Analiza mocy i jakości energii jest jednym z kluczowych aspektów poprawnej pracy urządzeń elektrycznych stosowanych zarówno w gospodarstwach domowych jak i przemyśle. To od efektywności zasilania urządzeń zależy ich całkowity pobór energii, co ostatecznie przekłada się na większe lub mniejsze koszty użytkowania danego urządzenia. Możemy wyróżnić dwa główne rodzaje zasilania: liniowe i impulsowe, gdzie oba rodzaje zasilania mają swoje wady i zalety. Zasilacze liniowe są łatwe do zaprojektowania i późniejszej naprawy, jednak ich wadami są duże wymiary i mała efektywność pracy. Natomiast zasilacze impulsowe charakteryzują się bardziej skomplikowaną konstrukcją, ale zaletami są mniejsze koszty produkcji, małe wymiary jak i duża efektywność pracy. To właśnie te zalety skłoniły producentów do coraz częstszego stosowania zasilaczy impulsowych w urządzeniach elektrycznych takich jak komputery, przetworniki, urządzeniach sterujących, gdzie są wymagane małe wymiary czy do długotrwałych testów urządzeń, gdzie koszty zasilania są znaczne.

Jednak nie należy tutaj również zapominać o problemie skomplikowanej konstrukcji, źle zaprojektowane i nieprzetestowane zasilacze impulsowe mogą cechować się niższą niż deklarowaną sprawnością pracy, wprowadzać zakłócenia do sieci elektrycznej przez generowanie wyższych harmonicznych lub powodować przeciążenia elektryczne. Ostatecznie może to prowadzić do uszkodzenia zasilanego urządzenia lub generować problemy w sieci zasilającej, do której są podłączone inne urządzenia.

W tym artykule nie skupimy się bezpośrednio na zasilaczach impulsowych (ten temat pozostawimy na oddzielny artykuł), a na przedstawieniu w jaki sposób można wykorzystać oscyloskopy firmy GW Instek z serii GDS-3000 z oprogramowaniem do analizy jakości energii do analizy parametrów zasilaczy impulsowych takich jak: jakość mocy, tętnienie czy pomiar składowych harmonicznych.

Zasilacz impulsowy - a co to takiego?

Zasilacze, w tym zasilacze impulsowe to nic innego jak przetwornica napięcia, pozwalająca na zamianę zadanego na wejściu napięcia i prądu AC (lub DC) na inne stabilne napięcie lub prąd DC na wyjściu. Zmiana parametrów napięcia i prądu, umożliwia nam zasilanie urządzeń wymagających niższego napięcia pracy (np. przetworniki, silniki, przełączniki), bez konieczności tworzenia dla nich dedykowanych obwodów. Natomiast sam zasilacz jest zasilany bezpośrednio z sieci napięciem 230V, co powoduje, że może być używany praktycznie wszędzie. Dodatkowo zasilacze pozwalają na stabilizowanie parametrów zasilania danego urządzenia i/lub izolowanie badane urządzenie od sieci.

Ciekawostką jest to, że zasilacze impulsowe kojarzymy głównie ze zmianą napięcia sieciowego 230V na mniejsze np. 5V potrzebne do zasilenia naszych telefonów, jednakże można spotkać zasilacze impulsowe zmieniające napięcie 230V na napięcie większe, np. 600V. Takie zasilacze są wykorzystywane m.in. przy pomiarach w laboratoriach jako źródło zasilania czy w przemyśle przy długotrwałych testach, np. falowników. Przykładem takiego zasilacza może być zasilacz impulsowy GW Instek PSU 600-2.6.

Rys. 1. Laboratoryjny zasilacz impulsowy PSU 600-2.6

Zasilacze impulsowe składają się z elementów pasywnych, aktywnych oraz magnetycznych, przykładowy schemat obwodu zasilacza impulsowego pokazany jest na rys. 2. 

Rys. 2. Przykładowy plan schematu obwodu zasilacza impulsowego

Obwody zasilaczy wykorzystują tranzystory typu MOSFET, IGBT lub innego rodzaju przełączniki w celu regulacji napięcia na wyjściu poprzez szybką zmianę pomiędzy stanem włączenia i wyłączenia (nasycenia i zatkania). W stanie włączonym, dodatnia polaryzacja zapewnia niską impedancję bliską zera co powoduje przepływ prądu, natomiast kiedy przełącznik jest otwarty impedancja staje się bardzo wysoka co powoduje zatrzymanie przepływu prądu. Poprzez modulację współczynnika wypełnienia (czasu trwania włączenia i wyłączenia) jesteśmy w stanie uzyskać wymagane przez nas stabilne napięcie wyjściowe. Ogólnie można przyjąć, że średnie napięcie na wyjściu zasilacza przy obciążeniu wynosi:

Z powyższego równania można wywnioskować, że średnie napięcie na wyjściu zasilacza zależy od czasu pracy przełącznika w stanie włączonym, zmniejszenie tego czasu skutkuje zmniejszeniem napięcia wyjściowego. W celu dokładnej kontroli całkowitego czasu włączenia lub wyłączenia przełączników, wykorzystuje się sterowniki z modulacją szerokości impulsu (ang. PWM - Pulse Width Modulation), których parametr wypełnienia pozwala na dokładne sterowanie klucza tranzystorowego / przełączników (MOSFET, IGBT). W celu zapewnienia stabilnego napięcia, szybkość działania sterowania PWM musi odbywać się z bardzo wysoką częstotliwością, nawet do 20MHz. Wyższa częstotliwość przełączania pozwala na redukcję wartości tętnień napięcia co przekłada się na bardziej stabilne parametry wyjściowe. Zależność pomiędzy napięciem a czasem przedstawiona jest na rys 3.

Rys. 3. Zależność pomiędzy wartością napięcia wyjściowego a czasem włączenia przełącznika

Analiza mocy i jakości energii oscyloskopem z serii GDS-3000 W tej części artykułu zajmiemy się opisem sposobu wykonania pomiarów mocy i jakości energii zasilacza impulsowego za pomocą oscyloskopów z serii GDS-3000 oraz dedykowanym do tego oprogramowaniem DS3-PWR. Cały ten zestaw posiada funkcje umożliwiające pomiar jakości mocy, wartości harmonicznych napięcia i prądu, tętnień i prądów rozruchowych.

Pomiar jakości mocy

Przy każdym projekcie układu zasilania urządzenia czy to zasilaczem impulsowym czy innym rodzajem zasilania, należy zastanowić się w jakich warunkach będzie ono użytkowane, czy będzie narażone na jakieś zakłócenia z sieci, a jeżeli tak to w jakim stopniu. Musimy mieć na uwadze, że w rzeczywistej sieci zasilającej kształty przebiegów napięciowych i prądowych nie są idealnymi sinusoidami, a czasami na skutek różnych anomalii w sieci mogą pojawić się różnego rodzaju zniekształcenia np. przepięcia czy zapady. Te nieprawidłowości w zasilaniu mogą niekorzystnie wpływać na sam zasilacz jak i urządzenie podłączone do niego. Skutkuje to w najlepszym wypadku wzrostem zużycia energii, spowodowanej spadkiem efektywności pracy urządzenia, co wpływa tylko na zwiększenie kosztów obsługi. Natomiast w najgorszych wypadkach może dojść do uszkodzenia zasilacza lub urządzenia do niego podłączonego, a także nieoczekiwanego wyłączenia urządzenia, dlatego przy projektowaniu zasilania urządzeń zawsze należy ocenić wpływ jakości energii po stronie pierwotnej na ich pracę.

Pomiar jakości mocy zasilaczy impulsowych przy użyciu oscyloskopów GW Instek GDS-3000 zaczyna się od podłączenia do jednego z jego kanałów analogowych sondy różnicowej, np. GDP-025 pozwalającej na pomiar napięcia a do drugiego kanału sondy prądowej, np. GCP-020 pozwalającej na pomiar prądu, przykładowy schemat podłączenia jest pokazany na rys. 4. Przy pierwszym pomiarze, jeżeli będzie to wymagane użytkownik musi przeprowadzić kompensację czasu opóźnienia sygnału (kalibracja desksaw) pomiędzy sondami prądowymi i napięciowymi, którą można wykonać, np. za pomocą przystawki GKT-100. Zdarza się, że z uwagi na wykorzystanie różnego rodzaju sond, czasy opóźnienia pomiaru pomiędzy nimi mogą być różne, dlatego oscyloskopy GDS-3000 posiadają funkcję kompensacji czasu w zakresie od ±50ns z rozdzielczością 10ps. Kompensacja sond zwykle sprowadza się do podłączenia obu sond oraz przewodu USB do płytki GKT-100, a następnie wyregulowanie parametrów w oscyloskopie. Po kompensacji sond, należy je podłączyć do zasilania pierwotnego, na ekranie wybrać odpowiedni kanał dla sondy napięciowej i prądowej oraz ustawić parametry tych sond: współczynnik tłumienia, typ sprzężenia oraz impedancję wyjścia sondy. Po wykonaniu tych czynności użytkownik może wybrać jeden z 5 trybów automatycznych pomiarów: normalny, szczytowy, ballast, włącz wszystkie parametry, wyłącz wszystkie parametry. W tabeli 1 zostały pokazane wszystkie dostępne funkcje pomiarowe dla trybów normalny, szczytowy, balast (pomiar mocy systemów oświetleniowych). Po wykonaniu wszystkich czynności użytkownik wybiera która z częstotliwości: napięciowa czy prądową ma być wartością referencyjną. Oscyloskop umożliwia również wybór własnego obszaru pomiaru względem zakresu zmierzonego sygnału, do dyspozycji mamy 3 tryby pomiaru: pełen zakres, zakres wyświetlanego ekranu, wartość pomiędzy kursorami.

Rys. 4. Schemat podłączenia oscyloskopu z serii GDS-3000 z zasilaczem podczas pomiaru jakości mocy

Rys. 5. Wyniki pomiarów jakości energii na oscyloskopie z serii GDS-3000

Tabela 1. Funkcje pomiarowe w trybie automatycznego pomiaru jakości mocy

Pomiar wartości harmonicznych

Pomiar parametrów zasilaczy impulsowych nie jest ograniczony tylko do sprawdzenia wpływu jakości zasilania na urządzenie, ale również polega na sprawdzeniu wpływu danego urządzenia na parametry sieci elektroenergetycznej. Zasilacze dla sieci elektroenergetycznej jest obciążeniem, jeżeli obciążenie ma charakter liniowy to nie wpływa ono w żaden sposób na zasilanie sieciowe i jest ono widziane przez sieć jako „idealna” sinusoida. Niestety zastosowanie nieliniowych elementów obciążenia w konstrukcji zasilaczy bezpośrednio powoduje zniekształcenie przebiegu prądowego i generowanie wyższych harmonicznych na wejściu zasilacza, pośrednio wpływa to również na kształt przebiegu napięcia i działanie innych urządzeń elektrycznych podłączonych do danej instalacji. Te wady oraz coraz częstsze stosowanie obciążeń o charakterze nieliniowym wymusiło wprowadzenie norm typu PN-EN 61000-3-2, które regulują poziom dopuszczalnych wartości emisji harmonicznych prądu i zapewniają wysoką jakość zasilania sieciowego. Tutaj należy zwrócić uwagę, że nie tylko zasilacze impulsowe są takim nieliniowym obciążeniem powodującym powstawanie harmonicznych, ale również często stosowane w firmach UPS czy urządzenia spawalnicze również są obciążeniem, które mogą generować harmoniczne wyższego rzędu. Ogólna klasyfikację urządzeń według normy PN-EN 61000-3-2 została przedstawiona w tabeli 2.

Z uwagi na ważność normy PN-EN 61000-3-2 w określaniu dopuszczalnych wartości harmonicznych, oscyloskopy serii GDS-3000 posiadają funkcję pomiaru harmonicznych zgodnie z tą normą. Funkcja obejmuje pomiar z możliwością wyboru klasy mierzonego urządzenia: A, B, C lub D, która określana jest na podstawie zastosowania danego urządzenia.

Przykładowo klasa A zawiera urządzenia trójfazowe, urządzenia domowe, przełączniki ściemniające czy sprzęt audio. Klasa B obejmuje przenośne narzędzia elektryczne i nieprzemysłowy sprzęt elektryczny. Klasa C określa wymogi sprawdzenia sprzętu oświetleniowego, natomiast klasa D określa wymagania dla odbiorników telewizyjnych, komputerów osobistych, monitorów lub urządzeń których moc znamionowa jest mniejsza niż 600W. Oscyloskopy GDS-3000 pozwala zarówno na pomiar wartości harmonicznych, jak również na ocenę zmierzonych wyników według normy PN-EN 61000-3-2.

Rys. 6. Schemat podłączenia oscyloskopu z serii GDS-3000 z zasilaczem podczas pomiaru harmonicznych

Tabela 2. Klasyfikacja urządzeń według normy PN-EN 61000-3-2

Pomiar wartości harmonicznych na wejściu zasilacza jest wykonywany analogicznie do sposobu pomiaru mocy. Wpierw należy podłączyć sondę napięciową oraz prądową do oscyloskopu, ustawić ich kanały wejściowe, następnie je dostroić i podać ich parametry w oscyloskopie. Po wykonaniu tych czynności należy wybrać funkcję pomiaru harmonicznych. Pomiar może odbywać się w dwóch trybach bez żadnej zgodności i zgodny z normą PN-EN 61000-3-2. W przypadku wyboru funkcji bez sprawdzania z normą użytkownik może wybrać liczbę harmonicznych do zmierzenia (od 20 do 400), źródło harmonicznych (prądowe lub napięciowe), częstotliwość referencyjną (napięciowa, prądowa, źródło harmonicznych, wartość stała) w przypadku wyboru częstotliwości stałej oscyloskop prosi użytkownika o wybór częstotliwości w zakresie od 10Hz do 400Hz.

Przy wybraniu trybu pomiaru w trybie zgodności z normą PN-EN 61000-3-2, należy jedynie wybrać częstotliwość sieci (50Hz lub 60Hz) oraz czas obserwacji od 200ms do 150s. W tym trybie użytkownik może również wybrać klasę badanego urządzenia, w przypadku wyboru klasy C, miernik prosi użytkownika o podanie współczynnika mocy oraz wartości prądu. Natomiast w trybie pomiaru klasy C3 i D należy podać wartość mocy wejściowej urządzenia. W przypadku obu trybów pomiaru, dokładny opis mierzonych parametrów został podany w tabeli 3.

Oscyloskop oferuje również funkcję filtrowania, która włącza filtr wygładzający na 1,5 sekundy, funkcję grupowania – grupującą pomiary interharmoniczne. Zmierzone parametry harmoniczne mogą zostać wyświetlona na ekranie w postaci wykresu lub tabeli. W przypadku wybrania funkcji wykresu w celu sprawdzenia dokładnych wartości należy wybrać odpowiedni rząd harmonicznej. Dodatkowo oscyloskop pozwala na wyświetlanie harmonicznych w trybach: wszystkie, tylko parzyste lub tylko nieparzyste. Wyniki pomiarów mogą zostać zapisane w pamięci oscyloskopu lub zapisane do pliku .CSV i przesłane na zewnętrzną pamięci USB.

Tabela 3. Funkcje pomiarowe w trybach pomiaru wartości harmonicznych

Rys. 7. Wyniki pomiarów wartości harmonicznych na oscyloskopie z serii GDS-3000

Prąd rozruchowy

Kolejnym ważnym punktem przy sprawdzeniu pracy zasilaczy impulsowych jest pomiar prądów rozruchowych. Prądem rozruchowym nazywamy chwilową, szczytową wartość prądu powstałą przy włączeniu zasilacza. Prądy rozruchowe w zasilaczach impulsowych powstają przez ładowane kondensatorów, które działają jak obwód zwarciowy podczas pierwszego włączenia i ich ładowania. Każdy użytkownik oraz producent powinien zwrócić uwagę na możliwe problemy powstałe przez prądy rozruchowe, jeżeli będą one zbyt duże mogą doprowadzić do uszkodzenia urządzenia podczas jego włączania. Dlatego podczas planowania konstrukcji zasilaczy impulsowych należy je odpowiednio zaprojektować i zmierzyć, aby wartość prądów ładujących kondensatory wejściowe nie przekraczała maksymalnej znamionowej wartości prądu jakiegokolwiek innego elementu zasilacza. Oscyloskopy serii GDS-3000 mierzą pierwszą i drugą wartość prądu szczytowego, umożliwiając łatwą ocenę sposobu zmiany chwilowej mocy. Na tej podstawie możemy dobrać, np. bezpiecznik urządzenia.

Pomiar prądów rozruchowych odbywa się tylko za pomocą sondy prądowej. Sondę należy podłączyć do przewodu fazowego, następnie w oscyloskopie ustawić parametry sondy i przejść do funkcji pomiaru prądów rozruchu, następnie trzeba wybierać kanał sondy prądowej oraz tryb pojedynczego wyzwalania, który pozwala na uchwycenie jedynie prądów rozruchowych.

Rys. 8. Schemat podłączenia oscyloskopu z serii GDS-3000 z zasilaczem podczas pomiaru prądu rozruchowego

Rys. 9. Wyniki pomiarów prądów rozruchowych na oscyloskopie z serii GDS-3000

Powyższe trzy punkty omawiały tematykę pomiarów jakości energii i mocy na wejściu do zasilacza. W kolejnym punkcie omówimy pomiar i analizę parametrów już na wyjściu zasilacza podłączonego do obciążenia. Warto tutaj zwrócić uwagę, że o ile za pomocą oscyloskopów serii GDS-3000 jesteśmy w stanie dokonać pomiaru wartości harmonicznych czy analizy jakości mocy np. pomiary współczynnika mocy, to problematyczne jest staje się wygenerowanie odpowiednich parametrów zakłóceń z sieci w celu prawidłowego sprawdzenia naszego układu. Aby spełnić te wymagania wykorzystuje się do tego źródła mocy, które oprócz zasilania urządzenia są w stanie w zadawać różne kształty przebiegów zasilania, symulować różne zachowania sieci np. zapady, przepięcia czy prądy rozruchowe, przykładem takiego źródła mocy ASR-2100.

Pomiar tętnień i szumów

Kolejnymi parametrami jakie można mierzyć za pomocą oscyloskopów GW Instek serii GDS-3000 jest wartości tętnień i szumów napięcia oraz prądu. Umożliwia to dokładną ocenę parametrów na wyjściu zasilacza. Jednak zanim przejdziemy do omówienia sposobu pomiaru tych parametrów, krótko omówimy, dlaczego je mierzmy oraz ich charakterystykę i sposób występowania.

Przy sprawdzaniu lub projektowaniu zasilaczy impulsowych zawsze konieczne jest określenie całkowitej dopuszczalnej wartości zmiany napięcia wyjściowego. O ile te zmiany dla niektórych urządzeń są mało istotne, to dla innych mogą wpływać na poprawną pracę. W zależności od sposobu występowania, zmiany napięcia wyjściowego określane są mianem tętnienia lub szumu (rys. 10). Tętnieniem nazywane są wahania napięcia wyjściowego spowodowane ładowaniem i rozładowaniem kondensatorów. Z uwagi na sposób ich występowania (ładowanie i rozładowanie kondensatora) tętnienia charakteryzują się niskim współczynnikiem wartości szczytowej do wartości średniej i głównie występują dla częstotliwości podstawowej. Szumami określane są wysokoczęstotliwościowe skoki napięcia występujące podczas włączania i wyłączania przełączników w zasilaczach impulsowych. Częstotliwość powtarzania się szumów jest zwykle określona przez częstotliwość przełączania kluczy tranzystorowych, natomiast amplituda pików szumu w dużym stopniu zależy od topologii zasilaczy, układu płytki drukowanej oraz wartości pasożytniczych układu. Wartość tętnienia i szumów jest zwykle określa jako wartość skuteczna (RMS).

Pomiar szumów i tętnień za pomocą oscyloskopu odbywa się poprzez podłączenie sondy różnicowej i sondy prądowej na wyjściu zasilacza do obciążenia. Należy również ustawić parametry sond dla odpowiednich kanałów w oscyloskopie oraz sprzężenia DC (lub AC).

Rys. 10. Schemat występowania i wartości tętnienia i szumów

Rys. 11. Schemat podłączenia oscyloskopu z serii GDS-3000 podczas pomiaru tętnienia i szumów napięcia

Rys. 12. Wyniki pomiarów tętnienia i szumów na oscyloskopie GDS-3352.

Podsumowanie

Zasilacze impulsowe mają szerokie zastosowania w różnych dziedzinach. Źle zaprojektowanie zasilacze lub nie sprawdzone pod względem poprawności działania w trakcie, jak i po procesie produkcji mogą prowadzić do strat materialnych użytkowników końcowych. Oscyloskopy z serii GDS-3000 pozwalają na pomiar najważniejszych parametrów zasilaczy, dzięki czemu możliwe jest wykonanie pomiaru i sprawdzenie urządzeń. Zaletą oscyloskopów względem tradycyjnych mierników mocy jest możliwość sprawdzania sygnałów w większym zakresie, a także niższy koszt inwestycji. W przypadku oscyloskopów można wykorzystać je zarówno do pomiarów napięcia układów jak również do pomiaru mocy. Natomiast mierniki mocy nie są w stanie wykonać dokładnych pomiarów charakterystyki napięcia układów.

Należy tutaj również pamiętać, że źródłem pogorszenia się jakości zasilania mogą być również inne urządzenia, które nie spełniają wymagań wynikających z norm dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej. Z tematem pomiarów kompatybilności elektromagnetycznej mogą Państwo zapoznać się w poniższym artykule.