Do elektrycznych sieci zasilających dołączane są odbiorniki o bardzo zróżnicowanych cechach. Spotkać można więc urządzenia wrażliwe na wszelkiego rodzaju zakłócenia przedostające się od zasilania, a w ich pobliżu nierzadko pracują inne urządzenia takie zakłócenia generujące. Diagnozowane ewentualnych nieprawidłowości działania odbiorników energii elektrycznej może wymagać przeprowadzenia dokładnej analizy jakości zasilania przy zastosowaniu specjalistycznych przyrządów pomiarowych.
W większości urządzeń zasilanych z sieci energetycznej wrażliwych na zakłócenia przedostające się od strony zasilania instalowane są odpowiednie filtry. Jeśli jakość napięcia zasilającego znacząco odbiega od normy, elementy te nie gwarantują jednak pełnej ochrony. Do oceny jakości napięcia zasilającego nie wystarczy zwykły miernik uniwersalny.
Zakłócenia przedostające się od strony sieci zasilającej mogą być do niej wprowadzane przez nieodpowiednio zabezpieczone urządzenia innych użytkowników, mogą być indukowane przez zjawiska atmosferyczne, interferować z innymi sieciami itp. Badanie sieci zasilających wymaga stosowania specjalistycznych urządzeń – analizatorów jakości energii. Przyrząd taki, analizator PA4000 ma w swojej ofercie Tektronix.
Najważniejsze parametry sieci zasilających
Ocenę jakości energii uzyskiwanej z sieci elektrycznych formułuje się na podstawie parametrów zmiennoprądowych. Kompleksowe badanie systemów zasilania wymaga określenia jednocześnie wielu parametrów. Ocena opracowywana na podstawie tylko jednego pomiaru nie uwzględni wszystkich cech sieci, co może prowadzić wręcz do mylnych wniosków.
Wartość skuteczna. Jest to jeden z podstawowych parametrów napięcia (prądu) zmiennego. Oznacza się go akronimem RMS (Root Mean Square). Wartość skuteczna bardzo dobrze oddaje podobieństwo między napięciem stałym i równoważnym mu napięciem zmiennym. Wartość skuteczna napięcia zmiennego oznacza bowiem, że w czasie jednego okresu wydzielana jest taka sama moc czynna na obciążeniu, jak dla analogicznego napięcia stałego. Wartość skuteczna napięcia (prądu) jest zatem pierwiastkiem z całki za okres danej wielkości podniesionej do kwadratu:
Badając napięcia sieci energetycznej mamy zwykle do czynienia z przebiegami sinusoidalnymi, dla których obowiązuje przeliczenie wartości maksymalnej na skuteczną określone zależnością:
gdzie UM jest wartością maksymalną, należy jednak pamiętać, że formuła ta obowiązuje wyłącznie dla niezniekształconego przebiegu sinusoidalnego.
Moc czynna. Oczywiste dla prądów stałych pomiary mocy stają się bardziej złożone w przypadku prądów zmiennych. Sytuacja pozostaje jeszcze klarowna, gdy odbiornikiem jest czysta rezystancja. Wtedy płynący przez nią prąd pozostaje w fazie z napięciem i mamy do czynienia wyłącznie z mocą czynną określoną zależnością:
Taka moc jest równa mocy średniej za okres. Jeśli jednak w obciążeniu występuje czynnik reaktancyjny, mamy do czynienia z przesunięciem fazowym między napięciem i prądem, w wyniku czego w pomiarach należy uwzględniać moc pozorną, czynną i bierną. Mocy czynnej nie można w tym przypadku wyznaczyć na podstawie mocy średniej za okres. Moc czynna, bierna i pozorna pozostają w zależności:
gdzie:
S – moc pozorna [VA],
P – moc czynna [W],
Q – moc bierna [var]. Wielkości te są często przedstawiane w postaci graficznej, jako trójkąt mocy (rysunek 1).
Rys. 1. Trójkąt mocy
Współczynnik mocy (Power Factor). Jest to parametr, który można wyznaczyć na przykład z trójkąta mocy. Daje on wyobrażenie o charakterze obciążenia (czynnym lub biernym). Współczynnik mocy jest definiowany jako cosinus kąta Θ zawartego między wektorem mocy czynnej i pozornej. Kąt Θ jest równy przesunięciu fazowemu między napięciem i prądem w danym obwodzie (jego składową podstawową, czyli 1. harmoniczną). Niestety, w przypadku przebiegów odkształconych parametr ten staje się mało przydatny, co zilustrowano na rysunku 2. Przebieg z wykresu c ma współczynnik mocy różny od 1, mimo że przesunięcie fazowe między napięciem i prądem jest równe zero. Jak widać, nie jest to jednak przebieg sinusoidalny.
Rys. 2. Wartości parametru PF dla przebiegów sinusoidalnych i przykładowego przebiegu odkształconego
Współczynnik kształtu (Crest Factor) określa stosunek między amplitudą przebiegu zmiennego a jego wartością skuteczną. Dla przebiegu sinusoidalnego jest on równy √2 ≈ 1,41, ale na przykład w zasilaczach impulsowych zwykle ma wyraźnie większe wartości, najczęściej powyżej 3.
Zniekształcenia harmoniczne są jednym z parametrów pozwalających ocenić stopień odkształcenia danego przebiegu od idealnej sinusoidy. W sieciach zasilających zniekształcenia takie są generowane przez wszystkie elementy obwodu, a więc transformatory, kable, przełączniki itp. Są to zniekształcenia niepożądane, użytkownicy powinni więc dbać o to, by eksploatowane przez nich urządzenia elektryczne nie były źródłem generującym harmoniczne. Problem staje się szczególnie istotny dla wszelkiego rodzaju zasilaczy impulsowych i przetwornic. Należy zaznaczyć, że stosowne normy, np. EN61000-3 wyznaczają maksymalne poziomy poszczególnych harmonicznych.
Sieci 3-fazowe
Urządzenia dużej mocy, takie jak piece, silniki itp. są zasilane z 3-fazowych sieci energetycznych. Występują tu 3 napięcia o tej samej częstotliwości, przesunięte w fazie o 120°. Rozwiązanie takie jest szczególnie korzystne w przypadku silników, gdyż ułatwia wytworzenie odpowiedniego wirującego pola magnetycznego umożliwiającego rozruch silnika bez konieczności stosowania dodatkowych uzwojeń. Możliwe jest również wykorzystywanie napięcia międzyfazowego, które jest większe √3 razy od napięcia fazowego. Stosując takie rozwiązanie można zmniejszyć prąd pobierany z sieci energetycznej. Metodykę pomiarów sieci 3-fazowych komplikują różne ich konfiguracje spotykane w praktyce: połączenia w trójkąt lub w gwiazdę. Urządzenia powszechnego użytku są dołączane do jednej fazy sieci elektrycznej, przy czym projektant instalacji dba o to, by poszczególne gniazdka wykorzystywane w danym obiekcie były rozdzielone na wszystkie 3 fazy tak, by zapewnić mniej więcej równomierne ich obciążenie.
Pomiary mocy
Z pomiarem mocy jest związany pewien problem techniczny polegający na tym, że do obliczenia wyniku końcowego potrzebna jest znajomość napięcia oraz prądu w każdej gałęzi obwodu. We współczesnych urządzeniach pomiary są wykonywane przez odpowiednie przetworniki, którymi steruje procesor. Procesor realizuje też wszelkie operacje obliczeniowe. Dla zapewnienia dokładności pomiaru istotne jest uwzględnienie próbek mieszczących się dokładnie w jednym okresie zapięcia sieciowego. Przyrządy przeznaczone do takich zastosowań, zwane co prawda watomierzami, potrafią jednak obliczać szereg parametrów, a więc: każdy rodzaj mocy (czynną, bierną, pozorną), współczynnik mocy, współczynnik kształtu, zawartość harmonicznych i to niezależnie od kształtu przebiegów. Przed rozpoczęciem pomiarów ważne jest odpowiednie określenie konfiguracji mierzonego obwodu, a co za tym również idzie, prawidłowe dołączenie miernika do sieci i odbiornika. Jeden przyrząd zawiera zwykle kilka watomierzy umożliwiających wykorzystywanie miernika w sieciach 3-fazowych. Kilka przykładowych konfiguracji przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 3. Przykładowe konfiguracje pomiarowe w sieciach zasilających: a) sieć 1-fazowa, połączenie 3-przewodowe, b) sieć 3-fazowa, połączenie 2-przewodowe pomiar dwoma watomierzami, c) sieć 3-fazowa, połączenie 3-przewodowe pomiar trzema watomierzami
