ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑ ΓΡΑΦΕΙΩΝ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑ ΓΡΑΦΕΙΩΝ ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ Επιβλέποντες: ΧΑΡΗΣ ΗΜΟΥΛΙΑΣ, ΛΕΚΤΟΡΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΓΚΟΥΡΑΜΑΝΗΣ, ΥΠΟΨΗΦΙΟΣ Ι ΑΚΤΟΡΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2006

στον παππού µου για γρήγορη ανάρρωση

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το σύγγραµµα αυτό έχει γραφτεί στο πλαίσιο εκπόνησης διπλωµατικής εργασίας µε τίτλο «ιερεύνηση αρµονικών ρευµάτων σε κτίρια γραφείων». Το αντικείµενο που αυτό πραγµατεύεται παρουσιάζεται επιγραµµατικά στον πίνακα περιεχοµένων και αναλυτικότερα στην Εισαγωγή και τα κεφάλαια που ακολουθούν. Στο σηµείο αυτό, θέλω να ευχαριστήσω θερµά τον κ. Χ. ηµουλιά, λέκτορα του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε µε την ανάθεση της παρούσας διπλωµατικής εργασίας και για τη πολύτιµη βοήθειά του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησής της. Ακόµη θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον µεταπτυχιακό φοιτητή κ. Κ.Γκουραµάνη για τις χρήσιµες συµβουλές του και τη βοήθειά του στη χρήση του λογισµικού των ηλεκτρονικών οργάνων µέτρησης που χρησιµοποιήθηκαν στη διπλωµατική αυτή. Επίσης, ευχαριστώ θερµά εκείνους τους φίλους και συµφοιτητές µου που χάρη στο συνεχές τους ενδιαφέρον και τη βοήθειά τους, κατάφερα να αντεπεξέλθω στις όποιες δυσκολίες συνάντησα κατά τη διάρκεια αυτής της εργασίας. Τέλος, η ηθική συµπαράσταση της οικογένειάς µου όχι µόνο στην παρούσα έρευνα αλλά και σε όλη τη διάρκεια των φοιτητικών µου χρόνων ήταν καθοριστική για την ολοκλήρωση των σπουδών µου χωρίς ιδιαίτερο άγχος. Γι αυτό το λόγο τους ευχαριστώ διπλά! Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2006 Ζωή Καµπούρη

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ποιότητα Ισχύος 4 1.2 Αρµονικές..5 1.3 Αντικείµενο διπλωµατικής εργασίας.9 Κεφάλαιο 2 ίκτυα µετρήσεων και τρόπος µέτρησης 2.1 Lem Topas 1000 Power Quality Analyser..11 2.1.1 Γενικά...11 2.1.2 Προγραµµατισµός του TOPAS 12 2.1.3 Σύνδεση του TOPAS 1000 στο δίκτυο µετρήσεων..21 2.1.4 Μεταφορά και ανάλυση δεδοµένων.22 2.2 FLUKE 433/434..29 Κεφάλαιο 3 Ανάλυση επιµέρους φορτίων 3.1 Λαµπτήρες φθορισµού 32 3.1.1 Γενικά χαρακτηριστικά λαµπτήρων φθορισµού.32 3.1.2 Προγενέστερες µελέτες σε κυκλώµατα που τροφοδοτούν λαµπτήρες φθορισµού...35 3.2 Ηλεκτρονικοί υπολογιστές..37 3.2.1 Γενικά χαρακτηριστικά ηλεκτρονικών υπολογιστών..37 3.2.2 Προγενέστερες µελέτες σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές.41 3.3 Μετρήσεις ρευµάτων λαµπτήρων φθορισµού και ηλεκτρονικών υπολογιστών 3.3.1 Λήψη µετρήσεων.42 3.3.2 Ανάλυση στο excel..44 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 1

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Κεφάλαιο 4 Ανάλυση µετρήσεων στα κτίρια 4.1 Υποσταθµός Πολυτεχνικής Σχολής 64 4.2 Υποσταθµός Κτιρίου ιοίκησης.86 Κεφάλαιο 5 Συµπεράσµατα 91 Κεφάλαιο 6 Βιβλιογραφία...94 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 2

Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 3

Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ Η ποιότητα ισχύος (Power Quality) είναι συνυφασµένη µε ένα µεγάλο αριθµό ηλεκτροµαγνητικών φαινοµένων και υφίσταται ως έννοια από την απαρχή των Συστηµάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. Συνεπώς καλύπτει φαινόµενα ήδη γνωστά τα οποία όµως αποκτούν διαφορετική και µεγαλύτερη σηµασία στα µοντέρνα συστήµατα ενέργειας. Η αυξανόµενη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος και γενικότερα συσκευών που είναι ευαίσθητες αλλά δηµιουργούν διαταραχές, η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας και οι διαρκώς αυξανόµενες απαιτήσεις του συστήµατος καθιστούν την ποιότητα ισχύος σηµαντική. Τόσο η ποιότητα της τάσης (voltage quality), καθώς και η ποιότητα του ρεύµατος (current quality), συνιστούν παράγοντες που επηρεάζουν την κανονική λειτουργία του δικτύου και έχουν µεγάλη οικονοµική σηµασία. Οι εταιρίες ηλεκτρισµού στην Ευρώπη (πρότυπο ΕΝ50160) αλλά και σε όλο τον κόσµο καλούνται να αποδείξουν ότι η παρεχόµενη ισχύς πληροί τις προϋποθέσεις εκείνες που εγγυώνται τη λειτουργία των πελατών-φορτίων τους χωρίς προβλήµατα. Παράλληλα οι καταναλωτές προσπαθούν να εξασφαλίσουν τις καλύτερες συνθήκες για τα φορτία τους ώστε να περιορίσουν οικονοµικές απώλειες που προκαλούνται από προβλήµατα στην παροχή ηλεκτρικής ισχύος. Τα σηµαντικότερα φαινόµενα τα οποία εµπλέκονται µε τον όρο της ποιότητας ισχύος είναι απρόβλεπτες διακοπές τροφοδοσίας, ταχεία µεταβλητότητα τάσης, υπερτάσεις, βυθίσεις τάσεις, µεταβολές στη συχνότητα και αρµονικές. Το τελευταίο µάλιστα είναι ένα φαινόµενο που έχει απασχολήσει κατά καιρούς αρκετά την επιστηµονική κοινότητα των µηχανικών εξαιτίας των πολλών και ανεπιθύµητων συνεπειών που επιφέρει στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, κάτι που αποτέλεσε αφορµή για την διεξαγωγή της παρούσας διπλωµατικής εργασίας. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 4

Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.2 ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ Οι αρµονικές είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεµελιώδους συχνότητας µιας περιοδικής διαδικασίας. Αν µία περιοδική τάση v(t) µε περίοδο Τ αναλυθεί σε σειρά Fourier: 2π v ( t ) = a + a c o s ( iω t + φ ), ω = Τ 0 i 0 i 0 i= 1 τότε η ποσότητα i στο άθροισµα καλείται αρµονική. Αντίθετα µε τα υπόλοιπα φαινόµενα που προαναφέρθηκαν (υπερτάσεις, διακοπές τροφοδοσίας κλπ), τα οποία είναι µικρής διάρκειας και µεταβατικής φύσης (transient), οι αρµονικές παρουσιάζονται κατά τη µόνιµη κατάσταση λειτουργίας του συστήµατος (steady state). Η παρουσία αρµονικών στην τάση και την ένταση οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη µη γραµµικών φορτίων δηλαδή φορτίων που ενώ τροφοδοτούνται από ηµιτονοειδή πηγή τάσης, το ρεύµα τους δεν είναι ηµιτονοειδές. Το φάσµα των αρµονικών, ο ΜΣ Fourier δηλαδή της κυµατοµορφής ώστε να υπολογιστούν οι συχνότητες τις οποίες περιέχει, εξαρτάται από την φύση αυτών των φορτίων. Μη γραµµικά φορτία υπάρχουν τόσο σε οικιακούς όσο και σε βιοµηχανικούς καταναλωτές. Τέτοια είναι: Φορτία µε ηλεκτρονικά ισχύος: ανορθωτές, PLC κ.α Φορτία που χρησιµοποιούν ηλεκτρικό τόξο: φούρνοι τήξης, λάµπες φθορισµού. Φορτία που χρησιµοποιούν ηλεκτρονικά τροφοδοτικά: τηλεοράσεις, φούρνοι µικροκυµάτων, φωτοαντιγραφικά, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, εκτυπωτές κ.α Οι επιπτώσεις των αρµονικών συνδέονται είτε µε την αύξηση του πλάτους είτε της ενεργού τιµής είτε του φάσµατος τόσο της τάσης όσο και της έντασης. Οι επιπτώσεις αυτές επισηµάνθηκαν σε µία δηµοσίευση της οµάδας εργασίας της ΙΕΕΕ πάνω στις επιπτώσεις των αρµονικών, ΙΕΕΕ Task Force on the Effects of Harmonics on Equipment (IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 2, April 1993). Σύµφωνα µε αυτήν, εξαιτίας των αρµονικών ενδέχεται να λειτουργήσουν λανθασµένα συσκευές προστασίας ειδικά αυτές που χρησιµοποιούν θερµικά µοντέλα. Αν ο υπολογισµός της ενεργού τιµής της έντασης γίνεται ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 5

Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ χρησιµοποιώντας τη µέγιστη τιµή της κυµατοµορφής της, αυξάνεται η πιθανότητα λάθους και ανεπιθύµητης λειτουργίας της προστασίας. Για τον ίδιο λόγο λάθη παρουσιάζονται σε µετρητικές συσκευές. Οι πυκνωτές είναι επίσης ευαίσθητοι στις αρµονικές ιδιαίτερα αν η συχνότητα συντονισµού του συνδυασµού πυκνωτή και δικτύου παροχής µέχρι το σηµείο σύνδεσης είναι ίδια µε την αρµονική που παράγεται από το φορτίο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες προκαλείται συντονισµός, αύξηση του µεγέθους της αρµονικής, υπερθέρµανση του πυκνωτή και ενδεχοµένως καταστροφή του διηλεκτρικού του υλικού και τελικά αποσύνδεσή του. Οι αρµονικές επίσης προκαλούν υπερφόρτιση και αυξάνουν τις δονήσεις και το θόρυβο σε µετασχηµατιστές, ηλεκτρικές µηχανές και πίνακες χαµηλής τάσης. Μακροχρόνια λοιπόν προκαλούν γήρανση αυτών. Στην περίπτωση τέλος των µη γραµµικών φορτίων οι αρµονικές υπερθερµαίνουν τον αγωγό του ουδετέρου καθώς προστίθενται και δίνουν ρεύµατα σε αρκετές περιπτώσεις πολύ µεγαλύτερα από αυτά των φάσεων. Αν τα ρεύµατα γραµµής δηλαδή είναι έντονα ασυνεχή, το ρεύµα του ουδετέρου µπορεί να φτάσει την τιµή I = 3Iph. Ας δούµε για παράδειγµα την επίδραση που N έχουν οι µονοφασικοί ανορθωτές µε διόδους στο ρεύµα ουδετέρου, θεωρώντας ότι αυτοί είναι ίδιοι σε κάθε φάση (σχήµα 1.2). Σχήµα 1.2 Τριφασικό σύστηµα τεσσάρων αγωγών ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 6

Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Θεωρώντας τη φάση α, το i a µπορεί να γραφεί ως συνάρτηση της θεµελιώδους συχνότητας και των περιττών αρµονικών της (οι άρτιες αρµονικές είναι µηδέν), των οποίων οι ενεργές τιµές Is 1 και Is h είναι ίδιες και στις τρεις φάσεις: i a = i a1 + iah = 2I S1 sin( ω 1t φ1) + 2I sh sin( ωht φh ) h= 2k+ 1 h= 2k+ 1 όπου k=1,2,3 Θεωρώντας τριφασική συµµετρική τροφοδοσία από το δίκτυο και ίδια φορτία, τα ρεύµατα στις φάσεις b και c µετατοπίζονται κατά 120 ο και 240 ο αντίστοιχα, στη θεµελιώδη συχνότητα του δικτύου. Εποµένως, i b και = 2I o o S1 sin( ω 1t φ1 120 ) + 2I sh sin( ωht φh 120 h) h= 2k+ 1 i c = 2I o o S1 sin( ω 1t φ1 240 ) + 2I sh sin( ωht φh 240 h) h= 2k+ 1 Αυτά τα φασικά ρεύµατα προστίθενται στον ουδέτερο αγωγό και έτσι εφαρµόζοντας τον νόµο του Kirchhoff στον κόµβο n έχουµε: i = i + i + i n a b c Συνδυάζοντας όλες τις παραπάνω εξισώσεις, οι µη τριπλές αρµονικές και η θεµελιώδης συχνότητα έχουν άθροισµα µηδέν, ενώ οι τριπλές αρµονικές έχουν άθροισµα το τριπλάσιο των τιµών γραµµής. Εποµένως, i n = 3 = h 3(2k 1) 2I sh sin( ω t φ ) h h ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 7

Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ενώ για τις ενεργές τιµές ισχύει: I n = I sh 3( h= 3(2k 1) 2 1/ 2 ) και επειδή η τρίτη αρµονική κυριαρχεί έναντι των άλλων αρµονικών µπορούµε να θεωρήσουµε ότι I n 3I s3 Έτσι λοιπόν, σε µεγάλα εµπορικά κτίρια και κτίρια γραφείων που απαρτίζονται κατά κύριο λόγο από µη γραµµικά φορτία, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στη διαστασιολόγηση του ουδέτερου αγωγού γιατί το ρεύµα που φέρει µπορεί να είναι αρκετά µεγάλο. Παράλληλα οι µετρήσεις είναι απαραίτητες για τη συλλογή στοιχείων τα οποία είτε θα δώσουν στατιστικά την εικόνα της λειτουργίας του συστήµατος είτε θα εντοπίσουν ένα πρόβληµα και θα συνεισφέρουν στη λύση του. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 8

Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.3 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Αντικείµενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η διερεύνηση αρµονικών ρευµάτων σε κτίρια γραφείων. Συγκεκριµένα έγιναν µετρήσεις στη συνολική παροχή των µετασχηµατιστών ισχύος των υποσταθµών του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής καθώς και του κτιρίου ιοίκησης του ΑΠΘ µε τη βοήθεια του ηλεκτρονικού οργάνου TOPAS 1000. Επίσης έγιναν µετρήσεις στον ηλεκτρικό πίνακα του Εργαστηρίου Ηλεκτρικών Μηχανών στον 5 ο όροφο του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής µε τη βοήθεια του ηλεκτρονικού οργάνου FLUKE 433. Πρόκειται στην ουσία για δύο τριφασικούς αναλυτές ενέργειας και ποιότητας τάσης, µε διαφορετικές δυνατότητες ο ένας από τον άλλο, οι οποίες θα περιγραφούν στη συνέχεια. Μετρήθηκαν τάσεις και ρεύµατα φάσεων και ουδετέρου, έγινε ανάλυση των αρµονικών αυτών και εξήχθησαν κάποια συµπεράσµατα. Οι µετρήσεις αφορούν µη γραµµικά φορτία και συγκεκριµένα λαµπτήρες φθορισµού και ηλεκτρονικούς υπολογιστές. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 9

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 10

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 2.1 LEM Topas 1000 Power Quality Analyser 2.1.1 Γενικά Οι µετρήσεις και στους δύο υποσταθµούς έγιναν µε τη βοήθεια του ηλεκτρονικού οργάνου TOPAS 1000 της αυστριακής εταιρίας LEM NORMA GmbH. Πρόκειται για µία συσκευή η οποία έχει δυνατότητα καταγραφής των διαφορετικών συνιστωσών της ποιότητας ισχύος καθώς και επικοινωνία µε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Κατά συνέπεια παρέχει τη δυνατότητα εντοπισµού προβληµάτων και εύρεσης των κατάλληλων πληροφοριών για τη λύση τους. Αποτελείται από 8 ηλεκτρικά µονωµένες εισόδους οι οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για οποιαδήποτε µέτρηση ρεύµατος και τάσης. Τροφοδοτείται από δίκτυο εναλλασσόµενης τάσης συχνότητας 45-65Hz και πλάτους 100-240V. Τέλος εξωτερικά έχει ένα διακόπτη εκκίνησης καταγραφής ON/OFF και 9 λαµπάκια (LED) ενδείξεων εκ των οποίων το ένα αποτελεί ένδειξη της τροφοδοσίας του οργάνου ενώ τα υπόλοιπα 8 ενδείξεις οµαλής λειτουργίας των καναλιών. Σχήµα 2.1.1 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 11

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Οι διαστάσεις του TOPAS είναι 300x325x65mm 3 και ζυγίζει περίπου 4Kg. Τοποθετείται σε κατακόρυφη θέση όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήµα και σε θερµοκρασία περιβάλλοντος 5 40 ο C. Έχει βαθµό προστασίας IP65. Τέλος έχει δυνατότητα καταγραφής µετρήσεων αρκετά µεγάλης χρονικής διάρκειας καθώς διαθέτει µνήµη µεγαλύτερη από 420ΜΒ. Το λογισµικό του TOPAS είναι συµβατό µε Windows 98,W2000,XP,Windows NT. 2.1.2 Προγραµµατισµός του TOPAS Η συσκευή συνδέεται µε Η/Υ τόσο για τη ρύθµιση των διαφόρων παραµέτρων µέσω ενός λογισµικού όσο και µετά την µέτρηση για τη µεταφορά των δεδοµένων στον Η/Υ και την µετέπειτα επεξεργασία τους µε σκοπό την εξαγωγή συµπερασµάτων. Η επικοινωνία του Η/Υ µε το TOPAS µπορεί να γίνει είτε µε το πρωτόκολλο σειριακής επικοινωνίας RS232 ή µε το πρωτόκολλο Ethernet για ταχύτερη µεταφορά δεδοµένων. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 12

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Αφού επιτευχθεί η επικοινωνία (συνήθως µέσω Ethernet και έχοντας εισάγει τον κωδικό αριθµό της συσκευής), επιλέγουµε από το µενού Measurements Settings και ανοίγει ένα παράθυρο που περιλαµβάνει όλες τις ρυθµίσεις που απαιτούνται για να γίνει η µέτρηση. Επιλέγουµε χειροκίνητη ρύθµιση (manual) και καθορίζουµε µε τη σειρά όλα τα χαρακτηριστικά της µέτρησης όπως τι θα µετράει το κάθε κανάλι, το trigger κλπ. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 13

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Nominal/Limit Values Στο παρακάτω παράθυρο δηλώνονται οι ονοµαστικές και οι οριακές τιµές των διάφορων µεγεθών προς µέτρηση. CBEMA View Με τη βοήθεια του κόκκινου κέρσορα µπορούν να επιλεχθούν ή να τροποποιηθούν τα όρια των κανονισµών CBEMA ή ANSI. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 14

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Start/Stop Σε αυτό το παράθυρο δηλώνονται η αρχική και η τελική χρονική στιγµή της µέτρησης. Hardware Settings Στο συγκεκριµένο παράθυρο αντιστοιχίζουµε σε κάθε κανάλι την µετρούµενη ποσότητα. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 15

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Memory Management Ρυθµίζει το µέγιστο αριθµό των Mbytes που θα καταλαµβάνουν τα δεδοµένα κάθε είδους. Εξασφαλίζεται έτσι µε αυτόν τον τρόπο ότι δε θα χαθούν σηµαντικά δεδοµένα. Recording Modes ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 16

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ hold off: χρόνος που µεσολαβεί από το τέλος µιας καταγραφής µέχρι το επόµενο trigger Recording time: διάρκεια καταγραφής από τη στιγµή που συµβαίνει ένα φαινόµενο. Pretrigger: ορίζει το χρόνο που καταγράφεται µέχρι να συµβεί το trigger. Quantity: µέγιστος αριθµός των φαινοµένων που καταγράφονται. Trigger Settings Υπάρχει η δυνατότητα τόσο αυτόµατου όσο και χειροκίνητου trigger. Με το αυτόµατο trigger το TOPAS 1000 καταγράφει τα µεγαλύτερα events η διάρκεια των οποίων εξαρτάται από τη στιγµή της µέτρησης και µπορεί να είναι από 5 έως 35 λεπτά. Τέλος τα events καταγράφονται σε µία λίστα η οποία περιλαµβάνει τα παρακάτω: Recordings Parameter Hold off 10 sec RMS Recording time 10 sec with 20ms hold off Pretrigger 1sec Hold off 10 sec Oscilloscope Recording time 320ms Pretrigger 40ms Hold off 10 sec Transients Recording time 1024 values with 500 khz sampling rate Pretrigger 128 values Hold off 10 sec 3sec values Recording time 75 sec Pretrigger 15 sec Όλες οι παραπάνω ρυθµίσεις γίνονται αυτόµατα από το TOPAS και µάλιστα οι παράµετροι του trigger καθορίζονται κατά την πρώτη περίοδο λειτουργίας του. Όσον αφορά τη χειροκίνητη ρύθµιση του trigger αυτή γίνεται όπως φαίνεται στα παράθυρα που ακολουθούν. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 17

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 18

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 19

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 20

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 2.1.3 Σύνδεση του TOPAS 1000 στο δίκτυο µετρήσεων Η συνδεσµολογία του TOPAS 1000 έγινε όπως φαίνεται στο σχήµα 2.1.3. Σχήµα 2.1.3 Η συσκευή συνδέθηκε στο δευτερεύον του ΜΣ ισχύος του υποσταθµού, ο οποίος βρίσκεται στο υπόγειο του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής. Μετρήθηκαν τα ρεύµατα και οι τάσεις των 3 φάσεων και του ουδετέρου κατά τη διάρκεια µίας εβδοµάδας και έπειτα έγινε αποσύνδεση του οργάνου για τη µεταφορά των δεδοµένων και την επεξεργασία τους στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η ίδια διαδικασία ακριβώς ακολουθήθηκε και στον υποσταθµό του Κτιρίου ιοίκησης. Κατά τη διάρκεια των µετρήσεων στους µετασχηµατιστές, ελήφθησαν όλα τα απαιτούµενα µέτρα προστασίας. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 21

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 2.1.4 Μεταφορά και Ανάλυση δεδοµένων Για να αρχίσει η µεταφορά των δεδοµένων πρέπει πρώτα να επιτευχθεί η επικοινωνία µεταξύ του ηλεκτρονικού υπολογιστή και του TOPAS 1000 όπως περιγράφηκε στην αρχή της παραγράφου 2.1.2. Έπειτα επιλέγουµε από το µενού Transfer Download Measurement Data και αποθηκεύουµε τις µετρήσεις σε κάποια µονάδα αποθήκευσης. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 22

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Όταν θελήσουµε να αναλύσουµε µία µέτρηση που έχουµε κάνει, από το µενού επιλέγουµε File Open, βρίσκουµε τη µέτρηση και εφόσον ανοίξουµε το αρχείο.def εµφανίζεται το παρακάτω βασικό παράθυρο του software του TOPAS. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 23

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Οι δύο κατακόρυφες κόκκινες γραµµές αποτελούν στην ουσία δύο κέρσορες, η µετακίνηση των οποίων δεξιά και αριστερά οριοθετεί µία χρονική περιοχή δεδοµένων, τα οποία θέλουµε να αναλύσουµε. Τα υπόλοιπα εικονίδια µε τη σειρά εξηγούνται στη συνέχεια. Λαµβάνονται τιµές µε χρονική διαφορά µιας ηµέρας. Τύπος ανάλυσης ο οποίος περιλαµβάνει στην ουσία µία γρήγορη «γραφική περίληψη» των µετρούµενων µεγεθών. Ο χρόνος που µεσολαβεί µεταξύ των µετρήσεων ποικίλει. Ο χρόνος που µεσολαβεί µεταξύ δύο µετρήσεων είναι 10 λεπτά. καταγράφονται υπερτάσεις, βυθίσεις τάσεις, και µεταβατικά. γίνεται καταγραφή µετρήσεων κάθε 3 δευτερόλεπτα. καταγράφονται rms τιµές. Γίνεται καταγραφή µεταβατικών φαινοµένων για συχνότητες 100kHz-10MHz. zoom in (στην περιοχή που ορίζεται από τους κόκκινους κέρσορες) zoom out εµφάνιση όλων των καταγραφών κατά τη διάρκεια της µέτρησης διαγραφή δεδοµένων που βρίσκονται ανάµεσα στους κέρσορες ανασυγκρότηση δεδοµένων µετά τη διαγραφή. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 24

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 1. Oscilloscope analysis Από το κεντρικό παράθυρο του προγράµµατος επιλέγω oscilloscope και ανοίγει η αντίστοιχη φόρµα. Ακολουθώντας τα παρακάτω βήµατα µπορώ να δω, για το χρονικό διάστηµα που έχω επιλέξει, κυµατοµορφές τάσεων και ρευµάτων, φασικές και πολικές καθώς επίσης και την ανάλυση αυτών σε αρµονικές µέσω του µετασχηµατισµού Fourier. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 25

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Κάνοντας κλικ στο εικονίδιο της παραπάνω γραµµής εργαλείων, εµφανίζονται, στο παρακάτω παράθυρο, όλες οι τιµές για το συγκεκριµένο φυσικό µέγεθος ή τα µεγέθη που θέλω να µελετήσω, για την χρονική διάρκεια που έχω επιλέξει ( Τ=0.000156sec). Επιλέγοντας από το µενού File Export Excel, περνάω όλες τις τιµές σε ένα φύλλο excel για περαιτέρω επεξεργασία. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 26

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 2. 3sec/10min analysis Επιλέγοντας από το κεντρικό παράθυρο του προγράµµατος την ανάλυση των 3 δευτερολέπτων ή των 10 λεπτών, εµφανίζεται το ακόλουθο παράθυρο. Οι συγκεκριµένες µορφές ανάλυσης περιέχουν, σε αντίθεση µε την προηγούµενη που περιγράφηκε, καταγραφές τόσο τάσεων και ρευµάτων(µε τη διαφορά όµως ότι οι καταγραφές γίνονται κάθε 3 δευτερόλεπτα ή κάθε 10 λεπτά), όσο και ενεργού-άεργου ισχύος(w,var) καθώς και αρµονικής παραµόρφωσης (THD). ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 27

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 3. Rms analysis Με αυτό τον τύπο ανάλυσης µπορούµε να δούµε εκτός από τα µεγέθη που περιγράφηκαν στις δύο προηγούµενες µορφές ανάλυσης, µεταβολή του συντελεστή ισχύος µε το χρόνο, όπως φαίνεται στο παρακάτω παράθυρο. Οι µετρήσεις λαµβάνονται µε ένα Τ=0,000156sec. Γίνεται λοιπόν κατανοητό ότι αν θέλουµε να δούµε πώς µεταβάλλεται ένα µέγεθος κατά τη διάρκεια µίας ηµέρας πρέπει να κάνουµε µετά από την µεταφορά των τιµών στο excel, δειγµατοληψία, µία αρκετά χρονοβόρα διαδικασία. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 28

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 2.2 FLUKE 433/434 Πρόκειται, όπως και το TOPAS 1000, για ένα τριφασικό αναλυτή της ποιότητας ισχύος. Είναι µε άλλα λόγια ένα ψηφιακό όργανο(σχήµα 2.2.1), το οποίο παρέχει στον χρήστη τη δυνατότητα µέτρησης ισχύος, τάσεων, ρευµάτων και αρµονικών αυτών. ιαθέτει µάλιστα απευθείας γραφική απεικόνιση των µετρήσεων αυτών στην οθόνη του, κατά τη διάρκεια της µέτρησης, καθώς και εύκολη σύνδεση µε υπολογιστή για τη µεταφορά δεδοµένων, ένα πλεονέκτηµα που το καθιστά σαν όργανο περισσότερο εύχρηστο από το TOPAS 1000. Μειονέκτηµα αποτελεί βέβαια το γεγονός ότι διαθέτει µικρή µνήµη και συνεπώς δεν µπορεί να καταγράψει µετρήσεις για διάρκεια µιας εβδοµάδας όπως το TOPAS. Σχήµα 2.2.1 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 29

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Η συνδεσµολογία του FLUKE δίνεται στο σχήµα 2.2.2 Σχήµα 2.2.2 Στην παρούσα διπλωµατική εργασία, το FLUKE χρησιµοποιήθηκε για την µέτρηση ρευµάτων λαµπτήρων φθορισµού και ηλεκτρονικών υπολογιστών. Η µέτρηση πραγµατοποιήθηκε στο εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών στον όροφο του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής, στον ηλεκτρικό πίνακα. Σε επόµενο κεφάλαιο δίνεται αναλυτικά η επεξήγηση των µετρήσεων. 5 ο ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 30

Κεφάλαιο 2 ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 31

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Στο συγκεκριµένο κεφάλαιο γίνεται µία θεωρητική προσέγγιση των λαµπτήρων φθορισµού και των ηλεκτρονικών υπολογιστών, δύο κατηγορίες µη γραµµικών φορτίων µε ευρεία χρήση στην καθηµερινότητα. Παράλληλα παραθέτονται κάποια στοιχεία για τα φορτία αυτά από παλαιότερες µελέτες. Τέλος δίνεται περιγραφή των µετρήσεων που έγιναν σε φωτιστικά σώµατα, που λειτουργούσαν µε λαµπτήρες φθορισµού, και ηλεκτρονικούς υπολογιστές στο Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στον 5 ο όροφο του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής του ΑΠΘ, καθώς και τα αποτελέσµατα των µετρήσεων αυτών. 3.1 ΛΑΜΠΤΗΡΕΣ ΦΘΟΡΙΣΜΟΥ 3.1.1 Γενικά Χαρακτηριστικά Λαµπτήρων Φθορισµού Η χρήση λαµπτήρων φθορισµού σε φωτιστικά σώµατα έχει εκτοπίσει σε πολλές εγκαταστάσεις φωτισµού τους λαµπτήρες πυράκτωσης, εξαιτίας της χαµηλής κατανάλωσης που έχουν οι πρώτοι έναντι των δεύτερων. Συγκεκριµένα, η απορροφούµενη ισχύς τους είναι 4 65W. Τα βασικά µέρη ενός φωτιστικού σώµατος µε λαµπτήρα φθορισµού (υδραργύρου χαµηλής πίεσης), αναπαριστώνται στο σχήµα 3.1.1. Σχήµα 3.1.1 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 32

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Κατασκευαστικά ο λαµπτήρας φθορισµού αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια τοποθετηµένα µέσα σε σωλήνα και επικαλυµµένα µε φώσφορο. Ο σωλήνας περιέχει ατµούς υδραργύρου σε χαµηλή πίεση (10-2 bar) και τα ηλεκτρόδια συνδέονται µεταξύ τους µε νήµατα τα οποία θερµαίνονται όταν ενεργοποιηθεί ο εκκινητής. Ο εκκινητής (starter) περιέχει µία επαφή σε αέριο χαµηλής πίεσης, σε σειρά µε ένα διµεταλλικό έλασµα. Όταν κλείσει ο διακόπτης που τροφοδοτεί τον λαµπτήρα, η τάση των 230V εφαρµόζεται στον εκκινητή. ηµιουργείται εκεί εκκένωση αίγλης που θερµαίνει το έλασµα και κλείνει η επαφή του εκκινητή. Τότε περνά µέσα από τα νήµατα των επαφών του λαµπτήρα φθορισµού ένα ισχυρό ρεύµα. Στη συνέχεια το διµεταλλικό έλασµα επανέρχεται στην αρχική του θέση, εφόσον δεν υπάρχει πλέον η εκκένωση αίγλης, και ο εκκινητής ανοίγει. Η υπέρταση που επάγεται στο πηνίο (Ldi/dt) προκαλεί την έναυση του λαµπτήρα. Μετά την έναυση, η τάση κατά µήκος του λαµπτήρα είναι µικρή 40-100V. Αυτή η τάση δεν αρκεί για να ανάψει τον εκκινητή ξανά. Η τάση στην στάσιµη κατάσταση είναι µειωµένη έναντι της τάσης του δικτύου κατά την πτώση τάσης στο πηνίο (ballast). Τυπικές τιµές της τάσης εκκένωσης για λαµπτήρες των 230V φαίνονται παρακάτω: Ισχύς (W) 6 20 40 65 Τάση (V) 38 54 93 97 Η τάση που υπολείπεται µέχρι τα 230V εφαρµόζεται στο πηνίο σταθεροποίησης. Ο εκκινητής έχει πυκνωτή 0,1µF παράλληλα στους ακροδέκτες του για αποφυγή παρασίτων. Επίσης, εξαιτίας του επαγωγικού χαρακτήρα του κυκλώµατος του φωτιστικού σώµατος, τοποθετείται παράλληλα στον λαµπτήρα φθορισµού πυκνωτής για διόρθωση του συντελεστή ισχύος. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 33

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Συνδεσµολογία λαµπτήρων φθορισµού Ο λαµπτήρας έχει µία µικρή ταλάντωση στη φωτεινότητά του λόγω των 50Hz της τάσης. Αυτή η ταλάντωση γίνεται αισθητή σε µερικά άτοµα, ιδίως σε πολλούς παράλληλους λαµπτήρες. Πρόκειται για το λεγόµενο στροβοσκοπικό φαινόµενο. Για την αναίρεση αυτού, προτιµάται η σύνδεση DUO (σχήµα 3.1.2) κατά την οποία οι µισοί λαµπτήρες συνδέονται επαγωγικά και οι άλλοι µισοί χωρητικά. Τα ρεύµατα έτσι έχουν διαφορά φάσης 180 ο. Σχήµα 3.1.2 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 34

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 3.1.2 Προγενέστερες µελέτες σε κυκλώµατα που τροφοδοτούν λαµπτήρες φθορισµού. Σε ένα τριφασικό σύστηµα τεσσάρων αγωγών, κάτω από κανονικές συνθήκες λειτουργίας µε τα φορτία ισοσταθµισµένα στις τρεις φάσεις, το ρεύµα στον ουδέτερο αγωγό αναµένεται µικρό, χωρίς να ξεπερνάει το 20% του ρεύµατος του φορτίου στις φάσεις. Ωστόσο, το πρόβληµα υψηλού ρεύµατος στον ουδέτερο αγωγό σε τριφασικά συστήµατα συνήθως ανακύπτει, σε κυκλώµατα που τροφοδοτούν κατά βάση φορτία λαµπτήρων φθορισµού. Σύµφωνα µε µία δηµοσίευση το 1989 του AH-CHOY LIEW, µέλους της ΙΕΕΕ, µε τίτλο Excessive Neutral Currents in Three-Phase Fluorescent Lighting Circuits (στη βιβλιογραφία της παρούσας διπλωµατικής δίνονται στοιχεία του περιοδικού στο οποίο έγινε η δηµοσίευση), στην περίπτωση λαµπτήρων φθορισµού µε επαγωγικά ballasts που λειτουργούν στις ονοµαστικές τους τιµές, αναµένονται υψηλά ρεύµατα 3 ης αρµονικής τόσο στις φάσεις όσο και στον ουδέτερο. Αντίθετα µε τις άλλες συχνότητες, οι τριπλές αρµονικές είναι συµφασικές και έτσι αθροίζονται αλγεβρικά στον ουδέτερο αγωγό. Μετρήσεις σε διάφορες εγκαταστάσεις έδειξαν ότι η 3 η αρµονική στο φασικό ρεύµα µπορεί να φτάσει το 25-64% της θεµελιώδους αρµονικής δίνοντας έτσι στον ουδέτερο ρεύµατα από 75 έως 157% των ρευµάτων των φάσεων. Αυτά τα υψηλά ρεύµατα οφείλονται, όπως παρατήρησε, σε τρεις κυρίως παράγοντες: Μεταβολές στη συχνότητα των 50Hz λόγω ασυµµετρίας των φάσεων Αρµονικές 3 ης τάξης λόγω της µη γραµµικότητας των λαµπτήρων φθορισµού και του κορεσµού των µπάλαστ Παραµόρφωση της τάσης τροφοδοσίας λόγω τριπλών αρµονικών, οι οποίες προκαλούν υψηλά ρεύµατα καθώς ρέουν µέσω πυκνωτών αντιστάθµισης. Συγκεκριµένα, ακόµη και µία τάση µε µικρή περιεκτικότητα σε 3 η αρµονική, δηµιουργεί ρεύµα το οποίο καθώς διαρρέει τους πυκνωτές τριπλασιάζεται, εφόσον η αντίδραση των πυκνωτών µειώνεται σε υψηλές συχνότητες (Χc=1/(3ωc)). ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 35

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Μία δεύτερη δηµοσίευση του 1995 µε τίτλο A Comprehensive Harmonic Study of Electronic Ballasts and Their Effect on a Utility s 12kV, 10MVA Feeder, είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα γιατί είναι η µόνη ίσως που πραγµατεύεται το φαινόµενο της συνεισφοράς του συνδυασµού φορτίων στην µείωση του περιεχοµένου του ρεύµατος σε αρµονικές. Συγκεκριµένα, µελετήθηκε η επίδραση που έχει ο συνδυασµός διαφορετικών τύπων µπάλαστ λαµπτήρων φθορισµού στο ρεύµα φάσης σε µονοφασικούς παράλληλους συνδυασµούς. Αναλυτικότερα: Όταν επαγωγικά µπάλαστ χρησιµοποιήθηκαν σε παράλληλη σύνδεση, η συνολική αρµονική παραµόρφωση του ρεύµατος (ITHD) παρέµεινε η ίδια. Ο συνδυασµός επαγωγικών και ηλεκτρονικών µπάλαστ, οδήγησε σε µείωση των αρµονικών και συγκεκριµένα η ολική αρµονική παραµόρφωση του ρεύµατος µειώθηκε από 20.25 σε 16.67%, παρόλο που η αρµονική παραµόρφωση των ηλεκτρονικών µπάλαστ ήταν µεγαλύτερη από αυτή των επαγωγικών (σχήµατα 3.1.3 και 3.1.4) Μία περαιτέρω µείωση της αρµονικής παραµόρφωσης σε 13.32% παρατηρήθηκε κατά τον συνδυασµό επαγωγικών, ηλεκτρονικών και µπάλαστ «νέας γενιάς» Σχήµα 3.1.3 Σχήµα 3.1.4 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 36

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 3.2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ 3.2.1 Γενικά χαρακτηριστικά ηλεκτρονικών υπολογιστών Το κύριο τµήµα του ηλεκτρονικού υπολογιστή στο οποίο οφείλεται η µη γραµµικότητά του ως φορτίο είναι το τροφοδοτικό (σχήµα 3.2.1). Τα τροφοδοτικά, συχνά αναφέρονται και σαν διακοπτικά τροφοδοτικά (switching power supply), αποτελούν τον συνδετικό κρίκο του ηλεκτρονικού υπολογιστή µε το δίκτυο παροχής ισχύος. Η λειτουργία τους συνίσταται στο να λαµβάνουν την εναλλασσόµενη τάση του δικτύου (230V, 50Hz) και να την µετατρέπουν σε συνεχή, DC τάση, η οποία θα χρησιµοποιηθεί στη συνέχεια από τα επιµέρους τµήµατα του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Στην πινακίδα του τροφοδοτικού µάλιστα φαίνονται τα επίπεδα τάσης στα οποία µπορεί να µετατραπεί το σήµα των 230V, 50Hz από το συγκεκριµένο τροφοδοτικό (σχήµα 3.2.2). Όπως φαίνεται στο σχήµα 3.2.3 ένα τυπικό τροφοδοτικό αποτελείται από τα παρακάτω µέρη: 3 µετασχηµατιστές (κίτρινοι) 2 κυλινδρικούς πυκνωτές τρανζίστορ διόδους για ανόρθωση του AC σήµατος και µετατροπή του σε DC Σχήµα 3.2.1 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 37

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Σχήµα 3.2.2 Σχήµα 3.2.3 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 38

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Όσον αφορά το κοµµάτι της ανόρθωσης, αυτή γίνεται µε µία ανορθωτική γέφυρα µε διόδους όπως δείχνει το παρακάτω σχήµα. Σχήµα 3.2.4 Η αυτεπαγωγή Ls αναπαριστά την αυτεπαγωγή του καλωδίου του υπολογιστή καθώς και το σύνολο των αυτεπαγωγών των καλωδίων µέχρι το σηµείο σύνδεσης του υπολογιστή µε την παροχή (πρίζα). Στην dc πλευρά υπάρχει ένας µεγάλος πυκνωτής εξοµάλυνσης Cd για µείωση της κυµάτωσης. Εξαιτίας της µεγάλης χωρητικότητάς του θεωρούµε ότι Vd(t)=Vd. Η τάση αυτή αποτελεί ταυτόχρονα dc τάση εισόδου σε διάφορους µετατροπείς dc-dc που συνδέονται στη συνέχεια για τροφοδοσία των επιµέρους τµηµάτων του υπολογιστή (µητρική πλακέτα, µνήµες, κάρτες, σκληρός δίσκος κ.α) Το ρεύµα γραµµής i S στην είσοδο της ανορθωτικής γέφυρας αποκλίνει σηµαντικά από µία ηµιτονοειδή κυµατοµορφή όπως φαίνεται από το παρακάτω διάγραµµα. Το παραµορφωµένο αυτό ρεύµα µπορεί να οδηγήσει σε παραµόρφωση της τάσης της γραµµής και έτσι έµµεσα να προκαλέσει δυσλειτουργία του ίδιου του ηλεκτρονικού υπολογιστή. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 39

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Σχήµα 3.2.5 Στην πραγµατικότητα, το ρεύµα εισόδου δε µηδενίζεται κατά τη διάρκεια της περιόδου όπως φαίνεται και στις µετρήσεις που ακολουθούν. Αυτό οφείλεται στο ότι στην είσοδο της ανορθωτικής γέφυρας τοποθετείται ένα φίλτρο (σχήµα 3.2.6) που κόβει τις αρµονικές του ρεύµατος σε υψηλές συχνότητες. Όταν λοιπόν δεν άγουν οι δίοδοι το ρεύµα περνά µέσα από τα επαγωγικά και χωρητικά στοιχεία του φίλτρου και έτσι έχουµε ένα µικρό i s σε κάθε περίοδο της κυµατοµορφής. Σχήµα 3.2.6 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 40

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 3.2.2 Προγενέστερες µελέτες σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές Όπως µε τους λαµπτήρες φθορισµού, έτσι και µε τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές κατά καιρούς έγιναν αρκετές µελέτες για την ανάλυση των ρευµάτων και τάσεων αυτών. Σύµφωνα λοιπόν µε µία δηµοσίευση του 1997 µε τίτλο Power Quality Characteristics of Computer Loads, σε περιοδικό της ΙΕΕΕ, οι Don O Koval και Clive Carter κάνοντας µετρήσεις σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή και στον ηλεκτρικό πίνακα που τροφοδοτούσε πολλούς υπολογιστές παρατήρησαν τα εξής: Η ολική αρµονική παραµόρφωση του ρεύµατος ενός υπολογιστή έφτανε το 110% περίπου ενώ η µέτρηση στον ηλεκτρικό πίνακα που τροφοδοτούσε πέντε ίδιους ηλεκτρονικούς υπολογιστές ήταν 700%, κάτι αξιοπερίεργο που απαιτούσε περαιτέρω µελέτη όπως επισήµαναν και οι ίδιοι. Η κυρίαρχη αρµονική στο ρεύµα φάσης ήταν η 3 η ακολουθούµενη από την 5 η αρµονική σε ποσοστά που φαίνονται στο σχήµα 3.2.6. Όσον αφορά την τάση του ουδετέρου, κυρίαρχες αρµονικές ήταν η 3 η και η 9 η. Σχήµα 3.2.7 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 41

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 3.3 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΛΑΜΠΤΗΡΩΝ ΦΘΟΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 3.3.1 Λήψη Μετρήσεων Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούµενη παράγραφο, για την ανάλυση των ρευµάτων λαµπτήρων φθορισµού και ηλεκτρονικών υπολογιστών, έγιναν µετρήσεις στο Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών που βρίσκεται στον 5 ο όροφο του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής του ΑΠΘ. Η µέτρηση έγινε µε τη βοήθεια του ηλεκτρονικού οργάνου FLUKE 433/434. Οι τρεις φάσεις του εργαστηρίου τροφοδοτούσαν µια πληθώρα φορτίων. Ωστόσο κατάλληλη για µέτρηση κρίθηκε η πρώτη φάση στην οποία ήταν συνδεδεµένα µόνο φωτιστικά σώµατα του εργαστηρίου και ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής. Το κάθε φωτιστικό σώµα είχε δύο λαµπτήρες φθορισµού (2x36W). Αρχικά µετρήθηκε το ρεύµα της φάσης L1 µε µοναδικό φορτίο τρία φωτιστικά σώµατα. Η κυµατοµορφή τάσης και ρεύµατος της L1 καθώς και η ανάλυση σε αρµονικές που δόθηκαν από το µετρητικό όργανο, φαίνονται παρακάτω. Σχήµα 3.3.1 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 42

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Όπως βλέπουµε από το παραπάνω σχήµα, το ρεύµα των 3 φωτιστικών σωµάτων (3x(2x36W)) περιέχει εκτός από τη θεµελιώδη αρµονική των 50Hz και ένα µεγάλο ποσοστό τρίτης αρµονικής µε ενεργό τιµή 0,3Α και όρισµα -41 ο. Η ενεργός τιµή του συνολικού ρεύµατος της φάσης L1 είναι 1,6Α όπως φαίνεται από την παραπάνω κυµατοµορφή. Η πρώτη αρµονική έχει ενεργό τιµή 1,5Α και όρισµα -18 ο.επίσης υπάρχει και ένα µικρό ποσοστό 7 ης και 9 ης αρµονικής. Όσον αφορά το ρεύµα του ουδετέρου, είχε ενεργό τιµή 3,8Α (σχήµα 3.3.2). Στον ουδέτερο αθροίζονταν και οι αρµονικές των δύο άλλων φάσεων εκ των οποίων η L2 τροφοδοτούσε φορτία άλλου ορόφου και η φάση L3 φωτιστικά σώµατα του εργαστηρίου που όµως δεν ήταν συνδεδεµένα κατά τη διάρκεια της µέτρησης. Έτσι πρακτικά η φάση L3 δεν έφερε ρεύµα. ουλεύοντας λοιπόν στην ουσία µόνο µε τη φάση L1, έγινε συνδυασµός φορτίων για να διαπιστωθεί η επίπτωση που αυτά έχουν στο ρεύµα του ουδετέρου. Σχήµα 3.3.2 Λαµβάνοντας λοιπόν από το όργανο µέτρησης ενεργές τιµές και ορίσµατα των αρµονικών της φάσης L1 και του ουδετέρου για διάφορους συνδυασµούς φορτίων, στη συνέχεια έγινε επεξεργασία αυτών στο excel. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 43

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 3.3.2 Ανάλυση στο EXCEL Μέτρηση ρευµάτων µε 3x(2x36W) φωτιστικά σώµατα στη φάση L1 Σε όλους τους πίνακες που ακολουθούν, µε Ihi παριστάνεται η ενεργός τιµή κάθε αρµονικής και φi η φάση αυτής (ως προς την πρώτη αρµονική της τάσης) όπως µετρήθηκαν µε το όργανο µέτρησης. Ii(t)= 2 *Ihi*sin(iωt+φi) Εισάγοντας την παραπάνω συνάρτηση στο excel για κάθε περιττή αρµονική (i=3,5,7..) και για ένα δt=0,000156sec παίρνουµε την κυµατοµορφή του ρεύµατος της φάσης L1 και των αρµονικών αυτής για µία περίοδο T=20msec. Η ενεργός τιµή του συνολικού ρεύµατος της φάσης L1 καθώς και η µορφή της κυµατοµορφής του όπως προέκυψαν από το excel, συµφωνούν µε αυτά του οργάνου. Το σύνολο των µετρήσεων αναλυτικά υπάρχει στο cd που συνοδεύει τη παρούσα διπλωµατική. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.1 ΦΑΣΗ L1 t φ1 Ιh1 φ3 Ιh3 φ7 Ιh7 φ9 Ιh9 Itot -18 1,5-41 0,3 150 0,1-18 0,1 0,000156 0-0,656-0,278 0,0707-0,044-0,907 0,000156-0,556-0,228 0,0254 0,0179-0,741 0,000312-0,455-0,174-0,023 0,0761-0,575 0,000468-0,353-0,115-0,068 0,1197-0,417.... 0,0195-0,963-0,393 0,1412-0,14-1,355 0,019656-0,869-0,366 0,1355-0,136-1,235 0,019812-0,773-0,33 0,114-0,106-1,096 0,019968-0,676-0,288 0,0791-0,056-0,94 Irms(A) 1,501 0,301 0,100 0,100 1,538 ιάγραµµα 3.3.1 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 44

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.2 ΟΥ ΕΤΕΡΟΣ t φ1 Ιh1 φ3 Ιh3 φ7 Ιh7 φ9 Ιh9 Itot -170 3,8-52 0,6-297 0,1-11 0,2 0,000156 0-0,933-0,669 0,126-0,054-1,53 0,000156-1,191-0,585 0,1403 0,0697-1,566 0,000312-1,447-0,489 0,1382 0,1801-1,617 0,000468-1,698-0,382 0,12 0,256-1,704.... 0,0195-0,094-0,833-4E-15-0,283-1,209 0,019656-0,357-0,8 0,0476-0,26-1,369 0,019812-0,619-0,75 0,0896-0,187-1,467 0,019968-0,88-0,684 0,1212-0,079-1,522 Irms(A) 3,801 0,602 0,100 0,200 3,856 Ρεύµα Ουδετέρου 8 6 In(A) 4 2 0-2 Ih1 Ih3 Ih7 Ih9 Itotal -4-6 -8 ιάγραµµα 3.3.2 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 45

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.3 Μέτρηση ρευµάτων µε 1 Ηλεκτρονικό Υπολογιστή συνδεδεµένο στην L1 ΦΑΣΗ L1 t φ1 Ιh1 φ3 Ιh3 φ5 Ιh5 φ7 Ιh7 φ9 Ιh9 Itot 12 0,8 189 0,5 4 0,4 191 0,2 10 0,1 0,000156 0 0,2352-0,111 0,0395-0,054 0,0246 0,1347 0,000156 0,2892-0,212 0,1752-0,144 0,0817 0,1901 0,000312 0,3424-0,308 0,3004-0,218 0,1231 0,24 0,000468 0,3948-0,398 0,4077-0,266 0,141 0,2797.... 0,0195 0,0592 0,2185-0,371 0,2229-0,134-0,004 0,019656 0,1145 0,1176-0,256 0,1513-0,101 0,0257 0,019812 0,1695 0,0142-0,126 0,0621-0,049 0,0699 0,019968 0,2241-0,09 0,0111-0,034 0,0119 0,1232 Irms(A) 0,800 0,500 0,400 0,200 0,100 1,049 ιάγραµµα 3.3.3 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 46

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.4 ΟΥ ΕΤΕΡΟΣ t φ1 Ιh1 φ3 Ιh3 φ5 Ιh5 φ7 Ιh7 φ9 Ιh9 Itot -178 5,2-139 0,5-346 0,4-184 0,1-1 0,2 0,000156 0-0,257-0,464 0,1369 0,0099-0,005-0,579 0,000156-0,616-0,537 0,2659-0,038 0,1163-0,809 0,000312-0,975-0,599 0,3791-0,082 0,2152-1,061 0,000468-1,331-0,647 0,4696-0,116 0,273-1,351........ 0,0195 0,8962-0,171-0,291 0,1302-0,28 0,2839 0,019656 0,5376-0,27-0,165 0,104-0,236-0,03 0,019812 0,1776-0,363-0,029 0,0657-0,148-0,296 0,019968-0,183-0,448 0,1091 0,0198-0,03-0,532 Irms(A) 5,200 0,501 0,400 0,100 0,200 5,244 ιάγραµµα 3.3.4 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 47

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Μέτρηση ρευµάτων µε 3 ΦΣ(Φωτιστικά Σώµατα 3x(2x36W)) και 1 Η/Υ συνδεδεµένα στην L1 Όπως είδαµε παραπάνω, η δεύτερη µέτρηση περιελάµβανε µέτρηση των αρµονικών του ρεύµατος ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή ο οποίος ήταν συνδεδεµένος στη φάση L1. Στην µέτρηση που ακολουθεί, κρατώντας τον Η/Υ ανοιχτό, προστέθηκαν τρία φωτιστικά σώµατα στη φάση L1. Έτσι αθροίζοντας στο excel τις αρµονικές των δύο φορτίων (Η/Υ+3ΦΣ) προέκυψε το ρεύµα του ουδετέρου όπως φαίνεται στον πίνακα και το διάγραµµα που ακολουθεί. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.5 ΟΥ ΕΤΕΡΟΣ t φ1 Ιh1 φ3 Ιh3 φ5 Ιh5 φ7 Ιh7 φ9 Ιh9 Itot -171 3,73-100 0,52 17 0,35 163 0,2-6 0,3 0,000156 0-0,825-0,724 0,1447 0,0827-0,044-1,366 0,000156-1,079-0,735 0,2552-0,013 0,14-1,432 0,000312-1,331-0,73 0,3505-0,107 0,2976-1,521 0,000468-1,58-0,709 0,4248-0,189 0,3982-1,655... 0,0195 1E-14-0,587-0,232 0,2785-0,424-0,965 0,019656-0,258-0,646-0,119 0,2458-0,374-1,151 0,019812-0,516-0,69 0,0007 0,1844-0,252-1,274 0,019968-0,773-0,72 0,1208 0,1015-0,082-1,353 Irms(A) 3,731 0,523 0,350 0,200 0,300 3,801 ιάγραµµα 3.3.5 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 48

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Όπως βλέπουµε το ρεύµα του ουδέτερου αγωγού µειώθηκε από τα 5,24Α στα 3,8Α. Η παραπάνω επεξεργασία στο excel συµφωνεί και µε τα αποτελέσµατα της µέτρησης που δείχνουν µείωση του ρεύµατος του ουδετέρου όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραµµα. Ρεύµα Ουδετέρου 8 6 In(A) 4 2 0-2 -4 Itot Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9-6 -8 ιάγραµµα 3.3.6 Μέτρηση ρευµάτων µε 6 ΦΣ και 1Η/Υ συνδεδεµένα στη φάση L1 Στη συνέχεια προστέθηκαν άλλα 3 φωτιστικά σώµα στη φάση L1, εκ των οποίων το ένα δε λειτουργούσε όµως µπορεί να απορροφούσε ρεύµα λόγω του ballast. Έτσι λοιπόν έγινε επεξεργασία στο excel του ρεύµατος του ουδετέρου όταν στη φάση L1 ήταν συνδεδεµένα ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής και έξι φωτιστικά σώµατα. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.6 ΟΥ ΕΤΕΡΟΣ t φ1 Ιh1 φ3 Ιh3 φ5 Ιh5 φ7 Ιh7 φ9 Ιh9 Itot -155 3,3-82 0,6 17 0,3-197 0,2-1 0,2 0,000156 0-1,972-0,84 0,124 0,0827-0,005-2,611 0,000156-2,177-0,814 0,2188-0,013 0,1163-2,669 0,000312-2,377-0,77 0,3004-0,107 0,2152-2,738 0,000468-2,571-0,709 0,3641-0,189 0,273-2,832...... 0,0195-1,286-0,802-0,199 0,2785-0,28-2,289 0,019656-1,505-0,834-0,102 0,2458-0,236-2,432 0,019812-1,719-0,848 0,0006 0,1844-0,148-2,53 0,019968-1,93-0,843 0,1035 0,1015-0,03-2,599 Irms(A) 3,304 0,604 0,300 0,200 0,200 3,386 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 49

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ιάγραµµα 3.3.7 Αυτό που παρατηρήθηκε από την επεξεργασία των µετρήσεων είναι ότι µε την προσθήκη των επιπλέον 3ΦΣ στη φάση L1, το ρεύµα του ουδετέρου µειώθηκε ακόµη περισσότερο φτάνοντας τα 3,38Α. Συνεπώς, υπάρχει κάποια αλληλοαναίρεση των αρµονικών λαµπτήρων φθορισµού και ηλεκτρονικών υπολογιστών η οποία µελετήθηκε ακόµη πιο διεξοδικά όπως θα δούµε στη συνέχεια. Ισοζυγισµένα φορτία στις τρεις φάσεις Θεωρούµε τριφασικό σύστηµα τεσσάρων αγωγών στο οποίο η κάθε φάση φορτίζεται από ένα φωτιστικό σώµα (2x36W) και ένα ηλεκτρονικό υπολογιστή. Από τις µετρήσεις του ηλεκτρονικού οργάνου όµως έχουµε ενεργές τιµές των αρµονικών για το σύνολο των τριών φωτιστικών σωµάτων. Θεωρώντας λοιπόν, ότι το ρεύµα κάθε αρµονικής αυξάνεται αναλογικά µε τη ποσότητα των φωτιστικών σωµάτων υπολογίζουµε στο excel τις αρµονικές του ρεύµατος ενός φωτιστικού σώµατος σε κάθε φάση. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 50

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.7 1ΦΣ-ΦΑΣΗ L1 t φ1 Ιh1 φ3 Ιh3 φ7 Ιh7 φ9 Ιh9 Itot -18 0,5-41 0,1 150 0,03-18 0,03 0,000156 0-0,219-0,093 0,021-0,013-0,303 0,000156-0,185-0,076 0,008 0,005-0,248 0,000312-0,152-0,058-0,007 0,023-0,194 0,000468-0,118-0,038-0,021 0,036-0,141........ 0,038532-0,495-0,122-0,024 0,041-0,600 0,038688-0,470-0,131-0,011 0,033-0,579 0,038844-0,443-0,138 0,003 0,018-0,559 0,039-0,416-0,141 0,017 0,000-0,539 Irms(A) 0,500 0,100 0,030 0,030 0,513 Φάση L1 0,8 0,6 IL1(A) 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6-0,8 Itot I1 I3 I7 I9 ιάγραµµα 3.3.8 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 51

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Με αντίστοιχους υπολογισµούς στο excel για τις φάσεις L2, L3, µετατοπίζοντας τα ορίσµατα κατά ± i*120 ο, υπολογίζουµε τις αρµονικές των ρευµάτων. Φάση L2 0,8 0,6 IL2(A) 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6-0,8 Ih1 Ih3 Itot Ih7 Ih9 ιάγραµµα 3.3.9 Φάση L3 0,8 0,6 IL3(A) 0,4 0,2 0-0,2-0,4 Itot Ih1 Ih3 Ih7 Ih9-0,6-0,8 ιάγραµµα 3.3.10 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 52

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Έπειτα φορτίζουµε την κάθε φάση µε ένα µόνο ηλεκτρονικό υπολογιστή. Οι ενεργές τιµές των αρµονικών ρευµάτων και οι φάσεις τους φαίνονται στον παρακάτω πίνακα και απεικονίζονται στα διαγράµµατα που ακολουθούν. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.8 1Η/Υ-ΦΑΣΗ L1 t Ih1 φ1 Ih3 φ3 Ih5 φ5 Ih7 φ7 Ih9 φ9 Itot 0,8 12 0,5 189 0,4 4 0,2 191 0,1 10 0,000156 0 0,235-0,111 0,039-0,054 0,025 0,135 0,000156 0,289-0,212 0,175-0,144 0,082 0,190 0,000312 0,342-0,308 0,300-0,218 0,123 0,240 0,000468 0,395-0,398 0,408-0,266 0,141 0,280.......... 0,038532-0,282 0,666-0,445 0,030 0,105 0,073 0,038688-0,228 0,623-0,516 0,123 0,054 0,056 0,038844-0,173 0,568-0,557 0,201-0,007 0,032 0,039-0,118 0,500-0,564 0,256-0,066 0,007 Irms(A) 0,800 0,500 0,400 0,200 0,100 1,049 PC Current L1 4 3 IL1(A) 2 1 0-1 -2 Itot Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9-3 -4 ιάγραµµα 3.3.11 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 53

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ PC Current L2 IL2(A) 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Itot Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9 ιάγραµµα 3.3.12 PC Current L3 4 3 2 IL3(A) 1 0-1 Itot Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9-2 -3-4 ιάγραµµα 3.3.13 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 54

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Αυτό που µας ενδιέφερε είναι ο συνδυασµός φωτιστικών σωµάτων και ηλεκτρονικών υπολογιστών σε ένα τριφασικό σύστηµα και η συνεισφορά τους στο ρεύµα του ουδέτερου αγωγού. Γι αυτό αθροίζοντας διανυσµατικά τις επιµέρους αρµονικές ΦΣ και Η/Υ αποτελέσµατα. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.9 Ih1 1,26<0,5 ο Ih3 0,44<161 ο L1 Ih5 0,4<4 ο Ih7 0,22<-174 ο Ih9 0,13<3,65 ο Itot 1,17<8,3 ο Ih1 1,26<-119 ο Ih3 0,44<79 ο L2 Ih5 0,4<-116 ο Ih7 0,22<66 ο Ih9 0,13<-116 Itot 1,16<-125,3 ο Ih1 1,26<121 ο Ih3 0,44<-41 ο L3 Ih5 0,4<124 ο Ih7 0,22<-54 Ih9 0,13<124 Itot 1,16<114,7 ο Ih1 - Neutral Ih3 0,29<90 ο Ih5 - Ih7 - Ih9 0,0008<-86 ο Itot 0,289<89,9 ο για κάθε φάση έχουµε τα παρακάτω Neutral Current 3 2 In(A) 1 0-1 Itot N Ih3 Ih9-2 -3 ιάγραµµα 3.3.14 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 55

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Ρεύµα Φάσης L1 IL1(A) 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Itot L1 Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9 Ρεύµα Φάσης L2 IL2(A) 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Itot L2 Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9 Ρεύµα Φάσης L3 IL3(A) 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Itot L3 hi1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9 ιαγράµµατα 3.3.15-3.3.17 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 56

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Οι ενεργές τιµές όλων των αρµονικών των τριών φάσεων και του ουδετέρου φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.10 Ih1 1.258 A Ih3 0.443 A L1 Ih5 0.400 A Ih7 0.224 A Ih9 0.127 A Itot 1.416 A Ih1 1.264 A Ih3 0.443 A L2 Ih5 0.402 A Ih7 0.225 A Ih9 0.127 A Itot 1.418 A Ih1 1.264 A Ih3 0.443 A L3 Ih5 0.402 A Ih7 0.224 A Ih9 0.127 A Itot 1.417 A Ih1 - Neutral Ih3 1.328 A Ih5 - Ih7 - Ih9 0.382 A Itot 1.382 A Από πρακτικής απόψεως, θα µελετήσουµε τις επιπτώσεις του συνδυασµού λαµπτήρων φθορισµού και ηλεκτρονικών υπολογιστών στο ρεύµα του ουδετέρου για κάθε τύπο καλωδίου όπως δίνεται από τον παρακάτω πίνακα του κανονισµού ΕΛΟΤ HD384 για καλώδια Χ.Τ 0,6/1kV εγκατεστηµένα στον ελεύθερο χώρο. Συγκεκριµένα, ξεκινώντας από τη διατοµή των 2,5mm 2 τα 240mm 2 και φτάνοντας µέχρι για τριπολικά και τετραπολικά καλώδια, έγινε υπολογισµός του βέλτιστου συνδυασµού φωτιστικών σωµάτων και ηλεκτρονικών υπολογιστών ώστε ο ουδέτερος να φορτίζεται µε το ελάχιστο δυνατό ρεύµα. Σε κάθε καλώδιο βέβαια ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο να µη ξεπερνάται το µέγιστο επιτρεπόµενο όριο φόρτισής του, όπως δίνεται από τον πίνακα του σχήµατος 3.3.3. Επίσης για τον βέλτιστο συνδυασµό υπολογίστηκε το πηλίκο του ρεύµατος του ουδετέρου ως προς το φασικό Ιn/Iph, καθώς και η συνολική αρµονική παραµόρφωση του ρεύµατος για κάθε φάση, THD. ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 57

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Σχήµα 3.3.3 Περιοριστικός παράγοντας για την ποσότητα των φωτιστικών σωµάτων ανά φάση αποτελεί το ρεύµα φάσης το οποίο είναι για ένα φωτιστικό σώµα 0,513Α. Όσον αφορά τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, περιοριστικός παράγοντας για την ποσότητα αυτών ανά φάση είναι το ρεύµα ουδετέρου, το οποίο στην περίπτωση σύνδεσης ενός µόνο υπολογιστή σε κάθε φάση είναι 1,53Α, όπως είδαµε στην προηγούµενη ανάλυση στο excel. Συνεπώς, εφόσον σε ένα καλώδιο 4x2,5mm 2 ο κάθε αγωγός έχει επιτρεπόµενο όριο φόρτισης 25Α, ο µέγιστος αριθµός φωτιστικών σωµάτων που µπορούν να συνδεθούν ανά φάση είναι 25/0,513=48ΦΣ ενώ ο µέγιστος αριθµός ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι 25/1,53=16Η/Υ. Οι αριθµοί αυτοί βέβαια ισχύουν σε περίπτωση που η κάθε φάση φορτίζεται µόνο µε φωτιστικά σώµατα ή µόνο µε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Κρατώντας έτσι ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 58

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ σταθερό το φορτίο των Η/Υ σε κάθε φάση, προσθέτουµε φωτιστικά σώµατα και βλέπουµε ότι το ρεύµα του ουδετέρου µειώνεται και µάλιστα µειώνεται η 3 η αρµονική. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται πώς καταλήξαµε στο βέλτιστο συνδυασµό φωτιστικών σωµάτων και υπολογιστών για την περίπτωση του καλωδίου 4x2,5mm 2. Βλέπουµε ότι στα 20 φωτιστικά σώµατα η ενεργός τιµή του ρεύµατος του ουδετέρου είναι 21,659Α και µε αύξηση αυτών µειώνεται ακόµη περισσότερο. Περαιτέρω αύξηση βέβαια αυτών παρόλο που µειώνει ακόµη πιο πολύ το ρεύµα του ουδετέρου, θέτει εκτός ορίων το ρεύµα της φάσης (25,214Α) γι αυτό τελικά επιλέγονται τα 21 ΦΣ. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται και οι µεταβολές όλων των αρµονικών για κάθε συνδυασµό. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.11 ΚΑΛΩ ΙΟ 4x2,5 Αριθµός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών: 16/φάση Αριθµός Φωτιστικών Σωµάτων /φάση 20 21 22 Ih3 20,677 20,543 20,413 Neutral Ih9 6,445 6,529 6,614 Itot 21,659 21,556 21,458 Ih1 22,035 22,514 22,994 Ih3 6,892 6,848 6,804 L1 Ih5 6,400 6,400 6,400 Ih7 3,674 3,699 3,723 Ih9 2,148 2,176 2,205 Itot 24,334 24,763 25,194 Ih1 22,134 22,615 23,096 Ih3 6,892 6,848 6,804 L2 Ih5 6,428 6,428 6,428 Ih7 3,692 3,717 3,741 Ih9 2,148 2,176 2,205 Itot 24,372 24,802 25,236 Ih1 22,140 22,622 23,105 Ih3 6,892 6,848 6,804 L3 Ih5 6,431 6,431 6,431 Ih7 3,690 3,715 3,740 Ih9 2,148 2,176 2,205 Itot 24,349 24,778 25,211 Iph,av 24,352 24,781 25,214 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 59

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Με τον τρόπο που περιγράφηκε παραπάνω υπολογίστηκε ο βέλτιστος συνδυασµός φωτιστικών σωµάτων και ηλεκτρονικών υπολογιστών για τους παρακάτω τύπους καλωδίων: ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.12 ΚΑΛΩ ΙΑ ΦΣ/φάση ΗΥ/φάση (ΦΣ+ΗΥ)/φάση 4x2,5 48 16 21+16 4x4 66 22 28+22 4x6 83 28 35+28 4x10 116 39 50+39 4x16 155 52 66+52 3x25+16 206 52 124+52 3x35+16 255 52 140+52 3x50+25 309 69 185+69 3x70+35 393 85 228+85 3x95+50 475 103 277+103 3x120+70 549 132 343+132 3x150+70 631 132 356+132 3x185+95 723 159 428+159 3x240+120 849 184 495+184 Όσον αφορά το ρεύµα του ουδετέρου, για τον βέλτιστο αυτό συνδυασµό φωτιστικών σωµάτων και ηλεκτρονικών υπολογιστών ανά φάση, η ανάλυση σε αρµονικές του δίνεται στον παρακάτω πίνακα: ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.13 ΦΣ+ΗΥ Ιh3 Ιh9 Ιtot N 21+16 20,543 6,529 21,556 28+22 28,364 8,904 29,729 35+28 36,185 11,278 37,903 50+39 50,232 15,814 52,664 66+52 67,066 21,030 70,287 124+52 61,266 25,987 66,563 140+52 60,460 27,372 66,385 185+69 80,256 36,254 88,088 228+85 98,862 44,670 108,514 277+103 119,769 54,191 131,494 343+132 153,999 68,410 168,552 356+132 153,351 69,537 168,426 428+159 184,870 83,689 202,986 495+184 213,949 96,822 234,902 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 60

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Οι αρµονικές των ρευµάτων των τριών φάσεων δίνονται στους πίνακες που ακολουθούν. Βλέπουµε ότι το συνολικό φασικό ρεύµα είναι για κάθε συνδυασµό φορτίων, εντός των ορίων φόρτισης κάθε καλωδίου. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.14 ΦΣ+ΗΥ Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9 Itot L1 21+16 22,514 6,848 6,400 3,699 2,176 24,763 28+22 30,538 9,455 8,800 5,064 2,968 33,673 35+28 38,561 12,062 11,200 6,429 3,759 42,585 50+39 54,309 16,744 15,600 8,986 5,271 59,849 66+52 72,093 22,355 20,800 11,965 7,010 79,513 124+52 100,217 20,422 20,800 13,431 8,662 105,600 140+52 108,058 20,153 20,800 13,847 9,124 113,111 185+69 143,007 26,752 27,600 18,353 12,085 149,727 228+85 176,218 32,954 34,000 22,612 14,890 184,494 277+103 213,887 39,923 41,200 27,419 18,064 223,902 343+132 268,225 51,333 52,800 34,826 22,803 281,289 356+132 274,603 51,101 52,800 35,165 23,179 287,411 428+159 330,371 61,623 63,600 42,337 27,896 345,824 495+184 382,171 71,316 73,600 48,985 32,274 400,059 ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.15 ΦΣ+ΗΥ Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9 Itot L2 21+16 22,615 6,848 6,428 3,717 2,176 24,802 28+22 30,675 9,455 8,839 5,089 2,968 33,727 35+28 38,735 12,062 11,249 6,461 3,759 42,652 50+39 54,553 16,744 15,669 9,030 5,271 59,944 66+52 72,417 22,355 20,892 12,024 7,010 79,639 124+52 100,612 20,422 20,892 13,492 8,662 105,814 140+52 108,472 20,153 20,892 13,908 9,124 113,349 185+69 143,556 26,752 27,721 18,434 12,085 150,040 228+85 176,894 32,954 34,150 22,712 14,890 184,880 277+103 214,707 39,923 41,381 27,540 18,064 224,371 343+132 269,261 51,333 53,032 34,981 22,803 281,873 356+132 275,655 51,150 53,032 35,320 23,179 288,022 428+159 331,636 61,623 63,880 42,524 27,896 346,548 495+184 383,635 71,316 73,924 49,202 32,274 400,897 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 61

Κεφάλαιο 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.16 ΦΣ+ΗΥ Ih1 Ih3 Ih5 Ih7 Ih9 Itot L3 21+16 22,622 6,848 6,431 3,715 2,176 24,778 28+22 30,683 9,455 8,843 5,086 2,968 33,694 35+28 38,745 12,062 11,255 6,458 3,759 42,610 50+39 54,569 16,744 15,676 9,026 5,271 59,886 66+52 72,437 22,355 20,901 12,018 7,010 79,562 124+52 100,729 20,422 20,901 13,495 8,662 105,711 140+52 108,615 20,153 20,901 13,914 9,124 113,241 185+69 143,745 26,752 27,735 18,443 12,085 149,897 228+85 177,127 32,954 34,166 22,722 14,890 184,704 277+103 214,990 39,923 41,401 27,553 18,064 224,158 343+132 269,605 51,333 53,058 34,995 22,803 281,603 356+132 276,020 51,101 53,058 35,337 23,179 287,738 428+159 332,074 61,623 63,910 42,544 27,896 346,219 495+184 384,141 71,316 73,959 49,225 32,274 400,516 Τέλος, στον παρακάτω πίνακα δίνεται η συνολική αρµονική παραµόρφωση του ρεύµατος των φάσεων και το ποσοστό του ρεύµατος του ουδετέρου ως προς το φασικό. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3.17 THDi L1 (%) THDi L2 (%) THDi L3 (%) ΦΣ+ΗΥ Itot N Iph,av In/Iph 21+16 21,556 24,781 0,870 45,8 45,7 45,7 28+22 29,729 33,698 0,882 46,5 46,4 46,4 35+28 37,903 42,616 0,889 46,9 46,7 46,7 50+39 52,664 59,893 0,879 46,3 46,2 46,2 66+52 70,287 79,571 0,883 46,5 46,4 46,4 124+52 66,563 105,708 0,630 33,2 33,1 33,1 140+52 66,385 113,234 0,586 30,9 30,8 30,8 185+69 88,088 149,888 0,588 31,0 30,9 30,9 228+85 108,514 184,693 0,588 31,0 30,9 30,9 277+103 131,494 224,144 0,587 30,9 30,9 30,8 343+132 168,552 281,588 0,599 31,5 31,5 31,5 356+132 168,426 287,724 0,585 30,8 30,8 30,8 428+159 202,986 346,197 0,586 30,9 30,8 30,8 495+184 234,902 400,491 0,587 30,9 30,9 30,8 ΚΑΜΠΟΥΡΗ ΖΩΗ ΣΕΛΙ Α 62