ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Κατηγοριοποίηση φορτίων ΧΤ με βάση τις ηλεκτρονικές υπογραφές τους Δρομπαλής Χρυσάφης Παπαντωνάκης Ιωάννης Α.Ε.Μ 5724 Α.Ε.Μ 6164 Επιβλέπων Καθηγητής Ανδρέου Γεώργιος Θεσσαλονίκη 2012

2 Πρόλογος Αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εξέταση των συστημάτων μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου (Non-Intrusive Load Monitoring Systems NILM). Σκοπός ενός τέτοιου συστήματος είναι η συλλογή, η καταγραφή και η ανάλυση ηλεκτρικών μεγεθών με γνώμονα την εξόρυξη δεδομένων σχετικά με τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας, την εξοικονόμηση αυτής αλλά και την άμεση εύρεση σφαλμάτων και δυσλειτουργιών σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση. Βασικό πεδίο εφαρμογής και χρήσης τέτοιων συστημάτων είναι οι οικιακές εγκαταστάσεις χαμηλής τάσης καθώς παρουσιάζουν ιδιαίτερο ερευνητικό, πρακτικό αλλά και εμπορικό ενδιαφέρον. Βασικός σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία βάσης δεδομένων ηλεκτρικών υπογραφών φορτίων. Προς το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις κυρίως στιγμιαίων ρευμάτων, ενεργών τιμών ισχύος και αρμονικού περιεχομένου σε ένα σύνολο οικιακών συσκευών. Τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων παρουσιάζονται με τη μορφή διαγραμμάτων και σχολιάζονται. Με βάση αυτά τα διαγράμματα εξάγονται επίσης συμπεράσματα για τα χαρακτηριστικά που μπορούν να διαφοροποιήσουν τα φορτία μεταξύ τους τόσο κατά τη λειτουργία τους όσο και κατά την εκκίνηση τους. Στο σημείο αυτό θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον επιβλέποντα αυτής της διπλωματικής εργασίας, Λέκτορα κ. Ανδρέου Γεώργιο για τη συνεργασία, τις ιδέες, τις συμβουλές, τον μεταδιδακτορικό Μπουχουρά Άγγελο για την πρακτική βοήθεια του στα προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας, τον διδακτορικό Μηλιούδη Απόστολο για την παραχώρηση του αλγορίθμου που ανέπτυξε και κυρίως ένα μεγάλο ευχαριστώ στον διδακτορικό Σγούρα Καλλισθένη για την υπομονή του και τη βοήθεια που μας προσέφερε σε όλη τη διάρκεια της εργασίας

3 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Το Ενεργειακό πρόβλημα Έξυπνα δίκτυα (SmartGrids) Μέθοδοι Επιτήρησης Φορτίων Παρεμβατική επιτήρηση φορτίου Μη παρεμβατική επιτήρηση φορτίου (NILM) Ηλεκτρική Υπογραφή Βασικές κατηγορίες ηλεκτρικών συσκευών και τα κριτήρια διαχωρισμού τους Στόχος της διπλωματικής -Βιβλιοθήκη ηλεκτρονικών υπογραφών μετρήσεις Όργανο μέτρησης Διαδικασία μέτρησης Παρουσίαση αποτελεσμάτων Βραστήρας Ηλεκτρικό σίδερο Ισιωτήρι μαλλιών Καφετιέρα Φραπεδιέρα Μixer χειρός Λειτουργία στο πρώτο επίπεδο ταχύτητας Λειτουργία στο τρίτο επίπεδο ταχύτητας Blender Λειτουργία στο δεύτερο επίπεδο ταχύτητας Λειτουργία στο δεύτερο επίπεδο ταχύτητας Σεσουάρ Λειτουργία σε πρώτο επίπεδο ταχύτητας και μηδενικής θερμοκρασίας Λειτουργία σε πρώτο επίπεδο ταχύτητας και πρώτο επίπεδο θερμοκρασίας Λειτουργία σε πρώτο επίπεδο ταχύτητας και δεύτερο επίπεδο θερμοκρασίας Λειτουργία σε δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και μηδενικής θερμοκρασίας

4 3.8.5 Λειτουργία σε δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και πρώτο επίπεδο θερμοκρασίας Λειτουργία σε δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και δεύτερο επίπεδο θερμοκρασίας Σεσουάρ Λειτουργία σε μέγιστο επίπεδο ταχύτητας και ελάχιστη θερμοκρασία Λειτουργία σε μέγιστο επίπεδο ταχύτητας και μέγιστη θερμοκρασία Αερόθερμο Κλιματιστικά Κλιματιστικό 1 συμβατικό Κλιματιστικό Κλιματιστικό με inverter Ψυγείο Εκτυπωτής Φορητός υπολογιστής Φορητός υπολογιστής Οθόνη ηλεκτρονικού υπολογιστή Σταθερός ηλεκτρονικός υπολογιστής Συσκευή αδιάλλειπτης παροχής ενέργειας (UPS1) Συσκευή αδιάλλειπτης παροχής ενέργειας (UPS2) Σταθερός υπολογιστής με οθόνη Συσκευή αδιάλειπτης παροχής ενέργειας μαζί με ηλεκτρονικό υπολογιστή Συσκευή αδιάλλειπτης παροχής ενέργειας με ηλεκτρονικό υπολογιστή και οθόνη Συσκευή αδιάλλειπτης παροχής ενέργειας με σταθερό υπολογιστή και οθόνη Αλγόριθμος αναγνώρισης φορτίων Δημιουργία βάσης δεδομένων Διαδικασία αναγνώρισης Έλεγχος αποτελεσματικότητας Συμπεράσματα -99- Αναφορές

5 1. Εισαγωγή 1.1 Το Ενεργειακό πρόβλημα Ένα αξιόπιστο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας οφείλει να τροφοδοτεί αδιάλειπτα, με καλής ποιότητας ηλεκτρική ισχύ και με το μικρότερο δυνατό κόστος τους καταναλωτές. Η αξιοπιστία του συστήματος αναφέρεται όχι μόνο στην ποσοτική κάλυψη των συνολικών αναγκών των καταναλωτών, αλλά και στην ικανοποίηση των χρονικών και τοπικών διακυμάνσεων του φορτίου. Επειδή η μαζική αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα ΣΗΕ είναι πολυδάπανη και δύσκολη, επιδιώκεται η συνεχής προσαρμογή της παραγωγής στη ζήτηση. Καθώς αυτό δεν είναι πάντα εφικτό ή και οικονομικά βέλτιστο, έχει καθιερωθεί η διασύνδεση των εθνικών ΣΗΕ με γραμμές μεταφοράς κατάλληλης μεταφορικής ικανότητας. Μέσω των διασυνδέσεων αυτών, γίνονται προγραμματισμένες αγοραπωλησίες ηλεκτρικής ενέργειας και παράλληλα προσφέρεται δυνατότητα υποστήριξης γειτονικών δικτύων σε περιπτώσεις ανωμαλιών. Τα τελευταία χρόνια οι καταναλωτές, λόγω απουσίας οποιουδήποτε κινήτρου για αλλαγή των ενεργειακών τους συνηθειών που θα συμβάλλει στη μείωση και την ομαλοποίηση της κατανάλωσης, δεν έχουν κανέναν περιορισμό στην κατανάλωση ενέργειας. Έτσι η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με τις καθυστερήσεις στη συντήρηση του συστήματος μεταφοράς και στη δημιουργία νέων μονάδων ηλεκτροπαραγωγής, έχουν οδηγήσει σε δραματική μείωση του περιθωρίου ασφάλειας του συστήματος. Η αδυναμία ανταπόκρισης σε υψηλά φορτία αιχμής οδηγεί τους αρμόδιους φορείς στην έσχατη ενέργεια της ελλιπούς ή διακεκομμένης τροφοδότησης φορτίων ή ακόμη και της καθολικής διακοπής του ρεύματος (black-out). Οι ενέργειες αυτές έχουν ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της αξιοπιστίας του συστήματος, τη διαταραχή της ευστάθειας και την επέλευση μεγάλων ζημιών στην οικονομία και στην κοινωνική τάξη, αφού η εξασφαλισμένη τροφοδοσία με ηλεκτρική ισχύ είναι μία από τις βασικές προϋποθέσεις για την σύγχρονη ζωή

6 1.2 Έξυπνα δίκτυα (Smart-Grids) Έξυπνο δίκτυο είναι ένα ηλεκτρικό δίκτυο που χρησιμοποιεί τεχνολογία πληροφοριών και επικοινωνιών για τη συγκέντρωση, με αυτοματοποιημένο τρόπο, δεδομένων που αφορούν τη λειτουργία του. Αυτό στοχεύει στη βελτίωση της αξιοπιστίας, της ασφάλειας και της απόδοσης της παραγωγής και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα από τα πιο υποσχόμενα πεδία της έρευνα σχετικά με τα έξυπνα δίκτυα είναι αυτό της εγκατάστασης του έξυπνου σπιτιού (Smart-Home). Οι καταναλωτές του δικτύου χαμηλής τάσης, που μέχρι πρότινος θεωρούνταν παθητικά στοιχεία της ενεργειακής αγοράς, πλέον αναμένονται να δράσουν δυναμικά συμμετέχοντας σε προγράμματα ανταπόκρισης στη ζήτηση και στη βελτιστοποίηση της απόδοσης της εγκατάστασης τους για την επίτευξη εξοικονόμησης ενέργειας. Γενικά, η έξυπνη τεχνολογία μπορεί να εκφραστεί από τους παρακάτω τομείς: Αναβαθμισμένη επικοινωνία: Επιτρέπει τον έλεγχο σε πραγματικό χρόνο και την ανταλλαγή δεδομένων και πληροφοριών με σκοπό τη βελτίωση της αξιοπιστίας και ασφάλειας του συστήματος. Ανίχνευση και μέτρηση: Πραγματοποιείται αξιολόγηση της συμφόρησης στο δίκτυο και επιτήρηση της κατάστασης του εξοπλισμού. Προηγμένος έλεγχος: Η αυτοματοποίηση του ενεργειακού συστήματος επιτρέπει τη ταχεία διάγνωση και άμεση εύρεση λύσεων σε συγκεκριμένες διαταραχές του συστήματος ή διακοπές. Τα κύρια πλεονεκτήματα των έξυπνων δικτύων έναντι των συμβατικών δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι: Αξιοπιστία:To έξυπνο δίκτυο χρησιμοποιεί τεχνολογία που βελτιώνει σημαντικά τον εντοπισμό σφαλμάτων και επιτρέπει την άμεση αποκατάστασή του χωρίς την παρέμβαση τεχνικών κάτι που εξασφαλίζει μια πιο αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Αποδοτικότητα:To έξυπνο δίκτυο θα παίξει σημαντικό ρόλο στη συνολική βελτίωση της απόδοσης της ενεργειακής υποδομής μέσω διαχείρισης της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η απενεργοποίηση των κλιματιστικών κατά τη διάρκεια βραχυπρόθεσμων αιχμών ιδιαίτερα τους καλοκαιρινούς μήνες για την αποφυγή της ολικής κατάρρευσης του δικτύου(blackout). Προσαρμογή φορτίου: Το συνολικό φορτίο που είναι συνδεδεμένο στο δίκτυο μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά κάθε χρονική στιγμή. Παραδοσιακά, για την κάλυψη απότομων αυξήσεων του ολικού φορτίου κάποιες γεννήτριες έμπαιναν σε κατάσταση αναμονής. Ένα έξυπνο δίκτυο μπορεί να προειδοποιήσει ένα σύνολο - 5 -

7 καταναλωτών για μείωση της κατανάλωσης τη δεδομένη χρονική στιγμή ώστε να καλυφθεί το φορτίο με αποτελεσματικότητα χωρίς τη χρήση εφεδρικών γεννητριών. Ορθότερη πολιτική τιμολόγησης: Με στόχο τη μείωση της ζήτησης κατά τη διάρκεια χρονικών περιόδων υψηλού κόστους οι μετρητικές διατάξεις πληροφορούν έξυπνες συσκευές στο σπίτι όταν η ζήτηση είναι υψηλή και παρακολουθούν την ποσότητα αλλά και το χρόνο κατανάλωσης ενέργειας. 1.3 Μέθοδοι Επιτήρησης Φορτίων Η εφαρμογή παραδειγμάτων έξυπνων σπιτιών προϋποθέτει την ακριβή γνώση της λειτουργίας των μεμονωμένων οικιακών φορτίων. Σε αυτό το πλαίσιο έχει γίνει εκτεταμένη έρευνα για να λυθεί το συγκεκριμένο πρόβλημα. Οι αντίστοιχες προσπάθειες μπορούν να χωριστούν σε 2 κατηγορίες, τις παρεμβατικές και μηπαρεμβατικές Παρεμβατική επιτήρηση φορτίου Εικόνα 1.1 Διάταξη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίων.[8] Ως παρεμβατική επιτήρηση φορτίου χαρακτηρίζεται η διαδικασία καταγραφής της ηλεκτρικής συμπεριφοράς μίας συσκευής κατά την διάρκεια της οποίας το μετρητικό όργανο παρεμβάλλεται μεταξύ της κάθε συσκευής ξεχωριστά και των σημείων της εγκατάστασης που τις τροφοδοτούν. Έτσι δημιουργείται ένα δίκτυο μετρητικών διατάξεων που παρέχουν πληροφορίες για την λειτουργία των συνδεδεμένων συσκευών σε πραγματικό χρόνο, όμως η διαδικασία μετρήσεων για την κάθε συσκευή μεμονωμένα είναι πολυδάπανη αλλά και άβολη για τον καταναλωτή. Επίσης το κόστος αυξάνεται αρκετά καθώς τα απαιτούμενα στοιχεία γίνονται ιδιαίτερα πολύπλοκα

8 1.3.2 Μη παρεμβατική επιτήρηση φορτίου (NILM) Εικόνα 1.2Διάταξη μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου. Οι μέθοδοι μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου προϋποθέτουν μόνο την εγκατάσταση ενός μετρητή ισχύος στο σημείο κεντρικής παροχής της εγκατάστασης, ο οποίος εξάγει τις απαραίτητες πληροφορίες χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις στο συγκεκριμένο σημείο. Απόπειρες υλοποίησης τέτοιων μεθόδων υπάρχουν από τις αρχές τις δεκαετίας του 90 χρησιμοποιώντας τους όρους Non-Ιntrusive Load Monitoring (NILM) και Non-Ιntrusive Appliance Load Monitoring (NIALM). Οι μεθοδολογίες που προέκυψαν βασίζονται στην υπόθεση ότι κάθε φορτίο χαμηλής τάσης έχει μία σαφή υπογραφή, η οποία μπορεί να καθοριστεί από τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του φορτίου κατά την εκκίνηση και κατά την διάρκεια ομαλής λειτουργίας. [1] Ένας μη παρεμβατικός επιτηρητής είναι σχεδιασμένος με σκοπό να παρακολουθεί ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που περιλαμβάνει έναν αριθμό συσκευών οι οποίες ανοίγουν και κλείνουν ανεξάρτητα η μια από την άλλη. Μέσω ανάλυσης των κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος του συνολικού φορτίου, υπολογίζει τον αριθμό και τη φύση της κάθε συσκευής, την εκάστοτε ενεργειακή κατανάλωση και άλλα σχετικά στατιστικά όπως τις μεταβολές των μεγεθών κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το γεγονός ότι χρειάζεται μόνο ένας μετρητής παρέχει μια βολικότερη και πιο αποτελεσματική μέθοδος συλλογής δεδομένων για τα φορτία σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μέσα προσθήκης μετρητών-αισθητήρων σε κάθε συσκευή

9 O μετρητής απεικονίζει το συνολικό φορτίο ελέγχοντας τις ηλεκτρονικές υπογραφές των συσκευών. Αυτές παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για τη δραστηριότητα των συσκευών που απαρτίζουν το φορτίο. Αν για παράδειγμα μια οικία έχει ένα ψυγείο που καταναλώνει 250W και 200VΑr ενεργή και άεργη ισχύ αντίστοιχα, τότε μια ίδια σε μέγεθος αύξηση της ισχύος υποδηλώνει ότι το ψυγείο βρίσκεται σε λειτουργία ενώ μια ίδια σε μέγεθος μείωση της συνολικής ισχύος δείχνει ότι η συσκευή δεν χρησιμοποιείται. Κάθε συσκευή βέβαια έχει διαφορετική υπογραφή, έτσι μετά τον προσδιορισμό του πότε ανοίγει ή κλείνει μια συσκευή είναι δυνατόν να προκύψουν στατιστικά στοιχεία που μας ενδιαφέρουν όπως η ενεργειακή κατανάλωση σε σχέση με την ώρα της ημέρας ή τη θερμοκρασία. Άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής ΝΙLM φαίνεται και με το παρακάτω διάγραμμα το οποίο απεικονίζει την συνολική ενεργειακή κατανάλωση σε σχέση με το χρόνο για μια τυπική οικία για ένα διάστημα δύο ωρών. Σε αυτό το χρονικό διάστημα φαίνεται η χρήση ή μη ενός ψυγείου και μιας θερμάστρας. Βάση των ηλεκτρικών υπογραφών των δύο φορτίων είναι εμφανείς οι μεταβολές της ενέργειας ανάλογα με τον χρόνο που οι δύο συσκευές βρίσκονται ή όχι σε λειτουργία. Ειδικότερα, το ψυγείο «ανοιγοκλείνει τρεις φορές ενώ η θερμάστρα έξι. Με μέτρηση του συνολικού φορτίου έξω από την οικία μπορούν να υπολογιστούν αυτές οι αυξομειώσεις και έτσι γνωρίζοντας τον ακριβή χρόνο του κάθε συμβάντος είναι εύκολο να προσδιοριστεί συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια. Λαμβάνοντας υπόψη και μετρήσεις της ολικής άεργου ισχύος ή των αρμονικών του ρεύματος σε συνδυασμό με την ενεργό ισχύ,οι μεταβολές τους σε σχέση με το χρόνο μπορούν να μας δώσουν ακόμα περισσότερες πληροφορίες για τις χρησιμοποιούμενες συσκευές. [8] Εικόνα 1.3 Διάγραμμα ηλεκτρικής ισχύος στο πεδίο του χρόνου για τη λειτουργία τριών ηλεκτρικών συσκευών.[8] Τα πλεονεκτήματα που απορρέουν από την ηλεκτρική επιτήρηση ενός κτιρίου ποικίλουν και παρουσιάζουν ιδιαίτερη πρακτική σημασία. Αρχικά, θα πρέπει να αναφερθεί, πως μέσω της αναλυτικής περιγραφής των επιμέρους καταναλώσεων μιας εγκατάστασης, ο χρήστης είναι σε θέση να διαπιστώσει και να αποκτήσει γνώση σε - 8 -

10 βάθος για τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιείται η ηλεκτρική ενέργεια σε αυτή. Έτσι του δίνεται πλέον η δυνατότητα να προβεί σε ενέργειες αποσκοπούμενες στη μείωση της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται στο εξεταζόμενο κτίριο. Επιπλέον με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται βάσεις δεδομένων με ηλεκτρικά προφίλ καταναλωτών, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν τόσο τις εταιρίες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας όσο και τους κατασκευαστές ηλεκτρικών συσκευών σε αύξηση του επιπέδου των παρεχόμενων προϊόντων και υπηρεσιών τους. Επίσης σημαντική είναι η συμβολή των ηλεκτρικών επιτηρητών στην πρόβλεψη σφαλμάτων. Τέτοια σφάλματα μπορεί να προκληθούν από κατασκευαστικές ανωμαλίες σε συσκευές ή στο δίκτυο καλωδίων του κτιρίου. Μέσω της συνεχούς παρακολούθησης, ο χρήστης μπορεί να ενημερωθεί για επικείμενα σφάλματα και να ενεργήσει κατάλληλα ώστε να αποτραπεί μια πιθανή καταστροφή εξοπλισμού ή μια διακοπή στην τροφοδοσία της εγκατάστασης. Ένα ακόμα πλεονέκτημα είναι η απαίτηση ενός μόνο αισθητήριου μηχανισμού, το οποίο συνεπάγεται εύκολη εγκατάσταση και πολύ χαμηλό κόστος. Έτσι η πιθανότητα επιλογής της συγκεκριμένης μεθόδου γίνεται ακόμα πιο ελκυστική για τον καταναλωτή αφού οι μοναδικές παρεμβάσεις που χρειάζονται να γίνουν είναι στην κεντρική ηλεκτρική παροχή. Αποτέλεσμα αυτών είναι η ευκολία συντήρησης αλλά και η άμεση αντιμετώπιση προβλημάτων καθώς αποφεύγεται η εξέταση και ο έλεγχος ενός πολύπλοκου δικτύου αισθητήρων σε περίπτωση σφαλμάτων στο σύστημα επιτήρησης. Η πολυπλοκότητα του συστήματος μετατρέπεται πλέον από πολυπλοκότητα υλικού σε πολυπλοκότητα λογισμικού. Το γεγονός αυτό προσφέρει ευελιξία τόσο στο χρήστη όσο και στον κατασκευαστή ενός τέτοιου συστήματος, βελτιώνοντας την υποστήριξη του προϊόντος και κάνοντας πιο εύκολη την προσαρμογή του στις ειδικές ανάγκες κάθε εγκατάστασης. 1.4 Ηλεκτρική Υπογραφή Ηλεκτρική υπογραφή φορτίου (Load electric signature) ορίζεται ως η ηλεκτρική συμπεριφορά κάθε συσκευής όταν είναι σε λειτουργία. Αντίστοιχα με την υπογραφή κάθε ανθρώπου κάθε ηλεκτρικό φορτίο περιλαμβάνει μοναδικά χαρακτηριστικά στην συμπεριφορά του όσον αφορά την κατανάλωση. Φυσικά η συμπεριφορά αυτή είναι περιορισμένη ανάλογα με τη μεταβλητή που μας ενδιαφέρει. Η αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων, που χρησιμοποιούνται στα συστήματα NILM, έγκειται σε δύο βασικές παραμέτρους. του υπολογιστικού χρόνου που απαιτείται για την εκτέλεση του εκάστοτε αλγορίθμου ταυτοποίησης και η αποτελεσματικότητα του στην αναγνώριση φορτίων. Και οι δύο βρίσκονται σε στενή επαφή με τα χαρακτηριστικά που μπορούν να εξαχθούν από τις ηλεκτρικές ιδιότητες των συσκευών χαμηλής τάσης και οι οποίες με τη σειρά τους χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία της ηλεκτρονικής υπογραφής κάθε συσκευής. Κάθε χαρακτηριστικό περιέχει πληροφορίες - 9 -

11 σχετικά με την ηλεκτρική συμπεριφορά της συσκευής και επομένως ο τρόπος,με τον οποίο αυτή η πληροφορία σχηματίζεται, είναι ιδιαίτερα σημαντικός για την δημιουργία της πιο αποτελεσματικής υπογραφής. [1] Οι βασικές μετρήσιμες ποσότητες όσον αφορά ένα ηλεκτρικό φορτίο είναι η τάση και το ρεύμα του. Η τάση από μόνη της δεν είναι ένα κριτήριο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί όσον αφορά την λειτουργία ενός μεμονωμένου φορτίου αφού η μορφή της βασίζεται κυρίως στην αντίστοιχη τάση που εφαρμόζεται στα τυλίγματα του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή ισχύος που τροφοδοτεί την εγκατάσταση. Έτσι μόνο σημαντικά φορτία (όπως φορτία που απαιτούν μεγαλύτερη ισχύ από την μετρήσιμη του κυκλώματος παροχής) μπορούν να προκαλέσουν μία μεταβολή στην τάση στο σημείο κεντρικής παροχής της εγκατάστασης. Επίσης η λάθος διαστασιολόγηση καλωδίων μεγάλων συσκευών μπορεί να οδηγήσει στο ίδιο αποτέλεσμα, δηλαδή την πτώση τάσης στο σημείο κεντρικής παροχής, όμως αυτή η πτώση τάσης δεν οφείλεται στο ίδιο το φορτίο οπότε δεν μπορεί να συσχετιστεί με μετρήσεις που θα παρθούν απ αυτό. [1] Το ρεύμα ενός φορτίου απ την άλλη είναι ένας παράγοντας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση της λειτουργίας ενός μεμονωμένου φορτίου. Ειδικότερα η κυματομορφή του ρεύματος στο πεδίο του χρόνου παρέχει τις πιο σημαντικές πληροφορίες για την περιγραφή της συμπεριφοράς ενός φορτίου. Μερικά φορτία έχουν μοναδικά στοιχεία στις κυματομορφές του ρεύματος τους, για παράδειγμα ο βραστήρας έχει ημιτονοειδή μορφή, η τηλεόραση μη ημιτονοειδή μορφή ενώ το air-condition έχει μια ελαφρώς παραμορφωμένη ημιτονοειδή μορφή. Επίσης κατά την διάρκεια μεταβατικών φαινομένων, όπως η ενεργοποίηση και η απενεργοποίηση συσκευών, στοιχεία από την κυματομορφή του ρεύματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία μίας μεταβατικής υπογραφής είναι η περιβάλλουσα του ρεύματος κατά τη διάρκεια του μεταβατικού φαινομένου, η χρονική σταθερά απόσβεσης και το μέγεθος του. Το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος είναι ακόμα ένας παράγοντας. Χρησιμοποιώντας τον μετασχηματισμό Fourier στο αρχικό σήμα της κυματομορφής του ρεύματος μας δίνεται η δυνατότητα της εύρεσης του αρμονικού περιεχομένου του. Κατά κύριο λόγο ηλεκτρονικές συσκευές έχουν ευδιάκριτο φασματικό περιεχόμενο μεταξύ τους, γεγονός το οποίο δίνει τη δυνατότητα ευκολότερης αναγνώρισης τους. Μέσω των κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος μπορεί να βρεθεί ο συντελεστή ισχύος ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κριτήριο διαχωρισμού για αφορά φορτία που επιδεικνύουν επαγωγική ή χωρητική συμπεριφορά. Τέλος η ενεργός και άεργος ισχύς οι οποίες αποτελούν τις πιο συνήθεις χρησιμοποιούμενες μετρήσεις για την αναγνώριση της συμπεριφοράς ενός φορτίου. Όμως αυτό το κριτήριο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνο του, αφού μπορεί να προσφέρει αναγνώριση μόνο όσον αφορά φορτία με σημαντική διαφορά στην ενεργό ισχύ που καταναλώνουν

12 1.5 Βασικές κατηγορίες ηλεκτρικών συσκευών και τα κριτήρια διαχωρισμού τους. Η έννοια του NILM βασίζεται στην υπόθεση ότι τα οικιακά ηλεκτρικά φορτία μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σύμφωνα με τις ηλεκτρικές υπογραφές τους (π.χ. κατάλληλοι συνδυασμοί των προαναφερθέντων ποσοτήτων). Επιπλέον διαφορετικά είδη κατηγοριοποίησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα όσον αφορά την λειτουργία ενός συγκεκριμένου φορτίου. Προς αυτό το σκοπό οι ακόλουθες 3 τάξεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν κριτήριο για την κατηγοριοποίηση: 1. Κατανάλωση ισχύος: Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει κάθε φορτίο κατά την λειτουργία του είναι διαφορετική, επιτρέποντας έτσι την διάκριση μεταξύ διαφορετικών συσκευών. 2. Τρόποι λειτουργίας: Στις περισσότερες περιπτώσεις η λειτουργία ενός φορτίου δεν περιορίζεται σε on/off χειρισμούς. Επομένως μια κατηγοριοποίηση μπορεί να προκύψει σύμφωνα με τους πιθανούς διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας. Κατά κύριο λόγο, με βάση αυτό το κριτήριο συναντώνται τρεις τύποι φορτίων. Στον πρώτο ανήκουν τα φορτία τα οποία παρουσιάζουν δύο μόνο καταστάσεις. Ως επί το πλείστον πρόκειται για συσκευές οι οποίες απορροφούν μία συγκεκριμένη και σταθερή ισχύ κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Για παράδειγμα, στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι φωτιστικές συσκευές, οι ωμικές θερμάστρες κ.α. Η δεύτερη κατηγορία αντιπροσωπεύει τα φορτία, τα οποία έχουν πολλαπλές αλλά διακριτές καταστάσεις. Συνήθως πρόκειται για συσκευές αποτελούμενες από επιμέρους ηλεκτρικά τμήματα, όπως ηλεκτρικά πλυντήρια ρούχων, κουζίνες κ.α., στα οποία μια ποικιλία από διάφορους κινητήρες και αντιστάσεις δημιουργούν πολλαπλές ενεργειακές καταστάσεις κατά τον κύκλο λειτουργίας τους. Τέλος, μια τρίτη ξεχωριστή κατηγορία θα πρέπει να αποτελέσουν τα συνεχώς μεταβαλλόμενα φορτία. Ως τέτοια μπορούν να θεωρηθούν συσκευές που τροφοδοτούνται από τροφοδοτικά μεταβλητής συχνότητας, όπως ηλεκτρικοί κινητήρες κλιματιστικών μηχανημάτων και συμπιεστές. 3. Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά: Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κάθε φορτίου χαμηλής τάσης είναι τα κύρια χαρακτηριστικά που καθορίζουν την ηλεκτρονική υπογραφή του, την φύση του φορτίου και τον σκοπό λειτουργίας του. Στην περίπτωση αυτή δημιουργούνται τέσσερις επιμέρους κατηγορίες. Απλά Γραμμικά φορτία: Στη κατηγορία των γραμμικών φορτίων ανήκουν εκείνα τα οποία μοντελοποιούνται ως ανεξάρτητοι από το χρόνο συνδυασμοί γραμμικών παθητικών κυκλωματικών στοιχείων. Η απλούστερη συσκευή, η οποία ανήκει στην κατηγορία αυτή, είναι κάποια που μπορεί να παρασταθεί ισοδύναμα με μια ωμική αντίσταση. Μια τέτοια συσκευή κατά την ενεργοποίηση της

13 παρουσιάζει βηματική αύξηση του ρεύματος και της ενεργής ισχύος χωρίς μεταβατική συμπεριφορά ενώ κατά κύριο λόγο εμφανίζει απόλυτη ημιτονοειδή μεταβολή του ρεύματος εισόδου στη μόνιμη κατάσταση. Ηλεκτρομηχανικά φορτία: Η ομάδα των ηλεκτρομηχανικών φορτίων περιλαμβάνει συσκευές που βασίζουν τη λειτουργία τους σε ηλεκτρικούς κινητήρες οποιασδήποτε μορφής. Σε οικιακές μονοφασικές εγκαταστάσεις το σύνολο των κινητήρων που μπορεί να συναντηθεί περιορίζεται σε μονοφασικούς επαγωγικούς κινητήρες και κινητήρες τύπου Universal. Παραδείγματα τέτοιων συσκευών είναι διάφοροι τύποι μίξερ, ηλεκτρικές σκούπες κ.α. Το μεταβατικό φαινόμενο κατά την εκκίνηση ενός τέτοιου φορτίου είναι ιδιαίτερα έντονο και απαιτεί χρόνο για να αποσβεσθεί. Φορτία Ηλεκτρονικής Φύσης: Τα φορτία της κατηγορίας αυτής διαφοροποιούνται σε μεγάλο βαθμό σε σχέση τα προηγούμενα. Βασική ιδιαιτερότητά τους είναι το πλούσιο αρμονικό περιεχόμενο που παρουσιάζει το ρεύμα στην είσοδό τους και η ύπαρξη ανώτερων αρμονικών συνιστωσών σε αυτό. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τόσο ηλεκτρονικές συσκευές όσο και φορτία τα οποία τροφοδοτούνται μέσω διακοπτικών τροφοδοτικών ισχύος. [6] 1.6 Στόχος της διπλωματικής - Βιβλιοθήκη ηλεκτρονικών υπογραφών Ένα τυπικό σύστημα NILM μπορεί να επιμεριστεί σε δύο βασικά κομμάτια. Αυτά είναι το υλικό, που βασικός του σκοπός είναι η συλλογή και αποστολή των σημάτων εισόδου στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, και το δεύτερο το λογισμικό, που με βάση τα δεδομένα που λαμβάνει καλείται να προχωρήσει στην αναγνώριση των ενεργοποιημένων συσκευών της εγκατάστασης και να παρέχει ένα σύνολο πληροφοριών ανάλογα με τις απαιτήσεις του χρήστη. Ένα από τα πιο σημαντικά μέρη των αλγορίθμων που αναπτύσσονται για την λειτουργία NILM είναι η βάση δεδομένων ηλεκτρονικών υπογραφών, ένα σύνολο αποθηκευμένων τέτοιων υπογραφών που με κατάλληλη διαδικασία σύγκρισης των τιμών ρεύματος και τάσης που λαμβάνονται κάθε φορά αναγνωρίζεται ο αριθμός των φορτίων που λειτουργούν ταυτόχρονα καθώς και τη φύση κάθε φορτίου ξεχωριστά. Έτσι η αναγνώριση και ταυτοποίηση κάθε συσκευής γίνεται τη στιγμή που αυτή τίθεται σε λειτουργία ή διακόπτεται η λειτουργία της. Σε αυτά τα πλαίσια σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μέτρηση και η παρουσίαση υπογραφών φορτίων. Πρόκειται για τη δημιουργία μίας βιβλιοθήκης ηλεκτρικών χαρακτηριστικών οικιακών συσκευών. Μια τέτοια βιβλιοθήκη μπορεί ν αποτελέσει τη βάση δεδομένων για ένα σύστημα NILM ώστε να μπορέσει να τοποθετηθεί στην είσοδο ενός οικιακού καταναλωτή και να εξάγει πληροφορίες σχετικά με τις συσκευές που λειτουργούν στο χώρο αυτού του καταναλωτή. Σε γενικές

14 γραμμές για την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής χρησιμοποιήθηκε ένα μετρητικό όργανο, με τη βοήθεια του οποίου μετρήθηκαν σε μια σειρά οικιακών συσκευών το ρεύμα εκκίνησης και στάσιμης κατάστασης λειτουργίας, το αρμονικό περιεχόμενο, καθώς και η ενεργός, η άεργος ισχύς. Με βάση τ αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων προκύπτουν συμπεράσματα για τη λειτουργία κάθε συσκευής μεμονωμένα αλλά και σε σύγκριση με τη λειτουργία των υπολοίπων. Επίσης κατά την διάρκεια της εκπόνησης της διπλωματικής το όργανο τοποθετήθηκε σε οικία για τα χρονικά διαστήματα 5/2-18/2, 22/2-4/3 και 12/3-17/3 για την μέτρηση της κατανάλωσης και καταγραφή συμβάντων, δηλαδή γεγονότων που ενεργοποιούν την διαδικασία μέτρησης από το όργανο. Από τα αρχεία.def (αρχείο πληροφοριών του Fluke 1760 βλ. κεφάλαιο 2) που δημιουργήθηκαν για τα παραπάνω γεγονότα μέσω κατάλληλης επεξεργασίας έγινε ο χωρισμός σε μεμονωμένα συμβάντα και έγινε η κατηγοριοποίηση τους με βάση την ακριβή ώρα καταγραφής τους. Έτσι πέρα από τη βάση δεδομένων των υπογραφών των φορτίων, δημιουργήθηκε και μία βάση συμβάντων η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας αλγορίθμων ταυτοποίησης. Μία αναφορά σε ένα τέτοιο αλγόριθμο γίνεται στο παράρτημα για την παρουσίαση της χρησιμότητας των δύο βάσεων δεδομένων και για την παρουσίαση μίας διαφορετικής προσέγγισης στα χρησιμοποιούμενα κριτήρια για την αναγνώριση φορτίων

15 2.Μετρήσεις 2.1 Όργανο μέτρησης Το Fluke 1760 είναι πλήρως εναρμονισμένο με τον κανονισμό IEC για προχωρημένη ανάλυση ποιότητας ενέργειας και συνεχή διενέργεια δοκιμών. Είναι σχεδιασμένο για συστήματα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας και παρέχει τη δυνατότητα μέσω των πολλών επιλογών που διαθέτει να προσαρμόζει κατώτατα όρια, αλγορίθμους και τις επιλογές μετρήσεων. Οι κύριες εφαρμογές του οργάνου είναι: Εικόνα 2.1 Πρόσοψη Fluke Μέτρηση ενεργών τιμών μεγεθών Μέτρηση στιγμιαίων τιμών μεγεθών (δεδομένα τύπου παλμογράφου) Λεπτομερής ανάλυση διαταραχών: Εκτελεί υψηλής ταχύτητας ανάλυση μεταβατικών φαινομένων και ενημερώνει τον χρήστη για κάποια δυσλειτουργία του εξοπλισμού με σκοπό την μελλοντική προληπτική συντήρηση. Συσχέτιση συμβάντος σε πολλαπλές θέσεις: Οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα να εντοπίσουν σε ποιο σημείο πραγματοποιήθηκε ένα πιθανό σφάλμα ανεξάρτητα από το αν αυτό συμβαίνει εντός ή εκτός της εγκατάστασης. Επιτρέπει την ταυτόχρονη μέτρηση ανεξάρτητων συστημάτων: Είναι σχεδιασμένο με γαλβανική απομόνωση και dc σύζευξη των τάσεων εισόδου και γι αυτό το όργανο μπορεί να διεξάγει μετρήσεις σε συστήματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα το Fluke μπορεί να αντιμετωπίσει προβλήματα σε συστήματα αδιάλειπτης τροφοδοσίας ( UPS ) με παράλληλη εγγραφή της τάσης της μπαταρίας και της ισχύος εξόδου. Μελέτη ηλεκτρικών φορτίων: Αξιολόγηση της αρχικής ποιότητας του ρεύματος φορτίων για την επιβεβαίωση της συμβατικότητας τους με κρίσιμα σημεία του συστήματος. Με αυτόν τρόπο επιβεβαιώνεται ή αποτρέπεται η ασφαλής εγκατάστασης τους στο σύστημα

16 Μερικά από τα χαρακτηριστικά του είναι τα εξής: Είναι πλήρως εναρμονισμένο με το νέο πρότυπο IEC Class-A το οποίο καθορίζει τις απαιτούμενες μεθόδους μέτρησης για κάθε παράμετρο με σκοπό την εξαγωγή αξιόπιστων αποτελεσμάτων. Καθορισμός ώρας με βάση ενσωματωμένο GPS: Συσχετίζει δεδομένα με συμβάντα (events) από άλλα όργανα με απόλυτη ακρίβεια. Ευέλικτα και απολύτως προσαρμόσιμα κατώτατα όρια και συντελεστές κλίμακας: Επιτρέπει στον χρήστη τον εντοπισμό σφαλμάτων μέσω καθορισμού των κριτηρίων για ανίχνευση διαταραχών. Αδιάλλειπτη παροχή ενέργειας (40 λεπτά). 2GB μνήμη: Δυνατότητα λεπτομερούς και συνεχούς εγγραφής για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Γρήγορη και εύκολη εγκατάσταση (quick setup) με αυτόματους αισθητήρες ανίχνευσης. Αυτοί τροφοδοτούνται από το ίδιο το όργανο με αποτέλεσμα να μην υπάρχει η ανάγκη για χρήση μπαταριών. Το Fluke 1760 μετρά και αποθηκεύει ενεργές τιμές αλλά και τις αντίστοιχες ελάχιστες και μέγιστες τιμές για μεγέθη όπως: τάση, ρεύμα,ενεργή, άεργη και φαινόμενη ισχύ, συντελεστή ισχύος, kwh, συχνότητα, αρμονικές τάσης και ρεύματος, ανάλυση ποιότητας δικτύου, ταχεία μεταβατικά φαινόμενα καθώς επίσης και ανάλυση της κυμάτωσης σημάτων ελέγχου. 2.2 Διαδικασία μέτρησης To όργανο συνοδεύεται από το λογισμικό PQAnalyze το οποίο είναι πλήρως συμβατό με όλα τα Windows. Επιτρέπει την εμφάνιση και ανάλυση κυματομορφών και τιμών για το κάθε φορτίο, αλλά και αλλαγή των διαφόρων ρυθμίσεων του οργάνου έτσι ώστε να προκύπτουν καλύτερα και πιο ακριβή αποτελέσματα ανάλογα με την προς μέτρηση συσκευή. Το Fluke διαθέτει επίσης θύρα Ethernet και έτσι μέσω καλωδίου πραγματοποιείται η σύνδεση του με τον υπολογιστή. Το όργανο περιέχει 8 εισόδους από τις οποίες κατά τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν μόνο οι δύο. Συγκεκριμένα το Fluke δεχόταν σαν εισόδους την τάση και το ρεύμα του αντίστοιχου φορτίου. Με αυτόν τον τρόπο γινόταν και η σύνδεση του οργάνου με το φορτίο χρησιμοποιώντας τις εισόδους 1 και 5. Μετά την εγκατάσταση του λογισμικού και την πραγματοποίηση των συνδέσεων φορτίου Fluke 1760 υπολογιστή και του φορτίου με το δίκτυο μένει η ανάλυση των διαφόρων ρυθμίσεων για την μέτρηση των διαφόρων μεγεθών των συσκευών

17 Το παράθυρο των ρυθμίσεων φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 2.2 Παράθυρο ρυθμίσεων λογισμικού Για την σωστή μέτρηση και καταγραφή των τιμών που μας ενδιαφέρουν (του ρεύματος στην στάσιμη κατάσταση αλλά και κατά την εκκίνηση, των αρμονικών τους αλλά και της ενεργού και άεργου ισχύος) πρέπει να εισάγουμε ρυθμίσεις στα πεδία που βρίσκονται μετά την επιλογή των ρυθμίσεων καταγραφής (recording modes) και ρυθμίσεων ενεργοποίησης μέτρησης (trigger settings). Εικόνα 2.3 Παράθυρο ρυθμίσεων καταγραφής

18 Aν θέλουμε στιγμιαίες τιμές στα μεγέθη ελέγχουμε τα κάτω πεδία (oscilloscope) ενώ αν θέλουμε ενεργές τιμές (rms) ελέγχουμε τα πάνω πεδία και επιλέγουμε rms στην συνεχή καταγραφή (continuous recording) όπως δηλαδή φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα. Επίσης, σε αυτό το παράθυρο μπορούμε να καθορίσουμε το διάστημα κατά το οποίο θα γίνεται η εγγραφή (recordingtime), τους χρόνους μέχρι την επόμενη μέτρηση (holdofftime) και ακόμα το χρόνο πριν την έναρξη της μέτρησης (pre-trigger). Η τιμή στο πεδίο pre-trigger δεν πρέπει να είναι πολύ μικρή έτσι ώστε η διάρκεια του ρεύματος του φορτίου να είναι αναλογικά μεγάλη και το Fluke να μπορέσει να αντιληφθεί το ρεύμα κατά την εκκίνηση και να ξεκινήσει την καταγραφή. Για τον ίδιο λόγο η συχνότητα της δειγματοληψίας (samplefrec.) είναι η μέγιστη (10,24kHz) και δεν έχουμε τη δυνατότητα αλλαγής της. Αυτό μας δίνει μέγιστη διάρκεια καταγραφής της στιγμιαίας τιμής του ρεύματος 6,4sec. Εικόνα 2.4 Μενού ρυθμίσεων ενεργοποίησης καταγραφής

19 Σε αντίθεση με τις συνεχόμενες μετρήσεις οι οποίες καταγράφονται πάντα, υπάρχουν και οι μετρήσεις που αποθηκεύονται μόλις κάποιο από τα μετρούμενα μεγέθη ξεπεράσει ή γίνει μικρότερο από κάποια τιμή που θέτουμε εμείς. Η ενεργοποίηση των λεγόμενων «trigger» γίνεται με δεξί κλικ στο αντίστοιχο πεδίο. Κόκκινος δείκτης: Δεν υπάρχει όριο για αυτόν τον trigger. Πράσινος δείκτης: Υπάρχει όριο για αυτόν τον trigger. Ένα συμβάν μπορεί να σχετίζεται με πολλές συνθήκες ενεργοποίησης όμως είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθούν αυτές που θα αναπαραστήσουν καλύτερα το κάθε φορτίο. Όλες οι συνθήκες ενεργοποίησης που έχουν χρησιμοποιηθεί για κάποια μέτρηση φαίνονται αναλυτικά στο παράθυρο διαλόγου SettingsRecordingModes. O rmstrigger μπορεί να εφαρμοστεί σε τιμές φασικής τάσης (V), φάση με φάση (V P- P), συχνότητας (f) και ισχύος (Ρ). Βρίσκει εφαρμογή στην ανίχνευση μέγιστης τιμής τάσης, ρεύματος ή και ισχύος και ειδοποιεί για να αποσυνδεθούν τυχόν βαριά φορτία αν η ισχύς τους ξεπεράσει τις καθορισμένες από εμάς τιμές. Επίσης, ανιχνεύει πιθανές βυθίσεις της τάσης με την παράλληλη καταγραφή των τιμών τάσης και ρεύματος. Με αυτόν τον τρόπο παρέχει πληροφορίες για το αν η πτώση τάσης προήλθε από τη μεταβολή κάποιου φορτίου της εγκατάστασης ή μεταφέρθηκε από κάποιο άλλο κλάδο του δικτύου διανομής. Εικόνα 2.5 Μενού ρυθμίσεων ενεργοποίησης των μετρήσεων

20 Οι oscilloscope triggers μπορούν να εφαρμοστούν για τιμές τάσης(v) και ρεύματος(a) μεταξύ φάσης και ουδετέρου. Ειδικότερα ο max trigger και ο wave trigger χρησιμοποιούνται και για μετρήσεις φάση με φάση. Oι πέντε τύποι που είναι διαθέσιμοι από αυτήν την κατηγορία συνθηκών ενεργοποίησης αναλύονται επιγραμματικά παρακάτω: Ο Level trigger χρησιμοποιείται για την ακριβή διερεύνηση μικρής διάρκειας τάσεων και αιχμών ρεύματος. Ο Sine trigger δείχνει την παρέκκλιση της κυματομορφής του φορτίου από την ιδανική ημιτονοειδή κυματομορφή δηλαδή εντοπίζει την πιθανή παραμόρφωσή της. Ο max trigger αναπαριστά τις μέγιστες τιμές ανεξάρτητα από την πολικότητα. Με άλλα λόγια ανιχνεύει τα θετικά και αρνητικά μέγιστα. Ο phase trigger χρησιμεύει στην ανίχνευση υπερρευμάτων και βραχυκυκλωμάτων στο δίκτυο ή σε γειτονικά δίκτυα. Τέλος, ο wave trigger είναι κατάλληλος για όλα τα είδη ανάλυσης διαταραχών και τα αντιμετωπίζει αφού τα περισσότερα προβλήματα ποιότητας ισχύος είναι αποτέλεσμα ξαφνικής μεταβολής της κυματομορφής. Μετά τη ρύθμιση του οργάνου σύμφωνα με τα παραπάνω πρέπει να επιλέξουμε από το κεντρικό menu την αρχικοποίηση τω ρυθμίσεών μας (initialize). Έχουμε ακόμα τη δυνατότητα να αποθηκεύσουμε τις ρυθμίσεις (save) δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο ένα καινούριο αρχείο με κατάληξη.vdf. Αν επιθυμούμε να το χρησιμοποιήσουμε για κάποια μελλοντική μέτρηση επιλέγουμε file-open και το αντίστοιχο αρχείο. Αφού έχουμε ρυθμίσει το όργανο και έχουμε ολοκληρώσει τη μέτρηση, το μόνο που μένει είναι η μεταφορά των τιμών ή των κυματομορφών που μας ενδιαφέρουν στο υπολογιστή κάτι που γίνεται με τον εξής τρόπο: 1) Επιλέγουμε από το menu Transfer Measurement Data ή αλλιώς κάνουμε κλικ στο εικονίδιο Data Transfer. Εικόνα 2.6 Γραμμή εργαλείων λογισμικού

21 2) Επιλέγουμε νέο όνομα για τη διαδικασία των μετρήσεών μας. Σημαντικό στοιχείο αποτελεί το γεγονός πως η μεταφορά δεδομένων στον υπολογιστή μπορεί να πραγματοποιηθεί οποιαδήποτε στιγμή κατά τη διαδικασία της μέτρησης χωρίς αυτή να επηρεάζεται. Επίσης, το εικονίδιο DataTransfer σου επιτρέπει να επιλέξεις τα δεδομένα που θέλεις να μεταφερθούν στον υπολογιστή. Εικόνα 2.7 Αντιγραφή και αποθήκευση δεδομένων. 3) Στη συνέχεια εμφανίζεται το παραπάνω παράθυρο και με τους μπλε κέρσορες επιλέγουμε το χρονικό διάστημα και τον τύπο δεδομένων που μας ενδιαφέρει που αντιστοιχεί στο συμβάν που θέλουμε να μετρήσουμε και επιλέγουμε Copy επιλέγοντας πάλι κάποιο στο αρχείο το οποίο θα έχει τώρα κατάληξη.def. Οι μπλε μπάρες υποδεικνύουν δεδομένα που έχουν ήδη μεταφερθεί στον υπολογιστή ενώ οι κόκκινες μπάρες δείχνουν τα δεδομένα που είναι διαθέσιμα για μεταφορά. Στο πλαίσιο της διπλωματικής ασχοληθήκαμε με τις rms τιμές και τις αρμονικές των διαφόρων μεγεθών καθώς επίσης και με τη κυματομορφή των 6,5sec του στιγμιαίου ρεύματος (oscilloscope). Ανοίγοντας το αντίστοιχο φάκελο και επιλέγοντας RMS μπορούμε να επεξεργαστούμε και να αναλύσουμε τα δεδομένα των μετρήσεων. Ειδικότερα εμφανίζεται το παρακάτω παράθυρο

22 Εικόνα 2.8 Γραμμή εργαλείων για επεξεργασία ενεργών τιμών μεγεθών. Τσεκάροντας κάποιο από τα μεγέθη και επιλέγοντας timeplot μπορούμε να δούμε την rms τιμή του εκάστοτε μεγέθους (τάσης, ρεύματος, ενεργής, άεργης και φαινόμενης ισχύος, συντελεστή ισχύος) ως προς το χρόνο. Αντίστοιχα επιλέγοντας τύπο δεδομένων oscilloscope εμφανίζεται η παρακάτω γραμμή εργαλείων. Εικόνα 2.9 Γραμμή εργαλείων για επεξεργασία δεδομένων τύπου Oscilloscope. Με αυτήν την επιλογή έχουμε τη δυνατότητα να αναλύσουμε την κυματομορφή της τάσης ή του ρεύματος ενώ έχουμε την ευχέρεια να απομονώσουμε μόνο κάποια από τις τρεις φάσεις αν τσεκάρουμε για παράδειγμα το εικονίδιο L1. Επίσης μπορούμε να δούμε το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης, ρεύματος όπως επίσης και της ενεργού και αέργου ισχύος. Ακόμα μπορούμε να αναπαραστήσουμε την φαινόμενη ισχύ σε μορφή διανύσματος και τέλος να απεικονίσουμε τις rms τιμές σε μορφή πίνακα. Εικόνα 2.10 Επιλογή μεγέθους για απεικόνιση διαγράμματος και διάφορες επιλογές για επεξεργασία δεδομένων τύπου Oscilloscope

23 Η εξαγωγή των αποτελεσμάτων για περαιτέρω ανάλυση και επεξεργασία γίνεται εύκολα μέσω της παρακάτω γραμμής εργαλείων. Εικόνα 2.11 Γραμμή εργαλείων για εξαγωγή δεδομένων Συγκεκριμένα είναι δυνατόν να μεταφέρουμε κάποιο διάγραμμα σε κάποιο άλλο πρόγραμμα π.χ.excel, να εκτυπώσουμε μια κυματομορφή ή και να αντιγράψουμε τα δεδομένα που προκύπτουν σε ένα αρχείο word. [7]

24 3. Παρουσίαση αποτελεσμάτων Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το Fluke1760 στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας αφορούσαν τα παρακάτω φορτία: 1 βραστήρας 1 ηλεκτρικό σίδερο 1 ισιωτήρι-τοστιέρα μαλλιών 1 καφετιέρα 1 φραπεδιέρα 1 μίξερ χειρός 1 blender 2 σεσουάρ 1 αερόθερμο 1 ψυγείο 2 air-condition χωρίς inverter 1 air condition με inverter 1 εκτυπωτής 2 φορητούς υπολογιστές 2 συστήματα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας (UPS) 3 σταθερούς υπολογιστές με τροφοδοτικό 2 οθόνες σταθερών υπολογιστών Συνδυαστικές λειτουργίες φορτίου UPS- Σταθερός υπολογιστής- Οθόνη Για τα παραπάνω φορτία παρουσιάζεται μέσω διαγραμμάτων, η κυματομορφή της στιγμιαίας τιμής του ρεύματος για τη μέγιστη διάρκεια των 6,5sec, (λόγω του γεγονότος ότι η δειγματοληψία του οργάνου είναι κλειδωμένη στα 10,24kHz), ώστε να φανεί η περιβάλλουσα της κυματομορφής του ρεύματος, ένα χρονικό διάστημα στο οποίο φαίνεται η μορφή του ρεύματος κατά την εκκίνηση και τη μετέπειτα λειτουργία, η ενεργός (P) και άεργος ισχύς τους (Q), καθώς επίσης και το αρμονικό τους περιεχόμενο χωρίς την πρώτη αρμονική. Τα φορτία παρουσιάζονται με τη σειρά που αναφέρθηκαν που όπως φαίνεται επιδιώκεται μία ομαλή μετάβαση σύμφωνα με τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Από τα ωμικά, στα ηλεκτρομηχανικά και τέλος στα φορτία ηλεκτρονικής φύσεως

25 3.1 Βραστήρας Tefal 1850 W Ο βραστήρας είναι ένα ωμικό φορτίο και γι αυτό το λόγο δεν υπάρχει μεταβατικό φαινόμενο. Παράγει πολύ μικρή άεργη ισχύ, ενώ η ενεργός ισχύς του αυξάνεται γρήγορα και καταλήγει στην ονομαστική τιμή των 1850 W. Επίσης, εμφανίζονται πολύ μικρές σε πλάτος αρμονικές σε συχνότητες πέρα της θεμελιώδους. Οι περιττές αρμονικές είναι απόρεια των αρμονικών που εμφανίζει η τάση εισόδου με ιδιαίτερη έμφαση στην 5 η. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος βραστήρα. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

26 Εικόνα Ενεργός ισχύς βραστήρα. Εικόνα Άεργος ισχύς βραστήρα. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο βραστήρα σε ma

27 3.2 Ηλεκτρικό σίδερο Siemens W Αντίστοιχα με το βραστήρα στο σίδερο σιδερώματος δεν υπάρχει μεταβατικό φαινόμενο. Παράγει πολύ μικρή άεργη ισχύ, ενώ η ενεργός ισχύς του αυξάνεται γρήγορα και καταλήγει στην ονομαστική τιμή των W. Επίσης, εμφανίζονται πολύ μικρές σε πλάτος αρμονικές σε συχνότητες πέρα της θεμελιώδους. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος σίδερου σιδερώματος. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

28 Εικόνα Ενεργός ισχύς σίδερου. Εικόνα Άεργος ισχύς σίδερου. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο σίδερου σε ma

29 3.3 Ισιωτήρι μαλλιών Bellissima με κεραμική αντίσταση W Το ισιωτήρι μαλλιών περιμέναμε να έχει ωμική συμπεριφορά αφού είναι 2 πλάκες που ανεβάζουν θερμοκρασία. Απ ότι φαίνεται από την περιβάλλουσα του ρεύματος αλλά και από το διάγραμμα της ενεργούς ισχύος έχουμε μία ομαλή αύξηση σε τιμές πολύ μεγαλύτερες των ονομαστικών και έπειτα τάση για σταθεροποίηση γύρω από αυτές. Η τεχνολογία που χρησιμοποιεί ονομάζεται IHT (Instant Heat Technology) και επιτυγχάνει πολύ υψηλή θερμοκρασία σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Αυτό επιτυγχάνεται με ανύψωση της τάσης δικτύου και εφαρμογή της στη κεραμική αντίσταση που διαθέτει. Έχει χαμηλή παραγωγή αέργου ισχύος και χαμηλές σε πλάτος περιττές αρμονικές. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος της τοστιέρας μαλλιών. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

30 Εικόνα Ενεργός ισχύς τοστιέρας μαλλιών. Εικόνα Άεργος ισχύς τοστιέρας μαλλιών. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο τοστιέρας μαλλιών σε ma

31 3.4 Καφετιέρα Delonghi 1000 W Η καφετιέρα είναι ένα καθαρό ωμικό φορτίο και όπως περιμέναμε δεν υπάρχει κάποιο μεταβατικό φαινόμενο, έχουμε καθαρό ημίτονο, χαμηλή παραγωγή αέργου ισχύος και πολύ μικρές σε πλάτος αρμονικές. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος της καφετιέρας. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

32 Εικόνα Ενεργός ισχύς καφετιέρας. Εικόνα Άεργος ισχύς καφετιέρας. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο καφετιέρα σε ma

33 3.5 Φραπεδιέρα 65 W Η φραπεδιέρα λόγω του μικρού κινητήρα που διαθέτει παρουσιάζει ένα υψηλό ρεύμα εκκίνησης ενώ και η ενεργός ισχύς του γίνεται μεγαλύτερη από την ονομαστική τιμή κατά το μεταβατικό φαινόμενο στην αρχή της λειτουργίας του. Παρουσιάζει σημαντική κατανάλωση αέργου ισχύος και έντονες τις 2 η, 3 η και 5 η αρμονικές. Η μέτρηση έγινε με μηδενικό φορτίο. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος της φραπεδιέρας. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

34 Εικόνα Ενεργός ισχύς φραπεδιέρας. Εικόνα Άεργος ισχύς φραπεδιέρας. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο φραπεδιέρας σε ma

35 3.6 Mixer χειρός Hyundai 200 W Για το mixer χειρός πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε δύο καταστάσεις. Αρχικά λειτουργεί στην πρώτη ταχύτητα και εν συνεχεία στην μέγιστη δυνατή. Και στις δύο περιπτώσεις οι μετρήσεις έγιναν με μηδενικό φορτίο. Παρατηρείται ένα ρεύμα εκκίνησης μεγαλύτερο του ονομαστικού κατά αναλογία με ότι συμβαίνει στην ενεργό ισχύ. Με την αύξηση της ταχύτητας πέρα της αναμενόμενης αύξησης του ρεύματος και της ισχύος παρατηρούμε μείωση της καταναλισκόμενης αέργου ισχύος γεγονός επίσης αναμενόμενο αφού ο κινητήρας της συσκευής λειτουργεί κοντά στις ονομαστικές του στροφές, και άρα βελτιωμένο συντελεστή ισχύος. Επίσης με την αύξηση της ταχύτητας παρατηρούμε αύξηση του πλάτους των άρτιων αρμονικών και μείωση του πλάτους περιττών Λειτουργία στο πρώτο επίπεδο ταχύτητας Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του mixer χειρός. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

36 Εικόνα Ενεργός ισχύς mixer χειρός. Εικόνα Άεργος ισχύς mixer χειρός. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο mixer χειρός σε ma

37 3.6.2 Λειτουργία στο τρίτο επίπεδο ταχύτητας Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του mixer χειρός. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

38 Εικόνα Ενεργός ισχύς mixer χειρός. Εικόνα Άεργος ισχύς mixer χειρός. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο mixer χειρός σε ma

39 3.7 Blender Crown 260 W Όπως με το mixer χειρός έτσι και με το blender πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε δύο καταστάσεις, στις δύο ταχύτητες που διαθέτει. Και στις δύο περιπτώσεις οι μετρήσεις έγιναν με μηδενικό φορτίο. Οι δύο ταχύτητες στο blender δεν έχουν πολύ μεγάλη διαφορά κι αυτό μπορεί να φανεί από την ενεργό ισχύ που καταναλώνεται στις δύο περιπτώσεις, στη μια 100 W και στην άλλη 120 W. Παρατηρείται προφανώς και πάλι αυξημένο ρεύμα εκκίνησης μεγαλύτερο του ονομαστικού κατά αναλογία με ότι συμβαίνει στην ενεργό ισχύ. Επίσης όσον αφορά το αρμονικό περιεχόμενο στην πρώτη περίπτωση βλέπουμε την κυριαρχία της 2 ης αρμονικής, ενώ με τη αύξηση της ταχύτητας επικράτηση της 3 ης. Ενδιαφέρον προκαλεί η ύπαρξη αρμονικών σε υψηλές συχνότητες που λόγω της έλλειψης ενδιάμεσου αρμονικού περιεχομένου μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για σφάλμα μέτρησης Λειτουργία στο πρώτο επίπεδο ταχύτητας Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του blender. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

40 Εικόνα Ενεργός ισχύς blender. Εικόνα Άεργος ισχύς blender. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο τοστιέρας blender σε ma

41 Λειτουργία στο δεύτερο επίπεδο ταχύτητας Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του blender. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας. Εικόνα Ενεργός ισχύς blender

42 Εικόνα Άεργος ισχύς blender. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο blenderσε ma

43 3.8 Σεσουάρ Britannia 2000 W Κατ αναλογία με τα προηγούμενα φορτία τα σεσουάρ προσφέρουν διαφορετικούς συνδυασμούς λειτουργίας. Διαθέτουν δύο διαφορετικά επίπεδα ταχύτητας και δύο επίπεδα θερμοκρασίας πέρα της μηδενικής. Στο πρώτο σεσουάρ επιλέχθηκε να μελετηθούν οι 6 διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας που προσφέρει Λειτουργία σε πρώτο επίπεδο ταχύτητας και μηδενικής θερμοκρασίας Στη πρώτη περίπτωση παρατηρούμε υψηλό ρεύμα εκκίνησης λόγω της ένταξης του κινητήρα που διαθέτει. Έχει επαγωγική συμπεριφορά και μικρό αρμονικό περιεχόμενο με κυριαρχία της δεύτερης αρμονικής. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του σεσουάρ. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

44 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο σεσουάρ σε ma

45 3.8.2 Λειτουργία σε πρώτο επίπεδο ταχύτητας και πρώτο επίπεδο θερμοκρασίας. Με τη εισαγωγή της αντίστασης παρατηρούμε εξομάλυνση του ρεύματος και γρηγορότερη απόσβεση του μεταβατικού φαινομένου λόγω της μείωσης της χρονικής σταθεράς του κυκλώματος. Η συμπεριφορά της συσκευής είναι πλέον χωρητική λόγω της μεγάλης αντίστασης και παραμένει η κυριαρχία της δεύτερης αρμονικής. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του σεσουάρ Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

46 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο σεσουάρ σε A

47 3.8.3 Λειτουργία σε πρώτο επίπεδο ταχύτητας και δεύτερο επίπεδο θερμοκρασίας. Με περαιτέρω αύξηση της αντίσταση παρατηρούμε τα ίδια αποτελέσματα με την προηγούμενη παράγραφο. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του σεσουάρ Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

48 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο τοστιέρας σεσουάρ σε A

49 3.8.4 Λειτουργία στο δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και μηδενικής θερμοκρασίας. Σε αυτή την λειτουργία ο κινητήρας λειτουργεί με αυξημένες στροφές κοντά στις ονομαστικές του και παρατηρούμε και πάλι αυξημένο ρεύμα εκκίνησης. Η μορφή του ημιτόνου του ρεύματος εισόδου είναι καλύτερη και κατ επέκταση το αρμονικό περιεχόμενο παρουσιάζει μικρότερες σε πλάτος αρμονικές με έντονη σε αυτή την περίπτωση την παρουσία της τρίτης σε τάξη αρμονική. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του σεσουάρ Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

50 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο σεσουάρ σε ma

51 3.8.5 Λειτουργία σε δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και πρώτο επίπεδο θερμοκρασίας. Με την ένταξη της αντίστασης παρατηρούμε πολύ μικρότερο ρεύμα εκκίνησης περαιτέρω εξομάλυνση του ημιτόνου και μείωση του μεταβατικού φαινομένου. Η συμπεριφορά είναι χωρητική λόγω της αντίστασης και το αρμονικό περιεχόμενο έχει μικρές στο πλάτος χαμηλής τάξης αρμονικές. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του σεσουάρ Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

52 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο τοστιέρας σεσουάρ σε ma

53 3.8.6 Λειτουργία σε δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και δεύτερο επίπεδο θερμοκρασίας. Με την περαιτέρω αύξηση της αντίστασης ενισχύονται οι προηγούμενες παρατηρήσεις με την διαφορά ότι στη φασματική κατανομή παρατηρούμε αύξηση της δεύτερης αρμονικής. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του σεσουάρ Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

54 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο σεσουάρ σε A

55 3.9 Σεσουάρ 2 Για το δεύτερο σεσουάρ επιλέχθηκαν δύο διαφορετικοί συνδυασμοί λειτουργίας με μεταβολή μόνο της θερμοκρασίας και σταθερή μέγιστη ταχύτητα. Ισχύουν τα ίδια που ειπώθηκαν παραπάνω όσον αφορά την αύξηση του ρεύματος, της ενεργού και αέργου ισχύος. Όσον αφορά το αρμονικό περιεχόμενο παρατηρούμε ότι έχουμε αυξημένες σε πλάτος χαμηλές αρμονικές όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Παρατηρούμε ότι όταν λειτουργεί ο κινητήρας σε σταθερή ταχύτητα και έχουμε αύξηση της θερμοκρασίας έχουμε αύξηση στο πλάτος της δεύτερης αρμονικής. Οι περιττές όπως είναι αναμενόμενο τείνουν ποσοστιαία στη μορφή των αρμονικών της τάσης εισόδου (περιττές με επικρατέστερη την 5 η ). Τέλος παρατηρείται πάλι η ύπαρξη αρμονικών σε πολύ υψηλές συχνότητες χωρίς την ύπαρξη ενδιάμεσου αρμονικού περιεχομένου, γεγονός το οποίο πιθανόν οφείλεται σε λάθος του μετρητικού οργάνου Λειτουργία σε δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και πρώτο επίπεδο θερμοκρασία. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος της του σεσουάρ. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

56 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο σεσουάρ σε ma

57 3.9.2 Λειτουργία σε δεύτερο επίπεδο ταχύτητας και δεύτερο επίπεδο θερμοκρασίας Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του σεσουάρ. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

58 Εικόνα Ενεργός ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Άεργος ισχύς σεσουάρ. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο σεσουάρ σε ma

59 3.10 Αερόθερμο Delonghi 2000 W Για το αερόθερμο ισχύουν τα ίδια με τα σεσουάρ.η λειτουργία του έγινε με την εισαγωγή της πλήρους αντίστασης που διαθέτει με αποτέλεσμα να έχει έντονο ωμικό χαρακτήρα το οποίο συνεπάγεται ομαλή εκκίνηση και μικρή παραγωγή αέργου ισχύος. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του αερόθερμου. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας. Εικόνα Ενεργός ισχύς αερόθερμου

60 Εικόνα Άεργος ισχύς αερόθερμου. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο αερόθερμου σε ma

61 3.11 Κλιματιστικά Μετρήθηκαν τρία κλιματιστικά ένα από τα οποία είχε και inverter. Τα απλά κλιματιστικά χωρίς inverter, λειτουργούν σε κατάσταση on-off, σε μία δεδομένη ταχύτητα, για να σταθεροποιήσουν την θερμοκρασία του χώρου σε μια ζώνη γύρω από την επιθυμητή. Με απλά λόγια, εάν έχεις στον χώρο 22 βαθμούς και θέλεις να πέσεις στους 19, το κλιματιστικό θα δουλέψει (σε πλήρη λειτουργία - on) μέχρι να κατεβάσει την θερμοκρασία πχ. στους 18,5. Εκεί θα σταματήσει (οff) και θα περιμένει μέχρι την άνοδο της θερμοκρασίας σε ένα προγραμματισμένο όριο ανοχής, πχ 19,5 βαθμούς όπου θα τεθεί ξανά σε λειτουργία (on). Μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι το μηαποδοτικό συχνό σταμάτημα και ξεκίνημα των κινητήρων. Στην περίπτωση των κλιματιστικών που κάνουν χρήση inverter, ρυθμίζεται δυναμικά η απόδοση του κλιματιστικού, μέσω της ρύθμισης των στροφών του κινητήρα από τον inverterπου τον τροφοδοτεί με μεταβαλλόμενη συχνότητα. Αντίστοιχα λοιπόν, για το προηγούμενο παράδειγμα, ένα κλιματιστικό με inverter θα ξεκινήσει ομαλά λόγω inverter με μεγάλη ταχύτητα για να πετύχει την μείωση της θερμοκρασίας. Καθώς αυτή θα φτάνει στην επιθυμητή τιμή, μειώνεται σταδιακά η ταχύτητα μέχρι η θερμοκρασία να φτάσει την επιθυμητή τιμή. Από εκεί και πέρα, λειτουργεί με σταθερή ταχύτητα, αναπληρώνοντας τις απώλειες που έχει ο χώρος μας Κλιματιστικό 1 συμβατικό Όσα αναφέρθηκαν παραπάνω γίνονται εμφανή στα παρακάτω διαγράμματα. Υπάρχει έντονο μεταβατικό φαινόμενο το οποίο φαίνεται από το υψηλό ρεύμα εκκίνησης και από την ενεργό ισχύ που απορροφάται όταν ο συμπιεστής μπαίνει σε λειτουργία. Η ισχύς μετά από περίπου ένα λεπτό σταθεροποιείται περίπου στα 1000 W. Χαρακτηριστικό του αρμονικού περιεχομένου είναι η έντονη παρουσία αρμονικών χαμηλής τάξη και ιδιαίτερα της 2 ης αρμονικής. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του συμβατικού κλιματιστικού

62 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας. Εικόνα Ενεργός ισχύς συμβατικού κλιματιστικού. Εικόνα Άεργος ισχύς συμβατικού κλιματιστικού

63 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο συμβατικού κλιματιστικού σε A Κλιματιστικό 2 Ακριβώς τα ίδια με προηγουμένως ισχύουν και για το δεύτερο συμβατικό κλιματιστικό, με μόνη διαφορά ότι είναι μεγαλύτερης ισχύος. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του συμβατικού κλιματιστικού. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας

64 Εικόνα Ενεργός ισχύς συμβατικού κλιματιστικού. Εικόνα Άεργος ισχύς συμβατικού κλιματιστικού. Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο συμβατικού κλιματιστικού σε A

65 Κλιματιστικό με inverter 3500 W cooling, ρεύμα εισόδου A Στο κλιματιστικό με inverter επειδή η αύξηση του ρεύματος είναι πολύ ομαλή είναι δύσκολο να πάρουμε την κυματομορφή με τη μορφή που θέλουμε ώστε να δούμε τι γίνεται κατά την έναρξη της συσκευής. Αντί λοιπόν για την κλασσική κυματομορφή των 6,5s θα παρατεθούν δύο όπου φαίνεται η αύξηση του ρεύματος με μικρά βήματα. Η κυματομορφή του ρεύματος είναι έντονα παραμορφωμένη γεγονός που γίνεται αντιληπτό και από το αρμονικό περιεχόμενο όπου όπως αναμέναμε λόγω του inverter κυριαρχούν οι περιττές αρμονικές. Το κύριο πλεονέκτημα του αντιστροφέα φαίνεται στην ομαλή μετάβαση στην ονομαστική ισχύ. Εικόνα Πρώτη κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του κλιματιστικού με inverter. Εικόνα Δεύτερη κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του κλιματιστικού με inverter

66 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την λειτουργία. Εικόνα Ενεργός ισχύς κλιματιστικού με inverter. Εικόνα Άεργος ισχύς κλιματιστικού με inverter

67 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο κλιματιστικού με inverter σε A Ψυγείο Schaub Lorenz 1 hp Το ψυγείο έχει την ίδια αρχή λειτουργίας με ένα συμβατικό κλιματιστικό. Περιλαμβάνει κι αυτό ένα συμπιεστή και έτσι έχουν παρόμοιο μεταβατικό φαινόμενο κατά την εκκίνηση με τη διαφορά ότι στο ψυγείο διαρκεί περισσότερο. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος ψυγείου

68 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας. Εικόνα Ενεργός ισχύς αερόθερμου ψυγείου. Εικόνα Άεργος ισχύς ψυγείου

69 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο ψυγείου σεma Εκτυπωτής Hewlett-Packard 1606bn Ο εκτυπωτής είναι μία ηλεκτρονική συσκευή και επομένως περιέχει ηλεκτρονικά στοιχεία για την μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Χρησιμοποιεί ένα brushless dc κινητήρα βήματος (stepper motor) για οδήγηση του μελανιού στη σωστή θέση της σελίδας. Το ρεύμα που τραβάει ο φορτιστής του εκτυπωτή κατά την εκτύπωση της σελίδας είναι παραμορφωμένο και η ισχύς του μεταβαλλόμενη για τον έλεγχο θέσης του κινητήρα. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος εκτυπωτή

70 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την εκτύπωση σελίδας. Εικόνα Ενεργός ισχύς εκτυπωτή. Εικόνα Άεργος ισχύς εκτυπωτή

71 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο εκτυπωτή σε Α Φορητός υπολογιστής με φορτιστή 1.8 Α στην είσοδο και 19 V,4.74 Α, 90 W στην έξοδο. Ο φορτιστής του laptop όπως και ο εκτυπωτής περιέχει ηλεκτρονικά ισχύος για τη μετατροπή σου εναλλασσόμενου σε συνεχές ρεύμα. Η αρχή λειτουργίας του είναι αρχικά η ανόρθωση της τάσης και έπειτα η διαμόρφωση της μέσω PWM για την τροφοδοσία ενός μετασχηματιστή υποβιβασμού. Η συχνότητα διαμόρφωσης είναι πολύ μεγάλη ώστε να γίνει δυνατή η χρήση μικρού σε μέγεθος μετασχηματιστή. Όπως είναι αναμενόμενο η διαδικασία της ανόρθωσης και της διαμόρφωσης προκαλεί παραμόρφωση του ρεύματος εισόδου και την εμφάνιση περιττών αρμονικών. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του φορητού υπολογιστή

72 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την έναρξη λειτουργίας. Εικόνα Ενεργός ισχύς φορητού υπολογιστή. Εικόνα Άεργος ισχύς φορητού υπολογιστή

73 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο φορητού υπολογιστή σε A Φορητός υπολογιστής με φορτιστή 1.5 Α στην είσοδο και 19 V, 3.95 A στην έξοδο. Τα ίδια ισχύουν και για το δεύτερο laptop με τη διαφορά ότι ο φορτιστής του είναι πολύ καλύτερος αφού ενώ το ρεύμα εισόδου του ξεκινάει με τη κλασσική μορφή της ανόρθωσης μετά το 1,5sέχουμε μείωση του πλάτους των αρμονικών και ένα πολύ καλύτερης μορφής ημίτονο και κατά συνέπεια ένα πολύ καλύτερο αρμονικό περιεχόμενο. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος του φορητού υπολογιστή

74 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την λειτουργία. Εικόνα Ενεργός ισχύς φορητού υπολογιστή. Εικόνα Άεργος ισχύς φορητού υπολογιστή

75 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο φορητού υπολογιστή σε ma Οθόνη ηλεκτρονικού υπολογιστή Η οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή είναι επίσης μία συσκευή που λειτουργεί με PWM διαμόρφωση, για τον έλεγχο οπίσθιου φωτισμού (backlight) της οθόνης, αφού μπορεί να προσφέρει μεγάλο εύρος φωτεινότητας ( 0-max backlight). Τα αποτελέσματα είναι τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά της ανόρθωσης και της PWM διαμόρφωσης. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος της οθόνης

76 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την λειτουργία. Εικόνα Ενεργός ισχύς οθόνης. Εικόνα Άεργος ισχύς οθόνης

77 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο οθόνης σε ma Σταθερός ηλεκτρονικός υπολογιστής Το τροφοδοτικό του υπολογιστή, όπως και ο φορτιστής του κινητού χρησιμοποιεί PWM διαμόρφωση για την μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Η τάση ανορθώνεται, φιλτράρεται μέσω ενός πυκνωτή εξομάλυνσης και έπειτα μέσω υψηλής συχνότητας PWM διαμόρφωσης εφαρμόζεται σε ένα μετασχηματιστή για τον υποβιβασμό της. Η μικρότερη τάση φιλτράρεται αφού είναι σε μορφή παλμών και τροφοδοτεί τα ηλεκτρονικά στοιχεία του υπολογιστή. Προφανώς η ανόρθωση και η διαμόρφωση παραμορφώνει το ρεύμα εισόδου εισάγοντας περιττές αρμονικές στα φάσμα του. Κατά την έναρξη του υπολογιστή παρατηρούμε ότι η ισχύς του είναι έντονα μεταβαλλόμενη. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης Η/Υ

78 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την λειτουργία. Εικόνα Ενεργός ισχύς Η/Υ. Εικόνα Άεργος ισχύς Η/Υ

79 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο Η/Υ σε A Συσκευή αδιάλειπτης παροχής ενέργειας (UPS1) 660 W Οι συσκευές αδιάλειπτης παροχής ενέργειας (UPS) γενικά μπορούν να χωριστούν σε 2 κατηγορίες, τα on-line ups και τα offline/standby. Η διαφορά τους είναι ότι τα πρώτα έχουν την μπαταρία σε σειρά συνδεδεμένη με το τροφοδοτικό του υπολογιστή, δηλαδή η μπαταρία φορτίζεται συνεχώς από την τροφοδοσία και αυτή με τη σειρά της είναι αυτή που τροφοδοτεί τον υπολογιστή μέσω ενός inverter. Στα standby ups υπάρχουν δύο ξεχωριστά παράλληλα κυκλώματα, ένα της απευθείας τροφοδοσίας του υπολογιστή από το δίκτυο και ένα της μπαταρίας. Κατάλληλα κυκλώματα ελέγχουν αν γίνει διακοπή της τροφοδοσίας και εναλλάσσουν μεταξύ των δύο. Σε αυτή την μέτρηση όπου μετρήθηκε το ups μόνο του μετράμε το ρεύμα που τραβάει η μπαταρία για να φορτίσει. Σε αναλογία με τα προηγούμενα η απαραίτητη ανόρθωση της τάσης εισάγει αρμονικές στο ρεύμα εισόδου. Εντύπωση προκαλεί η κατανάλωση αέργου ισχύος. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας

80 . Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την λειτουργία. Εικόνα Ενεργός ισχύς συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας. Εικόνα Άεργος ισχύς συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας

81 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας σε A Συσκευή αδιάλειπτης παροχής ενέργειας (UPS2) 660W Τα ίδια ισχύουν και για το δεύτερο ups με την μόνη διαφορά ότι το μεταβατικό φαινόμενο μπόρεσε να αποτυπωθεί καλύτερα. Παρατηρούμαι ένα πολύ μεγάλο ρεύμα εκκίνησης, περίπου 4.5Α πολύ μεγαλύτερο της ονομαστικής τιμής, που μπορεί να αποδοθεί στους πυκνωτές που κάνει χρήση το σύστημα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας

82 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την λειτουργία. Εικόνα Ενεργός ισχύς συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας. Εικόνα Άεργος ισχύς συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας

83 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο συσκευής αδιάλειπτης παροχής ενέργειας σε A. Πραγματοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις συνδυαστικής λειτουργίας σταθερού ηλεκτρονικού υπολογιστή, οθόνης και ups που αντιπροσωπεύουν ένα πιο ρεαλιστικό συνολικό φορτίο Σταθερός υπολογιστής με οθόνη Κατά την εκκίνηση το ρεύμα είναι αυτό που τραβάει το τροφοδοτικό του ηλεκτρονικού υπολογιστή αφού το σήμα για την έναυση της οθόνης έρχεται καθυστερημένα. Η διαφορά μπορεί να φανεί στη μεγαλύτερη ενεργό ισχύ και στο μεγαλύτερο πλάτος αρμονικών. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος της Η/Υ με οθόνη

84 Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος κατά την λειτουργία. Εικόνα Ενεργός ισχύς Η/Υ με οθόνη. Εικόνα Άεργος ισχύς Η/Υ με οθόνη

85 Εικόνα Αρμονικό περιεχόμενο Η/Υ με οθόνη σε A Συσκευή αδιάλειπτης παροχής ενέργειας μαζί με σταθερό ηλεκτρονικό υπολογιστή Αναφέραμε πριν τις δύο κατηγορίες UPS που υπάρχουν, on-line και standby. Μετά από αυτή τη μέτρηση μπορούμε να βγάλουμε το συμπέρασμα ότι το UPS που μετρήθηκε είναι τύπου on-line, δηλαδή έχει την μπαταρία σε σειρά με το τροφοδοτικό του υπολογιστή. Η μπαταρία φορτίζεται συνεχώς και έτσι το ρεύμα εισόδου έχει την μορφή που είχε όταν έγινε μεμονωμένη μέτρηση του UPS, μορφή που οφείλεται στην ανόρθωση για την φόρτιση της μπαταρίας. Διαφορά υπάρχει προφανώς στην ενεργό ισχύ που καταναλώνει, που πλέον δεν είναι η σταθερή των 50W (βλ. UPS1) αλλά μεταβαλλόμενη μεγαλύτερης ισχύος, όπως ζητά ο υπολογιστής. Εικόνα Κυματομορφή ρεύματος για τα 6.5s μέτρησης του ρεύματος UPS-H/Y