Выявление источников несинусоидальности в сети, страница 2

На рис. 1 приведена схема электроснабжения и пример подключения измерительных трансформаторов тока и напряжения. По линии Л1 осуществляется электроснабжение потребителей, подключенных к линиям Л2 и Л3.

Рис. 1 Схема подключения цепей измерения в электрической сети

Источники возникновения колебаний напряжения и частоты, несинусоидальности напряжения можно определить путем поочередного отключения потребителей (линии Л2, Л3, если это возможно по требованиям технологических процессов) и проведения замеров параметров качества электроэнергии.

Источники несинусоидальности напряжения также определяют, осуществляя экспериментальное исследование фазового угла сдвига между n-й гармоникой тока и напряжения (рис. 2). Если фазовый угол сдвига между гармоникой тока нагрузки и соответствующей гармоникой напряжения в точке общего присоединения (ТОП) превышает ± 90º, то данный потребитель является источником гармоник тока. Это источник несинусоидальности.

Для определения источника несинусоидальности определяется фазовый угол сдвига между гармониками падения напряжений на шунтах R₁ - R₃ и напряжения на вторичной обмотке измерительного трансформатора ТН2. Если этот угол расположен в 1 или 2 квадранте (рис. 2), то активная мощность соответствующей гармоники Pn > 0 и потребитель не является источником несинусоидальности. Если угол расположен в 3 или 4 квадранте, то Pn < 0 и потребитель является источником несинусоидальности.

            Рис. 2 Определение знака мощности

 Нагрузка носит емкостной характер, когда Qn < 0, или индуктивный, если Qn > 0 (рис. 2). Измерительный трансформатор тока ТТ1 используется для выявления источников несинусоидальности в энергоснабжающей организации.

Измерение нелинейных искажений

Измерение осуществляется прибором, содержащим:

- усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;

- вольтметр действующего значения; 

- заграждающий фильтр, пропускающий все частоты, за исключением той частоты, на       которую он настроен.

На вольтметр подается исследуемое напряжение U_Х. Регулировкой коэффициента усиления усилителя стрелка вольтметра устанавливается на последнее деление шкалы (100% от U_Х).

Затем напряжение U_Хподается на вольтметр через фильтр, подавляющий основную гармонику напряжения сети. При этом по показаниям вольтметра определяется значение K_НС.

Анализаторы гармоник

Анализ кривых переменного тока можно вести путем последовательного измерения амплитуд и частот интересующих высших гармоник или же измерения этих величин одновременно.

В первом случае напряжение U_Х подается на фильтр, пропускающий одну частоту, на которую он в данный момент настроен. Отфильтрованное напряжение измеряется вольтметром. Перестраивая фильтр, по его шкале определяют частоты напряжений составляющих гармоник, а по показаниям вольтметра - их действующие значения.

Во втором случае, при одновременном измерении, прибор имеет набор фильтров, настроенных на различные частоты спектра. Исследуемое напряжение подается одновременно на все фильтры.

Первый способ имеет более широкую область применения, а второй отличается точностью из-за узкой полосы пропускания фильтров.

Отклонение частоты, размах колебаний частоты

Для измерения частоты периодических напряжений в диапазоне 10 Гц - 500 кГц используются электронные частотомеры. Приведенная погрешность таких приборов g = 0,5¸2,5 %.

Методы сравнения позволяют уменьшить эту погрешность до 0,0001 %.

Измерение частоты синусоидальных напряжений

При применении электронно-лучевого осциллографа для измерения частоты наиболее часто используются методы линейной развертки и интерференционных фигур (фигур Лиссажу).

Метод линейной развертки при известном масштабе времени по оси Х позволяет измерить период сигнала

T_x = m_tl_x ,

где l_x  - размер по оси Х, занимаемый одним периодом сигнала;

m_t- масштаб времени по оси , с/см или с/деление.

Погрешность измерения временных интервалов состоит из погрешности с которой задана скорость развертки и погрешности измерения линейных размеров на экране осциллографа.

Измеряемая частота равна

f_x = 1/ T_x .

Метод  фигур Лиссажу используется для измерения частоты синусоидальных напряжений. На входы каналов X и Y осциллографа подаются напряжения образцовой f_Xи измеряемой f_Y частоты (генератор развертки отключен). Электронный луч под действием двух взаимно перпендикулярных  и меняющихся по гармоническому закону электрических полей вычерчивает на экране некоторую сложную кривую. Если соотношение частот образцового и измеряемого напряжений выражается отношением целых чисел, то результирующая кривая (фигура Лиссажу) представляется в виде неподвижного изображения.

Для определения отношения частот необходимо сосчитать число пересечений между вертикальной N_Yи горизонтальной N_X прямыми и наблюдаемой фигуры (рис. 3).

f_Y / f_X = N_Y/ N_Y,

гдеfy и fx- частоты напряжений, подаваемых на каналы Y и X осциллографа.

Для рис. 3: Nx= 2; Ny= 8, следовательно:

Поскольку, в рассмотренном примере, на вертикально отклоняющие пластины подается напряжение большей частоты, то и фигура Лиссажу располагается по оси Y.

Рис. 3 Измерение частоты. Изображение на экране ЭЛТ

На рис. 3: f_ИЗМ - измеряемая частота; f_ОБР – известная образцовая частота.

Измерение разности фаз

Измерение разности фаз обычно проводят методом линейной развертки. Опорным напряжением U1, относительно которого измеряется фазовый сдвиг v, выполняют внешнюю синхронизацию  развертки одноканального осциллографа. Одновременно  это же напряжение подается на вход канала У и на экране отмечают положение некоторой опорной точки периода. Затем подают на вход канала напряжение U2, сдвинутое по фазе относительно U1. На входе синхронизации по прежнему остается U1, причем регулировки синхронизации должны оставаться в том же положении, при котором была отмечена опорная точка на  экране. При поданном на вход канала напряжении U2 отмечают вторую опорную точку. Измерив по координатной сетке расстояние Х между опорными точками и длину периода Хо, рассчитывают фазовый сдвиг v = 360Х/Хо. У многоканального осциллографа измеряемые напряжения подаются на разные каналы.

Пример. На рис. 4 изображены гармонические сигналы, для которых необходимо измерить разность фаз. Данные сигналы подаются на входы каналов X,Y. Генератор развертки осциллографа отключается, на экране электроннолучевой трубки появляется изображение (рис. 5).

Рис. 4 Входные сигналы каналов X, Y

Рис. 5 Изображение на экране ЭЛТ

Разность фаз определяется из соотношения: , где AB, CD – отрезки на экране.

Вопросы

Пусть фазовый угол первой гармоники в Л1 (рис. 1) равен 15º (ток отстает от напряжения).

В Л2 и Л3: 20 º и 15 º соответственно. Пусть на 5 гармонике угол в Л1 равен -103 º.

В Л2 и Л3 соответственно: -120 º и -40 º.

Какой потребитель является источником гармоник?

Ответ. Для первой гармоники (рис. 6):

Рис. 6 Направления мощности на первой гармонике

Л1: 180º - 15º = 165º – опережающий угол, Л2, Л3  -запаздывающие углы (индуктивность).

Вывод: мощность основной гармоники поступает из источника питания по Л1. Нагрузка Л2 и Л3 потребляют мощность и имеют индуктивный характер.

Для пятой гармоники (рис. 7):          

Рис. 7 Направления мощности на пятой гармонике

Л1: - 180º - 103º = - 283º - мощность потребляется.

Л2: - 120º – источник 5-ой гармоники; Л3: - 40º - потребитель 5-ой гармоники.

Вывод: мощность 5-ой гармоники поступает из нагрузки по Л2. Нагрузка Л3 и источник питания  потребляют мощность 5-ой гармоники.