstawowych parametrów jakości energii elektrycznej jest współczynnik cos

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  cos

=1, czyli odbiór energii elektrycznej ma charakter czysto rezystancyjny. Do

kompensacji cos

<1 stosuje się baterie kondensatorów włączanych równolegle z obciąŜeniem

indukcyjnym.

Sytuacja komplikuje się gdy w systemie pojawiają się prądy odkształcone. Wówczas

współczynnik cos

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.  RozróŜnia
się napięciowe THD

i prądowe THD

100

)

(

⋅

∑

THD

(1)

100

)

(

⋅

∑

THD

(2)

Współczynnik ten procentowo określa zawartość wyŜszych 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 wyŜszymi harmonicznymi oraz

współczynnikiem przesunięcia fazowego cos

, przeprowadzono kilka operacji matematycznych

uzyskując równanie (8). Mianowicie zakładając sinusoidalne napięcie zasilania, moŜemy zapisać Ŝe:

cos

⋅

(6)

co daje w rezultacie:

cos

⋅

(7)

Z równania (5) widać Ŝe współczynnik PF zaleŜy od współczynnika przesunięcia fazowego cos

oraz ilorazu podstawowej harmonicznej prądu do całkowitej wartości skutecznej. Stosunek ten
określa stopień odkształcenia przebiegu prądu od sinusoidy. MoŜna zapisać równanie (8) wiąŜące
współczynnik przesunięcia fazowego z współczynnikiem THD:

cos

)

(

⋅

THD

(8)

Z powyŜszej zaleŜności moŜna wywnioskować Ŝe jeŜeli przebieg prądu ma kształt sinusoidy i

THD=0, wówczas współczynnik mocy PF jest równy cos

. Natomiast jeŜeli przebieg prądu jest w

fazie z napięciem, czyli

=0 (cos

=1) to współczynnik mocy PF zaleŜy tylko od THD. W praktyce

korekcja współczynnika mocy PF przy wykorzystaniu układów PFC (ang. Power Factor
Correction) wiąŜe się zarówno z kompensacją wyŜszych harmonicznych jak i przesunięcia
fazowego.

Schemat pomiarowy do określenia parametrów napięcia zasilania.

Rys. 1. Schemat blokowy do pomiaru parametrów napięcia zasilania

W celu pomiaru kształtu napięcia sieciowego naleŜy 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  naleŜy  ustawić  w
oscyloskopie. Aby zobaczyć widmo sygnału i określić zawartość harmonicznych naleŜy przełączyć
oscyloskop  w  tryb  MATH/FFT.  Współczynnik  zawartości  harmonicznych  został  wyznaczony  na
podstawie wartości 20 harmonicznych sygnału.

•

Połączenie 1-2 słuŜy jako wyprowadzenie przewodu zasilającego na którym moŜna mierzyć prąd
zasilający układ. Pomiaru dokonuje się sondą prądową, która mierzy pole magnetyczne wywołane
przepływem prądu przez przewód otoczony jej obcęgami. Z obudowy sondy naleŜy 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 obciąŜenia.
Oprócz prostego połączenia przewodowego moŜna w tym miejscu zastosować dławik.

•

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

•

Złącza 12 i 13 słuŜą do podłączenia obciąŜenia. Na stałe podłączona jest tam dioda, która
sygnalizuje poziom naładowania kondensatorów. Jako obciąŜenie uŜywany jest moduł z
Ŝ

arówkami, którego schemat przedstawiony jest na rys. 2. W celu wyboru danej pary Ŝarówek

naleŜy wykonać odpowiednie połączenie 4-(3/5/6).

Rys. 5. Schemat obciąŜenia rezystancyjnego - Ŝarówki

Parametry mostka podczas pomiarów:
Pojemność wyjściowa C: 100uF, 400uF
Indukcyjność wyjściowa L: 0.18H
ObciąŜenie Rload (w postaci Ŝarówek): 40, 100, 200

Wyniki symulacji

Time

100ms

105ms

110ms

115ms

120ms

125ms

130ms

135ms

140ms

145ms

150ms

155ms

160ms

165ms

170ms

I(Rwe)

-2.0A

2.0A

SEL>>

V1(Vsiecowe)- V2(Vsiecowe)

-400V

400V

Rys. 6. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 400uF

Time

430ms

435ms

440ms

445ms

450ms

455ms

460ms

465ms

470ms

475ms

480ms

485ms

490ms

495ms

500ms

I(Rwe)

-2.0A

2.0A

SEL>>

V1(Vsiecowe)- V2(Vsiecowe)

-400V

400V

Rys. 7. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 100uF

Na wykresach moŜemy obserwować przebiegi dla trzech obciąŜeń (rezystancja wyliczona z

mocy Ŝarówek). Przy uŜyciu mniejszej pojemności wyjściowej stan na obciąŜeniu 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)

3.1.

Wyniki pomiarów.

Podczas ćwiczenia zaobserwowaliśmy następujące przebiegi sygnałów:

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

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

Napięcia  i  prądu  udarowego  sieci  w  stanach  nieustalonych  podczas  włączania  układu  z
obciąŜeniem/bez  obciąŜenia,  z  róŜnymi  wartościami  pojemności  wygładzającej.  Pomiarów
dokonać  kilka  razy,  aby  zaobserwować  stany  przejściowe  przy  róŜnych  fazach  napięcia
sieciowego.  Do  rejestrowania  stanów  przejściowych  uŜyć  opcji  „Single  sequence”  w
oscyloskopie.

•

Pojemność wyjściowa C=100uF, obciąŜenie Ŝarówką 100W.

Rys. 8. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Widmo prądu zasilania.

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

=38.0112%.

Rys. 9. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień: kt=9.73%

•

Pojemność wyjściowa C=100uF, obciąŜenie Ŝarówkami 200W

Rys. 10. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Widmo prądu zasilania.

•

Pojemność wyjściowa C=400uF, obciąŜenie Ŝarówkami 200W.

W tym punkcie pomiarów nie zarejestrowaliśmy widma prądu zasilania, dlatego teŜ nie

mogliśmy wyznaczyć współczynnika zawartości harmonicznych. Patrząc jednak na przebieg
czasowy prądu zasilania jest on bardzo podobny do przebiegu z punktu powyŜej, stąd z grubsza
moŜemy określić, Ŝe THD

jest na poziomie 35%.

Rys. 14. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień kt=2.57%

Wyniki pomiarów przeprowadzone na laboratorium są zgodne z przeprowadzonymi

symulacjami. Widać tu, Ŝe kształt przebiegu prądu zgadza się z przewidywaniami. Współczynnik
zawartości harmonicznych prądu zasilania jest na poziomie 30%. Co jest zasługą zastosowania filtru
pojemnościowo-indukcyjngo.

Tętnienia dla mostka Greatz’a są zaleŜne od zastosowanej pojemności wyjściowej, maleją ze

wzrostem wartości pojemności. Dla C=100uF są na poziomie 7%, a dla C=400uF na poziomie 3%.
ObciąŜenie układu równieŜ wpływa na tętnienia napięcia wyjściowego. Im większe obciąŜenie tym
mniejsze tętnienia, jest to spowodowane zwiększaniem się stałej czasowej rozładowywania

pojemności wyjściowej

τ =

3.2. Pomiar prądów udarowych.

Rys. 15. Przebieg prądów udarowych dla dwóch przypadków.

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

Rys. 16. Schemat blokowy do pomiaru układu z mostkiem Valley-Fill

Rys. 17. Schemat układu do pomiaru mostka Valley-Fill

•

Połączenie 1-2 słuŜy jako wyprowadzenie przewodu zasilającego na którym moŜna mierzyć prąd
zasilający układ.

•

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

•

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

•

Złącza 20 i 21 słuŜą do podłączenia obciąŜenia. Na stałe podłączona jest tam dioda, która
sygnalizuje poziom naładowania kondensatorów. Jako obciąŜenie uŜywany jest moduł z
Ŝ

arówkami, którego schemat przedstawiony jest na rys. 2. W celu wyboru danej pary Ŝarówek

naleŜy wykonać odpowiednie połączenie 4-(3/5/6).

Mostek Valley-Fill

obciąŜony Ŝarówkami

•

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

Parametry mostka podczas pomiarów:
Pojemność wyjściowa C: 22uF, 200uF
ObciąŜenie Rload (w postaci Ŝarówek): 40, 100

Wyniki symulacji:

Time

5ms

10ms

15ms

20ms

25ms

30ms

35ms

40ms

45ms

50ms

55ms

60ms

65ms

70ms

I(Rwe)

-2.0A

2.0A

SEL>>

V(siec+)- V(siec-)

-400V

400V

Rys. 18. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 22uF

Time

10ms

15ms

20ms

25ms

30ms

35ms

40ms

45ms

50ms

55ms

60ms

65ms

70ms

I(Rwe)

-2.0A

2.0A

SEL>>

V(siec+)- V(siec-)

-400V

400V

Rys. 19. Wykres prądu i napięcia zasilania dla pojemności wyjściowej 200uF

4.1.

Wyniki pomiarów.

Podczas ćwiczenia zaobserwowaliśmy następujące przebiegi sygnałów:

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

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

•

Pojemność wyjściowa C=22uF, obciąŜenie Ŝarówkami 42,5W

Rys. 20. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Widmo prądu zasilania.

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

= 33.2182%

Rys. 21. Przebieg napięcia wyjściowego na tle prądu zasilania

Współczynnik tętnień kt=73.68%

•

Pojemność wyjściowa C=22uF, obciąŜenie Ŝarówkami 100W.

Rys. 22. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Widmo prądu zasilania.

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

= 29.8571%

Rys. 23. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień kt=80%

•

Pojemność wyjściowa C=300uF, obciąŜenie Ŝarówkami 42,5W

Rys. 24. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Widmo prądu zasilania.

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

=41.5825%

W tym przypadku równieŜ wyniki pomiarów przeprowadzone na laboratorium są zgodne z

przeprowadzonymi symulacjami. Współczynnik zawartości harmonicznych prądu zasilania dla
układu Valley-Fill jest na poziomie 30%.

Jednak współczynnik tętnień dla tego układu jest o wiele gorszy. Jest on na poziomie 70%.

ZaleŜy on od zastosowanej pojemności wyjściowej związane jest to ze stała czasową.

4.2. Pomiar prądów udarowych układu Valley-Fill.

Rys. 28. Przebiegi prądów udarowych dla układu Valley-Fill.

Pomiar wewnętrznej rezystancji sieci.

Wewnętrzną rezystancję sieci moŜemy wyznaczyć z przebiegu prądu udarowego i

jednoczesnego spadku napięcia zasilania

Zas

Wew

Udar

△

220

100

120

8.52

14.08

wew

−

Ω

180

120

8.57

14.00

wew

−

Ω

8.545

Wew

Ω

Pomiar zaburzeń wysokoczęstotliwościowych.

Pomiarów zaburzeń wysokoczęstotliwościowych układu

aktywnego korektora mocy PFC opartego

na układzie UCC28070 obciąŜonym Ŝarówkami o mocy 120W

dokonaliśmy w specjalnej kabinie

izolującej badany układ od otoczenia. Jest to specjalna kabina ekranowana typu EK-2 wyposaŜona w
zastaw filtrów przeciwzakłóceniowych typu FA 3 o znamionowym zakresie tłumienia filtrów: 0,16 –
900 MHz i stopniu ochrony zestawu filtrów: IP22.

Dokonanie pomiaru:

•  Po wniesieniu do kabiny układ został zasilony z urządzenia symulującego sieć energetyczną i

pozostawiony przy zamkniętych drzwiach. Sieć sztuczna (Line Impedance Stabilising Network -
LISN) – zapewnia stabilizację warunków pomiarów napięć i prądów zakłóceń w elektrycznych
bwodach zewnętrznych dołączonych do badanego obiektu.

• Sygnał pomiarowy został wyprowadzony poza komorę za pomocą kabla światłowodu i

dostarczony do pobliskiego komputera.

• Następnie przy pomocy oprogramowania AS100E – V3.05 dokonaliśmy pomiarów. KaŜdy

pomiar zaburzeń w zakresie od 150KHz do 30MHz dla 250 punktów z liniowym krokiem.

Tak długi czas pomiaru wynika z ustaleń normy odnośnie czasu wykonywania pomiaru.
Ten nakład czasu tłumaczy jednocześnie dlaczego badania EMC są tak kosztowne.

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0,1

100

Average_dBmW

Maxhold_dBmW

QPeak_dBmW

Limit_Average_dBmW

Limit_Quasipeak_dBmW

Rys. 29. Zaburzenia wysokoczęstotliwościowe układu PFC UCC28070.

Układ ten nie spełnia normy PN-EN 55022 dla zakresów częstotliwości: do ok. 1MHz oraz dla

ok. 15 MHz.

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0,1

100

Average_dBmW

Maxhold_dBmW

QPeak_dBmW

Limit_Average_dBmW

Limit_Quasipeak_dBmW

Rys. 30. Zaburzenia wysokoczęstotliwościowe układu PFC UCC28070

po zastosowaniu filtru sieciowego.

W celu redukcji zaburzeń zastosowaliśmy filtr sieciowy na wejściu układu. Poprawił on nieco

charakterystykę jednak nie przyniósł zamierzonych rezultatów.

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0,1

100

Average_dBmW

Maxhold_dBmW

QPeak_dBmW

Limit_Average_dBmW

Limit_Quasipeak_dBmW

Rys. 31. Zaburzenia wysokoczęstotliwościowe układu PFC UCC28070

po zastosowaniu filtru sieciowego i ferrytu.

Zaburzenia dla wysokich częstotliwości próbowaliśmy zredukować rdzeniem ferrytowym,

jednak i to nie przyniosło rezultatów.

Wykaz stosowanych przyrządów:

•

Mostek Gretza

•

Układ prostownika typu Valley-Fill

•

ObciąŜenie rezystancyjne na 450VDC małej mocy - Ŝarówki

•

Dławik 0.18H

•

oscyloskop (TDS 1001B)

•

sonda wysokonapięciowa (HZ 115)

•

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

Literatura:

Instrukcja do ćwiczenia: „Pomiary zaburzeń przewodzonych oraz badanie prostowników

sieciowych i układów PFC małej mocy”, Laboratorium EMC;

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

Materiały udostępnione przez prowadzącego.