CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL … 2004/pdf/02-08 G Rata.pdf · industrial sunt...

7
CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL – CNIV 2004 81 Instrument Virtual pentru Analiza unor Consumatori Deforman i Gabriela Ra, Mihai Ra, Dan L. Milici, Crengu a E. Bobric Abstract — În ultimii ani asistm la o cretere considerabil a numrului consumatorilor deformani din reeaua de for. Prezena acestora duce la apariia unor efecte nedorite care se propag în reea. Principalele surse de poluare armonic din sectorul industrial sunt redresoarele trifazate cu tiristoare, variatoarele de tensiune alternativ, punile trifazate cu diode cu sarcin capacitiv etc. Lucrarea de fa prezint un studiu a acestor consumatori pentru a vedea modul cum acetia perturb reeua de for. Pentru evidenierea armonicilor generate de aceti consumatori se utilizeaz un instrument virtual realizat în LabVIEW 7. Sunt obinute i discutate câteva date experimentale. Eantionarea semnalelor deformate se realizeaz cu un osciloscop digital (TDS 310, fabricat de firma Tektronix). Transferul datelor de la osciloscop la PC se realizeaz cu ajutorul programului WaveStar atât în format text cât i grafic, comunicaia realizându-se fie serial prin intermediul unei interfee RS232, fie paralel. Datele în format text pot fi prelucrate i salvate într-un fiier Excel. Acest fiier este importat apoi în LabVIEW 7 unde se realizeaz analiza semnalelor. Cuvinte cheie — achiziie, analiz armonic, instrument virtual, interfa, invertor trifazat, THD, PWM 1 INTRODUCERE ! ! " #$%& ’(%$$)*# #& #(+%,-’ ./ 0 $#0 & %(0 !,!1- 0 #!1)(#0 #& ’ -& 1’()0 #& ’1 !$$#& ,(!"$#2 3 -.# #%& %#& #(+ 1! 4, 5’#$#%0 0 1($-#0 #& #(+ 33 - 6 # 4’"1789 6 ’: 5 . ; < 1 3 3 3 (1=7= "$6>-#< . 0 ?@999 A #7 ! 2 CONVERTOARE STATICE 2.1 Variatoare de Tensiune Alternativ (VTA) >’!B8C 3 ! 41> D 1 > 5 45 ’B8C 3 α> 6 3 3 E ) 2 sin( ) 2 [sin( 2 1 [ 1 α β α β π - - - = a s U U β ! 6 ) β E xxxx-xxxx/0x/$xx.00 © 200x IEEE ———————————————— !" #! " $% !! " & ’" !" )

Transcript of CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL … 2004/pdf/02-08 G Rata.pdf · industrial sunt...

CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL� – CNIV 2004 81

Instrument Virtual pentru Analiza unor Consumatori Deforman�i

Gabriela Ra��, Mihai Ra��, Dan L. Milici, Crengu�a E. Bobric

Abstract — În ultimii ani asist�m la o cre�tere considerabil� a num�rului consumatorilor deforman�i din re�eaua de for��. Prezen�a acestora duce la apari�ia unor efecte nedorite care se propag� în re�ea. Principalele surse de poluare armonic� din sectorul industrial sunt redresoarele trifazate cu tiristoare, variatoarele de tensiune alternativ�, pun�ile trifazate cu diode cu sarcin� capacitiv� etc. Lucrarea de fa�� prezint� un studiu a acestor consumatori pentru a vedea modul cum ace�tia perturb� re�eua de for��. Pentru eviden�ierea armonicilor generate de ace�ti consumatori se utilizeaz� un instrument virtual realizat în LabVIEW 7. Sunt ob�inute �i discutate câteva date experimentale. E�antionarea semnalelor deformate se realizeaz� cu un osciloscop digital (TDS 310, fabricat de firma Tektronix). Transferul datelor de la osciloscop la PC se realizeaz� cu ajutorul programului WaveStar atât în format text cât �i grafic, comunica�ia realizându-se fie serial prin intermediul unei interfe�e RS232, fie paralel. Datele în format text pot fi prelucrate �i salvate într-un fi�ier Excel. Acest fi�ier este importat apoi în LabVIEW 7 unde se realizeaz� analiza semnalelor.

Cuvinte cheie — achizi�ie, analiz� armonic�, instrument virtual, interfa��, invertor trifazat, THD, PWM

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

1 INTRODUCERE

������������ �������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������� ��������������������������� ����������� �������������������������������������������������������������������� ���������� ������� �� ������� �������� ����������������������������������� ����������������������������������� ������ � ������ !������ !����� "������#$�%&'(%$�� �$)*#� #&#(+%,-'� ./��� 0 ������������$#0 � &%(0 !�� ,!1-�� 0 #!1)(#0 #&'� -&1'()0 #&'1��!$$#&� ,(!"$#2�� �3�� ��� -�.#� � #�%&%#&#(+� 1�!��4,��������5��'#$#�%0 0 �1�(�$���-�#0 #&#(+������������������������������������������������������������������� �����������������������������������3�����������������������3���������������������������������� ����������������������������� ������������������������������������������������-������������� ��� ���������� �������� �������� �������� ������� ��� ������ ������ ����� ��� ������������ ��� ��������������������� ��������� ��� �����������6�������� ��������� ���������������������������������������������������������������������������������������� ������� ��� ������������� #����������� ������������������� ��� ����������� ��� ��� �������� �������� 4'"1� 789����6������ ��� ������ '�:�����5�� '���������� ������� ��� ����������� ��� .�� ��� ����������� ��� �;������ �����������

< ��1���� ��3�� ��� ������ ����� �3�� ��� �������� ������� ���������3��� ��� ���� ������� ����� ������������ ����� ������� ��(1=7=����������������"������ ��� ������ ����� ����� ��������� ���� ��� $�6>-#< ������ ��� ����������� �������� ������������ .������ �������������������� ��� ��������� ��� ����������� ����� ������� �����0 ?@999�� ���� ������� ����� ��� ������� ��� ����������� �����������������������������A�����������#7�������������������!�������

2 CONVERTOARE STATICE 2.1 Variatoare de Tensiune Alternativ� (VTA)

>'!�B8C����������������������������������������������������3����������������������������������������������������� �������� ��������� �� ������ �������� �� ����������� �������������� ���������� ����������� �����!������ �������� ��� ������������������������������������������������������������������������������� ��� ����������� ��������� �������� ���������� ����������������� ����������� �������� �������� 41>�� D� 1������ >������������5�� ��������� ��������� ������� ��� �������� �������������� ��������������������������������������������������� 4���� �������5�� ��������� ���������� ��� ����������� ��������� ������������������������������� ���

'�������������������������B8C������������������������3��������>������������������������������6����������������������� ��3�� ��� �������� ��� ������� �3�� ��� ��� �������������������E�

)2sin()2[sin(21

[1 αβαβπ

⋅−⋅⋅−−⋅⋅= as UU ����

β ������������������������������������������������������������!������� �������� �� ���������� ��� 6������ ��������� ����� �������� �������� ����������������������������

)��������������� ������� ���E�

xxxx-xxxx/0x/$xx.00 © 200x IEEE

————————————————�• ����������� ������ ����� ���� ����� ����� ������������������ ��� !������"�

• ����������� ������ ����� ���� ����� ����� ����������������#��� !������"�

• $�%������������ ������ ����� ���� ����� ����� �������������!�� !������"�

• &����'"�������� ������ ����� ���� ����� ����� ��������������� ����� !������"�

��

)�

82 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL� – CNIV 2004

1tan11 )sin()sin( ϕ

αβ

ϕαϕβ−−

⋅−=− e ���

����� α� ����������� �������� ��� �������� ��� ����� ���� ���� ϕ8������������;������������������������������������;������� �����������������������������

RL⋅= 1

1 arctanωϕ ���

!���������������������������)�����6���������������������������� �������� �������������������� �������������������3������������������)���E�

{ }NmmnBA

U nnsn ∈+⋅=+= |12;

2

22

���

����������

n

nn B

Aarctan=γ ���

�������� ��� !�� ��� ,�� ����� �������� �� ������� ��� �������������E�

)2

)2cos()2cos()1(2

)1(2sin)1(2cos(

2

mmm

mmmU

An

⋅⋅⋅−⋅⋅−

+⋅⋅+⋅−⋅+⋅⋅⋅=

βα

βαπ ��

))1(2

)1(2sin)1(2sin2

)2sin()2sin((

2

+⋅⋅+⋅−⋅+⋅−

⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅=

mmm

mmmU

Bn

αβ

αβπ ���

� ��� ������ �3��� �������� ����� ���� ���������� β� ��������������π���������� �����4F5��4G5����������������� ������ �� ���������� �� ����������� �6��6��� ������ ����������������������������������������6�������������� ��E�

221

22 LnR

UI sn

n⋅⋅+

���

���� ������;��� ϕ�� ������� �������� ��� ������� ��� ���� ����������������E�

RLn

n⋅⋅

= 1arctanωϕ ���

������������������

��������������������������� ��������������������������

����� ��� ������ ����� ��� ����� �������� ����� ���6�������������� ��������� ��� �������� ���������� ��� �������������������� ��������� �6��6��� ���� �� ����� ���������� ����������������

�����

����������������

���������������������

���������

Fig. 1. Formele de und� ale tensiunii �i curentului la VTA pentru ϕ = 30°, α = 45°

Fig. 3. Formele de und� ale tensiunii �i curentului la VTA pentru ϕ = 30°, α = 90°

Fig. 2. Formele de und� ale tensiunii �i curentului la VTA pentru ϕ = 30°, α = 60°

Fig, 4. Formele de und� ale tensiunii �i curentului la VTA pentru ϕ = 60°, α = 90°

G. RA�� S.A.: INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU ANALIZA UNOR CONSUMATORI DEFORMAN�I 83

������������8��=��7� ����������������������������� �������������������6��6��������� ���4���������������=5����������������� 6������ ��������� 4������� ��� ����� 85� ���� ����� >'!� ����������� ���������� ��� ����� �������� ��� �������� ��� ����� �������� ��� HI°�� F9°�� ���������� @9°�� ������;��� �������� ����������� ������������������79°����������������H����� ������������������� ������ ���� ������� ��� ������;� �������� ��� F9°� ��� ���������������������������� ������@9°��

2.2 INVERTOARE CU MODULAREA IMPULSURILOR IN DURATA (PWM) %��������������� ������������������������������������� ��������� � ���������� ���������� ��� �� ������ ����� ��������������� ��������� ��� �� ����� ��������� 4.< 0 5� 4��� � ��� ����� �������� ��� ������� ���������� ��� ������ �����6���� ������������ ������ ��������� ��� ������ ��� ������������5�� �������������� ��������� ��� ����������� ����� �����������������������������6 �����������������������������6��������������������6������������������������������������������������ (���������� ��� �� ���� ���6���� ����� ��� ���������������������� ��� ����������� ����� ���� ��� ����� ��� ��������� �� ��������� �� ���� ��������� ��� ����� �� ��� ������������ .���� ����� ��� ��� ������� ��� ���� ���� ���� ����������������� ���������� ��� ������� ��� ������ �������� ��������� �� ��� ����������� ��� �������� ������ ���� ��������������������������� ��� �������� ����� ��� ����������������������������B=C��$��������������� ����������B7C�������������� ��������������������� ����� ������ ��� ������ � ����� �������������� ����������������������������������� ��������������������)��������������������� ������������������������������������������ �����6 ���� ���������������������������������������������� ��������������������)���1���������.< 0 �����������������������������������E�- indicele de modula�ie (sau modulare), notat m �i definit de:

r

p

f

fm = ;

- coeficientul de reglaj în tensiune (sau gradul de modulare),

notat r �i definit de p

r

UU

r = .

0 ���� ����������E� �����������3���� �∈�&� ������������3���� �∈�(��3�������� ������������������������������������������������ �������� '� J� 8K���� �� ������� ��� �������� ����������������3��� ��� ������� ���� � �� 0 ���� ��� ��������� �� ������� �3��� ��� ����������� � ��� J� �������� ��� � ������ �� �������6�����.������ ����� ������ �� ���� �� ∈� 49�8C� ��� ������� � � ≥� F����������� ���������� ��� ������� ����� �������� ��� ��������������������������� �����;�J�;���������;�J�8�=�7�L �������� ������������������������� ���������������������E�

rjrn fkffkjmf ⋅±=⋅±= )( �� ��

!������������� ������������������������ ������������� ��������� �;� ����� ������� >������� ������� ���� ���� � � ����� �������������������� ��������������������������������� !������������� ���������� ����� �������������������������������� ����������������� �����������������

����������� ��� ������� ���������� ������� ���������� ������3��� ������ �� ��������� �� ��������� ������� ���� ��� �������������������� ��������� �3��� ����� ���� ���������� ��� �����������������"��6������������������� �������������������������������������������������������������������������BHC��� �

������������������

���

��������� �

Fig. 5. Montaj cu invertor PWM

�(�

�(�

Fig.6. Curentul �i tensiunea la ie�irea din invertor pentru diferite frecven�e fp

84 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL� – CNIV 2004

� .������ �� ����� ��� ����� �� ������� ��� ��� ����������������������������.< 0 ������������������� ��� ��������������������������������������� ����� �������������������������� �����������3��������������4���J�I9�A�5����������3������������4���J�7�:A�����������F�:A�5��������������������� ������ �� ��������� �� ���� ����� $��M� 1���� ��� ���� ������������� ����� ����������� ������� ���� ���� ���6������������� ��� ��� ����� ��� �� ������������ ��� �������������� ������� 4-+,' ���5� � ���� ��� �������� ������� ������� �� �������������������������������0 ���;���������������������������� I�� ��� ������� F� ��� 6� ��� ��������� ������� ��� ����� ��������������� 4������� ��� ����� 85� ��� ���������� 4������� ��������=5����������������������������������� ����������������� ���� ��������� ��� ��� �������� �������� '"1� 789�� ����������������� �� ���� ����� ��� ��������� ��������E� ������������4������������ �����0 ?=9995��������������4#75�

2.3 REDRESOARE TRIFAZATE ���� ���� ���3����� ���� ��� ������� ������� ��� ������� ������������������������������������F����������#��������������������������� ��3����� ������� ���� �������� ������ ������� ��� ����� ��� ����������������� ������� �� ������ ��� ����� ��� ������� �� ������ ��������� �����6����� !������ ��������� ����� ����������� �������� �� ���������1������������������� �������������������������6������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������6���6�������� ������������� ����� ��� ����� ����������� ���� ��� ��� �������� ����������� ���� ����������� ��� ��� ������ ��� ��������� ������������������ ����� ����������� ��� ������� ���� ��������������� ���������������BIC�������������������

����

��������� ��� �� ��� ��� ����� �������� ����� ��� ���������� ������������ ���� ������������� ������ ��� ������� ��� ������ ��������� �����I9�A������������� ���3��������� �����������������������������������I9�A���%���������������� ��������BFC������ ������������������������ �� �������������������%������������������������������������������� ����������������� ����������� ��E�

1±⋅= pcn (11)

����������� ������������������������������������������������������� ���������� ���� �� ����� �������� ��� �������� ����������������������� ������������� �������������������������������������������� ��������� �������������=��H��I��G��N��89��88������.������ ��� �������� ��� F� ��������� ��� �� ��� ����� ����������������������� ��� ����� I�� G�� 88�� 87L � "��� ������ ���������������������������������������� �������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������G��������������������;���������������������������������������������N����������������������������������������������������6��6������������������������������������������������������

3 INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU MASURAREA ARMONICILOR INTRODUSE IN RETEA DE CONVERTOARELE STATICE

$�6>-#< � ����� ����� ������� �������� ���6�;�� ������������� �������� ���������� ��� ������ ����� ��� ������ ��� ������������������������������

.����������� ������� ��������� ���� ��������� ��������������������6�;����������������������� �������������������������� ���� �������� ������������� ������4�������������������5��

.����������� �����;� ��� ����� ����������� ��� ������������6����������������������������� �������������������������� ��� ��������� ������ ��� ������� ��� ����������� ���������������������������������������������������

!��������6�;������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������ �������������������� ������������������������������� ����

$�6>-#< � G� #������� BGC� ����������� ����� ��� �������� ��� ������� ������ ��� ��� ��������� ��� �������������������3��������������������������������������������������������� �����������������������

!�� ���� ��������� � ������ ��� ��� ���������� ������������������������������ �����������������'����1�����4��������������� ��� ��� ���� ��� ������ ���� ������� ��� ��� ������������������������������������������5�������������������'������ ������������ ���������������������� �����������������

Fig. 7. Montaj cu redresor trifazat

Fig. 8. Curentului absorbit de redresorul trifazat în punte

G. RA�� S.A.: INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU ANALIZA UNOR CONSUMATORI DEFORMAN�I 85

����� ������������� ��� ����� >- ���� #������E� ������� �3������6�������������������>-��������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������� ����>- ���������������

� ���� ��������������������������������������������������� � ��� ��������� ������������� ��� �������� >-� #������������ � 3��� ���������� ���� ��� ����� ������ �� ���� ������������� �����������������������������������������

������������������

�5���������������������

65�Fig. 9 Panoul frontal al instrumentului virtual

��� �������� �������� �� � ��������� ��� ����������� ������� �����������������������$�6>-#< �G�#��������������������������������� �������� ���� ����������� �������� ���������������������� ��� ���� ��������� ��� �;������ ��������������������'"1�789��!���������� ���������������� �������������������� ������������������������������6 �������

.���� ������������ ����������� < ��1���� ������� ����� ���������������������������������������������������

-���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������@���������������������������������������"����������������������������������������������������������������������������

.�������� ���� ���� ��������� ��� ������ ������� ��3�� ������������������3��������������������������"�������������� ������� ������������� �������������� ��� �������� ����� ��������������4'A"O5��

!������������� ���������� ����� ����� ��� �������� ������������������ ���� �������������� ��� ����� ��� ���� ��� ��������� �� ������� 4����� ��� �������� ������� ������ ������������������������������ ���������������5��

��� ������� @��� ��� ��� ������ ������� ��� ������ �������������������� ��� ��������� .< 0 �� ���� ��� ������� @�6� ����������������� ��� �������� ����� ��� >'!� ��� �������� ��� ������;������������F9°������������������������������� ������@9°��

"�������� 6��� �� �������� ������ � ����� ����������� ����������89��

86 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL� – CNIV 2004

.���������J�7�:A��������J�I9�A�������������������� ���� �����E�� �J���K���J�F9��"��������������������� ��������� ������������� �������� ��������������������� �±�=��� �±�H����;����������� ���7�:A��4�������� ��� �����F9��F=��FH��IN��IF5�� ������������� ����������� �� ������� ������ ���9�7�4��������

��� ����������������89=H5���������� ��� ������������� �������4�������885���������� ������������������������������������������������;�����3����������������=9�O�������������������4�������@��5������������������� ������������������������������������������� ����

�������������������

����������������

Fig. 10 Diagrama bloc a instrumentului virtual

�����������������

Fig. 11 Armonici de curent PWM

�����������������

Fig. 12 Armonici de curent la redresor

G. RA�� S.A.: INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU ANALIZA UNOR CONSUMATORI DEFORMAN�I 87

��� ������� 8=� ��� ��� ��������� ������� ��� ����� ���������������� ��� ������� ����� � ��� P(11)Q� ���������� ������������������������������������������4���������������5��������� ����� I�G�88�87� ����� !������� ��� ���������� ������ �������������9�9=I����������������������I������ ���������������������=7O�������������������� ��� ����� ���������� ������ ��� ������ ����������� ������������ ����������� ��� 6����� ��� ��� �������� ������ ���������;���������������������������������;������������������������������ ������� 4���������� ��� �������� ����������������5� ��3�� ���� ���������� ��� ������� �3�� ��� ���������������������������������������������������������� ��������������������������1����������������������������7����������� ����� ��� ���������� =8� O� ���� �������������� ���������������������������������������������8G�O����������������� ��� �������� ��� ����� ��� ��� HI°�� ���� ��� ��� ������ �������� ������@9°����������������3������I=�O����������F=�O�������������������

��������������

��

Fig. 13. Curent VTA pentru ϕ= 30°, α=90°

�������������

���

Fig. 14. Tensiune VTA pentru ϕ= 30°, α=90°

� $�� �������� ������ ��� �������� ��� ����� ��� ����������������� ��3����� ������� �3����������������� ����� ����� ������������� ���������� ��� ������;� ������� ������� ��� ����������1���� �������� ��� ��� ������ ��� �������� ��� ����� ��� ��� @9°��������������������������7�������������������������������

I=�O�(figura 13) ���������F=�O������������������4�������8H5�����������������;����79°����������������������������������������������������� �������������������;����F9°�������������������� 7� ��� ������ ��� 7N� O� 4������� 8I5� ��������� IN� O� �����������������4�������@�65��!������� ����������� ��������������������6����������������������������������������������7��

����������������

Fig. 15. Curent VTA pentru ϕ= 60°, α=90°

4 CONCLUZII: !��������������������������������������������������� ����

�������� ��� ����� �� �� ����������� ��� �������� ������� ���������� ��� ���������� ������� �� ����� ������� �� ����������� ������������� !����;��� ��;�� ��� ������� ����������������������������������������������������������������� ������ ��� ������ ���� ������� ������ ��������� ��� ��������������������������������������������������������������������� �������� 6 ������� "������ 6 ������ ������������� ����;��������������������������������������������

0 ���������������������������������������������������������������������������������������

BIBLIOGRAFIE B8C�����+�����0 ���!�6���������P.�6��������������� ��������� ��� ����������������Q�� ,���������� #�������'��������=998��B=C�,�*��,����P./��������������������������Q��.��� ���� A�����#����/����������&�/�R����M�9GF7=��8@NF�B7C�1���"������!�������������������������������������������BHC� &��� 0 ����� '�0 ��� )��������� < �.��� (6����� ./�������������E� ����������!����������������"�������R���< ���M�S�1����&�/�2�:��8@N@�BIC� 0 �.��� "���������� -��� +������ P��������� �������Q��#�������+���!�������-�����8@@F�BFC�, ����&�>���,���6����#���, ��������"����������0 ���(�������� �������� ���� ���������� ��� �� ������ ���� �������#�������'��������,����������8@NI�BGC� 1���� '��� P%� ���� ������ ��� ��� ��� ��� ��� �� ����������������Q��0 �����������!���������������7K=997��