Politechnika Białostocka

Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: DYNAMICZNE ZMIANY NAPIĘCIA W INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ Ćwiczenie nr 16 Laboratorium z przedmiotu: Zakłócenia w układach elektroenergetycznych Kod: EZ2C100003 Opracowali: Dr inŝ. Renata Markowska Dr inŝ. Leszek Augustyniak Prof. dr hab. inŝ. Andrzej Sowa Białystok 2013

1. WSTĘP Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 2 W punktach odbioru energii elektrycznej występują zaburzenia, których źródłami mogą być efekty pracy innych urządzeń lub systemów zlokalizowanych w pobliŝu i zasilanych z tej samej sieci. Do najczęściej spotykanych zaburzeń zalicza się krótkotrwałe zmiany napięcia, które dodają się lub odejmują od podstawowej fali sinusoidalnej w sieci zasilania prądem przemiennym (50 Hz, 400 Hz) lub teŝ nominalnego napięcia zasilania prądem stałym. Typowymi źródłami tego typu zaburzeń są urządzenia tyrystorowe, spawalnicze zgrzewarki, impulsowe źródła zasilania, przełączniki oraz wyłączniki. Powodują one krótkotrwałe zakłócenia o czasach trwania wynoszących kilkaset mikrosekund. W sieciach elektroenergetycznych obserwuje się równieŝ bardzo często przepięcia i chwilowe zaniki napięcia. Przepięcia wywołane są najczęściej włączaniem lub wyłączaniem obciąŝeń duŝej mocy. Powodują one zmiany wartości napięcia zasilania dochodzące do kilkudziesięciu %. Typowe czasy trwania tych zakłóceń wynoszą od 1 ms do 1 s. Źródłem chwilowych zaników napięć są awarie w liniach zasilania oraz operacje przełączeń w liniach energetycznych. Zjawiska te powodują utratę zasilania na czas od 1 ms do 1 s. Obecnie w kraju przyjęto dwie normy podstawowe określające wymagane poziomy wraŝliwości urządzeń na krótkotrwałe spadki napięcia, zaniki oraz wahania napięcia zasilającego. Poziomy te uzaleŝniono od typu środowiska, w którym urządzenia są eksploatowane. W normach wprowadzono następujące określenia: spadek napięcia rozumiany jako nagłe zmniejszenie wartości napięcia w dowolnym punkcie obwodu zasilania urządzenia elektrycznego lub elektronicznego, a następnie, po krótkim okresie (do ok. 5 s) powrót napięcia do wartości znamionowej, zanik napięcia rozumie się jako krótkotrwałą przerwę w zasilaniu urządzenia, która najczęściej nie przekracza 1 min, wahania napięcia określane są jako stopniowe zmiany napięcia zasilającego do wartości mniejszej lub większej w porównaniu z wartością napięcia znamionowego (czas trwania zmiany moŝe być krótkotrwały lub długotrwały). W badaniach testujących wraŝliwość urządzeń czasy trwania spadków, zaników lub wahań napięcia w zasilającej instalacji elektrycznej określane są na podstawie oceny zagroŝeń, jakie mogą wystąpić w rzeczywistych warunkach ( normy oparte na IEC 1000-4-11). 2. UMOWNY SYGNAŁ ZAKŁÓCAJĄCY Urządzenie lub system elektroniczny wymagają badań poziomu odporności i wytrzymałości na: krótkotrwały zanik napięcia zasilania; krótkotrwałe obniŝenie napięcia zasilania; krótkotrwałe podwyŝszenie napięcia zasilania. Poziom umownego zaburzenia określany jest odmiennie dla kaŝdego z przedstawionych rodzajów zaburzeń. W przypadku zaników napięcia zasilania (rys. 1a) naleŝy określić: wartość napięcia zasilania przed zanikiem (zalecane wartości - U n, a minimalna dopuszczalna 0,85 U n ); czas trwania zaniku t z. Przykład oznaczenia: U n /0 50 ms. ObniŜenie napięcia (rys. 1b) charakteryzowane jest: wartością napięcia zasilania przed obniŝeniem (zalecane wartości - U n ; 0,85 U n );

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 3 Rys. 1. Przykłady przebiegów napięcia wyjściowego podczas symulacji dynamicznych zmian napięcia zasilania: a) symulacja zaniku napięcia U1/0, b) symulacja dynamicznej zmiany napięcia U1/U2, c) załączanie napięcia w dowolnej fazie 0/U1. T okres repetycji, tz czas zakłócenia wartością napięcia zasilania w czasie obniŝenia (zalecane wartości - 0,8 U n i 0,5 U n ), czas trwania obniŝenia t z. Przykład oznaczenia: U n /0,8 U n 100 ms.

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 4 Wielkościami charakteryzującymi podwyŝszenie napięcia są: wartość napięcia zasilania przed podwyŝszeniem (zalecana wartość U n ); wartość napięcia zasilania w czasie podwyŝszenia {zalecane wartości (1,15; 1,2; 1,3; 1,5) U n } czas trwania podwyŝszenia. Przykład oznaczenia U n /1,15 U n. Załączanie napięcia w dowolnej fazie (rys. 1c) charakteryzowane jest przez: kąt fazowy załączania t z ; wartość napięcia zasilania po załączeniu; czas trwania napięcia. Zalecane czasy tych zaburzeń określane są w milisekundach i obliczane według ciągu (1; 2; 3; 4; 5; 6; 8) 10 n dla n = 0, 1, 2, 3. W przypadku badania obwodów zasilania sieciowego czas zakłócenia moŝe być określony odpowiednią liczbą półokresów lub okresów napięcia sieciowego. 2.1. Odporność na dynamiczne zmiany napięcia zasilania urządzeń Środowisko mieszkalne, handlowe i lekko uprzemysłowione (wg PN- EN 50081-2) Norma dotyczy odporności na zakłócenia urządzeń elektrycznych i elektronicznych przeznaczonych do pracy w środowisku mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym. Poziomy odporności na zaburzenia zostały tak wybrane, aby zapewnić ich korelację z zagroŝeniami występującymi na terenach mieszkalnych, handlowych i lekko uprzemysłowionych. Poziomy te jednak nie dotyczą przypadków ekstremalnych, które mogą wystąpić w dowolnym miejscu, ale ich prawdopodobieństwo jest znikome. Środowisko dotyczy lokalizacji urządzenia na terenach mieszkalnych, handlowych i lekko uprzemysłowionych, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz pomieszczeń. NiŜej podano przykłady lokalizacji urządzeń: a) posesje mieszkaniowe, np.: domki, kamienice czynszowe itd. b) miejsca handlowe, np.: sklepy, domy towarowe itd. c) tereny urzędowe, np.: biura, banki itd. d) publiczne tereny rozrywkowe, np.: kina, bary, sale taneczne itd. e) zewnętrzne tereny, np.; stacje benzynowe, parkingi, ośrodki sportowo-rozrywkowe itd. f) tereny lekko uprzemysłowione, np.: warsztaty, laboratoria, punkty usługowe itd. Czyli są to zazwyczaj miejsca, których charakterystyczną cechą jest zasilanie bezpośrednio z publicznej sieci niskiego napięcia lub z odpowiednich źródeł prądu stałego, które pośredniczą między urządzeniem i publiczną siecią niskiego napięcia. W myśl ostatniego akapitu do terenów lekko przemysłowych naleŝą takŝe niewielkie zakłady np. rozlewnie wód gazowanych, jeśli są zasilane z sieci niskiego napięcia. Jednak kwestią nie do końca rozstrzygniętą jest przypadek, gdy co prawda w zakładzie nie ma odbiorników średniego napięcia, lecz posiada on własną stację transformatorową. Producent powinien dostarczyć opis funkcjonalnego działania urządzenia i zdefiniować jego kryteria eksploatacyjne, to jest objawy, które mogą wystąpić w czasie lub po wykonaniu badań dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej.

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 5 Tablica 1. Odporność urządzeń przemysłowych wejściowe i wyjściowe przyłącza zasilania prądem zmiennym Lp. Zjawiska środowiskowe rodzaj zakłócenia 1 ObniŜenie napięcia 2 Zaniki napięcia Specyfikacja badania 30 10 >95% 5000 60 100 3 Zmiana napięcia U nominalne +20% U nominalne -20% Jednostki % zmniejszenia ms % zmniejszenia ms V V Norma podstawowa Układ pomiarowy EN 61000-4-11 EN 61000-4-11 EN 61000-4-11 EN 61000-4-11 IEC SC77A,WG6 Ręcznie obsługiwany autotransformator Środowisko przemysłowe (wg PN- EN 50082-2) Norma dotyczy odporności urządzeń elektrycznych i elektronicznych przeznaczonych do pracy w środowisku przemysłowym. Środowisko przemysłowe charakteryzuje się obecnością jednego lub więcej z następujących czynników: a) urządzeń przemysłowych, medycznych i naukowych; b) częstym przełączaniem duŝych obciąŝeń indukcyjnych lub pojemnościowych ; c) duŝych prądów i związanych z nimi pól magnetycznych. Dodatkowo są to zazwyczaj miejsca, których charakterystyczną cechą jest brak zasilania z publicznej sieci niskiego napięcia. Są to czynniki określające elektromagnetyczne środowisko przemysłowe i odróŝniają środowiska przemysłowe od innych środowisk. Środowiska w rozumieniu niniejszej normy dotyczą środowiska przemysłowego wewnątrz jak i na zewnątrz budynków. Urządzenia objęte niniejszą normą nie są przeznaczone do dołączania do publicznej sieci zasilania, natomiast przeznaczone są do dołączania do sieci rozdzielczej zasilanej z transformatorów średniego i wysokiego napięcia, przeznaczonej do zasilania elektrycznej instalacji zakładów produkcyjnych lub podobnych. Dotyczy ona urządzeń przeznaczonych do pracy w środowisku przemysłowym lub w pobliŝu energetycznych instalacji przemysłowych. Norma dotyczy takŝe urządzeń zasilanych z baterii przewidywanych do pracy w w/w środowisku. Środowisko przemysłowe moŝe być zmienione po zastosowaniu specjalnych środków zaradczych (ochronników). JeŜeli moŝna wykazać, Ŝe takie przedsięwzięcia tworzą środowisko elektromagnetyczne równowaŝne ze środowiskiem mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym, wówczas powinna być zastosowana norma PN EN 50082-1 lub inna odpowiednia norma dotycząca wyrobu. Jednak urządzenie łącznie ze swoją instalacją powinno mieć odpowiednią kompatybilność elektromagnetyczną. W celu umoŝliwienia działania normalnego, handlowego urządzenia w pobliŝu urządzeń przemysłowych moŝe nastąpić konieczność ograniczenia promieniowania zewnętrznego przez urządzenie przemysłowe lub teŝ przedsięwzięcia innych specjalnych środków zaradczych. W przypadkach, gdy w danych technicznych producenta są określone specjalne zewnętrzne urządzenia zabezpieczające lub przedsięwzięcia, które są jasno wymienione w instrukcji obsługi urządzenia, wówczas wymagania niniejszej normy odnoszą się do urządzenia z takimi zastosowanymi środkami, o ile producent nie określa, Ŝe dla pewnych szczególnych badań lub testów takie środki zabezpieczające nie są wymagane.

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 6 Tablica 2. Odporność urządzeń przemysłowych (środowisko lekko przemysłowe) przyłącza zasilanie prądem zmiennym Lp. 1 2 3 Zjawiska środowiskowe rodzaj zakłócenia Zapady napięcia Zaniki napięcia Wahania napięcia Specyfikacja badania 30 50 10 100 >95% 5000 U nom +10% U nom -10% Jednostki % uskoku ms % zmniejszenia ms V skuteczne Norma podstawowa Układ pomiarowy pren 50093 pren 50093 pren 50093 pren 50093 Autotransformator sterowany ręcznie 2.2. Symulacja zakłóceń sieciowych Zakłócenia sieciowe symulowane są zarówno w sieciach zasilania prądu przemiennego jak i w obwodach zasilania prądu stałego. Podstawowe parametry charakteryzujące zakłócenia wytwarzane przez stosowane symulatory (wg PN-86/E-06600) zestawiono w tablicy 3. Tablica 3. Podstawowe parametry charakteryzujące zakłócenia wytwarzane przez typowe symulatory Prąd obciąŝenia Parametr Napięcie wyjściowe U1, U2 Spadek napięcia na symulatorze Czas zakłócenia: - dla zaników - dla obniŝeń i podwyŝszeń Okres powtarzania zakłóceń Czas narastania i opadania napięcia wyjściowego Moment rozpoczęcia zakłócenia Wnoszenie przesunięcie fazowe Symulator zakłóceń sieciowych dla obwodu jednofazowego 10 A 0,5 1,5 Un; max 330V max 5V 1 1000 ms 1 100 półokresów napięcie sieci 1, 2, 5, 10, 20s 0 lub 180 prądu obciąŝenia 2 Symulator zakłóceń dla obwodu zasilania prądu stałego 10 A 0,5 1,5 Un 1 1000 ms 1 1000 ms 1.10.20 s 2 µs Przykładowe rozwiązanie układu pomiarowego w przypadku obwodu zasilania sieciowego jednofazowego i obwodu zasilania prądu stałego przedstawiono na rys. 2. W przypadku zasilania wielofazowego naleŝy symulować zakłócenia w kaŝdej fazie oddzielnie oraz jednocześnie we wszystkich fazach. 2.3. Symulator zakłóceń sieciowych SZ S-2 Do badań odporności urządzenia na dynamiczne zmiany napięcia zasilającego sieciowego będzie wykorzystany symulator zakłóceń sieciowych SZS-2, który umoŝliwia wytwarzanie w sposób kontrolowany i powtarzalny następujących zakłóceń w sieci elektroenergetycznej:

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 7 a) AT1 U1 AT U2 L 1 N PE Układ sterowania L 1 N PE Badane urządzenie b) + Zasilanie Układ sterowania Badane urządzenie - Rys. 2. Układy badawcze do symulacji dynamicznych zmian napięcia zasilania: a) zasilanie sieciowe jednofazowe, b) obwód zasilania prądu stałego. krótkotrwałych zaników napięcia; krótkotrwałego obniŝenia i podwyŝszenia napięcia; powtarzalnego załączenia urządzenia w zadanym kącie fazowym napięcia sieci. Badaniami obejmowane są m. in: urządzenia i systemy automatyki cyfrowej i analogowej, sterowniki, urządzenia mikroprocesorowe, komputery, urządzenia peryferyjne, zasilacze, przetworniki pomiarowe, zabezpieczenia sprzętowe i programowe w urządzeniach cyfrowych. Przykład układu pomiarowego umoŝliwiającego badanie odporności urządzenia badanego (EUT) na dynamiczne zmiany napięcia sieci z wykorzystaniem SZS-2 przedstawiono na rys. 3 EUT OUTP. SZS-2 SYNC. a b c U1 U2 a b c OSC Rys. 3.Układ pomiarowy do badania odporności urządzeń na dynamiczne zmiany napięcia zasilania sieciowego.

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 8 W symulatorze pracuje kanał oznaczony U1 z wyjątkiem czasu zakłócenia t z, kiedy następuje włączenie i praca kanału U2. Kanały te pracują na przemian. W danej chwili czasowej moŝe pracować tylko jeden z nich. Początek zaburzenia następuje zawsze przy przejściu prądu pobieranego przez urządzenie badane (EUT) przez wartość zerową. Przy pracy powtarzalnej zmiany napięcia są generowane automatycznie z okresem repetycji T. Czas trwania zaburzenia t z w tym przypadku moŝe przybierać wartości od 1 do 100 półokresów napięcia U1. Badanie odporności urządzenia na zmiany napięcia zasilającego polega na zasilaniu go napięciem wyŝszym i niŝszym od napięcia znamionowego. Układ powinien działać poprawnie i nie powodować alarmu, jeŝeli napięcie zasilające wzrośnie do wartości 1.1*U nom lub zostanie obniŝone do wartości 0.85*U nom. Dane techniczne symulatora SZ S-2 Symulator posiada dwa kanały U 1 i U 2 wyposaŝone w sterowane bezstykowe łączniki prądu przemiennego. Taki układ umoŝliwia wytwarzanie powtarzalnych zaników napięcia sieci (U 1 /0) oraz obniŝeń lub podwyŝszeń napięcia (U 1 /U 2 ). MoŜliwe jest równieŝ załączenie urządzenia w zadanym kącie fazowym napięcia sieci (0/U 1 ). Podstawowe dane techniczne: - Minimalny, znamionowy i maksymalny prąd obciąŝenia symulatora 0,5A, 5A, 10A; - Napięcie zasilania kanału U 1 i U 2 od 70V do 250V; - Dopuszczalne maksymalne napięcie między kanałami U 1 i U 2 500V pp; - Spadek napięcia na symulatorze 5V (przy prądzie10a); - Czas trwania t z zaniku napięcia (U 1 /0) od 1 ms do 1000 ms, regulacja płynna w podzakresach, podzakresy 10, 20, 100, 200, 1000 ms; - Czas trwania t z obniŝenia lub podwyŝszenia napięcia (U 1 /U 2 ) od 1 do 100 półokresów napięcia sieci, regulacja co półokres w poszczególnych podzakresach; podzakresy 10, 20, 100, 200, 1000 ms; - Kąt fazowy załączenia (0/U 1 ) przy t z = 20 ms, regulacja płynna w zakresie pełnego okresu napięcia sieci; - Okres repetycji T - Symulacja początku zakłócenia dla U 1 /0 i U 1 /U 2 dla U 1 /0 i U 1 /U 2 1, 2, 5, 10, 20s, dla 0/U 1 2, 4, 10, 20, 40s; dla 0/U 1 od naturalnego przejścia prądu obciąŝenia przez wartość zerową, od dodatniego półokresu napięcia sieci. 3. SPOSÓB PRZEPROWADZENIA BADAŃ Układ pomiarowy wykorzystywany do badań poziomów odporności urządzeń na dynamiczne zmiany napięcia zasilania pokazano na rys.3. Połączenie układu pomiarowego polega na wykonaniu niŝej przedstawionych czynności.

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 9 1. Czynności wstępne Ustawić na płycie czołowej następujące połoŝenia wyłączników i przełączników: wyłącznik sieciowy w pozycji dolnej, przełącznik rodzaju pracy w pozycji SIMPL i OFF, wcisnąć przełącznik /U1/0/, potencjometr ustawić w skrajne lewe połoŝenie, z układu przełączników "REPETITION INTERVAL'', ''DURATION OF INTERFERENCE'' ustawić wstępnie T = 1s i tz = 20 ms. 2. Połączenie i sprawdzenie obwodów wybranego zasilania kanałów U1 i U2 a) Napięcie zasilania kanału jest równe napięciu sieci - zacisk U1 (lub U2) połączyć z gniazdem P. b) Napięcie zasilania jest niŝsze od napięcia sieci - włączyć rezystor między zacisk U1 (lub U2) i gniazdo P. 3. Przyłączyć badane urządzenie do gniazda znajdującego się w ściance tylnej symulatora oraz podłączyć układ pomiarowy Przykładowo (rys. 3), moŝna dołączyć oscyloskop do obserwacji napięcia zasilania urządzenia badanego (wyjście oscyloskopu do gniazda OUTPUT 1:100, synchronizacja oscyloskopu z gniazda SYNC OUTP). MoŜna równieŝ monitorować wybrane sygnały w badanym urządzeniu (wejście oscyloskopu dołączone do wybranego punktu urządzenia). 4. Przyłączenie symulatora do sieci zasilającej Symulator jest poprawnie zasilany, jeśli: lampka sygnalizacji "POWER" - świeci, lampka sygnalizacji "TERMINAL N LIVE" - nie świeci. 5. Uruchomienie układu pomiarowego włączyć wyłącznik sieciowy w urządzeniu badanym, włączyć zasilanie symulatora przełącznik w pozycję ON, wcisnąć przełącznik OFF ON w pozycję ON. Urządzenie powinno być zasilane od napięcia kanału U1, na przełącznikach ustalić rodzaj symulowanych zakłóceń oraz okres repetycji T i czas trwania zakłócenia tz, przełącznik SIMPL REPET ustawić w pozycji REPET. Poprawność działania układu naleŝy zaobserwować na podstawie: obserwacji przebiegów z gniazda OUTPUT 1 : 100, pomiarów napięcia na zaciskach ( P' - N'), obserwacji działania wyświetlacza. W ćwiczeniu badanymi urządzeniami będą: Ŝarówki o mocy 100 W, monitor telewizji przemysłowej, odbiornik radiowy.

Dynamiczne zmiany napięcia w instalacji elektrycznej 10 Prowadząc badania naleŝy rozpoczynać od symulacji zaburzeń o najkrótszym czasie trwania i napięciach zbliŝonych do wartości znamionowych. W trakcie badań zmieniać parametry sygnałów zaburzeń. Wyniki badań i obserwacji naleŝy przedstawić w formie tabel z opisem parametrów sygnałów zakłócających i skutków, jakie te sygnały wywołują z punktu widzenia działania badanych urządzeń. PRZEPISY BHP Podczas badań naleŝy przestrzegać zasad i przepisów bezpieczeństwa pracy omówionych podczas zająć wstępnych w laboratorium, zawartych w Regulaminie porządkowym laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej i Ochrony Przeciwzakłóceniowej z uwzględnieniem przepisów BHP. Regulamin dostępny jest w pomieszczeniu laboratoryjnym w widocznym miejscu. LITERATURA 1. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Metody badań i pomiarów - Badania odporności na zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia PN-EN 61000-4-11; Warszawa: Wydaw. Normalizacyjne "ALFA-WERO", 1997. 2. Augustyniak L.: Laboratorium kompatybilności elektromagnetycznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok, 2010. 3. Więckowski T. W.: Badania kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2001. 4. Machczyński W.: Wprowadzenie do kompatybilności elektromagnetycznej. Wydaw. Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2010. 5. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 1, Źródła, sprzęŝenia, skutki; Warszawa: WNT, 1999. 6. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 2, Uziemienia, masy, oprzewodowanie; Warszawa: WNT, 2000. 7. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 3, Ekrany, filtry, kable i przewody ekranowane; Warszawa: WNT, 2000. 8. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 4, Zasilanie, ochrona odgromowa, środki zaradcze; Warszawa: WNT, 2000. 9. Wydawnictwo ALFA WEKA Sp. z o.o. Certyfikat CE w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej.