POLITECHNIKA RADOMSKA WYDZIAł TRASNSPORTU I ELEKTROTECHNIKI

KIERUNEK ELEKTROTECHNIKA

1. Wskaźnik dopuszczalnej wartości współczynnika THD

2. Miernik parametrów energii elektrycznej

Opracowanie: Sławomir Cudziło

Dariusz Gorczyca

Mariusz Janiszewski

1. Wskaźnik dopuszczalnej wartości współczynnika THD

Współczesne systemy pomiarowe bardzo często zbudowane są na bazie komputera PC, ponieważ takie rozwiązanie znacznie ułatwia przetwarzanie, analizę i prezentację danych pomiarowych. Połączenie komputera i przyrządów pomiarowych z nim współpracujących umożliwia tworzenie tzw. wirtualnych instrumentów pomiarowych, w których tor pomiarowy w dużej mierze zrealizowany jest poprzez odpowiednie oprogramowanie np. DASYLAB.

System pomiarowy projektuje się metodą Drag&Drop, a dostępne elementy pobierane są z paska elementów z lewej strony okna projektowego lub z menu Modules paska narzędziowego. Korzystanie z menu Modules jest korzystniejsze przy braku doświadczenia w pracy z programem. Wszystkie dostępne tu elementy powiązane są w grupy tematyczne, co znacznie ułatwia realizację zamierzeń projektowych. Po wybraniu odpowiedniego elementu jest on reprezentowany w dwojaki sposób: na płaszczyźnie projektowej w postaci ikony o określonej liczbie wejść i/lub wyjść (zawsze) oraz w postaci obiektu graficznego: dla elementów wizualizacji (układy współrzędnych, mierniki analogowe czy cyfrowe), elementów sterujących (suwaki, pokrętła, przyciski) oraz elementów specjalnych (pola tekstowe). Obiekty graficzne wykorzystywane są przy projektowaniu panelu sterującego. Każdy element wstawiany do systemu musi być odpowiednio skonfigurowany. Konfiguracja jest zależna od rodzaju obiektu, jaki wybrano. Dostęp do okna konfiguracji jest możliwy przez dwukrotne klikniecie na ikonie obiektu lub wybranie polecenia Properties z menu kontekstowego obiektu. Każdy obiekt ma inne okno konfiguracyjne.

Układ pomiarowy

Rys.1 Układ pomiarowy

Układ zasilania zbudowany został z dwóch generatorów. Pierwszy generator symuluje podstawowa harmoniczną o częstotliwości 50Hz i amplitudzie 230V. Drugi generator symuluje harmoniczne: trzecią (150Hz), piątą (250Hz), siódmą(350Hz), dziewiątą (450Hz), jedenasta (550Hz) oraz trzynastą (650Hz). Regulacja amplitud harmonicznych odbywa się za pomocą suwaków. Wytworzone przebiegi sumowane są w bloku arytmetycznym. Przebiegi te obrazuje oscyloskop.

Rys2. Podstawowa harmoniczna

Rys. 3 Zniekształcenie spowodowane pozostałymi harmonicznymi

Zsumowany sygnał trafia do modułu FFT ( Fast Furier Transformation) , gdzie rozkładany jest na poszczególne prążki o wartości amplitud harmonicznych. (rys4)

Rys.4 Prążki poszczególnych harmonicznych.

Moduł select odczytuje amplitudy harmonicznych o określonej częstotliwości. Wynik przedstawiony jest na mierniku cyfrowym.

Blok arytmetyczny umożliwia obliczenie wartości współczynnika odkształceń . Powszechnie przyjętą miarą odkształcenia przebiegów czasowych napięć jest wartość współczynnika THD (total harmonic distorsion), określająca względną zawartością w napięciu wyższych harmonicznych, według zależności:

gdzie:

Uh – wartość skuteczna h-tej harmonicznej napięcia,

U1 – wartość skuteczna 1-szej harmonicznej napięcia.

Do bloku arytmetycznego dołączony jest komparator który porównuje współczynnik THD po czym wynik wyświetlany jest na kolejnym mierniku cyfrowym oraz na lampce. Kolor

czerwony oznacza przekroczenie współczynnika THD.

Rys.5 Układ wskaźników.

Wnioski.

Wyższe harmoniczne oddziałują w różnym stopniu szkodliwie na pracę poszczególnych odbiorników. Odbiornikami szczególnie wrażliwymi na występowanie wyższych harmonicznych w napięciu są silniki i kondensatory. Wyższe harmoniczne powodują powstanie momentów pasożytniczych w uzwojeniach silnika, co może utrudnić lub wręcz uniemożliwić jego rozruch i prawidłową pracę. W pracy kondensatorów odkształcone napięcie wywołuje natomiast intensywne ich nagrzewanie, przyśpieszając zużywanie się izolacji. Wyższe harmoniczne są również przyczyną powstawania w sieci dodatkowych strat mocy czynnej, migotania światła w lampach wyładowczych, skrócenia czasu eksploatacji żarowych źródeł światła, uszkodzenia elementów elektronicznych i energoelektronicznych,

nieselektywnego działania niektórych zabezpieczeń i wielu innych negatywnych skutków.

W celu ograniczenie skutków zniekształceń harmonicznych stosuje się :

- pasywne filtry harmoniczne wycinające określone harmoniczne

- aktywne filtry harmoniczne generujące przebiegi o określonym kształcie które dodane do przebiegu głównego dają przebieg prawie sinusoidalny.

- filtracje składowej zerowej spowodowanej trzecią harmoniczną

- wydzielone sieci dla odbiorników nieliniowych.

1. Miernik parametrów energii elektrycznej

Układ pomiarowy

Rys.1 Układ pomiarowy

Układ zasilania zbudowany został z dwóch generatorów. Pierwszy generator jest generatorem napięciowym umożliwiającym zmianę amplitud harmonicznych 3,5,7 i 9. Drugi generator jest generatorem prądowym. Oba przebiegi zostały zsumowane w module arytmetycznym, i zobrazowane na oscyloskopie.

Rys.2 przykładowy przebieg

Następnym krokiem jest poddanie zsumowanego sygnału analizie częstotliwościowej. Operacja ta jest zrealizowana przez filtr FFT. Na wyjściu filtru otrzymujemy sygnał w postaci prążków o odpowiedniej częstotliwości.

Rys.3 Zrzut z oscyloskopu po analizie częstotliwościowej.

Rys.4 Układ pomiaru FFT, oraz moduł matematyczny

Wartość skuteczna została zapisana w bloku matematycznym. Poprzez odpowiednie funkcje matematyczne zostały obliczone parametry sieci oraz wyświetlone na mierniku cyfrowym.

Wartość skuteczna napięcia:

Wartość skuteczna prądu:

Moc czynna:

Moc bierna:

Moc pozorna :

Moc odkształcenia, oznaczana literą D jest zwana również mocą deformacji jest to rodzaj mocy powstającej w obwodzie o przebiegach niesinusoidalnych:

Układ trygonometryczny oblicza cos oraz sin kąta przesunięcia fazowego, regulowanego poprzez suwak (-90,90)^o. Wartości kątów przedstawia miernik.

Rys.5 Układ trygonometryczny

Rys.6 Widok całego programu

Wnioski

Moc odkształceń wzrasta wraz ze wzrostem występowania wyższych harmonicznych. Straty mocy związane z występowaniem wyższych harmonicznych powodują że moc pozorna S jest większa od sumy kwadratów mocy czynnej i biernej. Straty mocy wynikające z wyższych harmonicznych ograniczają moce odbiorników. Odbiorniki zasilane z sieci energetycznej przystosowane są do napięcia sinusoidalnego symetrycznego. Pogorszenie parametrów sieci wywołuje negatywne skutki na pracę odbiorników.