Электроника:Переменный ток/Измерение цепей переменного тока/Измерение качества электроэнергии

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Измерение качества электроэнергии[1]

В былые времена в крупных системах питания переменного тока не слыхали о таком понятии как «качество электроэнергии», хотя могла идти речь о коэффициенте мощности. Почти все нагрузки были «линейными», что означало, что они не искажали форму синусоидальной волны напряжения и не вызывали несинусоидальные токи в цепи. Сейчас уже всё по-другому.

Как в быту, так и в промышленности всё более распространены нагрузки, управляемые «нелинейными» электронными компонентами. А это значит, что напряжения и токи в энергосистемах, питающих эти нагрузки, богаты гармониками: и насколько ни были хороши и чисты синусоидальные напряжения и токи, но они неизбежно становятся сильно искажёнными, что эквивалентно наличию бесконечной последовательности высокочастотных синусоидальных волн, кратных фундаментальной частоте линии электропередачи.

Нежелательные эффекты избыточных гармоник

Избыточные гармоники в энергосистеме переменного тока ведут к перегреву трансформаторов, вызывают чрезвычайно высокие токи в «нейтральном» проводе в трёхфазных системах, создают электромагнитный «шум» в виде радиоизлучений (которые создают помехи чувствительному электронному оборудованию), снижают выходную мощность электродвигателя в лошадиных силах и при этом труднообнаружимы.

Для решения подобных проблем в энергосистемах, инженерам и техническим специалистам требуются способы точного обнаружения и измерения подобных условий.

Качество электроэнергии

Качество электроэнергии – это общий термин, обозначающий отсутствие в системе питания переменного тока гармоник. Измеритель «качества электроэнергии» – это прибор, который в том или ином виде показывает содержание гармоник в системе.

Измерение качества электроэнергии

Простой способ для инженера определить качество электроэнергии в системе без сложного оборудования – сравнить показания напряжения между двумя точными вольтметрами, измеряющими одно и то же напряжение системы: один измеритель является устройством «усредняющего» типа (например, электромеханический измерительный движитель) и другой показывает истинно среднеквадратичное значение (например, высококачественный цифровой измеритель).

Помните, что измерители «усредняющего» типа откалиброваны так, что их шкалы показывают среднеквадратичное значение в вольтах, исходя из предположения, что измеряемое напряжение переменного тока является синусоидальным. Если волна напряжения не является синусоидой, усредняющий измеритель не будет показывать правильное значение, в то время как показания True-RMS-измерителя всегда будут верными, независимо от формы волны.

Здесь действует эмпирическое правило: чем больше разница в показаниях между двумя измерителями – тем больше гармоническая составляющая – тем хуже качество электроэнергии. Энергосистема с хорошим качеством электроэнергии генерирует одинаковые показания напряжения между двумя измерителями с точностью до номинальной погрешности инструментов.

Ещё одно квалифицированное измерение качества электроэнергии – это проверка осциллографом: подключите осциллограф (ЭЛТ) к источнику переменного напряжения и наблюдайте за формой волны. Все, что угодно, кроме чистой синусоиды, может указывать на проблему:

Рис. 1. Слегка искажённая «синусоида». Тут определённо затесалась гармоника!

Тем не менее, если необходим количественный анализ (точные числовые показатели), ничто не может заменить инструмент, специально разработанный для этой цели.

Такой прибор называется измерителем качества электроэнергии и иногда более известен в кругу электронщиков как низкочастотный анализатор спектра. Этот девайс обеспечивает графическое представление на ЭЛТ-экране или цифрового дисплея частотный «спектр» переменного напряжения.

Подобно тому, как призма в опыте Ньютона разделяет луч белого света на составляющие его цветовые компоненты (сколько в нём красного, оранжевого, жёлтого, зелёного и синего), анализатор спектра разделяет сигнал со смешанной частотой на составляющие его частоты и отображает результат в виде гистограммы:

Рис. 2. Измеритель качества электроэнергии – низкочастотный анализатор спектра.

Каждое число на горизонтальной шкале данного измерителя – гармоника основной частоты. Для американских энергосистем «1» представляет 60 Гц (1-я гармоника или фундаментальная гармоника), «3» - 180 Гц (3-я гармоника), «5» - 300 Гц (5-я гармоника) и т. д.

Прямоугольные столбики – это относительные величины каждой из этих гармонических составляющих в измеренном переменном напряжении.

Чистая синусоида с частотой 60 Гц покажет только высокую полоску над цифрой «1» без каких-либо полос над другими частотными маркерами на шкале, поскольку чистая синусоида не содержит гармоник.

Наверное, подобные измерители качества электроэнергии, уместно называть измерителями обертона, потому что они предназначены для отображения только тех частот, которые, как известно, генерируются энергосистемой.

В трёхфазных энергосистемах переменного тока (которые в основном используются в приложениях большой мощности) чётные гармоники обычно подавляются, и значительной мере присутствуют только гармоники, имеющие нечётные номера.

См.также

Внешние ссылки