Pomiar harmonicznych prądu w wybranych obciążeniach nieliniowych i konsekwencje ich występowania

Transkrypt

1 ERD Andrzej 1 Pomiar harmonicznych prądu w wybranych obciążeniach nieliniowych i konsekwencje ich występowania WSTĘP Energia elektryczna ze względu na swoją powszechność wykorzystania, wymaga normalizacji, potrzebnej do zapewnienia współpracy urządzeń w sposób efektywny i bezpieczny. W zasadzie, aż do lat 70-tych XX, problem jakości zasilania oraz związanych z tym zagadnień w Polsce, praktycznie nie istniał. Większość odbiorników miała charakter liniowy, do napędu maszyn używano silników bez układów przekształtnikowych. Istniejące nieliczne odbiorniki nieliniowe jak np. nagrzewnice indukcyjne, elektrolizery, stacje prostownikowe pracowały z reguły w wydzielonych sieciach, więc ich wpływ na system elektroenergetyczny był niewielki. Najważniejsze było utrzymanie właściwej wartości napięcia i częstotliwości. Zagadnienia związane z kształtem napięcia i pobieranego prądu miały znaczenie marginalne. Obecnie zdecydowana większość urządzeń, szczególnie elektronicznych i komputerowych wymaga wysokiej jakości energii. Niestety, urządzenia te są często same przyczyną zakłóceń w instalacji, gdyż z powodu nieliniowości swoich charakterystyk pobierają niesinusoidalny prąd przy sinusoidalnym napięciu zasilającym. Wraz z rozwojem techniki, a także zniesieniem barier gospodarczych masowo zaczęto wprowadzać do systemu urządzenia, które przetwarzają energię elektryczną. Zamiast budować kosztowne przekładnie elektromaszynowe czy transformatorowe, coraz częściej silniki steruje się za pomocą przemienników, które nie dość, że pozwalają na bezstopniową zmianę prędkości obrotowej silnika, dają się dodatkowo, bardzo łatwo sterować np. przez złącza interfejsów sieci informatycznych. W gospodarstwie domowym oprócz żarówki i czajnika elektrycznego spotkane są również kuchnie mikrofalowe, płyty indukcyjne, komputery, sprzęt Hi-Fi, które pobierają silnie odkształcony prąd z sieci, a sterownik elektroniczny znajdziemy nie tylko w odkurzaczu czy mikserze, ale nawet w ładowarce akumulatora elektrycznej szczoteczki do zębów. W biurowcach tysiące świetlówek kompaktowych oraz źródeł LED pobierają prąd o wysokim poziomie odkształceń, a urządzenia biurowe takie jak kopiarki, komputery, niszczarki, wyposażone w zasilacze impulsowe w większości są znaczącym źródłem zakłóceń sieciowych. Stąd też znajomość odkształceń prądu pozwala na takie łączenie urządzeń by pracowały one niezawodnie. W pracy scharakteryzowano wymagania odnośnie prowadzenia pomiarów harmonicznych zgodnie z normami europejskimi dotyczącymi kompatybilności energetycznej, a następnie przedstawiono wyniki pomiarów urządzeń z dwóch klas komputerów stacjonarnych oraz wybranych typów elementów oświetleniowych tj. kilku typów żarówek LED oraz świetlówki tzw. żarówki energooszczędnej i dla porównania żarówki tradycyjnej. Następnie przeprowadzono dyskusję otrzymanych wyników. 1 UNORMOWANIA ZWIĄZANE Z JAKOŚCIĄ ENERGII Podstawowym dokumentem regulującym jakość energii elektrycznej jest norma PN-EN [1]. Określa ona parametry napięcia zasilającego oraz podaje dopuszczalne przedziały ich odchyleń w punkcie przyłączenia odbiorcy w publicznych sieciach rozdzielczych niskiego napięcia w normalnych warunkach eksploatacyjnych. W normie tej jest zdefiniowanych kilkadziesiąt parametrów, które powinny być mierzone w celu określenia czy zasilanie jest prawidłowe. Dla wybranych parametrów, 1 Dr inż. Andrzej Erd UTH Radom a.erd@uthrad.pl 3475

2 poza samym pomiarem bezpośrednim, wymagana jest obserwacja długoterminowa za pomocą urządzeń rejestrujących. Ze względu na obszerność tematyki, w pracy zostanie przytoczona jedynie definicja harmonicznych napięcia i THD. Inne definicje parametrów można znaleźć w [1]. Harmoniczne napięcia to napięcia sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej wielokrotności częstotliwości podstawowej napięcia zasilającego. Harmoniczne napięcia mogą być określone: Indywidualnie przez ich względną amplitudę U h odniesioną do składowej podstawowej napięcia U 1 gdzie h jest rzędem harmonicznej. Łącznie przez całkowity współczynnik odkształcenia napięcia THD U obliczany wg wzoru (1) gdzie: U h wartość napięcia harmonicznej rzędu h. U 1 - wartość napięcia harmonicznej podstawowej. Udział harmonicznych w dostarczanym napięci jest limitowany wg tabeli 1 Tab.1 Dopuszczalna zawartość harmonicznych w napięciu zasilającym o rzędach 2-25 [1]. Harmoniczne nieparzyste nie będące Harmoniczne nieparzyste będące Harmoniczne parzyste krotnością 3 krotnością 3 Wartość względna w Wartość w odniesieniu Wartość względna w Rząd -h odniesieniu do U 1 U h [%] Rząd -h do U 1 U h [%] Rząd -h odniesieniu do U 1 U h [%] , ,5 15 0, , , ,5 23 1,5 25 1,5 Przedstawiona powyżej norma ma za zadanie zapewnić właściwe warunki zasilania urządzeń odbiorczych i zasadniczo jej wymaganiom musi podporządkowywać się producent energii i jej dostawca. 1.1 Wymagania normatywne ze względu na kompatybilność elektromagnetyczną W stosunku do odbiorcy energii bardziej istotna jest norma PN-EN x-x dotycząca kompatybilności elektromagnetycznej. Symbole x-x oznaczają że jest kilka części tej normy i najważniejsze z nich to : Środowisko Poziomy kompatybilności zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości i sygnałów przesyłanych w publicznych sieciach zasilających niskiego napięcia Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika mniejszy lub równy 16 A) Kompatybilność elektromagnetyczna ( EMC) Dopuszczalne poziomy ograniczenia wahań napięcia i migotania światła powodowanych przez odbiorniki o prądzie znamionowym mniejszym lub równym 16A w sieciach zasilających niskiego napięcia Metody badań i pomiarów. Metody pomiaru jakości energii. 3476

3 1.2 Ważniejsze wymagania wg [3] dotyczące sposobu prowadzenia pomiarów Cytowana norma [3] dotyczy sprzętu elektrycznego i elektronicznego o fazowym prądzie zasilającym nie przekraczającym 16 A, przeznaczonego do przyłączenia do publicznych sieci rozdzielczych niskiego napięcia. Celem tej normy jest określenie dopuszczalnych poziomów emisji harmonicznych prądu przez urządzenia określone w jej zakresie, w taki sposób, aby wraz z uwzględnieniem emisji innych urządzeń, sumaryczne poziomy zaburzeń harmonicznych nie przekroczyły poziomów kompatybilności elektromagnetycznej podanych w normie [2]. Postanowieniem normy [3] urządzenia są podzielone na 4 klasy. Pomijając subtelności można w skrócie powiedzieć, że zalicza się do: Klasy A symetryczny sprzęt trójfazowy; sprzęt do zastosowań domowych, z pominięciem przynależnego do klasy D; narzędzia z pominięciem narzędzi przenośnych; ściemniacze do żarówek; sprzęt akustyczny. Klasy B: narzędzia przenośne oraz nieprofesjonalny sprzęt spawalniczy. Klasy C :sprzęt oświetleniowy. Klasy D: Sprzęt, o mocy mniejszej lub równej 600 W, następującego rodzaju: komputery osobiste i monitory do komputerów; odbiorniki telewizyjne. W zależności od klasy istnieją odrębne tabele wartości kryterialnych. Ze względu na to, że dla potrzeb publikacji, przeprowadzono pomiary jedynie dla urządzeń z klas C i D zostaną tu przytoczone jedynie wartości kryterialne dla tych klas. Dla klas A i B można je znaleźć w [3]. Tab Dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu dla sprzętu klasy C [3] Rząd harmonicznej h Maksymalny dopuszczalny prąd harmonicznej wyrażony w procentach składowej podstawowej prądu wejściowego % * < n < 39 3 (tylko harmoniczne nieparzyste) * oznacza współczynnik mocy obwodu 3477

4 Tab Dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu dla sprzętu klasy D Rząd harmonicznej n Maksymalny dopuszczalny prąd harmonicznej w przeliczeniu na wat ma/w Maksymalny dopuszczalny prąd harmonicznej A 3 3,4 2,30 5 1,9 1,14 7 1,0 0,77 9 0,5 0, ,35 0,33 13<n<39 (tylko harmoniczne nieparzyste) 3,85 n Interpretacja zmierzonych wyników powinna być prowadzona z następującymi ograniczeniami Uwaga 1: Dla urządzeń o mocy czynnej większej od 25 W ograniczenia jak w tabeli 2. Dla urządzeń o mocy mniejszej od 25 W harmoniczne prądu nie powinny przekraczać wartości dopuszczalnych zależnych od mocy i podanych w kolumnie 2 tablicy 2 lub: Uwaga 2: Prąd trzeciej harmonicznej, wyrażony w procentach składowej podstawowej nie powinien przekroczyć 86%, a piątej nie powinien przekroczyć 61%; dodatkowo kształt przebiegu czasowego prądu wejściowego powinien zaczynać się przed lub przy 60, mieć ostatnią wartość ekstremalną (jeżeli w półokresie występuje kilka wartości ekstremalnych) przed lub dla 65 i nie powinien przestać płynąć przed 90, przy założeniu, że 0 odpowiada przejściu przez zero składowej podstawowej napięcia zasilającego. Oprócz oczywistych wymagań [3 załącznik A2] co do napięcia zasilającego urządzenie w trakcie próby, stosuje się takie ograniczenia dodatkowe jak: 1. Prądy harmoniczne i wejściowa moc czynna powinny być mierzone w tych samych warunkach, lecz niekoniecznie w tym samym czasie. 2. Dla każdego rzędu harmonicznej należy zmierzyć wygładzoną w czasie 1,5s skuteczną wartość harmonicznej prądu w kolejnych oknach czasowych próbki. 3. Zmierzyć w czasie 1,5 s wygładzoną wejściową moc czynną w w kolejnych oknach czasowych próbki. 4. Jeżeli urządzenie jest załączane lub wyłączane w sposób ręczny lub automatyczny, harmoniczne prądu i moc, w czasie pierwszych 10 s następujących po procesie łączenia, nie są brane pod uwagę. 5. Prądy harmoniczne o wartościach mniejszych niż 0,6 % prądu wejściowego zmierzonego podczas badań, lub mniejsze niż 5 ma - decyduje większa z tych dwóch wartości - są pomijane. Jak widać z powyższej bardzo skróconej relacji z normy [3] poprawny pomiar harmonicznych obwarowany jest wieloma ograniczeniami zapewniającymi jego obiektywizację. Dla celów certyfikacyjnych jest to sposób wystarczający. 2 POMIARY HARMONICZNYCH WYTWARZANYCH PRZEZ KOMPUTERY OSOBISTE W przytoczonej normie zasadniczo nie było obwarowań na wartość THD. W definicji tego współczynnika zawartej zarówno w [1] jak i w [3] następuje odniesienie do wartości skutecznej pierwszej harmonicznej, zgodnie z zależnością (1). Wykorzystywany w trakcie badań przyrząd posiadał poza standardową definicją, możliwość wyliczenia zarówno wartości harmonicznych w odniesieniu do harmonicznej podstawowej jak i w odniesieniu do całkowitej wartości RMS. I to 3478

5 zarówno dla harmonicznych jak i zbiorczego wskaźnika THD. Dla odróżnienia obu wartości będą one oznaczane jako THDr wg wzoru zbliżonego do (1) ale w odniesieniu do prądu (2) Oraz THDf wg wzoru (3) Uwagi wymaga jeszcze rząd harmonicznej mierzonej w przypadku stosowanego analizatora wynosił maksymalnie 49 i w takim zakresie prowadzone były pomiary. Jest to wielkość inna niż w [3] jednakże cel pomiarów był poznawczy a nie służyły one do certyfikacji urządzeń. 2.1 Opis obiektu pomiarów Pomiary przeprowadzono na dwóch komputerach wyposażonych w zasilacze ATX, jeden o mocy 350W drugi o mocy 450W. Przytoczone wartości mocy są jednak mylące i wg doświadczeń autora mają one znaczenie marketingowe. Parametr mocy podawany przez producenta, dla zasilaczy komputerowych jest to zsumowana moc maksymalna wszystkich kanałów zasilania. Jednakże zwykle jest dopisek na obudowie lub w instrukcji użytkowania, że w czasie pracy moc całkowita dostarczana w sposób ciągły nie może przekraczać pewnej wartości mniejszej niż podawana moc maksymalna. Zasilacz ATX ma za zadanie dostarczyć energię o napięciu 3,3V, 5V, 12V i -5 V. Prądy maksymalne w poszczególnych kanałach są różne, i nie mogą być w żadnym wypadku przekraczane. Grozi to w najlepszym wypadku wyłączeniem zasilacza przez jego wewnętrzne zabezpieczenia, w gorszym kończy się uszkodzeniem. W przypadku wielu jednostek komputerowych bogato wyposażonych np. w szybką kartę graficzną, kilka dysków twardych itp., może się tak zdarzyć, że chwilowo moc zasilacza będzie niewystarczająca dla wszystkich urządzeń i konieczne jest dobranie takiego o większej mocy maksymalnej, mimo iż zapotrzebowanie na moc ciągłą jest zdecydowanie mniejsze. Do prób wykorzystano jednostki z procesorami starszego typu: procesorem Intel P4 oraz z procesorem Intel Core Duo. Jak wynika z praktyki eksploatacyjnej, zasadniczo nowocześniejsze procesory nie obciążają mocniej zasilacza w sposób znaczący niż procesory starsze, mimo zdecydowanego wzrostu parametrów. Związane to jest z rozwojem technologii mikroelektronicznej i wprowadzaniu coraz nowszych rozwiązań we tej dziedzinie. W przypadku pomiarów tu prowadzonych procesor jest mało istotny, a głównym obiektem badań jest oddziaływanie zasilacza na sieć. 2.2 Wyniki pomiarów W wyniku przeprowadzonych pomiarów uzyskano oscylogramy przebiegów pokazane na rysunku 1. Są to kolejno oscylogramy napięcia sieci oraz prądów komputera 1, komputera 2 oraz obu komputerów razem. Oscylogram napięcia pokazano w celu zilustrowania w którym momencie przebiegu napięcia następuje pobór prądu przez zasilacz. Dla tych prądów przeprowadzono analizę zawartości harmonicznych i jej wyniki zostały przedstawione w tabeli 4. U dołu tabeli 4 zostały zamieszczone wyniki pomiarów mocy oraz współczynnik mocy PF dla obiektów wymienionych. Współczynnik THD wyliczano w odniesieniu do, wartości skutecznej pierwszej harmonicznej prądu (prawa część tabeli) oraz w odniesieniu do całkowitej wartości skutecznej prądu - lewa część tabeli- THDr. Odniesienie do całkowitej wartości skutecznej prądu ma ten sens, że wskazuje jaki udział w prądzie całkowitym mają poszczególne harmoniczne. Gdy odniesienie jest w stosunku do pierwszej harmonicznej takiego oczywistego wskazania nie ma. Można powiedzieć ze wskaźnik THDr ma charakter bardziej intuicyjny. Pomiar dla dwóch komputerów łącznie był wykonany w celu 3479

6 Rys. 1. Oscylogramy napięcia oraz prądu dla komputera 1, komputera 2, obu komputerów razem Tab. 4. Zestawienie wartości procentowych harmonicznych prądu dla Komputera 1 (Komp.1 ), Komputera 2 (Komp2) włączanych oddzielnie oraz równocześnie (K1+K2) i monitora. THDr THDf Komp. 1 Komp. 2 K1+K2 Monitor Komp. 1 Komp. 2 K1+K2 Monitor THD[%] 58,1% 58,3% 58,1% 77,0% 70,8% 71,4% 71,0% 93,0% I [A] 0,588 0,63 1,168 0,125 0,588 0,596 1,168 0,125 I1 [A] 0,455 0,584 0,95 0,082 0,455 0,584 0,95 0,082 I1 [%] 81,25% 79,4% 80,77% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% I3 [%] 53,13% 52,4% 50,00% 64,6% 65,4% 64,5% 61,5% 79,5% I5 [%] 21,88% 22,9% 23,08% 41,7% 26,9% 28,1% 28,4% 51,3% I7 [%] 10,94% 10,2% 11,54% 29,2% 13,5% 12,5% 14,2% 35,9% I9 [%] 9,38% 7,3% 7,69% 10,4% 11,5% 9,0% 9,5% 12,8% I11 [%] 1,56% 4,4% 1,92% 2,1% 1,9% 5,5% 2,4% 2,6% I13 [%] 3,75% 2,5% 2,31% 6,3% 4,6% 3,1% 2,8% 7,7% I15 [%] 1,25% 1,9% 1,15% 8,3% 1,5% 2,3% 1,4% 10,3% I17 [%] 3,75% 0,6% 1,54% 3,8% 4,6% 0,8% 1,9% 4,6% I19 [%] 0,94% 1,0% 0,77% 0,4% 1,2% 1,2% 0,9% 0,5% I21 [%] 0,94% 0,3% 0,00% 0,4% 1,2% 0,4% 0,0% 0,5% I23 [%] 0,63% 0,3% 0,38% 0,4% 0,8% 0,4% 0,5% 0,5% I25 [%] 0,00% 0,0% 0,00% 1,7% 0,0% 0,0% 0,0% 2,1% I27 [%] 0,31% 0,0% 0,00% 0,8% 0,4% 0,0% 0,0% 1,0% parzyste brak brak P[W] ,4 S[VA] ,0 Q[Var] ,2 PF 0,79 0,79 0,79 0,6 sprawdzenia czy istnieje kompensowanie się poszczególnych harmonicznych w wyniku włączenia kilku urządzeń. Niestety jak pokazują oscylogramy na rysunku 1, impulsy prądowe pobierane przez zasilacze obu komputerów następują w tej samej chwili w stosunku do szczytu napięcia sieci, w 3480

7 związku z tym sumują się one arytmetycznie i nie ma możliwości na wzajemną kompensację odkształceń. Prąd zasilacza monitora ( niepokazany na rys 1) również ma szczyt w tej samej chwili. Tym samym wraz ze wzrostem liczby komputerów włączanych w jednej fazie następuje generacja dużej ilości harmonicznych o proporcjach wzajemnych takich jak w kolumnie tabeli 4 i wartości proporcjonalnej do liczny komputerów. W celu sprawdzenia czy posiadane komputery spełniają normę [3] wyliczono wartości prądów Tab 5 pokazuje wartości bezwzględne prądów poszczególnych harmonicznych oraz wyliczone wartości graniczne prądów dopuszczalnych dla kolejnych urządzeń (3 prawe kolumny) przez porównanie odpowiednich wartości lewej i prawej części tabeli można uznać, że badane urządzenia spełniały warunki zadane normą [3]. Tab 5. Wartości bezwzględne składowych prądów harmonicznych dla komputerów Komp1, Komp2 oraz monitora Maksymalna wart graniczna prądu Prądy harmonicznych w wartościach bezwzgl. [A] I h [A] harmonicznej wg. Tab. 3 [A] Komp. 1 Komp. 2 K1+K2 Monitor Komp. 1 Komp. 2 Monitor I1 0,4550 0,5840 0,9500 0,0820 I3 0,2975 0,3765 0,5846 0,0652 0,364 0,398 0,066 I5 0,1225 0,1643 0,2698 0,0421 0,203 0,222 0,037 I7 0,0613 0,0730 0,1349 0,0294 0,107 0,117 0,019 I9 0,0525 0,0525 0,0899 0,0105 0,054 0,059 0,010 I11 0,0088 0,0319 0,0225 0,0021 0,037 0,041 0,007 I13 0,0210 0,0183 0,0270 0,0063 I15 0,0070 0,0137 0,0135 0,0084 I17 0,0210 0,0046 0,0180 0,0038 I19 0,0053 0,0068 0,0090 0,0004 I21 0,0053 0,0023 0,0000 0,0004 I23 0,0035 0,0023 0,0045 0,0004 I25 0,0000 0,0000 0,0000 0,0017 I27 0,0018 0,0000 0,0000 0, Wyniki pomiarów w trybie pracy standby. Tabela 6 podaje wartości harmonicznych oraz mocy pobieranych przez te same urządzenia jak w punkcie 2,.2 ale znajdujące się w trybie pracy standby. Wartości graniczne zostały wyliczone (kolumny 7,8,9) na podstawie tabeli 3 z uwzględnieniem wartości mocy podanych w wierszu PF tabeli 6. Porównanie wartości w kolumnach odpowiednio 4 i 7, 5 i 8 oraz 6 i 9 wskazuje na przekroczenie wartości dopuszczalnej dla harmonicznych 3, 5 i 7, czyli najbardziej istotnych. Oczywiście gdy mowa jest o pojedynczym komputerze jest to drobiazg, jednak w przypadku sal komputerowych na uczelniach bądź większych obiektów biurowych staje się to istotnym obciążeniem. Ponadto wyniki wskazują na dość duże zużycie mocy w tym trybie i sugerują rozważenie wyłączania stanowisk komputerowych z sieci w okresie gdy są nieużywane. Przyjmując, że średni pobór prądu w tym trybie wynosi dla komputera 6W i 2 W dla monitora, dla średniej wielkości sali komputerowej 20 jednostek, daje to pobór mocy 160 W, w czasie gdy komputery są nieużywane i jedynie włączone do sieci. Odnosząc to do całego roku akademickiego można stwierdzić że stan standby jest mocno rozrzutny. 3481

8 Tab. 6 Zestawienie wartości THD, procentowych udziałów harmonicznych, wartości bezwzględnych prądów i dopuszczalnych wartości składowych prądu. THDf Prądy harmonicznych [ma] Wartości graniczne [ma] Komp. 1 Komp. 2 Monitor Komp. 1 Komp. 2 Monitor Komp. 1 Komp. 2 Monitor Nr kol THD[%] 88,3% 115,7% 137,8% I [ma] 61,00% 33,3 15,2 I1 [ma] 45,7 21,8 8,9 I1 [%] 100,00% 100,0% 100% 45,7 21,8 8,9 I3 [%] 60,00% 72,0% 34,20% 27,4 15,7 3,0 26,18 15,64 5,44 I5 [%] 50,40% 68,0% 18,60% 23,0 14,8 1,7 14,63 8,74 3,04 I7 [%] 24,80% 39,2% 34,3% 11,3 8,5 3,1 7,7 4,6 1,6 I9 [%] 9,70% 22,7% 18,6% 4,4 4,9 1,7 3,85 2,3 0,8 I11 [%] 11,20% 18,2% 18,6% 5,1 4,0 1,7 I13 [%] 10,70% 18,5% 8,2% 4,9 4,0 0,7 I15 [%] 7,60% 18,5% 8,2% 3,5 4,0 0,7 I17 [%] 3,40% 11,4% 4,3% 1,6 2,5 0,4 I19 [%] 3,90% 3,2% 3,2% 1,8 0,7 0,3 I21 [%] 4,10% 3,2% 0,8% 1,9 0,7 0,1 I23 [%] 2,10% 4,3% 0,8% 1,0 0,9 0,1 I25 [%] 0,00% 3,7% 0,8% 0,0 0,8 0,1 I27 [%] 1,20% 1,2% 0,8% 0,5 0,3 0,1 parzyste brak P[W] 7,7 4,6 1,6 S[VA] 15,2 8,3 3,9 Q[Var] 13,2 7,0 3,6 PF 0,50 0,55 0,4 3 POMIARY HARMONICZNYCH ELEMENTÓW OŚWIETLENIOWYCH W trakcie dalszych pomiarów zbadano sposób wykorzystania energii przez kilka różnych źródeł oświetlenia. Do badań wykorzystano : a) Oświetlacz płytkowy 25W DELTA LMFC1425W/xxD302 b) Żarówkę LED 2W CHU CHUAN c) Żarówkę LED 7x1W UNILUMIN UNISPWF-0204 d) Świetlówkę tzw. energooszczędną o mocy 11 W z oznaczeniem IKEA ES0903L11 e) Żarówkę LED 15 W EPISTAR G95A f) Zasilacz dedykowany do oświetlenia ulicznego 24V/5A QUYOU2010 przy obciążeniu 55W g) Zasilacz jw. Przy obciążeniu 110W h) Tradycyjną żarówkę Polam Piła 80 W. Oscylogramy prądów zestawiono razem na rysunku 2. Z rysunku tego wynika że większość elementów pobiera prąd mocno odkształcony od sinusoidalnego. Wyniki liczbowe pomiarów przedstawiono w tabeli 7, w której zawarto wartości całkowitego współczynnika harmonicznych oraz procentowe wartości pojedynczych harmonicznych odniesione do prądu harmonicznej pierwszej. Ze względu na inny zalecany sposób wyliczania dopuszczalnej zawartości 3482

9 Żarówka 80 W Świetlówka LED 2W LED7,5W LED 15W Osw. LED 25W Zasil. LED 55W Zasil LED 110W Rys. 2. Oscylogramy prądów pobieranych przez źródła światła oznaczenia jw. Tab.7. Zestawienie harmonicznych dla elementów oświetleniowych [opis w tekście] Wartości graniczne odniesione do I1 w % THDf[%] 2,9% 107,2% 63,5% 14,5% 137,3% 19,4% 26,0% 10,5% I [ma] 337,3 75,8 17,7 43,2 109,9 92, ,2 I1 [ma] 337,2 51,7 14,9 42,8 64,7 91, ,6 I1 [%] 100,00% 100,0% 100% 100% 100% 100% 100% 100% I3 [%] 0,00% 64,8% 55,00% 10,6% 72,5% 7,0% 21,3% 7,4% 30*PF I5 [%] 1,00% 45,1% 13,33% 7,6% 52,5% 11,6% 9,1% 8,8% 10,0% I7 [%] 31,0% 13,33% 3,0% 51,3% 8,1% 3,8% 1,0% 7,0% I9 [%] 23,9% 15,00% 3,0% 47,5% 5,0% 3,0% 1,0% 5,0% I11 [%] 19,7% 8,33% 0,9% 32,5% 1,2% 1,0% 0,0% 3,0% I13 [%] 16,9% 8,33% 0,9% 26,6% 3,2% 1,0% 0,0% 3,0% I15 [%] 11,3% 8,33% 1,5% 25,0% 2,2% 2,6% 1,5% 3,0% I17 [%] 11,2% 10,00% 0,5% 17,5% 0,0% 1,5% 0,5% 3,0% I19 [%] 11,3% 10,00% 0,5% 20,3% 1,2% 0,0% 0,0% 3,0% I21 [%] 11,3% 7,00% 0,0% 17,5% 1,2% 0,0% 0,0% 3,0% I23 [%] 12,2% 7,00% 0,0% 17,0% 0,0% 0,0% 0,0% 3,0% I25 [%] 8,5% 3,20% 0,0% 13,0% 0,0% 0,0% 0,0% 3,0% I27 [%] 5,6% 3,20% 0,0% 13,0% 0,0% 0,0% 0,0% 3,0% powyżej wd49 wd 49 - wd 49 - parzyste brak P[W] 82,1 10,2 2,0 9,5 14,7 22,3 56,6 110,0 S[VA] 82,1 16,9 4,6 10,6 15,9 22,7 63,8 114,0 Q[Var] 1,5 13,5 4,1 4,8 6,3 4,3 29,4 29,5 PF 1,00 0,60 0,43 0,89 0,54 0,98 0,89 0,97 30*PF 30,00 18,00 12,90 26,70 16,20 29,40 26,70 29,10 0,00 *- wd49 harmoniczne trudne do zmierzenia ale widoczne aż do

10 harmonicznych aniżeli pokazano to w rozdziale 2, w kolumnie ostatniej są podane procentowe dopuszczalne wartości, oraz na końcu tabeli dodano wiersz w którym wyliczono iloczyn 30*PF czyli wartość współczynnika mocy oddzielnie dla każdego badanego elementu. Z pomiarów wynika, że ogólną normę pozwalającą na użytkowanie w sieci publicznej spełnia żarówka tradycyjna, żarówka LED 7W oraz zasilacz lamp ulicznych. Prądy pozostałych urządzeń przekraczają kilkakrotnie, wartości pokazane w tabeli 2, dotyczącej zawartości harmonicznych. W szczególności świetlówka kompaktowa ma bardzo szerokie spektrum harmonicznych widoczne nawet do 49. Jednakże na mocy uwagi 2 zamieszczonej poniżej tabeli 3 użytkowanie tych elementów jest dopuszczalne % 70.00% 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% I3 [%] I5 [%] I7 [%] I9 [%] I11 [%] I13 [%] I15 [%] I17 [%] I19 [%] I21 [%] I23 [%] I25 [%] I27 [%] Rys. 3 Zawartość harmonicznych w prądzie elementów oświetleniowych (ilustracja tabeli 7). Na rysunku zaznaczono dla harmonicznych 3, 5, 7 i wyższych, poziomy dopuszczane przez normę dla elementów o mocy większej niż 25W. Rysunek ten ilustruje skalę przekroczenia normy przez większość elementów jeśliby zrezygnować z omawianego wcześniej złagodzenia. Warto zwrócić uwagę na to, iż klasyczna żarówka praktycznie w ogóle nie wnosi harmonicznych ( jedynie śladowa zawartość 5-tej). WNIOSKI Żarowka 80 W Świetlówka LED 2W LED7,5W LED 15W Osw. LED 25W Zasil. LED 55W Zasil LED 110W Urządzenia komputerowe podobnie jak i elementy oświetleniowe nowego typu są znaczącym źródłem zakłóceń prądu harmonicznymi. Parametry prądowe zarówno urządzeń komputerowych jak i elementów oświetleniowych są na ogół dotrzymywane jednak wartości prądów harmonicznych są w górnych granicach normy. Szczególnie w przypadku elementów oświetleniowych spełnienie normy jest zachowywane dzięki jej złagodzeniu dla elementów o mocy poniżej 25W, Zestawy takich elementów są w stanie znacząco naruszyć postanowienia normy. Tym samym montaż wielu elementów LED jako oświetlenia podstawowego, jest równoważny z wytworzeniem dużej ilości harmonicznych z których obecnością trzeba się liczyć w oświetlanym obiekcie. Możliwością alternatywną dającą efekt zmniejszenia harmonicznych jest instalacja dedykowanych zasilaczy, które mają stosunkowo niewielką zawartość harmonicznych i co szczególnie korzystne zmniejszającą się wraz ze wzrostem obciążenia. W szczególności urządzenia radionadawcze i odbiorcze, medyczne oraz pomiarowe są narażone na wpływ zakłóceń pochodzących od zasilania zaśmieconego harmonicznymi. Zasilacze urządzeń komputerowych pobierają prąd w sposób impulsowy i do tego synchronicznie. W związku z tym należy się liczyć z dużymi udarami prądowymi w przypadku instalacji kilku, 3484

11 kilkudziesięciu czy kilkuset komputerów w jednej fazie. Powoduje to konieczność zabezpieczenia obwodów komputerowych bezpiecznikami z całkującym członem cieplnym w miejsce przetężeniowych. Wskazane jest także sekcjonowanie załączania napięcia stanowisk w instalacjach budynkowych tak by nie następowało ono jednocześnie dla wszystkich w szczególności np. przy powrocie zasilania po awarii. Istotne jest również zwrócenie uwagi na pracę zestawów komputerowych w trybie uśpienia. Pozornie jest to wartość nieznacząca, lecz jak wykazują pomiary pobór prądu może przez te urządzenia wynosić do 8W na jednostkę, co sumarycznie oznacza niebagatelne straty energii zupełnie niepotrzebne, a możliwe do uniknięcia poprzez zwykłe odcięcie komputerów od sieci na czas bezczynności. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki pomiarów harmonicznych wybranych elementów oświetleniowych oraz jednostek komputerowych. Zauważono, że w trakcie pracy komputerów występują impulsy prądu zasilacza i są one synchroniczne w stosunku do maksimum napięcia sieci. Cecha ta potęguje niekorzystne oddziaływanie na sieć i powoduje konieczność instalacji zabezpieczeń o charakterze cieplnym w miejsce przetężeniowych. Problem ten ma szczególne znaczenie w dużych instalacjach sieciowych gdzie duża ilość komputerów jest dołączona do jednej fazy zasilania. Podobnie w przypadku elementów oświetleniowych zawartość harmonicznych w prądach oświetlaczy LED oraz świetlówek energooszczędnych jest bardzo wysoka i są one dopuszczane tylko dzięki złagodzeniu normy dla niewielkich źródeł światła do 25 W. W celu ochrony sieci przed zakłóceniami zaleca się instalację specjalizowanych zasilaczy i dopiero do nich elementów świecących. Pomiar harmonicznych prądu w wybranych obciążeniach nieliniowych i konsekwencje ich występowania Abstract The paper presents the results of measurements of harmonics selected elements of lighting and computer units. It is noted that when the current pulses are computers power supply, and are synchronous with respect to the maximum voltage. This feature enhances the adverse impact on the network and will need to install the security of a thermal overcurrent in place. This problem is of particular importance in large network installations where a large number of computers are connected to a single phase power supply. Similarly, in the case of lighting elements in the harmonic content of currents LED light and energy saving lamps is very high and they are allowed to operate only through relaxing the standards for small light sources to 25 W. In order to protect the network against interference recommend installing specialized power supplies, and only to them DC lighting elements. BIBLIOGRAFIA 1. PN-EN 50160: 2002 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. 2. PN-EN_ Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Środowisko Część 2-2 Poziomy kompatybilności zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości i sygnałów przesyłanych w publicznych sieciach zasilających niskiego napięcia 3. PN-EN_ Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 3-2 :Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika mniejszy lub równy 16 A) 4. Abramik S, Włodziński W. Nowoczesne systemy oświetleniowe z diodowymi źródłami światła. Gdańskie Dni Elektryki Asensi R. Harmoniczne. Jak rozumieć poziomy kompatybilności. Jakość zasilania poradnik nr Klajn A., Markiewicz H. Jakość energii i niezawodność zasilania w instalacjach elektrycznych Dodatek do miesięcznika INPE Miesięcznik stowarzyszenia SEP 3/ Strzyżewski J. Źródła światła(3). Elektroinstalator 5/