1. diel seriál: Prečo je potrebný analyzátor výkonu a nestačia karta DAQ - prístroje Newtons4th

Čo viete o chybách pri presnom meraní a analýze výkonu?

Ako na presné meranie výkonu. Viete čo je podstatné?

Vďaka čoraz väčšiemu tlaku na čas je snaha, aby vzdelávacie kurzy v krátkom čase ponímali širokú škálu obsahu.

to skracuje dobu venovanú výučbe a praxi presného merania a základom analógových meraní.

Preto nie sú plne docenené jemnejšie detaily presného merania v prvých rokoch kariéry mnohých technikov a inžinierov.

Táto aplikačná poznámka je určená na pokrytie menej známych aspektov špecifickej oblasti presného merania a analýzy výkonu.

Ďalej budú diskutované úskalia týchto zjednodušených predpokladov.

Napríklad vzdelanie nás mohlo naučiť, že vyšší "počet bitov" pri ADC a rýchlejšia vzorkovacia frekvencia poskytujú presnejšie výsledky
– áno, ale to jednoducho neplatí vždy.

Existujú ďalšie faktory spôsobujúce nepresnosti, ktoré vykazujú oveľa väčší vplyv na meranie výkonu.

Chybám v presnej analýze výkonu dominujú analógové efekty prítomné priamo na začiatku meracieho vstupu a obvodoch stabilizácie analógového signálu pripojené k skúšobnej vzorke.

Bez ohľadu na to, ako rýchlo dokážete signál vzorkovať, bez ohľadu na to, aké vysoké je rozlíšenie digitalizovaného signálu, ak informácie odovzdávané z analógovej fázy signálového reťazca do fázy číslicovej, sú už zaťažené šumom a skreslením, potom vám ADC s vysokým rozlíšením a rýchle vzorkovacia frekvencia nemôžu pomôcť – systém jednoducho digitalizuje zlé dáta. Kalibrácia vás môže dostať len tak ďaleko, aké vlastnosti a parametre dosiahne váš prístroj ako celok.

Čo je karta DAQ

1. Izolácia.
2. Útlm / zisk (zvyčajne jedna fáza, ktorá nie je aktívne nastaviteľná počas meraní v reálnom čase).
3. Stabilizácia prúdu / napätia tak, aby zodpovedala vstupnému rozsahu DAQ.

Typické funkcie karty DAQ

• Viac vstupných kanálov, 2 ~ 60;
• Neizolované;
• Jeden rozsah;
• Nízká CMRR <80dB;
• Vstupné napätie max <10V;

DAQ – Požiadavka na izoláciu

Ak je na meranie prietokov napätia generovaných pohonom PWM potrebný reťazec merania napätia založený na DAQ, bude potrebné meranie fázy do fázy. Preto je potrebná izolácia medzi kanálmi, aby sa uľahčilo pripojenie cez fázu, napr. L1 ~ L2. Táto izolácia sa zvyčajne zabezpečí diferenciálnou sondou, ktorá poskytuje vždy jeden rozsah (100: 1, 1000: 1 atď.).

• Po prvé, aj dobré diferenciálne sondy majú nominálnu presnosť 1%, čo je významný zdroj chyby a to ovplyvní merania pri všetkých výkonových faktoroch. Dobré analyzátory výkonu vykazujú presnosť lepšiu ako 0,1%, a to aj pri nízkonákladových riešeniach.  Horná hranica rozsahu analyzátorov N4L musí vykazovať 0,01% chyby čítania.
• Po druhé, diferenciálna sonda zavedie fázový posun na meranie – presná úroveň fázového posunu nie je známa bez rozsiahlej diagnostiky. Vzhľadom na to, že výkon (W) závisí aj od fázy medzi napätím a prúdom [cos (ε)], akýkoľvek fázový posun zavedený do systému merania znižuje jeho presnosť. Tento vplyv je väčší pri meraní nižších výkonov.

DAQ – Problémy spojené so vstupmi s jedným rozsahom

Zatiaľ čo úrovne napätia počas testu môžu byť pomerne stabilné (hoci to často nie je tak), súčasné úrovne určite nebudú. Preto je životne dôležité, aby každý vysokopresný merací systém vybral vhodný rozsah, ktorý bude zodpovedať prichádzajúcemu signálu. Čím bližšie môže byť rozsah k vrcholu prichádzajúceho chodu (bez orezania), tým nižšie budú chyby rozsahu.

Napríklad:

10V, 16-bitový systém merania prúdu založený na DAQ je pripojený k 10mOhm bočníku s maximálnou kapacitou zaťaženia 4W, kde je bočník schopný pracovať s prúdom až 20Arms..  

Rozptyl energie v bočníku = I2R = 202 * 0,01 = 4 W. Pokles napätia cez 10 mOhm pri 20 Arms by bol 0,2V.

16-bitový 10V vstup karty DAQ dosahuje maximálne rozlíšenie = 10 / 216 = 152uV.

Je však pozoruhodné, že toto číslo nezahŕňa hluk alebo nelinearitu (vzhľadom na vstupné zosilnenie a vstupnú frekvenciu) karty DAQ – ktorá bude výrazne vyššia ako u špecializovaného analyzátora výkonu. Pokles 152uV cez odpor 0,01Ω je 15,2 mA. Chybu plného rozsahu, (20a) sa teda môže vypočítať ako: = (0,0152 / 20) = 100 = 0,08%.

Nevyzerá to tak zle; je však dôležité vziať do úvahy, že v tomto systéme existuje len jeden rozsah. Bez ohľadu na to, či systém analyzuje signál 20A alebo signál 200mA. Túto chybu možno presnejšie definovať ako "chybu kvantifikácie v plnom rozsahu".  Ak vstupný prúd nie je blízko maximálnej nosnosti prúdu bočníka, chyba merania sa zvýši.  

Napríklad, ak je signál input 200mA, chyba plného rozsahu 0,08% prispeje k čítaniu rovnakou chybou kvantifikácie 15,2 mA.V percentách sa to rovná (0,0152 / 0,2) * 100 = 7,6%. To zdôrazňuje významnú nevýhodu systémov, ktoré nemajú aktívny systém rozsahu.

Aktivny systém

Aktívny systém rozsahu je systém, ktorý dokáže reagovať na zmeny v meranom vstupnom signáli v reálnom čase. V nadväznosti na priebeh signálu môže prístroj nastaviť svoj rozsah tak, aby bol primerane využitý. Tým dôjde k zníženiu kvantitatívneho šumu a zlepšeniu presnosti merania. Prístroj musí reagovať takmer okamžite.

Obrázok 1 znázorňuje, ako aktívny systém reaguje na meniaci sa vstupný signál a dynamicky upravuje svoj rozsah pri zmene veľkosti vstupného signálu.

Aktívny rozsah je v časti obrázku 2 zvýraznený modrou, čitateľom by malo byť jasné, že chyba rozlíšenia je znížená pri znížení rozsahu..

Ako príklad výhod tohto systému si zoberte 14-bitový aktívny rozsah založený na ADC s rozsahmi znázornenými na obrázku 1. 2, odpor bočníc zostáva na 0,01Ω, ADC má plný rozsah + / -3Vpk. Aj keď je rozlíšenie ADC nižšie ako v predchádzajúcom príklade, chyba rozlíšenia merania je takmer vo všetkých prípadoch nižšia. Rozlíšenie = 3 / 214 = 183uV.
183uV/3V= 0,006 % rozsahu.

Pri detekcii vstupného signálu 200mArms systém aktívneho rozsahu na analyzátore napájania N4L automaticky vybral rozsah 300mApk.
Chyba zapríčinená kvantifikáciou teda je: Chyba (A) = 0,006% *0,3 = 18ua.

resolutionerror  w. r. t  200mA  input signal  (active  range,  300mApk)  = 0.000018/0,2*100=0,009 %.

Z týchto príkladov by malo byť jasné, prečo je systém aktívneho rozsahu nevyhnutný pre vysoko presné dynamické merania elektrického výkonu a predpoklad mnohých inžinierov, že ADC s vyšším rozlíšením poskytne väčšiu presnosť, nie je vždy pravdivý.​

Multiplexovanie

Väčšina kariet DAQ na trhu zdieľa svoju vzorkovaciu frekvenciu medzi kanálmi, čo je dôsledkom toho, že karta DAQ postupne vzorkuje každý kanál individuálne pred prechodom na ďalší kanál – t. j. multiplexovanie.
Je to pomerne veľký problém na meranie výkonu. Analyzátor výkonu musí odoberať vzorky napätia a aktuálneho prietoku každého kanálu v systéme súčasne, aby sa presne určil fázový posun medzi kanálmi napätia a prúdu. Ak vstupné kanály analyzátora nie sú synchronizované, je nevyhnutné, aby bola ovplyvnená fáza merania RMS a následný výpočet výkonu.

Obrázok 2 Vplyv multiplexovaného čítania kanálov na DAQ​

Všetky analyzátory výkonu N4L odoberajú vzorky nespracovaných analógových signálov prítomných na všetkých vstupných kanáloch súčasne, čo si vyžaduje signálny reťazec schopný odoberať surové vzorky paralelne – to určite nie je triviálna úloha pri odbere vzoriek v pásme MHz s rozlíšením 14 bitov. N4L vyvinula signálny reťazec schopný súčasne odobrať 12 analógových kanálov (6x napätie a 6x prúd) plus potrebné vstupy krútiaceho momentu a otáčok potrebných pre akúkoľvek aplikáciu. Riadenie a odber vzoriek signálu sa rieši kombináciou FPGA a DSP s proprietárnimi izolačnými technikami.

Sledovateľnost​

Analyzátor výkonu by mal poskytovať nielen presné merania, ale mal by byť aj schopný preukázať tieto merania pomocou vysledovateľnej referencie. Ak zariadenie na presné meranie nebolo overené na základe vysledovateľného odkazu s vypočítanou použiteľnou nepreistotou, nemožno sa spoľahnúť na samotnú špecifikáciu takéhoto zariadenia. Presnosť "podľa návrhu" nestačí, akýkoľvek systém presnej analýzy by mal byť vysledovateľný späť k primárnemu referenčnému prístroju vzhľadom na ISO17025.

Neistota

Je to jednoducho presnosť kalibrátora?

Nie je to také jednoduché, aj keď presnejší kalibrátor pomôže určiť neistotu akéhokoľvek kalibračného procesu, musíte tiež vedieť:

1. Neistota kalibrátora;
2. Opakovateľnosť merania analyzátora pri kalibrácii;
3. Rozlíšenie výsledku kalibrácie analyzátora;

Obrázok 3: Kalibrátor FLUKE a analyzátor výkonu N4L​

Neistota = kalibračná neistota + rozlíšenie analyzátora + opakovateľnosť

Je to položka 2 v tomto zozname, ktorá sa ukazuje ako najťažšia pre systém založený na DAQ, pretože proces určovania opakovateľnosti je rozsiahly. Na stanovenie opakovateľnosti kalibračného systému s kalibrátorom sa musí vykonať niekoľko skúšok počas dlhého obdobia. Dôležité je kombinácia týchto dvoch zariadení a prepojovacieho hardvéru. Presnosť každého presného meracieho prístroja musí byť taká, aby umožňovala opakovateľnosť kalibrovaného prístroja, pričom proces určovania opakovateľnosti nie je triviálny. Aj keď nie je nemožné vykonať všetky tieto tri kroky, investičné náklady v požadovanom čase by sa mnohokrát pokryli nákupom špecializovaného analyzátora výkonu. 

Spracovanie údajov v reálnom čase bez medzier

Požiadavka, ktorá sa v odvetví merania energie často ignoruje, je skutočné spracovanie v reálnom čase bez medzier, a to aj u mnohých špecializovaných výrobcov analyzátorov výkonu. Spracovanie v reálnom čase zahŕňa signálny reťazec, ktorý získava, spracováva a likviduje vzorky "za behu". To odporuje požiadavke na ukladanie vzoriek do vyrovnávacej pamäte, a tým aj eliminuje potrebu vzorkovacej vyrovnávacej pamäte, pretože vzorky ukladané do vyrovnávacej pamäte podľa požadovanej dátovej rýchlosti čoskoro zaplní akoukoľvek dostupnou systémovou pamäť.

Prečo je to dôležité?

Predstavte si elektrický motor poháňaný PWM rotujúci pri 0,1 Hz, ktorý si vyžaduje analýzu výkonu cyklu po cykle. Systém akvizicie založený na vyrovnávacej pamäti (napr. systém založený na DAQ), ako aj systém bez medzier v reálnom čase (napr. analyzátory výkonu N4L) musia získať dostatok vzoriek na zapracovanie jedného celého cyklu (10 sekúnd údajov na každý kanál, pri 2MS / s je to celkovo 240 miliónov vzoriek pre 6-fázový systém).

V reálnom čase, bez medzery signálneho reťazca, dĺžka akvizicneho okna (v tomto prípade 10 sekúnd) sa systémová pamäť netýka, pretože vzorky budú spracované za behu. Po spracovaní sa vypočítané výsledky zhromaždia v pamäti a nespracované vzorky sa zlikvidujú. Pamäť teda vyžaduje len dostatočný priestor na uchytenie hrstky nahromadených hodnôt, ako sú integrované hodnoty výkonu, až do konca okna akvizicie-iba kB, nie Gb pamäťového priestoru. Signálny reťazec založený na vyrovnávacej pamäti spracúva vzorky iným spôsobom, namiesto spracovania jednotlivých vzoriek za chodu sú uložené v pamäti (v vyrovnávacej pamäti). To je problém, pretože hĺbka pamäte je vždy konečná.

Nielen to, že namiesto spracovania vzoriek počas behu, keď bude dokončené akvizicné okno, bude potrebné obrovské množstvo spracovania signálu potrebné na to, aby sa pufr plný nespracovaných vzoriek previedol na Vrms, Irms, W, reaktívny výkon, aktívny výkon atď. O to väčší počet vzoriek, ktoré si vyžadujú spracovanie, si bude vyžadovať viac času na dokončenie týchto úloh, a preto bude potrebné odložiť odber vzoriek medzi dokončením jedného okna a začiatkom ďalšieho obdobia.

1. Znížte frekvenciu odberu vzoriek – nie ideálne, pretože to zníži šírku pásma. 
2. Zväčšiť veľkosť pamäte – Drahé, tiež spôsobuje väčšie medzery medzi oknami, pretože viac matematických operácií musí byť vykonaných na väčšom počte vzoriek medzi oknami. Tým sa vyrieši jeden problém a vytvorí sa problém ešte väčší. Žiadna z uvedených možností nie je ideálna. 

Záver:

Analyzátory výkonu od spoločnosti Newtons4th, disponujú celým radom unikátnych vlastností implementovaných pre veľmi presné meranie elektrického výkonu. Kontinuálne akvizície, dynamické zmeny rozsahu, špecializované planárne bočníky, o ktorých sa bude hovoriť v ďalších dieloch, a celkovú filozofiu architektúry prístrojov na meranie výkonu tvoria spoločne nekonkurenčné prístroje.

Ak máte nejaké otázky alebo potrebujete radu. Neváhajte nás kontaktovať formulárom uvedenom nižšie.

Ďalšia časť / Všetky časti

Fotografia

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA4500

Vysoko presný analyzátor kvality elektrického výkonu. Je predurčený k meranie strát transformátora, účinnosti PWM meničov, kľudové spotreby podľa IEC62301 / EN50564 a k mnohým ďalším náročným aplikáciám.

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500

Vysoko presný analyzátor kvality výkonu s najvyššou rýchlosťou, základnou presnosťou 0,01%, až 50Arms (1000Apk) a 1000Vrms (3000Vpk) priamo na vstupoch

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500-TE Edícia Transformer

Najpresnejší analyzátor výkonu transformátora na svete.

Analyzátor kvality výkonu N4L radu PPA1500

Analyzátor kvality siete rady PPA1500 je vysoko výkonný kompaktný analyzátor kvality elektrickej energie, ktorý ponúka zaujímavý pomer cena výkon.

Analyzátor kvality výkonu radu N4L PPA500

Analyzátor kvality siete rady PPA500 spája presnosť radu analyzátorov kvality s potrebou vysokého výkonu analýzy kvality energie za nízku cenu. Je ideálnym riešením pre aplikácie vyžadujúce presné merania vo výrobnom a skúšobnom prostredí. Nízka cena analyzátora energie PPA500 predstavuje veľkú príležitosť pre systémových integrátorov, hľadajúci presnú a spoľahlivú analýzu.

Analyzátor výkonu a kvality siete 1 ~ 6 fáz N4L PPA3500

Analyzátor výkonu 1 ~ 6 fáz N4L PPA3500

Programovateľné arbitrárne zdroje Newtons4th radu N4A

Zdroje striedavého napätia s výkonom 3 – 67kVA (DC + 0,01Hz až 1kHz) 1 alebo 3 fázové s minimálnym nežiaducim skreslením, používateľsky konfigurovateľný generátorom harmonických pre syntézu aj replikáciu priebehov.