Jste zde

Total harmonic distortion sítě na Tina cloudu

V zásuvce by měl být harmonický sinusový průběh 230 V / 50 Hz. Skutečnost je už mnoho let jiná. Tvar vlnovky zobrazené osciloskopem vykazuje okem viditelné zkreslení. A nejen že to není pěkné na pohled, ale způsobuje to řadu problému při distribuci elektrické energie. Vyšší harmonické složky se neruší ve středním vodiči, výrazně zvyšují ztráty vířivými proudy v transformátorech, přetěžují kompenzační kondenzátory, ovlivňují funkci proudových chráničů atd. Hlavní příčinou tohoto nežádoucího jevu jsou spotřebiče s neharmonickým odběrem proudu, což jsou řízené usměrňovače, měniče, spínané zdroje ve spotřební elektronice a třeba i elektronika úsporných světelných zdrojů. Proudy protékají impedancemi vedení a v konečném důsledku ovlivní i tvar napětí. Srozumitelně je problematika rozebrána např. na stránkách producentů mědi.
 
 
Total Harmonic Distortion (THD) je poměr celkové efektivní hodnoty vyšších harmonických složek oproti základní harmonické v procentech. A je proto jednoduché jej odměřit. Na měřiči zkreslení se zesílením vnitřního zesilovače přístroje nastaví plná výchylka analyzovaného signálu – sto procent. Pak se laditelnou pásmovou zádrží potlačí první harmonická. Kdyby signál neměl žádné zkreslení (žádné vyšší harmonické) musela by výchylka měřiče klesnout na nulu. Pokud neklesne, ukáže procento vyšších harmonických v signálu a tedy činitel harmonického zkreslení. Půvabnou ilustrací funkce měřiče zkreslení je odladění první harmonické z obdélníků či trojúhelníku. Měřič zkreslení BM543 má i výstup na osciloskop, takže lze zobrazit, co je zapotřebí ještě přidat k sinusovce první harmonické aby vznikl obdélník / trojúhelník.
 
Obr. 1: Odfiltrování první harmonické měřičem zkreslení
 
Protože velké napětí nelze jednoduše připojit k osciloskopu přímo, byl i z bezpečnostních důvodů použit pro snížení napětí transformátor. Osciloskop TDS2002C disponuje i jednoduchým zobrazením spektra FFT, takže je okamžitě vidět, že signál je zkreslen lichými harmonickými složkami.
 
Obr. 2: Analýza průběhu sítě 10 V / 50 Hz osciloskopem s funkcí FFT
 
Pro daný průběh ukázal měřič zkreslení THD těsně přes tři procenta. Pokud se zobrazí analyzovaný průběh spolu se zbytkem po odečtení 50 Hz sinusovky pásmovou zádrží na klasickém dvoukanálovém osciloskopu, lze na výsledném obrázku ilustrovat přepínání kanálů v režimu ALT a obnovování svítící stopy na stínítku.
 
Obr. 3: Vykreslování stopy na stínítku v režimu ALT 10 V / 50 Hz a zbytek po filtraci
 
Digitální osciloskop má kromě bitmapového sejmutí obrazovky i možnost uložit data ve formátu *.CSV, které lze naimportovat například do EXCELU přes USB flashku. Použije se klasický postup: DATA - z textu - importovat (oddělovač čárka, tabulátor) - začátek importu na čtvrtém řádku (za hlavičkou) - další - oddělovače čárka a dokončit. Protože program TinaCloud vyžaduje jako oddělovací část desetinné části desetinnou tečku a ne čárku, je vhodné to neměnit v sekci upřesnit a načíst to jako znakové řetězce a ne čísla. Ukázalo se, že vzorků je příliš mnoho a program zahlásil chybu, takže se pokus zopakoval se zobrazením více průběhů sinusovek (pět vlnovek).
 
Zajímavé je, že osciloskop má počátek souřadnic uprostřed obrazovky, takže časy nalevo od středu jsou záporné. Pro import do programu TinaCloud byla vybrána data první periody s kladným časem. Okopírovala se do schránky a pak se do obvodu amplitudové modulace vložila do zdroje při volbě Piecewise linear. Pak už je možné v analýze TRANSIENT signál zobrazit (0 až 20 ms). Sinusovka má nepatrný fázový posuv a kdyby to vadilo, šlo by asi posunout vzorky v EXCELU. Protože se jedná o po částech lineární zdroj PWL, lze ovzorkované periodě přidat nekonečné opakování dvojicí příkazů: REPEAT FOREVER ….tabulka okopírovaná přes schránku…. ENDREPEAT.
 
Obr. 4: Importovaný průběh z digitálního osciloskopu do programu TinaCloud
 
Když už je signál naimportován v demoverzi programu TinaCloud, je možné provést jeho harmonickou analýzu. Kvůli posuvu má signál i kosinové členy, takže je vhodnější zobrazit komplexní tvar řady D. Při lineárním zobrazení spektra signálu (DIAGRAM) to nevypadá tak děsivě jako na FFT obrazovce osciloskopu v decibelech. Čáry spektra byly opět zvýrazněny v programu Malování. Fourierovou analýzou importovaného průběhu se určí THD 3,6 procenta a to je shodné s odměřeným zkreslením. Není to sice zrovna nejpohodlnější metoda, jak určit zkreslení signálu, ale jde to i bez měřiče zkreslení, tedy pokud máme k dispozici digitální osciloskop s možností přenosu dat. I taková triviální záležitost však může mít úskalí. Osciloskop je starší a neumí USB paměti větších kapacit.
 
Obr. 5: Určení harmonického zkreslení síťového napětí programem TinaCloud
 

A na závěr opět pár historických fotografií ze stránek www.shorpy.com: Realizace mechanické časové základny, měřič rádiových vln, záznam signálů z Marsu a plochý zobrazovací panel z roku 1928 (po otevření odkazu je nutné ještě jednou odentrovat).

 
 
Hodnocení článku: