Badania i analiza oddziaływania na linię zasilającą wybranych urządzeń AGD

Transkrypt

1 Małgorzata ŁATKA 1, Grzegorz ZAJĄC 2 1) Politechnika Rzeszowska, Katedra Energoelektroniki i Elektroenergetyki, 2) PPH Transsystem S.A. Badania i analiza oddziaływania na linię zasilającą wybranych urządzeń AGD Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań, których głównym celem było określenie rodzaju i zakresu oddziaływania na linię zasilającą wybranych urządzeń AGD. Przeprowadzono oraz dokonano analizy pomiarów: emisji harmonicznych, mocy czynnej i biernej oraz współczynnika mocy Pomiary te będą stanowiły materiał porównawczy dla analogicznych badań planowanych dla wybranych urządzeń AGD, po zastosowaniu w nich napędów wysokoobrotowych. Abstract. This paper presents the results of the research which was conducted to determine the type and the extent of the interaction of selective household equipment on the mains supply. The following measurements and their analysis were conducted: the harmonics emission, the active and reactive power and the power factor. The findings will comprise the comparative material for similar, future, research on the chosen household devices in which the high-speed drive system will be used. (The research and the analysis of the interaction of the chosen household equipment on the mains supply) Słowa kluczowe: oddziaływanie na linię zasilającą, harmoniczne, moc czynna i bierna, współczynnik mocy, napęd wysokoobrotowy. Keywords: interaction on the mains supply, harmonic, active power, reactive power, power factor, high-speed drive system Wstęp Artykuły gospodarstwa domowego (AGD), takie jak mikser, odkurzacz, robot kuchenny, blender itp. są obecnie standardowym wyposażeniem, a ich ilość w każdym gospodarstwie domowym stale rośnie. Wraz z postępem technicznym zmienia się nie tylko ich wygląd zewnętrzny, ale również producenci starają się wprowadzać zmiany w rozwiązaniach konstrukcyjnych napędów. Celem tych zmian jest nie tylko to, by urządzenia AGD były lekkie, o małych gabarytach, łatwiejsze u życiu, niezawodne, ale również energooszczędne, a ponadto by charakteryzowały się jak najmniejszym negatywnym oddziaływaniem na linię zasilającą. W urządzeniach gospodarstwa domowego coraz częściej proponuje się rozwiązania z zastosowaniem układów napędowych z silnikami wysokoobrotowymi, zasilanymi poprzez układy energoelektroniczne. Tego typu wysokoobrotowe układy napędowe składają się z zasilacza 1-fazowego, falownika 3-fazowego i wysokoobrotowego 3- fazowego lub 2-fazowego silnika. [1 5] Aby wykazać korzyści płynące z zastosowania nowych rozwiązań konstrukcyjnych napędów, koniecznym jest odniesienie się do stanu aktualnego, czyli do wyników badań przeprowadzonych dla aktualnie dostępnych na rynku, wybranych urządzeń AGD. W artykule przedstawiono wyniki badań wybranych urządzeń AGD wykonane pod kątem określenia ich oddziaływania na linię zasilającą W celu określenia wielkości i rodzaju oddziaływania, przeprowadzone badania dotyczyły zawartości harmonicznych w prądach linii zasilających, a także mocy czynnej i biernej oraz współczynnika mocy. Układy napędowe obecnie stosowane w urządzeniach AGD Do badań wybrano różne rodzaje urządzeń AGD, które zostały wymieniowe w tabeli 1. Aby nie preferować określonych producentów produkujących sprzęt gospodarstwa domowego, w zestawieniu podano jedynie rodzaj urządzenia AGD, bez podawania nazwy producenta oraz typu i modelu urządzenia. Tabela 1. Zestaw urządzeń AGD wybranych do badań hand blender odkurzacz krajalnica robot kuchenny maszynka do mielenia stand blender mikser suszarka W wybranych do badań urządzeniach określono na podstawie dostępnych instrukcji serwisowych rodzaj zastosowanego napędu. Przykładowo napęd stosowany w blenderze to silnik prądu stałego z wirnikiem o magnesach trwałych. W blenderach możliwa jest płynna regulacja prędkości obrotowej w zakresie obr/min oraz tzw. bieg turbo i wówczas prędkość na wyjściu wałka silnika wynosi obr/min. Silnik o magnesach trwałych znalazł zastosowanie również w maszynce do mielenia, przy czym stosuje się różne typy wirników: 12-żłobkowy i 24-żłobkowy. Charakterystyka silnika jest sztywna i nie pozwala rozbiegać się nadmiernie, przez co ograniczony jest hałas urządzenia. Silniki komutatorowe o magnesach trwałych odznaczają się większą sprawnością i niezawodnością oraz mniejszymi wymiarami i masą niż silniki o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Mikser natomiast napędzany jest silnikiem komutatorowym szeregowym z dwoma wyjściami napędu: - bezpośrednio z wałka wirnika na nasadkę miksującą lub kubek miksujący, - pośrednio z przekładni zębatej na mieszaki i trzepaki. Prędkości obrotowe silnika w mikserze regulowane są za pomocą wielopozycyjnego przełącznika, który w swojej konstrukcji posiada również dodatkowy łącznik tzw. turbo. [7] Do napędu odkurzacza zastosowano silnik jednofazowy komutatorowy (silnik szeregowy uniwersalny); podobnie do napędu robota kuchennego. Maszyny komutatorowe prądu przemiennego charakteryzują się pewnymi szczególnymi właściwościami ruchowymi, a mianowicie umożliwiają ekonomiczną i płynną regulację prędkości obrotowej w szerokich granicach. Układy regulacji obrotów silników uniwersalnych zwykle budowane są w oparciu o triaki ze sterowaniem fazowym. Mimo wysokiej ceny i kłopotliwej eksploatacji (obecność komutatora i szczotek) silniki te są nadal powszechnie stosowane przede wszystkim w odkurzaczach i różnego rodzaju robotach kuchennych. [7] Uogólniając, w urządzeniach AGD wybranych do badań można wyróżnić zasadniczo dwa rodzaje napędów w zależności od zastosowanego silnika: napęd z silnikiem prądu stałego o magnesach trwałych, napęd z silnikiem jednofazowym komutatorowym (silnik szeregowy - uniwersalny). Urządzenia te są zasilane 1-fazowo z linii prądu przemiennego nn, stąd w każdym takim napędzie znajduje PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 8/

2 się odpowiednio dobrany obwód zasilania silnika. W niektórych napędach są zastosowane proste układy przekształtnikowe AC/DC lub AC/AC, a w urządzeniach bardziej zaawansowanych w różne funkcje przekształtniki AC/DC/AC i to właśnie elementy półprzewodnikowe w dużej mierze są odpowiedzialne za negatywnie oddziaływanie na linię zasilającą urządzeń AGD. Zakres i rodzaj pomiarów, opis metody, normy W trakcje realizacji badań prowadzonych w celu określenia oddziaływania na linię zasilającą wybranych urządzeń AGD przeprowadzono następujące pomiary: pomiar emisji harmonicznych prądu, pomiar mocy czynnej i biernej pomiar współczynnika mocy. Uwagi ogólne odnośnie wykonywanych pomiarów [6,7]: Badania te przeprowadzono w oparciu o normy aktualnie obowiązujące w Polsce. Pomiary dotyczące poziomów dopuszczalnych emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika 16 A) sprzętu do zastosowań domowych wykonano w oparciu o normy: PN-EN :2007 oraz PN-EN :2007/A1:2010 oraz PN-EN :2009 (IEC ) Napięcie znamionowe, przy którym wykonano pomiary: 230 V ~ 50 Hz. Napięcie to powinno być stabilizowane w przedziale 2%, zaś częstotliwość w przedziale 0,5 % wartości znamionowej. Aparatura pomiarowa wykorzystana do badań : o Aparatura pomiarowa wykorzystana do badań: miernik uniwersalny ZES ZIMMER LGM 95, o komputer osobisty z systemem Windows XP i dedykowanym programem do generowania raportu z pomiaru harmonicznych, o karta GBIP (obsługiwana przez sterowniki NI VISA), o sterowniki NI VISA. Wyniki pomiarów emisji harmonicznych prądu wybranych urządzeń AGD W tabeli 2 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów wykonane dla odkurzacza według szczegółowej instrukcji pomiaru emisji harmonicznych prądu sprzętu do zastosowań domowych, która dokładnie precyzuje jak należy wykonać pomiary. Przestrzeganie zasad pomiaru podanych w tej instrukcji gwarantuje powtarzalność pomiarów i wyników dla danego urządzenia, bądź dla różnych egzemplarzy tego samego modelu, przeprowadzanych np. w celach statystycznych lub porównawczych. W tabeli 2 przestawiono również względną wartość prądu I pomiaru w odniesieniu do I limitu według zależności: I pomiar (1) Iwzg pom% 100% Ilimit Wskaźnik ten pokazuje procentowo wykorzystanie dopuszczalnego wg norm limitu wartości skutecznej każdej z h harmonicznej prądu fazowego zasilającego 16 A sprzętu do zastosowań domowych. Tabela 2. Wyniki pomiaru wartości skutecznych harmonicznych prądu odkurzacza [6] h I pomiar I limit I zapas I wzg pom% [ - ] [ A ] [ A ] [ A ] [%] 0 0, , ,0224 1,0800 1,0576 2,1 3 1,8727 2,3000 0, ,1 4 0,0195 0,4300 0,4105 4,5 5 0,7283 1,1400 0, ,9 6 0,0148 0,3000 0,2852 4,9 7 0,3372 0,7700 0, ,8 8 0,0087 0,2300 0,2213 3,8 9 0,1284 0,4000 0, ,1 10 0,0049 0,1840 0,1791 2,7 11 0,0917 0,3300 0, ,8 12 0,0039 0,1533 0,1494 2,5 13 0,0386 0,2100 0, ,4 14 0,0039 0,1314 0,1275 3,0 15 0,0478 0,1500 0, ,9 16 0,0046 0,1150 0,1104 4,0 17 0,0534 0,1324 0, ,3 18 0,0051 0,1022 0,0971 5,0 19 0,0448 0,1184 0, ,8 20 0,0050 0,0920 0,0870 5,4 21 0,0418 0,1071 0, ,0 22 0,0047 0,0836 0,0789 5,6 23 0,0488 0,0978 0, ,9 24 0,0058 0,0767 0,0709 7,6 25 0,0413 0,0900 0, ,9 26 0,0052 0,0708 0,0656 7,3 27 0,0280 0,0833 0, ,6 28 0,0049 0,0657 0,0608 7,5 29 0,0251 0,0776 0, ,3 30 0,0040 0,0613 0,0573 6,5 31 0,0189 0,0726 0, ,0 32 0,0038 0,0575 0,0537 6,6 33 0,0193 0,0682 0, ,3 34 0,0045 0,0541 0,0496 8,3 35 0,0166 0,0643 0, ,8 36 0,0049 0,0511 0,0462 9,6 37 0,0154 0,0608 0, ,3 38 0,0045 0,0484 0,0439 9,3 39 0,0135 0,0577 0, ,3 40 0,0036 0,0460 0,0424 7,8 oznaczenia: h rząd harmonicznej; I pomiar wartość skuteczna h- tej harmonicznej prądu uzyskana z pomiaru; I limit maksymalna dopuszczalna wartość skuteczna h-tej harmonicznej prądu (wg normy PN-EN :2007); I zapas zapas wartości skutecznej h-tej harmonicznej prądu (różnica pomiędzy I limit a I pomiar ), I wzg pom% wskaźnik procentowego wykorzystania limitu wg (1) Wyniki pomiarów harmonicznych prądu odkurzacza i robota kuchennego zostały zilustrowane na rysunku 1 z jednoczesnym porównaniem z dopuszczalnymi wartościami, przyjętymi w oparciu o normę PN-EN :2007. Natomiast na rysunku 2 pokazano procentowe wykorzystanie dopuszczalnego limitu wartości skutecznej każdej z h harmonicznej prądu fazowego. Procentowe wykorzystanie dopuszczalnego limitu jest zróżnicowane dla badanych urządzeń i w dużym stopniu zależy od wielkości wartości skutecznej prądu zasilającego (przykładowo dla odkurzacza I sk = 5,0 A, dla robota kuchennego I sk = 1,0 A). Dla każdej harmonicznej wyznaczono tzw. współczynnik udziału h harmonicznej prądu, określany według zależności (2) zdefiniowanej zgodnie z normą PN EN 50160: I (2) k h hi 100% I1 a wartości tego współczynnika przedstawiono na rysunku PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 8/2011

3 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 I limit 2,0 I pomiar 1,5 1,0 0,5 0, rząd harmonicznej Rys.1a. Spektrum harmonicznych prądu zasilającego odkurzacz I pomiar na tle dopuszczalnych wartości harmonicznych I limit w [A] Rys.3a. Współczynnik k hi udziału h harmonicznej prądu zasilającego odkurzacz 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 I limit 2,0 1,5 1,0 0,5 I pomiar 0, rząd harmonicznej Rys.1b. Spektrum harmonicznych prądu zasilającego robot kuchenny I pomiar na tle dopuszczalnych wartości harmonicznych I limit w [A] Rys.2a. Procentowa względną wartość prądu I pomiaru w odniesieniu do I limitu każdej z h harmonicznej prądu fazowego zasilającego 16 A dla odkurzacza tzw. I wzg pom% Rys.2b. Procentowa względną wartość prądu I pomiaru w odniesieniu do I limitu każdej z h harmonicznej prądu fazowego zasilającego 16 A dla robota kuchennego tzw. I wzg pom% Rys.3b. Współczynnik k hi udziału h harmonicznej prądu zasilającego robot kuchenny Na podstawie przywołanych norm stosowanych przez producentów odnośnie dopuszczenia sprzętu AGD do produkcji, można stwierdzić, że wszystkie wartości harmonicznych prądu są poniżej dopuszczalnego przez normy poziomu. Wartości skuteczne harmonicznych nieparzystych w przebiegu prądu odkurzacza mieszczą się w wartościach dopuszczalnych przez normę, a nawet pozostają dość znaczące zapasy. Parzyste harmoniczne w tym przebiegu mają śladowe wartości. Analizując zawartość poszczególnych harmonicznych w prądach zasilających, charakteryzowaną przez współczynnik k hi należy stwierdzić, że zawartość niektórych harmonicznych jest znaczna np. dla robota dla 3. współczynnik k hi wynosi 55,2%, dla odkurzacza 41,4%, natomiast 5. odpowiednio: 12,8% i 16,1%. Dla pozostałych badanych urządzeń AGD wnioski są zbliżone. Jednym ze wskaźników określających zawartość harmonicznych w przebiegach napięć i prądów, określającym tym samym wielkość oddziaływania na sieć zasilającą jest współczynnik THD. Na podstawie wyników pomiarów harmonicznych prądu i na podstawie zależności (3) zdefiniowanej zgodnie z normą PN EN 50160: Tabela 3. Wartości współczynnika THD I dla badanych urządzeń gospodarstwa domowego nazwa urządzenia wartość współczynnika THD I [%] robot kuchenny 57,5 maszynka do mielenia 56,9 odkurzacz 45,4 hand blender 44,7 stand Blender 41,7 krajalnica 39,1 mikser 35,3 suszarka 1,2 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 8/

4 a) Hand Blender 40 (3) THDI I h2 h 2 I1 100% wyznaczono współczynniki THDI prądu, a wyniki dla badanych urządzeń zebrano w tabeli 3. Z obliczeń wynika, że największą wartością współczynnika THDI charakteryzuje się robot kuchenny (57,5%) i maszynka do mielenia, następnie odkurzacz, najmniejszą zaś suszarka. Im większa wartość współczynnika THDI, tym bardziej odkształcony przebieg prądu zasilającego, co oznacza, że każde z tych urządzeń AGD w większym lub mniejszym stopniu negatywnie oddziałuje na linię zasilającą powodując przepływ przez linię zasilającą harmonicznych prądu. Te z kolej są przyczyną m.in. powstawania w systemie energetycznym harmonicznych napięcia. Szacuje się, że obecnie w Polsce istnieje około 12 mln gospodarstw domowych i w większości z nich wykorzystuje się około różnego typu urządzeń AGD. Ze względu na ciągle wzrastającą liczbę tego typu urządzeń pracujących jednocześnie w sieci i generujących harmoniczne prądu, jest to coraz większy problem dla systemu energetycznego. Oznacza to również, że urządzenia tego typu mogą w znaczny sposób pogarszać jakość energii elektrycznej powodując wzrost wartości skutecznej prądów płynących w sieci, a także są przyczyną wzrostu strat i spadków napięć w systemie elektroenergetycznym. Wyniki pomiarów mocy czynnej i biernej oraz współczynnika mocy wybranych urządzeń AGD Dla wymienionych w tabeli 1 urządzeń AGD przeprowadzono badania, polegające na pomiarze wielkości mocy czynnej, biernej oraz współczynnika mocy, gdyż te wielkości przyjęto za miarę wielkości oddziaływania na linię zasilająca. Zakres i rodzaj badań dostosowywano do badanego urządzenia, tj. wykorzystując jego różne funkcje i możliwości. Wyniki pomiarów wraz z opisami funkcji, których dotyczą pokazano na rysunkach 4 i 5. Szczegółowe badania wybranych urządzeń AGD pokazały, że są to we wszystkich przypadkach odbiorniki o charakterze nieliniowym typu RL, a niektóre z nich, w niektórych stanach pracy obciążają linię wyłącznie mocą bierną o charakterze indukcyjnym. Inne jak robot kuchenny generują moc bierną ponad 3-krotnie większa od mocy czynnej bez względu na wybór funkcji i biegu pracy urządzenia. Stąd też wyznaczone wartości współczynnika mocy wg zależności: (4) PF c) Maszynka do mięsa d) Mikser P S dla tego urządzenia wahają się zaledwie w granicach 0,3 0,5. Wszystkie pomiary wyznaczanych wielkości: wartości skuteczne napięć i prądu, moce: czynna, bierna i pozorna, jak również współczynnik mocy jak wynika z instrukcji zastosowanego miernika obliczane są z rejestrowanych przebiegów chwilowych napięć i prądów w oparciu o podstawowe definicje tych wielkości elektrycznych. 90 b) Krajalnica e) Odkurzacz PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 8/2011

5 f) Robot kuchenny c) Maszynka do mięsa d) Mikser g) Stand blender e) Odkurzacz Rys. 4. Wyniki pomiarów mocy czynnej i biernej dla wybranych urządzeń AGD a) Hand Blender f) Robot kuchenny b) Krajalnica g) Stand blender Rys. 5. Wyniki pomiarów współczynnika mocy dla wybranych urządzeń AGD PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 8/

6 Podsumowanie Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów należy stwierdzić, że wszystkie wartości skuteczne harmonicznych prądu linii zasilającej są poniżej dopuszczalnych przez normy poziomów, niemniej odkształcenie prądu linii zasilającej urządzenia AGD jest znaczne. Wyniki badań pokazały konieczność poszukiwania i wdrażania nowych układów napędowych w urządzeniach AGD, aby wobec wzrastającej ich liczby w systemie energetycznym ograniczyć ich negatywne oddziaływanie na linię zasilającą. Zmiana napędu dotyczyć powinna nie tylko rodzaju silnika (poprawa niezawodności, sprawności, zmniejszenie gabarytów i masy, energooszczędność), ale również i obwodu zasilania. Proponując w urządzeniach AGD rozwiązanie z zastosowaniem układów napędowych złożonych z silnika wysokoobrotowego (indukcyjnego lub o magnesach trwałych) wraz z 3-fazowym falownikiem, zasilanym 1-fazowo, koniecznym jest zastosowanie jako zasilacza przekształtnika AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła. Przekształtniki te w wyniku zastosowania odpowiedniego sposobu sterowania wymuszają sinusoidalny kształt prądu źródła, co eliminuje harmoniczne w prądzie zasilającym oraz ogranicza moc bierną w systemie elektroenergetycznym, a tym samym ogranicza zjawisko negatywnego oddziaływania na linię zasilającą tego typu napędów. [2,3,7,8] Proponowane rozwiązanie może w istotny sposób zmienić dotychczas stosowane rozwiązania techniczne w napędach elektrycznych sprzętu AGD. Aby określić korzyści z wprowadzenia takiego rozwiązania, koniecznym była ocena stanu aktualnego, a następnie realizacja prototypu proponowanego napędu w urządzeniu AGD i przeprowadzenie analogicznych badań, celem określenia ponownie oddziaływania na linię zasilającą. Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczego rozwojowego R finansowanego przez MNiSW. LITERATURA [1] Binkowski T., Grad M., Łatka M.: Przekształtnik impulsowy w wysokoobrotowych układach napędowych dla sprzętu AGD, VIII Krajowa Konferencja Naukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2007, Łódź [2] Binkowski T., Grad M., Łatka M., Malska W., Sobczyński D.: A drive system with high-speed single-phase supplied threephase induction motor. Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC th, 1-3 Sept Page(s): Digital Object Identifier /EPEPEMC [3] Łatka M., Grad M.: Przekształtniki impulsowe z sinusoidalnym prądem źródła wybrane topologie, badania symulacyjne. V Krajowa Konferencja Naukowa Modelowanie i Symulacja MiS , Kościelisko, czerwca 2008r. [4] Piróg S., Baszyński M., Siostrzonek T.: Sterowanie wysokoobrotowymi silnikami do urządzeń AGD. IX Krajowa Konferencja Naukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2009, Łódź [5] Sobczyński D.: Przekształtniki energoelektroniczne do zasilania wysokoobrotowych silników małej mocy. IX Krajowa Konferencja Naukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2009, Łódź [6] Zając G.: Analiza i badania dotyczące oddziaływania na linię zasilającą urządzeń gospodarstwa domowego. Praca magisterska. Politechnika Rzeszowska, Rzeszów 2010 [7] Instrukcje serwisowe badanych urządzeń AGD. Autorzy: dr inż. Małgorzata Łatka, Politechnika Rzeszowska, Katedra Energoelektroniki i Elektroenergetyki, ul. W. Pola 2, Rzeszów; mlatka@prz.edu.pl; mgr inż. Grzegorz Zając, PPH Transsystem S.A. Wola Dalsza Łańcut; E- mail: zając.grzegorz@o2.p 92 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 8/2011