PE Przyrząd do harmonicznych energoelektroniki. Archiwum

PE Przyrząd do harmonicznych energoelektroniki. Archiwum

  Na rynku światowym oferowanych jest kilkadziesiąt grup przyrządów pomiarowych. Od prostych mierników dedykowanych do prac serwisowych do wyrafinowanych, skomputeryzowanych przyrządów laboratoryjnych często z sensorami fizycznymi, chemicznymi, biologicznymi.

Lepsze przyrządy mają interfejsy do minikomputerów. Program komputera dokonuje sekwencji pomiarów, opracowuje pobrane z przyrządu / przyrządów wyniki i składuje je na dysku lub drukuje raport.

Pojawienie się w 1977 roku niedrogiego, wygodnego aplikacyjnie scalonego w technologi CMOS liniowo – cyfrowej podwójnie całkującego przetwornika A/D ICL7106 i pochodnych firmy Intersil wraz z interface do 3 1/2 cyfrowych wyświetlaczy LCD spowodowało że na rynku pojawiły się niedrogie i coraz bardziej funkcjonalne mieszczące się w dłoni multimetry zasilane wystarczającą na długo bateryjką o napięciu 9V typu 6F25. Są bardzo dobrze zabezpieczone i trudne do uszkodzenia. W układach zabezpieczeń stosowane są diody, diody Zenera i pozystory PTC oraz bezpieczniki topikowe 5x20mm. Jakość pomiaru sygnału zmiennego jest z reguły słaba lub bardzo słaba. Mierzona jest wartość średnia sygnału a nie wartość skuteczna RMS.

Najprostszy multimetr mierzy napięcia i prądy stałe i zmienne oraz oporność. Trochę lepsze multimetry mierzą spadek napięcia na diodzie oraz wzmocnienie prądowe tranzystorów PNP i NPN i mają użyteczny piszczek sygnalizujący oporność poniżej ca 50 Ohm czyli połączenia. Bez trudu można dodać orientacyjny pomiar częstotliwości. Jako że wymagane precyzyjne rezystory są drogie specjalnie do tych multimetrów masowo produkowane są metodą hybrydową ( korygowane laserowo lub inaczej ? ) drabinki dokładnych rezystorów. Intersil produkuje też dokładniejsze układy ale nie zdobyły one masowego uznania. Mankamentem układu ICL 7106 jest długie wyjście z „przeciążenia” po przekroczeniu zakresu. Autor zgłębił problem i wystarczy w układzie scalonym dodatkowo zintegrować stosunkowo niewiele elementów aby tą uciążliwą i spowalniającą pracę człowieka wadę kompletnie usunąć. Logika do automatycznego przełączania zakresów pomiarów też jest prosta do integracji ale o ile przełączanie zakresów sygnałów stałoprądowych DC przełącznikami CMOS jest proste to przełączanie zakresów sygnału zmiennego przy wymaganym szerokim pasmie (>1 KHz)wymaga rozbudowanego układu, który do wykonania na małej powierzchni płytki drukowanej wymaga użycia małych elementów do montażu powierzchniowego jako że jest ich sporo.

Układ ICL7106 produkowany jest w obudowie konwencjonalnej DIL40. Po zastosowaniu obudowy SMD o większej ilości pinów można dodać nowe istotne funkcjonalności.

Popularne mierniki cyfrowe wypierają popularne mierniki magnetoelektryczne z galwanometrami wskazówkowymi. Są od nich znacznie dokładniejsze i wygodniejsze.

W tradycyjnym elektromechanicznym liczniku indukcyjnym, zużywanej energii elektrycznej, aluminiowa tarcza porusza się pod wpływem wirowego pola magnetycznego wytworzonego przez dwie cewki. Przez pierwszą cewkę płynie prąd proporcjonalny do natężenia prądu pobieranego przez odbiorcę a przed drugą cewkę do napięcia. Położenie cewek jest takie, że powstający moment napędowy jest proporcjonalny do iloczynu chwilowej wartości prądu i napięcia czyli pobieranej mocy czynnej. Moment napędowy jest równoważony przez moment hamujący prądów wirowych proporcjonalny do szybkości ruchu tarczy, który powstaje w wyniku obrotu tarczy między biegunami magnesu trwałego. Tarcza napędza prosty mechaniczny dekadowy licznik kilowatogodzin. Po podaniu do cewki napięciowej napięcia przesuniętego o 90 Deg licznik zlicza pobieraną moc bierną.

Masowo są także produkowane liczniki trójfazowe. Duży prąd lub napięcie obniża się przekładnikami prądowymi i napięciowymi. Dużym odbiorcom nalicza się opłaty na energie czynną ale też i za pobraną energie bierną.

Pionierską produkcje licznika indukcyjnego podjęła węgierska firma Ganz w 1889 roku na podstawie opracowanie Węgra Otto Blathy. Oczywiście liczniki indukcyjne udoskonalono ale idea pracy się nie zmieniła od tego czasu. Liczniki indukcyjne nie są zbyt dokładne. Są zupełnie niezgodne z elektronicznymi systemami automatyki i monitoringu. Są liczniki z dodatkowym transoptorem szczelinowym generującym impulsy proporcjonalnie do szybkości ruchu tarczy, które mogą być użyte przez system elektroniczny. Normy krajowe i międzynarodowe szczegółowo regulują temat liczników jako że jest to sprawa ogromnej wagi.

Analogowe wskazówkowe watomierze są instrumentami elektrodynamicznymi. Pole magnetyczne wytwarzają nieruchome cewki prądowe a przez cewkę ruchomą umieszczoną w polu magnetycznym ze wskazówką płynie mały prąd proporcjonalny do napięcia.

Woltomierz i amperomierz elektromagnetyczne działają na zasadzie oddziaływania pola elektromagnetycznego nieruchomej cewki na rdzeń ferromagnetyczny będący ruchomą część ustroju pomiarowego

Woltomierz i amperomierz elektromagnetyczne elektrodynamiczne są nawet klasy 0.5 a więc dokładne ale niekompatybilne z systemem elektronicznym.

Współczynnik szczytu ( Crest Factor ) to iloraz wartości szczytowej do skutecznej sygnału. Dla muzyki CF wynosi 4-10 razy. Dokładność pomiaru sygnałów o o znacznym CF jest mała. Bardzo dokładny i drogi cyfrowy miernik wartości skutecznej ma przy pomiarze sygnału sinusoidalnego (CF=1.41..) błąd 0.02%, który jednak dla sygnału o CF=5 wzrasta do 0.2% czyli dziesięciokrotnie.

Podobnym parametrem sygnału jest PAR czyli Peak to Average Ratio czyli iloraz wartości szczytowej do średniej.

Skutkiem zjawiska naskórkowości dodatkowa ( ponad oporność dla prądu stałego DC ) rezystancja danego przewodu rośnie proporcjonalnie z pierwiastkiem z częstotliwości. Głębokość wnikania pola magnetycznego w miedzi dla częstotliwości 50 Hz wynosi 9.47 mm a dla aluminium jest większa. Głębokość wnikania jest to w przybliżeniu odległość od powierzchni przewodu, na której gęstość prądu spada do wartość 1/e swojej wartości maksymalnej na powierzchni.

W energetyce w celu zmniejszenia naskórkowości i strat mocy w liniach przesyłowych stosuje się odpowiednią konstrukcje grubych przewodów. Wykonuje się je z wiązki cienkich nieizolowanych przewodów. Zwiększa to jednak powierzchnię czynną przekroju przewodu. Ponieważ środkowa część grubego przewodu faktycznie nie przewodzi prądu to środkowa stalowa lina nośna jest nieszkodliwa. Rezystancja linii przesyłowych o dużym przekroju dla częstotliwości harmonicznych wzrasta ale w liniach wysokich napięć harmoniczne prądu nie stanowią jeszcze problemu.

Naskórkowość powodowana jest polem magnetycznym prądu płynącego przez przewód.

Znacznie gorsza jest sytuacja z silnym polem rozproszenia transformatora energetycznego powodującym płyniecie prądów wirowych w przewodach uzwojeń.

„Straty dodatkowe obciążeniowe” w transformatorze energetycznym powodowane są prądami wirowymi w uzwojeniach, rdzeniu oraz obudowie transformatora. W dużym transformatorze celem zmniejszenia strat obudowa ma ekran elektromagnetyczny lub magnetyczny.

W realnym przykładzie podanym w „Transformatory”, E. Jezierski , WNT 1983, dla transformatora mocy 3150 kVA straty dodatkowe w temperaturze 75C stanowią 13.5% strat podstawowych w miedzi wywołanych identycznym w natężeniu prądem stałym. Udział procentowy tych strat spada z temperaturą jako że rośnie oporność miedzi. Producenci transformatorów rzadko podają jaki jest udział strat od prądów wirowych w uzwojeniach w całości strat dodatkowych obciążeniowych transformatora a już nigdy jakie są straty od prądów harmonicznych.

Straty od prądów wirowych powodowanych polem rozproszenia w uzwojeniach są nasilone w zewnętrznych częściach uzwojeń powodując tam lokalne podwyższenie temperatur. Zjawisko zmniejsza się stosując przewody z ciągłym wewnętrznym przepleceniem - transpozycją CTC lub przeplatanie przewodów.

Dodatkowe straty mocy w uzwojeniach od prądów wirowych nie powinny przekraczać 10% strat podstawowych. Spełnienie tego wymogu dla dużych transformatorów jest trudne.

Przyrząd według pokazanego schematu blokowego służy do określenia faktycznego obciążenia transformatora energetycznego lub przewodu linii z uwzględnieniem destrukcyjnej roli prądów harmonicznych. Pozwala ustalić czy dołączenie kondensatora do kompensacji mocy biernej jest celowe a może niebezpieczne z uwagi na rezonansowe wzmocnienie prądów harmonicznych.

Elektronika może być uzupełnieniem prostego ale zmodyfikowanego multimetru z układem ICL7106 lub może użyć przetwornika A/D z układem ICL7109, którego przetwornik A/D jest co do idei identyczny jak ICL7106 ale można go prostym interfejsem dołączyć do mikrokrokomputera ZX Spectrum.

Układ ICL jest przetwornikiem A/D ratiometrycznym w skali podanego mu napięcia odniesienia ( ma różnicowe wejścia sygnału i napięcia odniesienia) co pozwala m.in. wykonać operacje dzielenia ! Ale obniżenie tego napięcia odniesienia powoduje stopniową utratę dokładności przetwornika. W układzie ICL wykorzystano fakt ze przetwornik A/D ma dwa wejścia – sygnału mierzonego i drugie napięcia referencyjnego dla podwójnie całkującego przetwornika A/D. Obydwa wejścia w multimetrach używane są do pomiaru oporności.

Zeskalowany przełącznikiem z rezystorami sygnał wejściowy pochodzi z przekładnika prądowego lub takowego w formie sensora miernika szczękowego.

W górnym trakcie sygnał podano do idealnego prostownika dwupołówkowego oczywiście na wzmacniaczach operacyjnych lub scalonego. Po odfiltrowaniu sygnał DC podano ewentualnie zamiast napięcia odniesienia w układzie ICL.

W dolnym trakcie użyto przetwornika wartości skutecznej RMS a sygnał z niego oczywiście odfiltrowano i podano na wejście sygnału przetwornika A/D. Część wejściową przetwornika stanowi oczywiście układ prostownika idealnego rozszerzony o dwa diodowe prostowniki szczytowe dla stwierdzenia czy system nie jest przesterowany. Do przetwornika podany jest sygnał proporcjonalny do prądu z przekładnika lub ten sygnał poddany „preemfazie” obrazującej efekt prądów wirowych na wzmacniaczu operacyjnym A1.

Dla typowego transformatora energetycznego w którym przy częstotliwości 50Hz straty dodatkowe na prądy wirowe w uzwojeniach wynoszą w=10% czyli 0.1 wzmocnienie preemfazy przy częstotliwości 50Hz wynosi 1.1 czyli 1+0.1 czyli 1+w raza. Dzielnik rezystorowy za wzmacniaczem A1 ma tłumienie dokładnie 1/1.1.

Po podaniu przełącznikiem do przetwornika RMS sygnału bez preemfazy a przetwornikowi A/D napięcia odniesienia mierzona jest bezwzględna wartość skuteczna prądu. Jeśli jako odniesienie podamy przetwornikowi A/D odfiltrowany sygnał z prostownika idealnego to wyświetlacz pokazuje iloraz prądu Irms / Iav w skali 0 do 199.9%. Sygnały są tak zeskalowane że dla czystej sinusoidy z generatora wysokiej jakości wynik jest 100.0 (%). Wynik też utrzymuje się przy zmianie sygnału wejśćiowego w pewnym zakresie co dobrze świadczy o ratiometryczności układów ICL. Jeśli zmierzymy stosunek prądów Irms/Iav pobieranego przez odbiornik telewizyjny TVC to po pierwsze możliwe że trzeba będzie sygnał stłumić co zawsze powoduje utratę dokładności pomiaru, aby nie dochodziło do przesterowania wzmacniaczy operacyjnych bowiem sygnał ma okresowe piki prądu ładowania kondensatora elektrolitycznego prostownika sieciowego. Po drugie Irms/Iav jest duże ale powinno być mniejsze od 199.9%. Jeśli jest większe podajemy napięcie sieciowe do TV poprzez szeregowy rezystor 4.7 Ohm /5W. Układ ICL7109 ma zakres -4096...4096 czyli dwa razy 12 bitowy czyli faktycznie 13 bitów a więc sporo.

Wzmocnienie układu preemfazy ze wzmacniaczem A1 dla czystego sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 50Hz ma wynosić dokładnie 1. Preemfaza symuluje wzrost oporności uzwojenia czy przewodu w miarę wzrostu częstotliwości harmonicznych i efekt prądów wirowych. To że układ preemfazy przyśpiesza fazę jako że różniczkuje sygnał jest bez znaczenia dlatego ze harmoniczne są ortogonalne wobec siebie i uśredniona wartość skuteczna RMS nie zależy od ich przesunięcia fazowego.

Irmsp to wartość skuteczna – „nagrzewająca” uzwojenia transformatora z uwzględnieniem prądów wirowych w uzwojeniu. P od Preemfaza.

Prąd pobierany przez odbiornik TV ma stosunek Irmsp/Iav większy od 199.9% ale przecież przyrząd służy do zupełnie czego innego. Aby upewnić się że przyrząd działa dobrze, podajemy mu sygnał trójkątny 50 Hz z generatora funkcyjnego wcześniej wyliczając ( jest to możliwe analitycznie i nawet nietrudne dla tego sygnału ) co miernik ma pokazać. Miernik dokładnie to pokazuje. Gdy zmierzymy prąd pobierany przez „mieszkanie” gdy włączony jest grzejnik pralki lub żelazko i odbiornik TVC to współczynnik Irmsp/Iav jest całkiem mały co wynika że tego że nieliniowy pobór mocy 100W TVC „tonie” na tle potężnego poboru liniowych odbiorników.

W urządzeniu z interfejsem do mikrokomputera rolę przełączników spełniają układy CD4066 lub multiplexery CD4051,4052.

Stałe czasowe we wzmacniaczu A1 preemfazy decydują o sile preemfazy ( wrażliwości konkretnego typu transformatora na prądy wirowe co ma obraz we względnych stratach dodatkowych ) i o jej nachyleniu. Z pokazanymi elementami podnoszone są harmoniczne do ca 1 kHz czyli do dwudziestej ale można to dowolnie rozszerzyć co jest raczej niecelowe. Preemfaza jest ostra. Mniejsze nachylenie preemfazy można uzyskać dając zamiast szeregowego dwójnik RC kilka takich dwójników połączonych równolegle aby aproksymować pożądane nachylenie. Program symulacyjny układów elektronicznych Microcap na komputer PC jest pomocny w weryfikacji projektu. Autor nie wie jakie dokładnie ma być to nachylenie ponieważ producenci transformatorów jeszcze nie podają dokładnych danych a publikowane wyniki obliczeń metody elementów skończonych FEM nie są do końca zbieżne. Temat jest dopiero w przodujących laboratoriach świata badany. Ale z uwagi na koncentracje mocy strat prądów wirowych harmonicznych bezpieczniejsze jest większe nachylenie preemfazy niż mniejsze.

Na wzmacniaczu operacyjnym A2 wykonano filtr środkowozaporowy 50Hz w innowacyjnej konfiguracji. Dostrojenie częstotliwości filtru środkowozaporowego podwójne T z zachowaniem nieskończonego tłumienia wymaga równoległej zmiany aż 3 elementów co jest bardzo kłopotliwe a procedura strojenia jest trudna. W pokazanym filtrze jeden potencjometr P1 zmienia częstotliwość filtru utrzymując nieskończone tłumienie ustalone potencjometrem P2. Częstotliwość sieciowa 50Hz powinna być absolutnie niezmienna ale bywały czasy gdy była obniżona poniżej 49.5Hz.

Filtr w układzie prototypowym sprawdzony generatorem po pół roku nie wymagał dostrojenia co dobrze świadczy o stabilności użytych elementów RC.

Można zmierzyć zniekształcenie prądu odniesione do prądu średniego Ithd/Iav. Można zniekształcenia prądu poddać preemfazie układem ze wzmacniaczem A1. Można by łatwo dodać pomiar zniekształceń napięcia sieciowego. Gdy jest ono zbyt zniekształcone zasilane silniki asynchroniczne mają powiększone straty !

Autor przetwornik RMS wykonał na wzmacniaczach operacyjnych i scalonych tranzystorach.

Firma Analog Devices produkuje scalone przetworniki RMS w obudowie 14 nóżkowej i trochę mniej dokładne ale dużo tańsze w obudowie 8 nóżkowej. Układy wymagają niewielkiego napięcia zasilania i pobierają ca 1.2 mA prądu. Doskonale nadają się do budowy przyrządu z zasilaniem bateryjką trzymanego w ręku z kleszczowym sensorem prądu. Bezpieczny, bezinwazyjny pomiar na przewodzie niskiego napięcia od transformatora dystrybucyjnego 15/0.38 KV pokazuje nam jak mocno zniekształcony jest prąd czyli udział odbiorników nieliniowych i czy transformator może bezpiecznie pracować i jaki jest wymagany derating transformatora w tym miejscu. Okresowa rutynowa kontrola co rok może pokazać że zniekształcenia i problem rośną. Pomiar na kablach odchodzących od rozdzielni nn wskaże nam odbiorcę ( na przykład mały zakład przemysłowy ) najbardziej „nieliniowego”

Po załączeniu stycznika kondensatora kompensacji mocy biernej (jeśli taki jest stosowany) może się okazać że prąd Irmsp transformatora wzrósł a nie spadł jak oczekiwaliśmy co świadczy o rezonansowym wzmocnieniu prądów harmonicznych. Kondensatora raczej nie należy załączać.

Można mnożyć konfiguracje i mierzone parametry sygnału /sygnałów ale raczej należy wybrać najbardziej użyteczne pomiary przekuwane na decyzje i działania.

Przetworniki A/D metody podwójnego całkowania są powolne ale dobrze tłumią zakłócenia i jest to ich poważna zaleta. ICL7109 przetwornika A/D maksymalnie może dokonać 30 pomiarów na sekundę a praktycznie mniej.

Konstrukcja przyrządu współpracującego z komputerem do stacji elektroenergetycznej i GPZ z tym układem ICL7109 wydaje się prosta. Łatwo można mierzyć sensorami temperatury, wilgotność, napięcia sieci, składowe zgodne, przeciwne i zerowe, prądy średnie / RMS i z preemfazą, zniekształcenia harmoniczne... Z dużym wyprzedzeniem można uzyskać informacje o nadchodzących problemach.