Общая схема лабораторной установки показана на рис. 7.
Через понижающий трансформатор напряжение от сети 220 В может быть подано на ряд потребителей (нагрузки Н1, Н2 и Н3), обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой и способных генерировать высшие гармоники в питающую сеть. В схеме реализована возможность фильтрации высших гармоник пассивными фильтрами Ф1 и Ф2.
Рис. 7. Схема лабораторной установки.
В качестве устройств с нелинейной ВАХ в лабораторной работе представлены:
- выпрямитель переменного тока (одно- и двухполупериодный, с регулируемым сопротивлением нагрузки) – Н1;
- тиристорный регулятор мощности (с регулируемой фазой открывания) – Н2;
- катушка с насыщающимся магнитопроводом (с регулируемой степенью насыщения) – Н3.
С целью снижения высших гармоник в сети возможно подключение фильтров:
- последовательный дроссель (Ф1);
- пассивный LC-фильтр (Ф2).
Для регистрации, измерения и анализа потребляемых устройствами токов и искажений питающего напряжения в лабораторной работе используется компьютер с устройством аналого-цифрового преобразования (АЦП). АЦП имеет два канала – для регистрации напряжения и тока. Напряжение со схемы на АЦП подается через делитель, ток – с шунта. Регистрация и анализ осциллограмм производится с помощью специализированной программы – осциллографа – анализатора спектра. Данная программа автоматически раскладывает кривую тока или напряжения в ряд Фурье на гармонические составляющие. Руководство пользования программой находится в электронном виде на компьютере. Уровень гармоник на графике спектра в программе отображается в децибелах (дБ), поэтому отношение U(n)/U(1) для n -й гармоники, требуемое для анализа данного ПКЭ в соответствии с ГОСТ 13109-97, может быть найдено как:
,
где U(n) (дБ) и U(1) (дБ) – уровни n -ой и 1 -й гармоник, измеренные в децибелах по спектрограмме.
Лабораторная установка представляет собой стенд, на котором расположены основные органы управления: тумблер питания, переключатель сопротивления сети, тумблеры подключения потребителей и фильтров высших гармоник. Дополнительно у каждого потребителя возможны некоторые специфические изменения параметров:
- у выпрямителя возможен выбор схемы выпрямителя (однополупериодный или двухполупериодный), а также регулирование нагрузки выпрямителя;
- у тиристорного регулятора возможна регулировка фазы открывания ключа в тиристорном регуляторе мощности.
- в индуктивной нагрузке предусмотрено изменение числа витков для изменения степени насыщения магнитопровода;
Вместе с этим существует возможность изменения сопротивления сети и подключение или отключение последовательного фильтра гармоник Ф1, а также изменение схемы фильтра Ф2.
Методические указания
Перед началом работы следует ознакомиться с работой программы - спектроанализатора.
Переда началом измерений следует убедиться в отключенном состоянии тумблеров нагрузок и фильтров, после чего запустить программу-спектроанализатор на ПК и включить тумблер питания стенда.
Процедуру регистрации, измерения и анализа токов и напряжений следует проводить во всех следующих случаях:
- все нагрузки и фильтры отключены (исследуется питающая сеть);
- включена одна из нагрузок;
- включена одна из нагрузок и один из фильтров;
Дополнительно при измерениях изменяется сопротивление сети.
Нагрузки, фильтры, сопротивление сети и их параметры, определяющие схему для измерения и анализа, задаются преподавателем в начале работы.
Регистрация осциллограмм напряжения (тока) и анализ спектра сигнала:
По графику спектра следует определить уровни всех гармоник (включая первую 50 Гц), отличающихся по амплитуде от первой менее чем на 60 дБ (в 1000 раз). Затем по измеренным значениям уровней гармоник следует определить коэффициент KU(n) каждой гармонической составляющей напряжения и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU.
Оформление результатов
Все полученные значения (уровни гармоник в дБ и в %) следует привести в виде таблицы. Рассчитанные ПКЭ следует сравнить с нормально допустимыми и предельно допустимыми в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97.
Дополнительно для каждого рассмотренного случая в отчете следует привести осциллограмму формы измеренного напряжения, тока и соответствующий график спектра.
Контрольные вопросы
1. Назовите показатели качества электроэнергии (ПКЭ) по ГОСТ 13109-97.
2. Какой ПКЭ был исследован в работе? Какими показателями он характеризуется?
3. К чему приводит появление высших гармоник в сети?
4. Назовите наиболее характерных виновников искажения синусоидальности напряжения? Объясните механизм генерации ими высших гармоник.
5. Какие существуют способы борьбы с высшими гармониками в сети? Объясните принципы их работы.
6. Назовите нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в соответствии с ГОСТ 13109-97.
7. В каких случаях в сети появляются четные гармоники?
8. Как влияет сопротивление сети на величину возникающих в ней гармоник напряжения?