Energoelektronika

Oddziaływanie urządzeń małej mocy na linię zasilającą

Instrukcja do ćwiczenia

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych

Kraków 2006Oddziaływanie urządzeń małej mocy na linię zasilającą

1. Wstęp

Rozwój energoelektroniki powoduje szerokie jej zastosowania. Oprócz aplikacji urządzeń energoelektronicznych w przemyśle, transporcie, energetyce (urządzenia dużej mocy), od kilku lat energoelektronika jest stosowana w urządzeniach małej mocy w gospodarstwie domowym. Jest to między innymi:

• sprzęt oświetleniowy: żarówki energooszczędne, świetlówki,

• sprzęt RTV: telewizory, odbiorniki radiowe,

• sprzęt AGD: kuchenki mikrofalowe, lodówki,

• komputery.

Wspólną cechą tego typu odbiorników jest często pierwszy etap przetwarzania energii. Najczęściej są tu stosowane prostowniki. Napięcie sinusoidalnie zmienne o wartości skutecznej 230V i częstotliwości 50Hz (parametry sieci elektrycznej) jest transformowane na niższą wartość, zamieniane na napięcie stałe (pomijając składową zmienną) i poddawane dalszej „obróbce”. Coraz częściej ze względu na rozwój technologii i stosunkowo niskie ceny półprzewodników, pomijany jest etap wstępnego obniżania napięcia. Po wyprostowaniu wtedy, poziom napięcia jest dopasowywany przekształtnikiem DC/DC. Jako przekształtnik AC/DC najczęściej stosowane są w takich przypadkach prostowniki diodowe z filtrem pojemnościowym (rys. 1). Zapewniają prostotę, pewność działania, niskie koszty i stosunkowo małą składową zmienną w napięciu wyprostowanym. Wadą takiego rozwiązania jest duże odkształcenie prądu źródła.

Rys. 1 Dwupołówkowy prostownik diodowy z filtrem pojemnościowym

Inne stosowane metody przetwarzania energii w urządzeniach małej mocy również charakteryzują się odkształceniami prądu zasilającego.

W celu ujednolicenia opisu, wprowadza się różne współczynniki pozwalające jednocześnie na ocenę odbiornika od strony elektrycznej:

Wartość skuteczna prądu:

Kosinus kąta przesunięcia podstawowej harmonicznej prądu względem napięcia (przesunięciowy współczynnik mocy):

Współczynnik mocy:

Współczynnik szczytu:

Współczynnik całkowitego odkształcenia prądu:

2. Przebieg ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest jakościowa ocena wybranych odbiorów małej mocy, stosowanych gospodarstwie domowym. Po obserwacji przebiegów prądu w dziedzinie czasu i częstotliwości, należy na ich podstawie oszacować podstawowe ww. współczynniki.

Przyjętymi odbiornikami są:

• zasilacz,

• energooszczędne źródło światła (świetlówka kompaktowa),

• regulator mocy (oświetlenia).

Szacunkowe wyliczenia należy porównać z wynikami otrzymanymi na podstawie badania odbiorników analizatorem mocy.

- Obserwacja przebiegów prądu odbiorników

Rys. 2 Prąd świetlówki kompaktowej (50mV/dz, 5ms/dz) na tle napięcia

Rys. 3 Prąd wejściowy zasilacza (50mV/dz, 5ms/dz) na tle napięcia

Rys. 4 Prąd wejściowy regulatora mocy (200mV/dz, 5ms/dz) na tle napięcia; α ≈ π/2

Rys. 5 Prąd wejściowy regulatora mocy (200mV/dz, 5ms/dz) na tle napięcia; α ≈ π/3

Rys. 6 Widmo harmonicznych prądu świetlówki kompaktowej (2,21mV/dz, 50Hz/dz)

Rys. 7 Widmo harmonicznych prądu zasilacza (2,21mV/dz, 50Hz/dz)

Rys. 8 Widmo harmonicznych prądu regulatora mocy na tle napięcia; α ≈ π/2 (22,1mV/dz, 50Hz/dz)

Rys. 9 Widmo harmonicznych prądu regulatora mocy na tle napięcia; α ≈ π/3 (22,1mV/dz, 50Hz/dz)

- Obliczenia

Wartość skuteczna prądu h. harmonicznej wynika z zależności:

gdzie:

w₁ - ilość działek na oscyloskopie

k₁ - współczynnik wyznaczony ze wzoru:

g₁=2,21 [mV/dz]

R=0,91 [Ω]

p=10 - przekładnia prądowa

Wartość szczytowa prądu wynika z zależności:

gdzie:

w₂ - ilość działek na oscyloskopie

k₂ - współczynnik wyznaczony ze wzoru:

g₂=50 [mV/dz]

R=0,91 [Ω]

p=10 - przekładnia prądowa

Szacunkowa wartość kąta przesunięcia fazowego:

gdzie:

w₃ - ilość działek na oscyloskopie

k₃ - 90 [°/dz]

Wyniki należy zestawić w tabeli dla każdego z analizowanych przypadków.

i_f

u_f

u_f

i_f

3

1

3

1

i_f

u_f

i_f

u_f

1

3

1

3

---