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 cos

ϕ

,

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

ϕ

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

kompensacji cos

ϕ

<1 stosuje się baterie kondensatorów włączanych równolegle z obciążeniem

indukcyjnym.

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

współczynnik cos

ϕ

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

.

%

100

1

2

2

)

(

⋅

=

∑

=

U

U

THD

n

n

U

,

(1)

%

100

1

2

2

)

(

⋅

=

∑

=

I

I

THD

n

n

I

,

(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.

S

P

PF

=

,

(3)

gdzie:
P, S –

moc czynna, pozorna

∫

⋅

⋅

=

T

dt

t

i

t

u

T

P

0

)

(

)

(

1

,

(4)

sk

sk

I

U

S

⋅

=

(5)

Dla zobrazowania związku współczynnika PF z wyższymi harmonicznymi oraz

współczynnikiem przesunięcia fazowego cos

ϕ

, przeprowadzono kilka operacji matematycznych

uzyskując równanie (8). Mianowicie zakładając sinusoidalne napięcie zasilania, możemy zapisać że:

ϕ

cos

1

⋅

⋅

=

sk

sk

I

U

P

,

sk

sk

I

U

S

⋅

=

,

(6)

co daje w rezultacie:

sk

sk

I

I

PF

ϕ

cos

1

⋅

=

,

(7)

Z równania (5) widać że współczynnik PF zależy od współczynnika przesunięcia fazowego cos

ϕ

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:

ϕ

cos

)

(

1

1

2

⋅

+

=

THD

PF

,

(8)

Z powyższej zależności można wywnioskować że jeżeli przebieg prądu ma kształt sinusoidy i

THD=0, wówczas współczynnik mocy PF jest równy cos

ϕ

. Natomiast jeżeli przebieg prądu jest w

fazie z napięciem, czyli

ϕ

=0 (cos

ϕ

=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. Współczynnik zawartości harmonicznych został wyznaczony na
podstawie wartości 20 harmonicznych sygnału.

a)

b)

Rys. 2. a) Przebieg napięcia sieciowego, b) widmo napięcia sieciowego.

Skuteczna wartość napięcia sieci wynosi U

RMS

=220V

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

U

= 3.0318%

3.

Schemat pomiarowy do badania układu prostowniczego z mostkiem Graetza.

Rys. 3. Schemat blokowy do pomiaru układu z mostkiem Graetza

Rys. 4. 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
ż

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

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

Rys. 5. Schemat obciążenia rezystancyjnego - żarówki

Parametry mostka podczas pomiarów:
Pojemność wyjściowa C: 100uF, 400uF
Indukcyjność wyjściowa L: 0.18H
Obciążenie Rload (w postaci żarówek): 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

0A

2.0A

SEL>>

V1(Vsiecowe)- V2(Vsiecowe)

-400V

0V

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

0A

2.0A

SEL>>

V1(Vsiecowe)- V2(Vsiecowe)

-400V

0V

400V

Rys. 7. 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)

3.1.

Wyniki pomiarów.

Podczas ćwiczenia zaobserwowaliśmy następujące przebiegi sygnałów:

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.

•

Pojemność wyjściowa C=100uF, obciążenie żarówką 100W.

a)

b)

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

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

I

=38.0112%.

Rys. 9. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień: kt=9.73%

•

Pojemność wyjściowa C=100uF, obciążenie żarówkami 200W

a)

b)

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

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

I

= 50.3207%

Rys. 11. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień kt=5.67%

•

Pojemność wyjściowa C=400uF, obciążenie żarówką 100W

a)

b)

Rys. 12. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Widmo prądu zasilania.

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

I

= 36.4410%

Rys. 13. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień kt=3.87%

•

Pojemność wyjściowa C=400uF, obciążenie żarówkami 200W.

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

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

I

jest na poziomie 35%.

a)

b)

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, że 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 zależne od zastosowanej pojemności wyjściowej, maleją ze

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

pojemności wyjściowej

1

RC

τ =

.

3.2. Pomiar prądów udarowych.

Rys. 15. Przebieg prądów udarowych dla dwóch przypadków.

4.

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 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
ż

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

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

Mostek Valley-Fill

obciążony żarówkami

•

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.

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

Wyniki symulacji:

Time

0s

5ms

10ms

15ms

20ms

25ms

30ms

35ms

40ms

45ms

50ms

55ms

60ms

65ms

70ms

I(Rwe)

-2.0A

0A

2.0A

SEL>>

V(siec+)- V(siec-)

-400V

0V

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

0A

2.0A

SEL>>

V(siec+)- V(siec-)

-400V

0V

400V

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

4.1.

Wyniki pomiarów.

Podczas ćwiczenia zaobserwowaliśmy następujące przebiegi sygnałów:

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.

•

Pojemność wyjściowa C=22uF, obciążenie żarówkami 42,5W

a)

b)

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

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

I

= 33.2182%

Rys. 21. Przebieg napięcia wyjściowego na tle prądu zasilania

Współczynnik tętnień kt=73.68%

•

Pojemność wyjściowa C=22uF, obciążenie żarówkami 100W.

a)

b)

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

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

I

= 29.8571%

Rys. 23. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień kt=80%

•

Pojemność wyjściowa C=300uF, obciążenie żarówkami 42,5W

a)

b)

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

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

I

=41.5825%

Rys. 25. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień kt=68.42%

•

Pojemność wyjściowa C=300uF, obciążenie żarówkami 100W

a)

b)

Rys. 26. a) Przebieg napięcia i prądu zasilania, b) Widmo prądu zasilania.

Współczynnik zawartości harmonicznych THD

I

= 36.8569%

Rys. 27. Przebieg napięcia wyjściowego.

Współczynnik tętnień kt=68.12%

W tym przypadku również 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%.

Zależy 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.

5.

Pomiar wewnętrznej rezystancji sieci.

Wewnętrzną rezystancję sieci możemy wyznaczyć z przebiegu prądu udarowego i

jednoczesnego spadku napięcia zasilania

Zas

Wew

Udar

U

R

I

=

△

.

1

220

100

120

8.52

14.08

14.08

wew

V

V

V

R

A

A

−

=

=

=

Ω

1

180

60

120

8.57

14.00

14.00

wew

V

V

V

R

A

A

−

=

=

=

Ω

8.545

Wew

R

=

Ω

6.

Pomiar zaburzeń wysokoczęstotliwościowych.

Pomiarów zaburzeń wysokoczęstotliwościowych układu

aktywnego korektora mocy PFC opartego

na układzie UCC28070 obciążonym żarówkami o mocy 120W

dokonaliśmy w specjalnej kabinie

izolującej badany układ od otoczenia. Jest to specjalna kabina ekranowana typu EK-2 wyposażona 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. Każdy

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

0,1

1

10

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

0,1

1

10

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

0,1

1

10

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.

6.

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)

7.

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.