1. díl, N4L seriál: Proč je zapotřebí analyzátor výkonu a nestačí karta DAQ 1

Chybám v přesné analýze výkonu dominují analogové efekty přítomné přímo na začátku měřicího vstupu a obvodech stabilizace analogového signálu připojené ke zkušebnímu vzorku.

V posledních letech bylo mnoho vzdělávacích kurzů poněkud nuceno zjednodušit složitou oblast získávání dat a oblast přesného měření výkonu.

Tyto kurzy jsou pod neustálým tlakem, aby v krátké době pojmuly širokou škálu obsahu. To platí zejména od vzniku digitálních mikrokontrolerů, které jsou nyní součástí mnoha kurzů elektroniky, což zkracuje dobu věnovanou výuce a praxi přesného měření a analogových základů. 

Jemnější detaily přesného měření proto nejsou plně doceněny v prvních letech kariéry mnoha inženýrů. Tato aplikační poznámka je určena k pokrytí méně známých aspektů specifického sektoru přesného měření – analýzy výkonu, při které jsou diskutována úskalí těchto zjednodušených předpokladů.
Například vzdělání nás mohlo naučit, že vyšší "počet bitů" u ADC a rychlejší vzorkovací frekvence dají přesnější výsledky – ano, ale to prostě neplatí vždy. 
Existují další faktory způsobujících nepřesnosti, které vykazují mnohem větší vliv na měření výkonu.

Chybám v přesné analýze výkonu dominují analogové efekty přítomné přímo na začátku měřicího vstupu a obvodech stabilizace analogového signálu připojené ke zkušebnímu vzorku.  

Bez ohledu na to, jak rychle dokážete signál vzorkovat, bez ohledu na to, jak vysoké je rozlišení digitalizovaného signálu, pokud informace předávané z analogové fáze signálového řetězce do fáze číslicové, jsou už zatížené šumem a zkreslením, pak vám ADC s vysokým rozlišením a rychlé vzorkovací frekvence nemohou pomoci – systém jednoduše digitalizuje špatná data. Kalibrace vás může dostat jen tak daleko, jakých vlastností a parametrů dosáhne váš přístroj jako celek.

Co je karta DAQ

DAQ je multifunkční vzorkovací systém poskytující většinou povícero nízkonapěťových vstupů.
Klíčovým problémem je, že obvody pro stabilizaci signálu pracují nezávisle na kartě DAQ, takže neexistuje komunikace mezi nimi a pouze poskytují následující poněkud tuhé funkce v rámci níže uvedeného systému měření výkonu;
  1. Izolace.
  2. Útlum/zisk (obvykle jedna fáze, která není aktivně nastavitelná během měření v reálném čase).
  3. Stabilizace proudu/napěťového signálu tak, aby odpovídala vstupnímu rozsahu DAQ.

Typické funkce karty DAQ

  • Více vstupních kanálů, 2 ~ 60;
  • Neizolované;
  • Jeden rozsah;
  • Nízká CMRR <80dB;
  • Vstupní napětí max <10V;

DAQ – Požadavek izolace

Pokud je k měření průběhů napětí generovaných pohonem střídače PWM nutný řetězec měření napětí založený na DAQ, bude nutné měření fáze do fáze. Proto je nutná izolace mezi kanály, aby se usnadnilo připojení přes fáze,  např.  L1 ~ L2. Tato izolace bude obvykle zajištěna ve formě diferenciální sondy, která poskytuje vždy jeden rozsah (100:1, 1000:1 atd.).

  • Za prvé, i dobré diferenciální sondy vykazují nominální přesnost 1%, což je významný zdroj chyby a ta ovlivní měření při všech výkonových faktorech. Dobré analyzátory výkonu vykazují přesnost lepší než 0,1 %, a to i při nízkonákladových řešeních.  Horní část rozsahu analyzátorů N4L vykazuje 0,01% chyby čtení.
  • Za druhé, diferenciální sonda zavede fázový posun k měření – přesná úroveň fázového posunu není známa bez rozsáhlé diagnostiky. Vzhledem k tomu, že výkon (W) závisí i na fázi mezi napětím a proudem (cos(θ)), jakýkoli fázový posun zavedený do systému měření snižuje jeho přesnost. Tento vliv je větší při měření nižších výkonů.

DAQ – Problémy spojené se vstupy s jedním rozsahem

Zatímco úrovně napětí během testu mohou být přiměřeně stabilní (i když tomu tak často není), aktuální úrovně určitě nebudou. Proto je životně důležité, aby každý vysoce přesný měřicí systém vybral vhodný rozsah, který bude odpovídat příchozímu signálu. Čím blíže může být rozsah k vrcholu příchozího průběhu (bez oříznutí), tím nižší budou chyby rozsahu.

Například:

10V, 16bitový systém měření proudu založený na DAQ je připojen k 10mOhm bočníku s maximální kapacitou zatížení 4W, kde je bočník schopen pracovat s proudem až 20Arms.  

Rozptyl energie v bočníku =I2R =202 ∗ 0,01 = 4 W. Pokles napětí přes proudový bočník 10mOhm při 20Arms by byl 0,2V.
16bitový  10V vstup karty DAQ dosahuje maximálního rozlišení = 10/216 = 152uV.

Je však pozoruhodné, že toto číslo nezahrnuje šum nebo nelinearitu (s ohledem na vstupní zesílení a vstupní frekvenci) karty DAQ – která bude výrazně vyšší než u specializovaného analyzátoru výkonu. Pokles 152uV přes odpor 0,01Ω je 15,2 mA. Chybu plného rozsahu, (20A) lze tedy vypočítat jako: = (0.0152/20) ∗ 100 = 0,08 %.

Nezdá se to být tak špatné; je však důležité vzít v úvahu, že v tomto systému existuje pouze jeden rozsah. Bez ohledu na to, zda systém analyzuje signál 20A, nebo signál 200mA. Tuto chybu lze přesněji určit jako "chybu kvantizace v plném měřítku".  Pokud vstupní proud není blízko maximální nosnosti proudu bočníku, chyba měření se zvětší.  

Pokud je například signál input 200mA, chyba plného rozsahu 0,08 % přispěje ke čtení stejnou chybou kvantizace 15,2 mA. V procentech se to rovná (0.0152/0,2)∗100 =  7,6 %. To zdůrazňuje významnou nevýhodu systémů, které nemají aktivní systém rozsahu.

Aktivní systém

Aktivní systém rozsahu je systém, který dokáže reagovat na změny v měřeném vstupním signálu v reálném čase. V návaznosti na průběh signálu dokáže přístroj přenastavit svůj rozsah tak, aby byl adekvátně využit. Tím pádem dojde ke zmenšení kvantizačního šumu a zlepšení přesnosti měření. Přístroj musí reagovat takřka okamžitě.

Obrázek 1 ilustruje, jak aktivní systém reaguje na měnící se vstupní signál a dynamicky upravuje svůj rozsah při změně velikosti vstupního signálu.

 

Aktivní rozsah je v části Obr.2 zvýrazněn modře, čtenáři by mělo být jasné, že chyba rozlišení je zredukována při snížení rozsahu.

Jako příklad výhod tohoto systému zvažte 14bitový systém aktivního rozsahu založený na ADC s rozsahy znázorněné na obr. 2, odpor bočníku zůstává na 0,01Ω, ADC má plný rozsah +/-3Vpk. I když je rozlišení ADC nižší než v předchozím příkladu, chyba rozlišení měření je téměř ve všech případech nižší. Rozlišení =3/ 214 = 183uV.
183uV/3V= 0,006 % rozsahu.
Při detekci vstupního signálu 200mArms systém aktivního rozsahu na analyzátoru napájení N4L automaticky vybral rozsah 300mApk.
Chyba způsobená kvantizací tedy 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 těchto příkladů by mělo být zřejmé, proč je systém aktivního rozsahu nezbytný pro vysoce přesná dynamická měření elektrického výkonu a předpoklad mnoha inženýrů, že ADC s vyšším rozlišením poskytne větší přesnost, není vždy pravdivý.

Multiplexování

Většina karet DAQ na trhu sdílí svou vzorkovací frekvenci mezi kanály, což je výsledkem toho, že karta DAQ postupně vzorkuje každý kanál individuálně před přechodem na další kanál – tj. Multiplexování.
Je to poměrně velký problém pro měření výkonu. Analyzátor výkonu musí vzorkovat napětí a aktuální průběhy každého kanálu v systému současně, aby přesně určil fázový posun mezi kanály napětí a proudu. Pokud vstupní kanály analyzátoru nejsou synchronizované, je nevyhnutelné, že bude ovlivněna fáze měření RMS i následný výpočet výkonu. 

Obrázek 2 Vliv multiplexovaného čtení kanálů na DAQ​

Všechny analyzátory výkonu N4L odebírají vzorky nezpracovaných analogových signálů přítomných na všech vstupních kanálech současně, což vyžaduje signální řetězec schopný sbírat syrové vzorky paralelně – to rozhodně není triviální úkol při vzorkování v oblasti MHz při rozlišení 14 bitů. N4L vyvinula signální řetězec schopný současně vzorkovat 12 analogových kanálů (6x napětí a 6x proud) plus potřebné vstupy točivého momentu a otáček potřebné pro jakoukoli aplikaci. Správa a získávání vzorků signálu je řešeno kombinací FPGA a DSP s proprietárními izolačními technikami.

Sledovatelnost​

Analyzátor výkonu by měl nejen poskytovat přesná měření; měl by být také schopen tato měření prokázat díky vysledovatelné referenci. Pokud nebylo zařízení pro přesné měření ověřeno na základě vysledovatelného odkazu s vypočtenými použitelnými nejistotami, nelze se spolehnout na jen specifikaci takového zařízení. Přesnost "podle návrhu" nestačí, jakýkoli systém přesné analýzy by měl být vysledovatelný zpět k primárnímu referenčnímu přístroji vhledem k ISO17025.

Nejistota

Je to prostě přesnost kalibrátoru?

Není to tak jednoduché, i když přesnější kalibrátor pomůže určit nejistotu jakéhokoli kalibračního procesu, musíte také znát následující:

  1. Nejistota kalibrátoru;
  2. Opakovatelnost měření analyzátoru při kalibraci;
  3. Rozlišení výsledku analyzátoru při kalibraci;

Obrázek 3: kalibrátor FLUKE a analyzátor výkonu N4L

Nejistota = Kalibrační nejistota + Rozlišení analyzátoru + Opakovatelnost ​

Je to položka 2 v tomto seznamu, která se ukazuje jako nejtěžší pro systém založený na DAQ, protože proces určování opakovatelnosti je rozsáhlý. Za účelem stanovení opakovatelnosti kalibračního systému s kalibrátorem musí být v průběhu dlouhé doby provedeny více zkoušek. Důležitá je kombinace těchto dvou zařízení a propojovacího hardwaru. Přesnost jakéhokoli přesného měřicího zařízení musí dát opakovatelnost kalibrovaného přístroje, proces stanovení opakovatelnosti není triviální. I když není nemožné provést všechny tři tyto kroky, náklady na investice v požadovaném čase by se mnohokrát pokryly nákupem specializovaného analyzátoru výkonu. 

Zpracování dat v reálném čase bez mezer

Požadavek, který je v odvětví energetického měření často přehlížen, je skutečné zpracování v reálném čase bez mezer, a to i mnoha specializovanými výrobci analyzátorů výkonu. Zpracování v reálném čase zahrnuje signální řetězec, který získává, zpracovává a zahazuje vzorky "za běhu". To odporuje požadavku na ukládání vzorků do vyrovnávací paměti, a tím také eliminuje potřebu vzorkovací vyrovnávací paměti, protože vzorky ukládané do vyrovnávací paměti podle požadovaných datových rychlostí brzy zaplní jakoukoli dostupnou systémovou paměť.

Proč je to důležité?

Představte si elektromotor poháněný PWM rotující při 0,1 Hz, který vyžaduje analýzu výkonu cyklus po cyklu. Jak systém akvizice založený na vyrovnávací paměti (například systém založený na DAQ), tak systém bez mezer v reálném čase (například analyzátory výkonu N4L) musí získat dostatek vzorků pro zapouzdření jednoho celého cyklu (10 sekund dat bodů na každém kanálu, při 2Ms / s je to celkem 240 milionů vzorků pro 6fázový systém).

V reálném čase, bez mezery signálního řetězce, délka akvizičního okna (v tomto případě 10 sekund) se systémové paměti netýká, protože vzorky budou zpracovány za běhu. Po zpracování se vypočítané výsledky nashromáždí v paměti a nezpracované vzorky se zlikvidují. Paměť tedy vyžaduje pouze dostatek místa pro uchycení hrstky nahromaděných hodnot, jako jsou integrované hodnoty výkonu, až do konce okna akvizice-pouze kB, nikoli Gb paměťového prostoru. Signální řetězec založený na vyrovnávací paměti zpracovává vzorky jiným způsobem, namísto zpracování jednotlivých vzorků za běhu jsou uloženy v paměti (ve vyrovnávací paměti). To je problém, protože hloubka paměti je vždy konečná.

Nejen to, že namísto zpracování vzorků za běhu, jakmile bude dokončeno akviziční okno, bude zapotřebí obrovské množství zpracování signálu potřebné k tomu, aby se buffer plný surových vzorků přepočítal na Vrms, Irms, W, reaktivní výkon, aktivní výkon a tak dále. O to větší počet vzorků vyžadujících zpracování, bude k dokončení těchto úkolů zapotřebí více času, a proto bude nutné mezi dokončením jednoho okna a začátkem dalšího období pozdržet odběr vzorků.

V situacích, kdy okno akvizice musí pokrývat dlouhou dobu, mají nástroje založené na klasickém přístupu významná omezení:
 
  1. Snižte vzorkovací frekvenci – Není ideální, protože to sníží šířku pásma. 
  2. Zvětšit velikost paměti – Drahé, také způsobuje větší mezery mezi okny, protože více matematických operací musí být provedeno na větším počtu vzorků mezi okny. Tím se vyřeší jeden problém a vytvoří se problém ještě větší. Žádná z výše uvedených možností není ideální. 
Analyzátor bez mezery by měl být schopen udržet konstantní vzorkovací frekvenci bez ohledu na to, zda je okno akvizice krátké nebo dlouhé.

Závěr:

Analyzátory výkonu od společnosti Newtons4th, disponují celou řadou unikátních vlastností implementovaných pro velice přesné měření elektrického výkonu. Kontinuální akvizice, dynamické změny rozsahu, specializované planární bočníky, o kterých bude řeč v dalších dílech, a celková filozofie architektury přístrojů pro měření výkonu tvoří dohromady bezkonkurenční přístroje.

Pokud máte nějaký dotaz nebo potřebujete poradit. Neváhejte nás kontaktovat formulářem níže.

Další dílVšechny díly

Dotaz na další podrobnosti

Položky označené hvězdičkou (*) jsou povinné.

*Vaše údaje zpracováváme na základě oprávněného zájmu, dle našich zásad o ochraně osobních údajů.

Kontaktuje nás

Bohumil Vítovec
Telefon: +420 604 273 701

Ing. Jaroslav Smetana
Telefon: +420 241 762 724

Ing. Tomáš Kmoch
Telefon: +420 603 437 182 - pracoviště České Budějovice

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA4500

Vysoce přesný analyzátor kvality elektrického výkonu. Je předurčen k měření ztrát transformátoru, účinnosti PWM měničů, klidové spotřeby dle IEC62301/EN50564 a k mnoha dalším náročným aplikacím.

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500

Vysoce přesný analyzátor kvality výkonu poskytující nejvyšší rychlost.

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500-TE Edice Transformer

Nejpřesnější analyzátor výkonu transformátoru na světě.

Analyzátor kvality výkonu N4L řady PPA1500

Analyzátor kvality sítě řady PPA1500 je vysoce výkonný kompaktní analyzátor kvality elektrické energie, který nabízí zajímavý poměr cena výkon.

Analyzátor kvality výkonu řady N4L PPA500

Kompaktní analyzátor kvality sítě řady PPA500 spojuje přesnost řady analyzátorů kvality s potřebou vysokého výkonu analýzy kvality energie za nízkou cenu. Je ideálním řešením pro aplikace vyžadující přesná měření ve výrobním a zkušebním prostředí. Nízká cena analyzátoru energie PPA500 představuje velkou příležitost pro systémové integrátory, hledající přesnou a spolehlivou analýzu.

Analyzátor výkonu 1 ~ 6 fází N4L PPA3500

Vysoce výkonný 6-fázový analyzátor výkonu a kvality elektrické energie. Jediný analyzátor výkonu na trhu, určený speciálně pro využití na měničích pohonů.

Programovatelné zdroje napětí N4L řady N4A

Zdroje střídavého napětí 3 – 67kVA (DC + 0,01Hz až 1kHz) 1 nebo 3 fázové s minimálním nežádoucím zkreslením, uživatelsky konfigurovatelný generátorem harmonických pro syntézu i replikaci průběhů.