Egyfázisú és háromfázisú nemlineáris áramkör vizsgálata A mérés célja Egyfázisú és háromfázisú nemlineáris áramkör tulajdonságainak, vizsgálati módszereinek megismerése. Többsugaras oszcilloszkóp, szelektív voltmérő használatának gyakorlása. Biztonságtechnikai útmutató A mérésben használt elektronikus műszerek - oszcilloszkóp, szelektív voltmérő - nem földfüggetlenek, a jelföldjüket a mért áramkör nullavezetővel összekötött csomópontjához kell csatlakoztatni. A mérési feladatok tápfeszültségét a gyakorlatvezető útmutatása alapján válasszuk! MÉRÉSI FELADATOK A. FÉNYCSŐ ÁRAMKÖRÉNEK VIZSGÁLATA Kapcsolás Elektronikus előtéttel ellátott fénycsöves lámpatest hálózatból felvett áramának időfüggvényét megjelenítjük, szelektív voltmérővel meghatározzuk ennek harmonikus összetevőit. A lámpatestet 230 V váltakozófeszültségről tápláljuk, a fázisvezetőbe iktatott lágyvasas (effektív értéket mérő) ampermérővel mérjük a lámpatest áramfelvételét. A nullavezetőbe iktatott R s söntre csatlakoztatjuk az oszcilloszkópot és a szelektív voltmérőt. A söntön létrejövő, az áramerősséggel arányos feszültségesést a szelektív voltmérővel mérve az áram harmonikus összetevőinek meghatározása válik lehetővé. Feladat (a) A mérőkör összeállítása után csak az oszcilloszkópot és a szelektív voltmérőt kapcsoljuk be, majd végezzük el a szelektív voltmérő kalibrálását a következő lépésekben: A méréshatár váltó kapcsolót és a sávszélesség váltó kapcsolót CAL (kalibrálás) állásba kapcsoljuk, a frekvenciasáv választó kapcsolót a 0,03-0,3 khz helyzetbe állítjuk. A finomhangolóval a szelektív voltmérőt a hálózati 50 Hz frekvenciára hangoljuk. (A kalibráláskor a műszerbe épített, hálózati frekvenciájú referencia-feszültség forrás jele hat a műszerre.) A finomhangolást a szelektív voltmérő mutatós kijelző műszerét figyelve végezzük el, a maximális kitérést adó helyzet jelenti a pontos hangolást. (A műszer skálahibája miatt nem a skála 50 Hz-es jelénél kapjuk a legnagyobb kitérést.) A CAL jelű fehér nyomógombot benyomjuk, megjegyezzük a műszer kitérését. A CAL nyomógomb elengedése után az erősítés szabályozó potenciométerrel az előző esetben létrejött kitéréssel megegyező nagyságút állítsunk be. A kalibrálást finomítva ismételjük meg az előző két műveletet, amíg a kitérés a CAL benyomott és elengedett helyzetében azonos nem lesz. A kalibrálás befejeztével a legnagyobb (1000 mv-os) méréshatárra és 10 Hz sávszélességre kapcsoljunk.
Feladat (b) A mérőkört bekapcsolva jegyezzük fel az ampermérő méréshatárát és a mért értéket, figyeljük meg az oszcilloszkópon az áram hullámformáját, jellegre helyesen ábrázoljuk ezt. Az R S söntön kialakuló, az árammal arányos feszültségesés mérésére visszavezetve, a szelektív voltmérővel mérjük meg az áram alapharmonikus és felharmonikus összetevőit. A kalibrálást követően a szelektív voltmérő a hálózati (alapharmonikus) frekvenciára van hangolva, ebben az állapotban - megfelelő méréshatárt választva - az alapharmonikus összetevő mérhető. Csak a páratlan rendszámú felharmonikusok mérését végezzük el, a jel szimmetriaviszonyai miatt elvben páros rendszámú felharmonikusok nem alakulnak ki (a valóságban ezek igen kicsik). A felharmonikusok méréséhez a finomhangolóval és a frekvenciasáv-választó kapcsolóval hangolhatjuk a szelektív voltmérőt a 150, 250, 350 és 450 Hz frekvenciára. A frekvencia növekedésével a felharmonikusok amplitudója általában csökken, a finomhangolást és a mérést a megfelelő méréshatáron kell elvégezni. A mért értékek megállapításakor vegyük figyelembe, hogy a 0,03-0,3 khz frekvenciasávban a kitérés és a skálaállandó alapján adódó értéket még 10-zel szoroznunk kell. (Ebben a frekvenciasávban a gyártó szándékosan csökkentette az érzékenységet, hogy a hálózati frekvenciájú zavaró jelek hatását mérsékelje.) A mérés befejeztével a gyakorlatvezető közreműködésével megfigyeljük a többsugaras oszcilloszkóp különböző üzemmódjait. Értékelés A nemszínuszos és csak páratlan rendszámú felharmonikusokat tartalmazó feszültségjel U eff effektív értékét - az U 1 alapharmonikus és az U 3, U 5, U 7 és U 9 felharmonikus feszültségek ismeretében a következő módon számíthatjuk: A jel torzitási tényezőjét az U eff effektív érték és a felharmonikus feszültségek alapján határozhatjuk meg: A szelektív voltmérővel az R S söntön mért harmonikus összetevőkből - az előző összefüggések értelemszerű alkalmazásával - határozzuk meg az I áram effektív értékét és torzítási tényezőjét. Hasonlítsuk össze ezt a lágyvasas ampermérővel közvetlenül mért effektív értékkel.
B. HÁROMFÁZISÚ NEMLINEÁRIS ÁRAMKÖR VIZSGÁLATA Kapcsolási vázlat A háromfázisú nemlineáris terhelést három azonos típusú fénycsőfojtóból építettük fel. A terhelés közel szimmetrikus (a gyártási szórásból adódhatnak eltérések az egyes fojtók között). A terhelést változtatható háromfázisú feszültségről tápláljuk. (Megjegyzés: két kétcsatornás oszcilloszkópot használunk egy háromcsatornás helyett.) Az oszcilloszkóp CH1 csatornáján az U T fázisfeszültséget jelenítjük meg, a feszültség-méréshatár növelését szolgálja a mérőzsinórba beiktatott R e előtétellenállás. A CH2 csatornán az I T fázisáram, a CH3 csatornán a nullavezető I 0 áramának időfüggvényét figyelhetjük meg. A szelektív voltmérővel - az a) ill. a b) szerinti kapcsolási módot átdugaszolással váltva - az I T ill. az I 0 harmonikus összetevőit mérhetjük. A mérőkör földfüggetlen táplálású, az elektronikus műszerek jelföldje a terhelés csillagpontjába csatlakozik. A mérés során megvizsgáljuk azt is, hogy háromvezetős (nullavezető nélküli) tápláláskor milyen áramköri viszonyok alakulnak ki, ehhez a nullavezető ágát fogjuk megbontani a nyíllal jelölt ponton (a nullavezető áramát mérő ampermérőn). Feladat (a) Az A. feladat a. pontja szerint ismételjük meg a szelektív voltmérő kalibrálását (ezzel egyben az alapharmonikus mérésére készítjük elő a műszert).
Feladat (b) Kapcsoljuk be a tápfeszültséget és a háromfázisú toroid transzformátorral állítsunk be közel 0,5 A fázisáramot a fojtókból álló terhelésen, majd figyeljük meg az oszcilloszkópon megjelenő időfüggvényeket. A fázisáram nemszínuszos, a jel szimmetriaviszonyai miatt elvben csak páratlan rendszámú felharmonikusokat tartalmaz. A hárommal osztható rendszámú felharmonikusok (pl. a 150 Hz frekvenciájú 3. harmonikus és a 450 Hz-es 9. harmonikus) mindhárom fázisban azonos fázishelyzetűek (un. zérussorrendű rendszert képeznek), emiatt a nullavezető áramában összegződnek. A 3. harmonikus amplitudója a legnagyobb, a nullavezető áramában ezért a 150 Hz frekvenciájú komponens a domináló (a terhelés kisebb aszimmetriája miatt más komponensek, pl. az alapharmonikus is jelen van a nullavezető áramában). Bontsuk meg a nullavezető ágát (a nyíllal jelölt ponton) és figyeljük meg a változásokat. Nullavezető hiányában a zérussorrendű áramkomponensek nem tudnak kialakulni, a fázisáram felharmonikustartalma csökken, viszont a fázisfeszültség fog torzulni. (Ez az egyik oka annak, amiért nem alkalmazunk a primer és szekunder oldalon egyaránt földeletlen csillagpontú, csillag/csillag kapcsolású transzformátorokat.) c. Végezzük el az I T fázisáram és az I 0 áram harmonikus összetevőinek mérését mind a négyvezetős, mind a háromvezetős (nullavezető nélküli) esetben. A mérés lépéseinek célszerű sorrendje: 1. A négyvezetős kapcsolásban a szelektív voltmérőt az a) szerint a fázisáramot érzékelő R S söntre csatlakoztatjuk, mérjük a fázisáram harmonikus összetevőjét a négyvezetős esetre. 2. A szelektív voltmérő kapcsolási módján nem változtatva bontjuk a nullavezető ágát, mérjuk a fázisáram harmonikus összetevőjét a háromvezetős esetre. 3. Helyreállítjuk a nullavezető kapcsolatát, a szelektív voltmérőt a b) szerint a nullavezető áramát érzékelő R S0 söntre csatlakoztatjuk, mérjük a nullavezető áramának harmonikus összetevőjét a négyvezetős esetre. Az előző műveleteket megismételjük a páratlan rendszámú felharmonikusokra a 9. harmonikusig bezárólag. A szelektív voltmérő áthangolását mindíg az 1. mérési lépés kezdő műveleteként végezzük el. Megfigyelhetjük, hogy a fázisáram 3. ill. a 9. felharmonikus összetevőjének közel háromszorosa mérhető a nullavezetőben a négyvezetős esetben. Háromvezetős kapcsolásra áttérve a fázisvezető 3. ill. 9. harmonikus összetevöje jelentősen lecsökken. (Nem szűnik meg teljesen, mivel szórt kapacitásokon keresztül ilyenkor is kialakul a zérussorendű áramok részére egy nagy impedanciájú zárt árampálya.) A mérési eredményeket ajánlatos a következő formájú táblázatban rögzíteni.
Értékelés Az A. feladatban ismertetett összefüggések értelemszerű alkalmazásával, az R S és R S0 ellenállásának figyelembevételével, a mérési eredmények alapján határozzuk meg a négyvezetős táplálás esetére az I T és az I 0, a háromvezetős esetre az I T effektív értékét és a torzítási tényezőjét. Hasonlítsuk össze a szelektív voltmérővel mért értékekből számított és az ampermérőkkel közvetlenül mért áramerősség értékeket. ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK 1. Nemszínuszos feszültség, áram effektív értékének és torzítási tényezőjének meghatározása az harmonikus összetevők ismeretében. 2. A nullavezetőben folyó áram sajátosságai háromfázisú nemlineáris áramkörben. 3. Milyen változást okoz a fázisáram harmonikus összetevőiben az, ha egy négyvezetős táplálású nemmlineáris terhelés nullavezetőjét bontjuk? 4. Milyen alakú a fázisáram, milyen rendszámú felharmonikusokat tartalmaz? 5. A nullavezető árama milyen rendszámú felharmonikusokat tartalmaz? Melyik ezek közül a legnagyobb amplitúdójú? 6. Mire használjuk a szelektív voltmérőt? 7. Mi alkotja a háromfázisú nemlineáris terhelést?