CC BY
10
УДК 621.314
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПОТРЕБЛЯЕМОГО ТОКА
О. Г. ШИРОКОВ, Т. В. АЛФЁРОВА, В. В. БАХМУТСКАЯ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Представлены результаты исследования влияния оборудования информационных технологий (персонального компьютера, ноутбука, планшета, смартфона) на показатели несинусоидальности питающего напряжения и потребляемого тока. Экспериментально определены значения показателей несинусоидальности напряжения и тока при питании отдельных экземпляров персонального компьютера, ноутбука, планшета, смартфона при их работе или зарядке от электрической сети напряжением 220 В.
Ключевые слова: показатели качества электрической энергии, суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения, суммарный коэффициент гармонических составляющих тока, коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, оборудование информационных технологий, персональный компьютер, ноутбук, планшет, смартфон.
ASSESSMENT OF THE IMPACT OF INFORMATION TECHNOLOGY EQUIPMENT ON THE INDICATORS OF NON-SINUSOIDALITY OF THE SUPPLY VOLTAGE AND CURRENT CONSUMPTION
O. G. SHIROKOV, T. V. ALFEROVA, V. V. BAKHMUTSKAYA
Educational Institution "Sukhoi State Technical University of Gomel", the Republic of Belarus
The article presents the results of the research of the influence of information technology equipment (personal computer, laptop, tablet, smartphone) on the indicators of non-sinusoidal supply voltage and consumed current. The values of voltage and current nonsinusoidality indicators were experimentally determined when powering individual copies of a personal computer, laptop, tablet, smartphone during their operation or charging from an electrical network with a voltage of220 V.
Keywords: indicators of electric energy quality, total coefficient of harmonic components of voltage, total coefficient of harmonic components of current, coefficient of nth harmonic component of voltage, information technology equipment, personal computer, laptop, tablet, smartphone.
Введение
В настоящее время повсеместно расширяется применение оборудования информационных технологий, в том числе различных персональных компьютеров, ноутбуков, планшетов, смартфонов и т. д., не только на предприятиях, но и в бытовом секторе. Влияние нелинейной нагрузки, к которой относится оборудование информационных технологий, на качество электрической энергии освещено в учебной и инженерно-научной литературе [1], [2], однако производители компьютерных и информационных
устройств в их технических характеристиках не указывают степень влияния его работы на качество электрической энергии. В такой ситуации работы, направленные на оценку влияния конкретных экземпляров оборудования информационных технологий при их работе или зарядке от электрической сети на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока, являются актуальными.
Целью работы является оценка влияния конкретных экземпляров персонального компьютера, ноутбука, планшета, смартфона при их работе или зарядке от электрической сети на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока.
Основная часть
Оценка показателей несинусоидальности напряжения и тока, потребляемого персональным компьютером, ноутбуком, планшетом, смартфоном при их работе или зарядке от электрической сети
Сегодня измерения напряжения гармонических составляющих должны проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 30804.4.7-2013 [5], однако с учетом допущений, разрешаемых ГОСТ 32144-2013 [3] и ГОСТ 30804.4.30-2013 [4] (измерения класса В), некоторые задачи приборного контроля качества электрической энергии могут решаться с помощью существующих средств измерения параметров электрической энергии.
Конкретными экземплярами оборудования информационных технологий, влияние которых оценивалось на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока, являлись:
• Персональный компьютер - ПЭВМ Пилот Intel Celeron G3900. Электропитание: ином = 220 В, /ном = 50 Гц, /ном = 2 A. Характеристики: количество ядер - 2, частота процессора - 2800 Мгц, видеокарта - Intel HD Graphics, оперативная память -4 Гб, объем жесткого диска - 500 Гб.
• Ноутбук - торговая марка Lenovo модель ideapad 330-15ikb. Характеристики: модель процессора - Pentium 4415U, количество ядер - 2, частота процессора -2 ГГц, частота оперативной памяти - 2133 МГц, тип операционной памяти - DDR4. Характеристики AC Adapter: вводное электропитание U = 110-240 В, f = 50-60 Гц, I = 1,8 A.
• Планшет - планшетный компьютер iPad 3-го поколения, выпускаемый компанией Apple. Характеристики: центральный процессор - Apple A5X, частота процессора - 1 ГГц, система питания - литий-полимерная (Li-pol), емкость батареи -25 Вт • ч. Характеристики зарядного устройства планшета Apple iPad 3: вводное электропитание U = 110-240 В, f = 50-60 Гц, I = 0,35 A.
• Смартфон - продукт компании Samsung модель Galaxy a50. Характеристики: процессор - Samsung Exynos 9610, количество ядер - 8, видеопроцессор - Mali-G72 MP3, емкость аккумулятора - 4000 мА • ч, объем операционной памяти - 4 ГБ. Характеристики зарядного устройства смартфона Samsung Galaxy a50: вводное электропитание U = 110-240 В, f = 50-60 Гц, I = 0,5 A.
Значение показателей несинусоидальности напряжения и тока, потребляемого конкретными экземплярами оборудования информационных технологий, оценивалось на основании измерительной информации, полученной с помощью «Комплекса регистрации параметров электрических сигналов» (КРПЭС), подключенного по схеме, представленной на рис. 1.
Рис. 1. Схема определения влияния конкретных экземпляров оборудования информационных технологий на показатели несинусоидальности
напряжения и потребляемого тока: ТТ - измерительный трансформатор тока; ИПТ - измерительный преобразователь тока; ИПН - измерительный преобразователь напряжения; АЦП - аналого-цифровой преобразователь
В соответствии с ГОСТ 30804.4.7-2013 суммарный коэффициент гармонических составляющих (total harmonic distortion, THD) THDY: отношение среднеквадратичного значения суммы всех гармонических составляющих YH h до порядка к hmax среднеквадратичному значению основной составляющей YH1:
THDy =
hmax f Y ^
1H ,h
Y
y1 H ,1 у
z
h=2
(1)
При необходимости У символ заменяют символом I для тока и символом и для напряжения, Итах принимают равным 40, если иное значение не указано в международных стандартах, устанавливающих нормы эмиссии гармоник.
В соответствии с ГОСТ 30804.4.7-2013 суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ки рассчитывается по формуле
Kv =
h40 (
z
h=2
U
у
H ,h
У UH ,1 у
(2)
В соответствии с ГОСТ 30804.4.7-2013 суммарный коэффициент гармонических составляющих тока ТИБ1 рассчитывается по формуле
THD, =.
z
h=2
fr Л2
H ,h
h40 J
y Jh ,1 у
(3)
На рис. 2 и 3 представлены соответственно осциллограмма напряжения и диаграмма частотного спектра напряжения в точке питания до подключения оборудования информационных технологий, влияние которых оценивалось на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока.
2
Файл Параметры Помощь
Рис. 2. Осциллограмма напряжения в точке питания до подключения оборудования информационных технологий
Расчет спектра сигнала _ _ ^^ а ^ _
Канал: П ^J Анализируемых отсчетов: |4096_^J *|»| [g|| a
J ,
i
\
\J sb
-U i
L 'Ч-
Viv jfAui чЫ ■M V J Ыу ч, 4 Hr <yt ч Л Vi, 4 M VJ
I1 I
1 0 2 0 3 0 4t 0 5C 0 G 0 7 DO 8 0 9 DO 10 00 11 00 12 00 13 00 14 30 15 00 16 00 17 00 13 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 03 24 00
Рис. 3. Диаграмма частотного спектра напряжения в точке питания до подключения оборудования информационных технологий
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения KU, согласно формуле (2), составил: KU = 0,017 %.
На рис. 4 представлены осциллограммы напряжения и тока в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900.
Файл Параметры Помощь вн| a| о н «^xjJ il
иф |Ф
: Л Л Л Л : Л
\J W V V \J \J
Рис. 4. Осциллограммы напряжения и тока в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900 KU, согласно формуле (2),
составляет: KU = 0,019 %.
В табл. 1 представлен спектр гармоник тока в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900.
Таблица 1
Спектр гармоник тока в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900
Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е.
1 0,3695179 15 0,0000924 29 0,0000298
2 0,0000359 16 0,00000214 30 0,0000002
3 0,2757118 17 0,00000012 31 0,0000003
4 0,0000130 18 0,0000012 32 0,0000004
5 0,1411873 19 0,0000144 33 0,0000001
6 0,0000034 20 0,00000116 34 0,0000002
7 0,0461000 21 0,00000101 35 0,0000042
8 0,0000051 22 0,0000019 36 0,0000002
9 0,0076000 23 0,0000361 37 0,0000094
10 0,0000039 24 0,0000019 38 0,0000004
11 0,0001750 25 0,000566 39 0,0000098
12 0,0000019 26 0,00000071 40 0,0000005
13 0,0001850 27 0,0002420 — —
14 0,0000018 28 0,000000266 — —
На рис. 5 представлена диаграмма коэффициентов n-х гармонических составляющих тока Kj (n) в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900.
Kl(n), %
80,000
70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0,000
I
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 3S 40
номер Ki(n)
Рис. 5. Диаграмма коэффициентов n-ых гармонических составляющих тока Kj(n) в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900
Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока в точке питания персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900 THDt, согласно формуле (3), составляет: THDJ = 84,776 %.
На рис. 6 представлены осциллограммы напряжения и тока в точке питания ноутбука Lenovo ideapad 330-15ikb.
Флйл Плргигтри Ппшиц|.
ей] а] о ] «|™| ¿у
Рис. 6. Осциллограммы напряжения и тока в точке питания ноутбука Ьепоуо ideapad 330-151кЪ
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке питания ноутбука Ьепоуо ideapad 330-ШкЬ Ки, согласно формуле (2), составляет: Ки = 0,009 %.
В табл. 2 представлен спектр гармоник тока в точке питания ноутбука Ьепоуо ideapad 330-ШкЬ.
Таблица 2
Спектр гармоник тока в точке питания ноутбука Lenovo 1с1еарас1 330-15ikb
Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е.
1 0,3336680 15 0,000806284 29 0,0004445595
2 0,0000063 16 9,62613Е-07 30 0,0000000761
3 0,2712575 17 0,001034995 31 0,0003156077
4 0,0000083 18 5,00758Е-07 32 0,0000000057
5 0,1745072 19 0,000498475 33 0,0000294338
6 0,0000065 20 1,80678Е-07 34 0,0000000488
7 0,0847362 21 0,0001297554 35 0,0000392877
8 0,0000035 22 0,0000000372 36 0,0000000431
9 0,0305472 23 0,0000370354 37 0,0000619497
10 0,0000012 24 0,0000003156 38 0,0000001533
11 0,0053862 25 0,0000848056 39 0,0000784524
12 0,0000001 26 0,0000001104 40 0,0000000951
13 0,0002966 27 0,0004122745 — —
14 0,0000005 28 0,0000000312 — —
На рис. 7 представлена диаграмма коэффициентов п-х гармонических составляющих тока К1 (п) в точке питания ноутбука Ьепоуо ideapad 330-15ikb.
Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока в точке питания питания ноутбука Lenovo ideapad 330-15ikb ТИБ1, согласно формуле (3), составляет: ТИБI = 100,38 %.
Kl(n), %
90,000
80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0,000
I,
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
номер К/(я)
Рис. 7. Диаграмма коэффициентов п-х гармонических составляющих тока Кад в точке питания питания ноутбука Ьепоуо ideapad 330-151кЪ
На рис. 8 представлены осциллограммы напряжения и тока в точке питания планшета Apple iPad 3.
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке питания планшета Apple iPad 3 KU, согласно формуле (2), составляет: KU = 0,009 %.
В табл. 3 представлен спектр гармоник тока в точке питания планшета Apple iPad 3.
Таблица 3
Спектр гармоник тока в точке питания планшета Apple iPad 3
Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е.
1 0,3083004 15 0,000985163 29 0,0002726488
2 0,0000052 16 6,33615E-07 30 0,0000000148
3 0,2606518 17 0,00077746 31 0,0002324616
4 0,0000069 18 3,66767E-07 32 0,0000000287
5 0,1734250 19 0,000382176 33 0,0001128950
6 0,0000086 20 9,86766E-08 34 0,0000000886
7 0,0906452 21 0,0000937449 35 0,0000306652
8 0,0000066 22 0,0000000098 36 0,0000000320
9 0,0357182 23 0,0000080505 37 0,0000043693
Окончание табл. 3
Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е.
10 0,0000043 24 0,0000000087 38 0,0000000088
11 0,0098404 25 0,0002643083 39 0,0000004542
12 0,0000022 26 0,0000001993 40 0,0000000229
13 0,0021067 27 0,0001816063 — —
14 0,0000011 28 0,0000000774 — —
На рис. 9 представлена диаграмма коэффициентов n-х гармонических составляющих тока Kj (n) в точке питания планшета Apple iPad 3.
Ki(n), % У0,000 80,000 -70,000 -60,000 -50,000 -40,000 -30,000 -20,000 -10,000 -
0,000 -2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
номер KI(n)
Рис. 9. Диаграмма коэффициентов n-х гармонических составляющих тока Kj(n) в точке питания питания планшета Apple iPad 3
Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока в точке питания планшета Apple iPad 3 THDt, согласно формуле (3), составляет: THDt = 106,40 %.
На рис. 10 представлены осциллограммы напряжения и тока в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50.
Рис. 10. Осциллограммы напряжения и тока в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50 Kv, согласно формуле (2), составляет: Kv = 0,008 %.
В табл. 4 представлен спектр гармоник тока в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50.
Таблица 4
Спектр гармоник тока в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50
Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е. Номер гармоники Спектр, о. е.
1 0,2115834 15 0,000890956 29 0,002131539
2 0,0000025 16 2,06301E-06 30 0,000002440
3 0,1896983 17 0,000121615 31 0,000832224
4 0,0000065 18 8,43711E-07 32 0,000000879
5 0,1271111 19 3,25082E-05 33 0,000202545
6 0,0000335 20 1,66436E-08 34 0,000000437
7 0,0691466 21 0,000352080 35 0,000012196
8 0,0000168 22 0,000000756 36 0,000000105
9 0,0294230 23 0,000668845 37 0,000058465
10 0,0000089 24 0,000001098 38 0,000000156
11 0,0102730 25 0,008521092 39 0,000164635
12 0,0000058 26 0,000006836 40 0,000000005
13 0,0031282 27 0,004546466 — —
14 0,0000023 28 0,000004000 — —
На рис. 11 представлена диаграмма коэффициентов n-х гармонических составляющих тока Kj (n) в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50.
Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50 THDj, согласно формуле (3), составляет:
THDJ = 113,83 %.
Кцп), % 100,000 1 90,000 -80,000 -70,000 -60,000 -50,000 -40,000 -30,000 20,000 10,000 0,000
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
номер KI(n)
Рис. 11. Диаграмма коэффициентов n-х гармонических составляющих тока Kj(n) в точке питания смартфона Samsung Galaxy a50
Заключение
Таким образом, влияние оборудования информационных технологий в виде рассматриваемых персонального компьютера, ноутбука, планшета, смартфона на показатели несинусоидальности напряжения крайне незначительны, поскольку суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения KU в точке питания не
превышал KU = 0,019 %, при значении 8 %, которое, согласно [3], нельзя превышать
с 95%-й вероятностью. Это в основном связано с незначительной единичной мощностью рассматриваемого оборудования информационных технологий. Тем не менее в случае достаточного увеличения доли таких электроприемников в точке питания следует ожидать заметного их влияния на несинусоидальность напряжения.
Кривые потребляемого тока персональным компьютером, ноутбуком, планшетом, смартфоном имеют ярко выраженный несинусоидальный характер. Суммарные коэффициенты гармонических составляющих тока THDI в настоящее время не нормируются ГОСТ 32144-2013 [3], но довольно значительны и составляют: для персонального компьютера Пилот Intel Celeron G3900 THDI = 84,776 %; ноутбука Lenovo ideapad 330-15ikb THDj = 100,38 %; планшета Apple iPad 3 THDj = 106,40 %; смартфона Samsung Galaxy a50 THDt = 113,83 %.
Литература
1. Избранные вопросы несинусоидальных режимов в электрических сетях предприятий / И. В. Жежеленко [и др.] ; под ред. И. В. Жежеленко. - М. : Энергоатомиз-дат, 2007. - 296 с.
2. Влияние высших гармоник тока на режимы работы кабелей распределительной сети 380 В / В. Н. Тульский [и др.] // Пром. энергетика. - 2013. - № 5. - С. 42-47.
3. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения : ГОСТ 32144-2013 (EN 50160 : 2010, NEQ). - Минск : Госстандарт Респ. Беларусь, 2015.
4. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии : ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30 : 2008). - Минск : Госстандарт Респ. Беларусь, 2014.
5. Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств : ГОСТ 30804.4.7-2013 (IEC 61000-4-7 : 2009). - Минск : Госстандарт Республики Беларусь. - 2014.
Получено 08.06.2022 г.
