Harmoniczne Harmoniczne - European Copper Institute

JakoϾ zasilania - poradnik
Harmoniczne
Rzeczywista wartoϾ skuteczna (RMS) jedyny prawdziwy wyznacznik
3.2.2
3
Peak value = 2.6
2
Crest or Peak factor = 2.6
1
True RMS value = 1.0
Averaging RMS measurement = 0.61
Form factor = 1.82
-1
-2
-3
90
180
270
360
Harmoniczne
Mean value = 0.55
0
0
Harmoniczne
Rzeczywista wartoϾ skuteczna (RMS) - jedyny prawdziwy wyznacznik
Towarzystwo Rozwoju Miedzi
Marzec 2001
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. (PCPM S.A.)
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. jest organizacj¹ non-profit, finansowan¹ przez dostawców miedzi oraz producentów pragn¹cych zachêciæ odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promuj¹cych ich prawid³owe i efektywne zastosowanie. Dzia³alnoœæ
Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy s¹ zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej
wszystkich aspektach. Centrum równie¿ zapewnia ³¹cznoœæ miêdzy jednostkami badawczymi a przemys³em wykorzystuj¹cym miedŸ
w produkcji oraz utrzymuje blisk¹ ³¹cznoœæ z innymi organizacjami zajmuj¹cymi siê rozwojem miedzi na ca³ym œwiecie.
Europejski Instytut Miedzi (ECI)
Europejski Instytut Miedzi jest spó³k¹ joint venture Miêdzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi (ICA) i IWCC. ECI, dziêki swoim cz³onkom, zajmuje siê w imieniu najwiêkszych producentów miedzi na œwiecie i czo³owych europejskich producentów promocj¹ miedzi w Europie. Powsta³y w styczniu 1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dziêki sieci dziesiêciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu, we Francji, w Niemczech, Grecji, na Wêgrzech, we W³oszech, w Polsce, Skandynawii,Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo rozwija swoj¹ dzia³alnoœæ podjêt¹ przez CDA powsta³¹ w 1959 roku oraz dziêki
INCRA (Miêdzynarodowemu Towarzystwu Badañ Miedzi) powsta³emu w 1961 roku.
Zrzeczenie siê odpowiedzialnoœci
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. oraz Europejski Instytut Miedzi zrzekaj¹ siê wszelkiej odpowiedzialnoœci za bezpoœrednie
b¹dŸ poœrednie skutki jak równie¿ nieprzewidziane szkody, które mog¹ byæ poniesione w wyniku u¿ycia informacji lub nieumiejêtnego u¿ycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.
Copyright© Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
Reprodukcja materia³u zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w ca³oœci i podania jej Ÿród³a.
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
50-136 Wroc³aw
pl. 1 Maja 1-2
Polska
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
e-mail:
Website:
Tel:
Fax:
Email:
Website:
00 48 71 78 12 502
00 48 71 78 12 504
[email protected]
www.miedz.org.pl
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org
Harmoniczne
Rzeczywista wartoœæ skuteczna (RMS) - jedyny prawdziwy wskaŸnik
Wiele instalacji komercyjnych i przemys³owych ponosi straty z powodu tak zwanego niepo¿¹danego zadzia³ania wy³¹czników automatycznych. Czêsto te niespodziewane zadzia³ania wydaj¹ siê niewyt³umaczalne, ale oczywiœcie zawsze jest jakaœ przyczyna: istniej¹ dwa typowe powody takiego niepo¿¹danego zadzia³ania. Pierwszym mo¿liwym s¹ pr¹dy rozruchowe powstaj¹ce w momencie,
kiedy niektóre obci¹¿enia, szczególnie komputerów osobistych i innych urz¹dzeñ elektronicznych, s¹ w³¹czane; ten problem jest
omówiony w dalszej czêœci naszego poradnika. Drug¹ przyczyn¹, która mo¿e wywo³aæ niepo¿¹dane zadzia³anie wy³¹czników automatycznych to niedoszacowanie rzeczywistej wielkoœci pr¹du przep³ywaj¹cego w obwodzie - innymi s³owy, w rzeczywistoœci pr¹d
jest zbyt du¿y.
Niedoszacowanie rzeczywistej wartoœci pr¹du zdarza siê bardzo czêsto w nowoczesnych instalacjach - ale dlaczego, przecie¿ cyfrowe instrumenty pomiarowe s¹ takie dok³adne i niezawodne? OdpowiedŸ polega na tym, ¿e wiele z tych urz¹dzeñ pomiarowych nie
jest dostosowanych do pomiaru pr¹dów zniekszta³conych - a wiêkszoœæ pr¹dów w dzisiejszych czasach jest zniekszta³cona.
Zniekszta³cenie jest wywo³ane pr¹dami harmonicznymi pochodz¹cymi z nieliniowych obci¹¿eñ, szczególnie z urz¹dzeñ elektronicznych takich jak komputery osobiste, zap³onniki i napêdy bezstopniowe. Powstawanie harmonicznych i ich wp³yw na systemy
elektryczne jest omówiony w Czêœci 3.1. naszego poradnika. Rys. 3. przedstawia typowy kszta³t fali pr¹du zasilaj¹cego komputer osobisty. Oczywiœcie nie jest to sinusoida i wszystkie typowe urz¹dzenia do pomiaru zwyk³ej sinusoidy oraz sposoby obliczania nie
sprawdzaj¹ siê. Oznacza to, ¿e podczas usuwania problemów czy podczas analizowania wydajnoœci systemu zasilania nale¿y u¿ywaæ
w³aœciwych narzêdzi - to znaczy takich, które poradz¹ sobie z pomiarem niesinusoidalnej fali pr¹du i napiêcia.
Rys. 1. Jeden pr¹d - dwie wartoœci. Która jest prawdziwa?
Powy¿szy obwód odga³êziony zasila nieliniowe obci¹¿enie zniekszta³conym pr¹dem.
Miernik rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS) (po prawej) mierzy prawid³owo,
a miernik œredniej wartoœci skutecznej (po lewej) wskazuje wartoœæ ni¿sz¹ o 32%.
1
Rzeczywista wartoϾ skuteczna (RMS) - jedyny prawdziwy wyznacznik
Rys. 1. przedstawia dwa mierniki zaciskowe na jednym obwodzie odga³êzionym. Oba instrumenty pomiarowe funkcjonuj¹ prawid³owo i oba s¹ skalibrowane zgodnie z instrukcjami producenta. Podstawow¹ ró¿nic¹ jest sposób wykonywania pomiaru przez poszczególne instrumenty pomiarowe. Miernik pokazany w lewej rêce to instrument mierz¹cy rzeczywist¹ wartoœæ skuteczn¹ (RMS), a
miernik w prawej rêce to skalibrowany instrument mierz¹cy œredni¹ wartoœæ skuteczn¹ (RMS). Zrozumienie ró¿nicy wymaga zrozumienia tego, co naprawdê oznacza wartoœæ skuteczna (RMS).
Co to jest wartoϾ skuteczna (RMS)?
Wartoœæ „œredniej kwadratowej (RMS)” pr¹du przemiennego to wartoœæ odpowiadaj¹ca pr¹dowi sta³emu, który wytworzy³by tak¹ sam¹
iloœæ ciep³a przy sta³ym obci¹¿eniu rezystancyjnym. Iloœæ ciep³a powsta³ego w oporniku dziêki pr¹dowi przemiennemu jest proporcjonalna do kwadratu œredniej pr¹du w ca³ym okresie. Innymi s³owy, ciep³o wytworzone jest proporcjonalnie do œredniej kwadratu, tak wiêc wartoœæ pr¹du jest proporcjonalna do pierwiastka œredniej kwadratu, czyli œredniej kwadratowej (RMS). (Biegunowoœæ nie ma znaczenia, poniewa¿ kwadrat jest zawsze dodatni.)
Aby uzyskaæ idealn¹ sinusoidê, tak¹ jak na Rys. 2, wartoœæ skuteczna (RMS) musi wynosiæ 0,707 razy wartoœæ szczytowa (wartoœæ
szczytowa wynosi 2, lub 1,414, razy wartoœæ skuteczna (RMS)). Innymi s³owy, wartoœæ szczytowa pr¹du o 1-amperowej wartoœci skutecznej i niezak³óconym kszta³cie fali wynosi 1,414 amperów. Jeœli wielkoœæ sinusoidy zostanie po prostu uœredniona (odwracaj¹c ujemna
po³owê okresu), œrednia wartoœæ wyniesie 0,636 razy wartoœæ szczytowa, lub 0,9 razy wartoœæ skuteczna (RMS). Na Rys. 2. pokazano dwa
wa¿ne wspó³czynniki.
i
Rys. 2. Sinusoida bez zniekszta³ceñ.
Skutki nieprawid³owego pomiaru
Dopuszczalne znamionowe ograniczenia dla wiêkszoœci elementów obwodu elektrycznego zale¿¹ od iloœci ciep³a, które mo¿e zostaæ wyemitowane, a dany element siê nie przegrzewa³.
Wartoœci znamionowe kabli s¹ podawane dla konkretnych instalacji, z których ciep³o jest emitowane z ró¿n¹ prêdkoœci¹, i dla maksymalnych temperatur. Poniewa¿ pr¹dy zniekszta³cone harmonicznymi maj¹ wy¿sz¹ wartoœæ skuteczn¹ (RMS) od tej zmierzonej
miernikiem do pomiarów œredniej wartoœci skutecznej (RMS), wartoœci znamionowe kabli mog³y zostaæ zani¿one i wytrzymaj¹ wy¿sz¹ temperaturê; w rezultacie nastêpuje zniszczenie izolacji, wczeœniejsze awarie oraz istnieje niebezpieczeñstwo po¿aru.
Rzeczywista wartoϾ skuteczna (RMS) - jedyny prawdziwy wyznacznik
Rys. 3. Typowy kszta³t fali pr¹du zasilaj¹cego komputer osobisty.
Wymiary szyn zbiorczych s¹ dostosowane do iloœci strat ciep³a z szyn podczas zjawiska konwekcji, promieniowania oraz do iloœci
pozyskiwanego ciep³a dziêki stratom rezystancyjnym. Temperatura, przy której te iloœci s¹ równe, jest temperatur¹ robocz¹ dla szyn
zbiorczych i s¹ one tak konstruowane, ¿e temperatura robocza jest dostatecznie niska, aby zapobiec przedwczesnemu zu¿yciu izolacji i materia³ów wzmacniaj¹cych. Podobnie b³êdy pomiarowe przy odczycie rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS) prowadz¹ do
eksploatacji przy wy¿szych temperaturach. Poniewa¿ szyny zbiorcze maj¹ zwykle du¿e rozmiary, bardziej widoczny jest efekt naskórkowoœci ni¿ przy mniejszych przewodach, co prowadzi do dalszego wzrostu temperatury.
Inne elementy elektrycznych systemów zasilania, takie jak bezpieczniki i nagrzewaj¹ce siê elementy wy³¹czników automatycznych,
s¹ znamionowane zgodnie z wartoœci¹ skuteczn¹ pr¹du (RMS), poniewa¿ ich dzia³anie jest zwi¹zane z oddawaniem ciep³a. Jest to
podstawow¹ przyczyn¹ niepo¿¹danego zadzia³ania wy³¹czników automatycznych - pr¹d jest wiêkszy ni¿ spodziewany, a wiêc wy³¹czniki automatyczne dzia³aj¹ w warunkach, w których przed³u¿one dzia³anie prowadzi do niepo¿¹danego zadzia³ania wy³¹cznika.
Reakcja wy³¹cznika jest wywo³ana temperatur¹ i mo¿e wydawaæ siê nie do przewidzenia. Tak samo jak przy przerwach w zasilaniu,
koszt awarii spowodowanej niepo¿¹danym zadzia³aniem wy³¹czników mo¿e byæ wysoki i prowadziæ do utraty danych w systemach
komputerowych, zak³óceñ w systemach kontroli procesów itd. Te kwestie s¹ omówione w Czêœci 2. naszego poradnika.
Tak wiêc tylko mierniki rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS) zapewniaj¹ prawid³owe odczyty i dziêki nim wartoœci znamionowe kabli, szyn zbiorczych i wy³¹czników mo¿na okreœliæ w³aœciwie. Zasadnym pytaniem staje siê kwestia: "Czy dany miernik jest
miernikiem rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS)?" Zwykle, jeœli miernik jest miernikiem rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS),
bêdzie to wyraŸnie zaznaczone w specyfikacji urz¹dzenia, ale czêsto nie ma takiej specyfikacji pod rêk¹. Mo¿na na to pytanie znaleŸæ odpowiedŸ, porównuj¹c pomiary pr¹du takim miernikiem z pomiarem zwanym miernikiem œredniej wartoœci skutecznej (RMS)
(zwykle s¹ one tañsze), lub porównuj¹c z pomiarem zwanym miernikiem rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS) przy pomiarze pr¹du w nieliniowym obci¹¿eniu (takim jak komputer osobisty) i pr¹du pobieranego przez lampê z ¿arnikiem. Oba mierniki powinny
Tabela 1. Porównanie mierników mierz¹cych œredni¹ i rzeczywist¹ wartoœæ skuteczn¹ (RMS).
!
Rzeczywista wartoϾ skuteczna (RMS) - jedyny prawdziwy wyznacznik
wskazywaæ tak¹ sam¹ wartoœæ pr¹du dla obci¹¿enia lampy z ¿arnikiem. Jeœli jeden z nich wskazuje du¿o wy¿sz¹ wartoœæ dla obci¹¿enia komputera osobistego ni¿ lampy (powiedzmy ponad 20%), prawdopodobnie taki miernik jest miernikiem rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS); jeœli wskazania s¹ podobne, mierniki s¹ tego samego rodzaju.
Wnioski
Pomiar rzeczywistej wartoœci skutecznej (RMS) jest bardzo wa¿ny w ka¿dej instalacji, w której jest du¿a iloœæ nieliniowych obci¹¿eñ (komputery osobiste, zap³onniki elektroniczne, kompaktowe lampy fluorescencyjne, itd.) Mierniki œredniej wartoœci skutecznej
(RMS) wskazywaæ bêd¹ zani¿on¹ wartoœæ skuteczn¹ o nawet 40%, co mo¿e prowadziæ do podawania zani¿onych w³aœciwoœci znamionowych kabli i wy³¹czników automatycznych, awarii i niepo¿¹danego zadzia³ania wy³¹czników automatycznych.
4"
Europejskie Centra Promocji Miedzi
i partnerzy programu Leonardo da Vinci Power Quality
Benelux
European Copper Institute
W³ochy
Istituto Italiano del Rame
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
00 32 2 777 70 70
Fax:
00 32 2 777 70 79
Email:
[email protected]
Web:
www.eurocopper.org
Kontakt: H. De Keulenaer
Via Corradino d’Ascanio 4
I-20142 Milano
Italy
Tel:
00 39 02 89301330
Fax:
00 39 02 89301513
Email:
[email protected]
Web:
www.iir.it
Kontakt: V. Loconsolo
Copper Benelux
Via Cardinal Maffi 21
I-27100 Pavia
Italy
Tel:
00 39 0382 538934
Fax:
00 39 0382 308028
Email:
[email protected]
Web
www.ecd.it
Kontakt: Dr A. Baggini
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
00 32 2 777 7090
Fax:
00 32 2 777 7099
Email:
[email protected]
Web:
www.copperbenelux.org
Kontakt: B. Dôme
Hevrox
Schoebroeckstraat 62
B-3583 Beringen
Belgium
Tel:
00 32 11 454 420
Fax:
00 32 11 454 423
Email:
[email protected]
Kontakt: I. Hendrikx
KU Leuven
Kasteelpark Arenberg 10
B-3001 Leuven-Heverlee
Belgium
Tel:
00 32 16 32 10 20
Fax:
00 32 16 32 19 85
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof. Dr R. Belmans
Niemcy
Deutsches Kupferinstitut e.V
Am Bonneshof 5
D-40474 Duesseldorf
Germany
Tel:
00 49 211 4796 323
Fax:
00 49 211 4796 310
Email:
[email protected]
Web:
www.kupferinstitut.de
Kontakt: S. Fassbinder
HTW
Goebenstrasse 40
D-66117 Saarbruecken
Germany
Tel:
00 49 681 5867 279
Fax:
00 49 681 5867 302
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof Dr W. Langguth
Institutio Italiano del Rame
TU Bergamo
Viale G Marconi 5
I-24044 Dalmine (BG)
Italy
Tel:
00 39 035 27 73 07
Fax:
00 39 035 56 27 79
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof. R. Colombi
Wielka Brytania
Copper Development Association
Verulam Industrial Estate
224 London Road
St Albans
Hertfordshire AL1 1AQ
England
Tel:
00 44 1727 731205
Fax:
00 44 1727 731216
Email:
[email protected]
Webs:
www.cda.org.uk & www.brass.org
Kontakt: A. Vessey
Polska
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
Pl.1 Maja 1-2
PL-50-136 Wroc³aw
Polska
Tel:
00 48 71 78 12 502
Fax:
00 48 71 78 12 504
Email:
[email protected]
Kontakt: P. Jurasz
Politechnika Wroc³awska
Wybrze¿e Wyspianskiego 27
PL-50-370 Wroc³aw
Polska
Tel:
00 48 71 32 80 192
Fax:
00 48 71 32 03 596
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof. Dr hab. in¿. H. Markiewicz
Dr in¿. A. Klajn
Fluke (UK) Ltd
The Metro Centre
Dwight Road
Watford WD1 8HG
Tel:
Fax:
01923 216400
01923 216405
Email:
[email protected]
Website: www.fluke.com
Ken West
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
50-136 Wroc³aw
pl. 1 Maja 1-2
Polska
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
e-mail:
Website:
Tel:
Fax:
Email:
Website:
00 48 71 78 12 502
00 48 71 78 12 504
[email protected]
www.miedz.org.pl
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org