Введение. Наиболее распространенными электроприемниками на предприятиях, в т. ч. сельскохозяйственных являются электродвигатели и осветительные установки. Кроме того распространены электротермические установки и вентильные преобразователи, преобразующие переменный ток в постоянный. Электродвигатели применяются, как правило трёхфазные, они создают высшие гармоники и колебания напряжения в момент пуска. Электротермические установки и вентильные преобразователи являются мощными нелинейными нагрузками, вносящими в сеть высшие гармоники, так например тиристорные преобразователи создают коэффициент несинусоидальности напряжения достигающий 30 %. Электротермические установки изготавливаются, обычно, в однофазном исполнении, в результате чего появляется значительная несимметрия. Электросварочные агрегаты представляют собой однофазную нелинейную нагрузку, в процессе работы создающую сильные электромагнитные помехи.
Современная электрическая нагрузка жилого дома, квартиры, коттеджа и т. д. характеризуется широким спектром бытовых ЭП, которые можно разделить на несколько групп:
1. Пассивные потребители активной мощности:
1.1. лампы накаливания;
1.2. нагревательные элементы утюгов, плит, обогревателей и др.
2. Электроприемники с асинхронными двигателями, работающими в трёхфазном режиме:
2.1. приводы лифтов;
2.2. насосы в системах водоснабжения и отопления.
3. Электроприемники с асинхронными двигателями, работающими в однофазном режиме:
3.1. Холодильники;
3.2. Стиральные машины.
4. Электроприемники с коллекторными двигателями:
4.1. Пылесосы;
4.2. Ручной электроинструмент.
5. Выпрямительные устройства;
6. Радиоэлектронная аппаратура;
7. Высокочастотные установки:
7.1. СВЧ-печи.
8. Осветительные приборы с нелинейными вольтамперными характеристиками:
8.1. Люминесцентные лампы;
8.2. Компактные люминесцентные лампы (энергосберегающие лампы);
8.3. Светодиодные лампа.
Каждый отдельно взятый бытовой электроприемник воздействует на сеть незначительно, но их совокупность оказывает существенное влияние на электрическую распределительную сеть.
Наиболее серьезным источником несинусоидальности являются вентильные преобразователи. Порядок генерируемых ими гармоник определяется по формуле
где m — число фаз выпрямления;
k — последовательный ряд натуральных чисел (0,1,2 …).
От схемы выпрямления зависит, какие гармоники будут генерироваться в сеть: при 6-фазной схеме — до 19-го порядка; при 12-фазной схеме — до 25-го порядка включительно.
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях с электродуговыми печами определяется в основном 2, 3, 4, 5, 7-й гармониками.
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения установок дуговой и контактной сварки определяется в основном 5, 7, 11, 13-й гармониками. Токи 3-й и 5-й гармоник газоразрядных ламп составляют 10 и 3 % от тока 1-й гармоники. Остальными гармониками для газоразрядных ламп можно пренебречь, [1].
Методика измерения. Для измерения показателей качества электрической энергии в рамках экспериментов по данной работе был использован однофазный анализатор качества электрической энергии CA 8220. Схема измерения с использованием данного прибора приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерения показателей качества электрической энергии с помощью прибора CA 8220
В представленном случае производиться измерение тока в фазе L1 и фазного напряжения между фазой L1 и нейтралью. В анализаторе качества электроэнергии CA8220 происходит сбор, анализ и обработка данных. Измеренные данные (в первую очередь, комплексный спектр тока и напряжения) в режиме реального времени предаются в переносной (стационарный) компьютер с помощью последовательного порта USB 2.0. Прилагаемое программное обеспечение позволяет сохранить данные в виде электронных таблиц и использовать их для дальнейшего анализа либо непосредственно представлять в удобном виде, с использованием дополнительного программного обеспечения.
Достоинствами приведенной схемы являются:
1. Простота сборки;
2. Возможность ввода данных в персональный компьютер с последующей обработкой.
Недостатки:
1. Возможность одновременного измерения только одной фазы.
Анализатор качества электроэнергии CA8220 анализирует спектральный состав до 50-й гармоники включительно, однако путем дополнительной цифровой обработки сигнала можно получить данные более высоких гармониках.
Форма сигнала снимается на протяжении 1-го периода, т. е. на протяжении 20 мс (для частоты 50 Гц). В этот интервал укладывается 256 выборок. Учитывая это возможно посчитать частоту дискретизации сигнала сетевого напряжения:
Из теоремы Котельникова следует, что верхняя частота анализируемого сигнала:
т. е.
Таким образом, справедливо утверждать, что постобработка снятой прибором CA8220 осциллограммы позволяет анализировать спектральный состав до 6400 Гц (128-я гармоника). Анализ осуществляется в любом пакете прикладных программ реализующих дискретное преобразование Фурье (ДПФ) либо алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Результаты измерений. На рис. 2. Показан нормированный амплитудный спектр тока LED-лампы мощностью 3 Вт.
Нормированный амплитудный спектр тока LED-лампы отличается крайне высоким уровнем высших гармоник. 3-я гармоника равна 100 %, а 5-я — 85 %. Все нечетные гармоники до 40-й включительно превышают уровень10 %.
Рис. 2. Нормированный амплитудный спектр тока светодиодной лампы
Дополнительная возможность анализатора качества электрической энергии CA8220, возможность постобработки экспериментальных данных. На рис. 3. показаны осциллограмма тока светодиодной лампы и нормированный амплитудный спектр тока. Вычисление произведено по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для обработки и представления данных использовался математический пакет Matlab, где алгоритм БПФ является встроенной функцией.
Рис. 3. Осциллограмма и нормированный амплитудный спектр тока светодиодной лампы
В результате, спектр полученный с помощью анализатора качества электрической энергии СА8220 и спектр рассчитанный в Matlab практически совпадают. Однако, постобработка в Matlab дает дополнительную возможность рассчитать спектральные составляющие свыше 2500 Гц (50-я гармоника), как было рассчитано ранее верхняя частота полученной осциллограммы составляет 6400 Гц, что соответствует 128-й гармонике. На рис. 4. Показан нормированный амплитудный спектр с гармониками с 50-й по 100-ю (линией отмечен относительный уровень гармоник 1 %).
Рис. 4. Нормированный амплитудный спектр тока светодиодной лампы (частота 5–10 кГц)
Выводы:
1. Анализатор качества электрической СА8220 обладает широкими функциональными возможностями и может быть рекомендован для измерения несинусоидальности в однофазных электрических распределительных цепях;
2. Возможности пакетов математических программ позволяют существенно расширить возможности измерителей качества электроэнергии.
Литература:
1. Суднова В. В. Качество электрической энергии [Текст] / В. В. Суднова — М.: ЗАО Энергосервис, 2000–80 с.
2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы [Текст] / И. С. Гоноровский — М.: Радио и связь, 1986 -512 с.
3. Ануфриев И. Е., Смирнов А. Б., Смирнова Е. Н. MATLAB 7 (Наиболее полное руководство в подлиннике) [Текст] / И. Е. Ануфриев, А. Б. Смирнов, Е. Н. Смирнова — Спб.: БХВ-Петербург, 2005.- 1104 с.
