analizatory harmonicznych napięć i prądów przebiegów

Nr 58
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
transformata Fouriera, analizator harmonicznych
Jerzy LESZCZYŃSKI *
F
ANALIZATORY HARMONICZNYCH NAPIĘĆ I PRĄDÓW
PRZEBIEGÓW ELEKTROENERGETYCZNYCH
Jednym z istotnych obszarów działalności naukowej prof. Wojciecha Fulińskiego są opracowania
aparatury pomiarowej służącej do analizy harmonicznych przebiegów napięć i prądów w obwodach
elektroenergetycznych. Prace te należy uznać za pionierskie – obecnie analiza harmonicznych stanowi
jeden z ważnych elementów oceny jakości energii elektrycznej.
Artykuł prezentuje metodę analizy harmonicznych oraz działania konstrukcyjne, których efektem było opracowanie szeregu analizatorów wykorzystywanych w Instytutach Badawczych, Zakładach Energetycznych oraz innych przedsiębiorstwach.
1. WSTĘP
Oferowane obecnie na rynku analizatory harmonicznych przebiegów elektroenergetycznych stanowią najczęściej jeden z elementów analizatorów jakości energii elektrycznej. Łączy je zasada pomiaru związana z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów z
realizacją szybkiej transformaty Fouriera (FFT) przez układy procesorowe.
Prezentowana metoda oraz opracowania konstrukcyjne pochodzą z lat siedemdziesiątych i początku lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Efektem tych prac jest analizator służący do badania krzywych odkształconych spełniających warunki Dirichleta
i dających się przedstawić w postaci trygonometrycznego szeregu Fouriera. Zasada
pracy analizatora związana jest z techniczną realizacją trygonometrycznej transformaty Fouriera polegającą na całkowaniu przebiegu w odpowiednich przedziałach czasowych zgodnie z niżej podanym modelem matematycznym [1].
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
2. OPIS MODELU MATEMATYCZNEGO ANALIZATORA HARMONICZNYCH
Wartość chwilowa napięcia odkształconego przedstawia wyrażenie (1):
∞
u = ∑ 2U n sin(nωt + Ψn )
(1)
n =1
przy czym: Un – wartość skuteczna n – tej harmonicznej; Ψn – faza początkowa tej
harmonicznej: ω = 2π/T – pulsacja pierwszej harmonicznej.
W celu wyznaczania wartości n – tej harmonicznej okres przebiegu badanego dzieli się na 2n równych części. Odpowiednie punkty graniczne (granice całkowania) stanowią następujące chwile badanego przebiegu; 0, T/2n, 2T/2n, 3T/2n, 4T/2n,…, (2n –
2)T/2n, (2n – 1)T/2n. W przedziałach czasowych 0 ≤ t ≤ T/2n, 2T/2n ≤ t ≤ 3T/2n, …
(2n – 2)T/2n ≤ t ≤ (2n – 1)T/2n dokonuje się całkowania przebiegu badanego, natomiast w pozostałych przedziałach na wejście integratora przykłada się sygnał wartości
zerowej. W czasie jednego okresu T występuje więc n przedziałów całkowania. Wartość tak uzyskanej całki dzieli się przez okres T przebiegu, a otrzymany w ten sposób
wynik stanowi informację o wyznaczanej harmonicznej. Wynik ten jednak jest obarczony wpływem innych harmonicznych niż poszukiwana, co ujawnia matematyczny
zapis działania analizatora [1]. Po wykonaniu całkowania zależności (1) i wykonaniu
odpowiednich przekształceń trygonometrycznych otrzymuje się
U ns =
U n (2q + 1)
cosψ n (2q + 1)
π q = 0 2q + 1
2
∞
∑
(2)
przy czym Uns – wartość średnia przebiegu napięcia przy pomiarze n – tej harmonicznej; q – dowolna liczba ze zbioru 0, 1, 2, 3, …, ; n – rząd harmonicznej.
Wzór (2) przedstawia ogólne wyrażenie modelu matematycznego analizatora. Na
podstawie wyrażenia (2) otrzymuje się;
U 1s =
2⎛
1
1
⎞
⎜U 1 cosψ 1 + U 3 cosψ 3 + U 5 cosψ 5 + ...) ⎟
π ⎝
3
5
⎠
U 2s =
2⎛
1
1
⎞
⎜U 2 cosψ 2 + U 6 cosψ 6 + U 10 cosψ 10 + ...) ⎟
π ⎝
3
5
⎠
U 3s =
2⎛
1
1
⎞
⎜U 1 3 cosψ 3 + U 9 cosψ 9 + U 15 cosψ 15 + ...) ⎟
3
5
π ⎝
⎠
i tak dalej ….
(3)
Przyjmując przybliżenie ograniczające rząd wyznaczanej harmonicznej np. do 13.
można przedstawić przytoczone zależności w sposób pozwalający na określenie wybranych harmonicznych.
π ⎛
1
1
1
1
1
⎞
⎜U 1s − U 3 s − U 5 s − U 7 s − U 9 s − U 11s ⎟
3
5
7
9
11
2⎝
⎠
1
1
π ⎛
⎞
U 2 cosψ 2 =
⎜U 2 s − U 6 s − U 10 s ⎟
3
5
2⎝
⎠
1
π ⎛
⎞
U 3 cosψ 3 =
⎜U 3 s − U 9 s ⎟
3
2⎝
⎠
1
π ⎛
⎞
U 4 cosψ 4 −
⎜U 4 s − U 12 s ⎟
3
2⎝
⎠
U 1 cosψ 1 =
U 5 cosψ 5 =
π
2
(4)
U 5s
i tak dalej. Sposób postępowania przy analizie przebiegów prądowych jest analogiczny do ww.
3. UKŁAD POMIAROWY ANALIZATORA
Wprowadzone zależności matematyczne (3) stanowiły podstawę do opracowania
przyrządu, którego schemat blokowy przedstawiono na rys. 1. Badane napięcie lub
prąd odkształcony wprowadza się odpowiednio przez obwód napięciowy lub prądowy
układu wejściowego 1 do transformatora pomiarowego 2, pracującego w układzie
przekładnika prądowego. Prąd strony wtórnej transformatora, którego przebieg odwzorowuje wielkość badaną, jest po konwersji prądowo – napięciowej podawany na
separowane tory pomiarowe 3 poszczególnych harmonicznych z układami kluczującymi i przez człon przełączający 4a na sumator 5. W układzie wyjściowym 6 dołączonym do sumatora znajdują się przyrządy realizujące całkowanie przebiegu badanego:
woltomierz magnetoelektryczny oraz woltomierz cyfrowy napięcia stałego. Czasy
zamknięcia kluczy tranzystorowych, znajdujących się w torach pomiarowych, ustalają
granice całkowania. Odpowiednie przebiegi sterujące pracą kluczy otrzymuje się z
układu sterowania, który zawiera: przesuwnik fazowy 11, pętlę synchronizacji fazowej z dzielnikami częstotliwości 7 oraz człon przełączający 4b. Częstotliwość przebiegów sterujących jest synchronizowana z częstotliwością napięcia sieci zasilającej,
którego odpowiednie odwzorowanie otrzymuje się na wyjściu przesuwnika fazowego
służącego do nastawiania fazy początkowej. Z dzielnika 7 uzyskuje się przebiegi prostokątne o częstotliwościach będących n- tą krotnością częstotliwości sieci.
Wspomniana synchronizacja jest realizowana przez pętlę synchronizacji fazowej
zawierającą detektor fazy 8, przetwornik całkujący 9 oraz generator sterowany napięciem (VCO) 10. W niektórych egzemplarzach zastosowano scalone pętle fazowe.
Detektor fazy 8 połączono z przesuwnikiem fazowym 11 oraz z wyjściem dzielnika o
najmniejszej częstotliwości. Na wyjście przesuwnika fazowego włączono przez człon
przełączający miernik magnetoelektryczny i woltomierz cyfrowy napięcia stałego,
które mierzą kąt przesunięcia fazowego. Napięcie pomocnicze otrzymuje się z zasilacza stabilizowanego 12.
Rys. 1. Schemat blokowy analizatora
1 – układ wejściowy; 2 – transformator pomiarowy wejściowy; 3 – blok separowanych torów pomiarowych z kluczami tranzystorowymi; 4a – człon przełączający w obwodzie pomiarowym; 4b – człon przełączający w układzie sterowania; 5 – sumator; 6a – woltomierze magnetoelektryczne; 6b – woltomierze
cyfrowe napięcia stałego; 7 – dzielnik częstotliwości; 8 – detektor fazy; 9 przetwornik całkujący; 10 –
generator sterowany napięciem (VCO); 11 – przesuwnik fazowy; 12 – zasilacz stabilizowany
Fig. 1. Block diagram of analyser
1 – input circuit; 2- input measuring transformer; 3 – unit of separated measuring tracks with transistorised switches; 4a – switching unit in current circuit; 4b – switching unit in control circuit; 5 – adder; 6a –
magnetoelectric voltmeters; 6b – digital voltmeters; 7 – frequency divider; 8 - phase detector; 9 – integrating transducer; 10 – voltage controlled oscillator; 11 – phase shifter; 12 - power supply
Bardzo istotnym elementem w znacznym stopniu decydującym o dokładności i stałości pomiarów wartości skutecznych wyższych harmonicznych jest szybka synchro-
nizacja układu określającego właściwe przedziały całkowania ze zmianami częstotliwości przebiegów analizowanych. Należy tu podkreślić iż prowadzone prace odbywały się w czasach problemów energetycznych związanych z przerwami dostaw energii
oraz co w tym przypadku ma szczególne znaczenie, znacznymi i szybkimi wahaniami
częstotliwości napięć zasilających. Opracowanie układów synchronizujących, a był to
długoczasowy proces, rozpoczynający się od konstrukcji i badań układów dyskretnych, a kończący, właściwym pod katem dynamicznym, zastosowanie elementów
zintegrowanych doprowadził do uzyskania zadawalających rezultatów.
Podobną ewolucję konstrukcyjną przechodziły inne bloki analizatora, w tym układy kluczujące.
4. PODSUMOWANIE
Pierwsze konstrukcje analizatorów harmonicznych pozwalały na pomiar wartości
skutecznych i przesunięć fazowych w zakresie do 7. harmonicznej [2, 3]. Dalsze prace
doprowadziły do rozszerzenia zakresu do 12. harmonicznej [4, 5], a następnie do 25.
harmonicznej. Osiągnięto dokładności: pomiaru wartości skutecznych harmonicznych
napięć i prądów ±2,5%, pomiaru kątów fazowych ±2°. Były to dokładności całkowicie
zadawalające użytkowników analizatorów i zgodne z możliwościami przyrządów analizujących ówczesnej techniki pomiarowej. Za opracowanie analizatorów harmonicznych przebiegów odkształconych napięć i prądów występujących w obwodach elektromagnetycznych, zespół wykonawców pod kierownictwem autora otrzymał nagrodę
Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w 1986r.
Działalność prof. Wojciecha Fulińskiego w zaprezentowanym zakresie zaowocowała wykonaniem co najmniej 10 analizatorów harmonicznych. Działalność ta nie
zakończyła się przedstawionymi konstrukcjami analizatorów harmonicznych. Zainspirowała współpracowników do kontynuacji tej tematyki. Dzięki temu powstały kolejne
opracowania analizatorów wykorzystujących już cyfrowe przetwarzanie sygnałów [6,
7, 8]. Zaszczepiła szerokie zainteresowanie problemami jakości energii elektrycznej
co po latach doprowadziło do utworzenia Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej w Elektroenergetyce, akredytowanego przez PCA w roku 2004 [9].
LITERATURA
[1] Fuliński W., Sawicki J.: Model matematyczny analizatora do pomiaru harmonicznych przebiegów odkształconych napięcia i prądu w obwodach elektroenergetycznych. Arch. Elektrot. 1982
z. 2
[2] Fuliński W., Lipski J.: Analizator harmonicznych napięć i prądów. Patent nr 113888 zgłosz.
16.02.1979r. Świadectwo autorskie nr 158525 z 30.08.1983r.
[3] Fuliński W.: Analizator harmonicznych napięć i prądów. Patent tymczasowy nr P-237094 z
23.06.1982.
[4] Fuliński W., Leszczyński J.: Analizator przebiegów odkształconych napięć i prądów. Przegląd
elektrotechniczny nr 6 1985r.
[5] Fuliński W., Leszczyński J.: Analizatory harmonicznych napięć i prądów w obwodach elektroenergetycznych. Prace Naukowe Instytutu Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej. Konferencje. 1985r. nr 65
[6] Leszczyński J.: Analizatory przebiegów elektroenergetycznych z wykorzystaniem mikroprocesorów. II Międzynarodowe Sympozjum. Instytut Energoelektryki 1988r.
[7] Leszczyński J.: Mikroprocesorowy analizator przebiegów elektroenergetycznych. Przegląd
elektrotechniczny. 1990r.
[8] Leszczyński J., Podlejski K.: Analizator przebiegów elektroenergetycznych. Przegląd Elektrotechniczny. 1995r.
[9] Leszczyński J., Kosobudzki G.: Jakość energii elektrycznej jako podstawa kompatybilności
elektroenergetycznej w elektroenergetyce. Prace Naukowe IMNiPE PWr. Nr 56. Wrocław
2004r.
CURRENT AND VOLTAGE HARMONICS ANALYSERS
One of essential areas of professor Wojciech Fuliński`s scientific activity are the studies of measuring
instruments for current and voltage waveforms harmonics analysers in electrical power systems. The
Wojciech Fulinski`s works should be recognized as innovative work – at present the harmonics analysis
are one of important units for assessment of power quality. Article presents the method of analysis harmonic as well as constructional working it which effect was used at scientific institutes, power engineering plants and other enterprises.