2. díl, N4L seriál: Vstup napětí a proudu do analyzátoru výkonu

Překotný vývoj v technologiích přeměny energie s potřebou lepší efektivity výroby a zvyšujícím se tlakem na design moderní výkonové elektroniky, klade stále větší požadavky na přesnou kvantifikaci správné hodnoty elektrického výkonu.

Z úvodu je zřejmé, že si již nevystačíme s klasickými přístroji pro měření elektrického výkonu.

Pro ilustraci uvažujme signál z PWM invertoru:

Obrázek 1: Průběh PWM signálu a jeho frekvenční analýza

Z obrázku 1, je patrné že pokud chceme přesně změřit celkový výkon, musíme zahrnou všechny frekvenční složky signálu. To se může zpočátku zdát přímočaré, protože mnoho analyzátorů výkonu nabízí vhodný frekvenční rozsah, ale ve většině případů vysoká přesnost měření výkonu dosažena pouze v omezeném frekvenčním rozsahu. To je ilustrováno linií odezvy 1, která představuje typický rozsah vysoké přesnosti pro mnoho analyzátorů výkonu ve srovnání s linkou odezvy 2, což představuje analyzátor výkonu, který udržuje vysokou přesnost pro kompletní rozsah provozních kmitočtů.

Návrh hardwaru

Jedna z hlavních výzev, jak získat dobrou přesnost při měření výkonu přes široký rozsah frekvencí je, návrh proudových a napěťových vstupů. Pro napěťové vstupy je frekvenční odezva silně ovlivněna parazitickou kapacitancí a pro proudové vstupy kde jsou použity bočníky o nízkém odporu je frekvenční odezva silně ovlivněna parazitickou induktancí.

Z toho vyplývá že, širokopásmový přesnost analyzátoru výkonu lze optimalizovat minimalizováním parazitní kapacitance a induktance na napěťových a proudových vstupech.

Obvykle největší výzvou je pro precizní analyzátor výkonu zajistit nízkou induktanci na proudových vstupech, to znamená na proudových bočnících. Parazitická induktance takové komponenty je funkcí její geometrie. Vzhledem k tomu že induktivní impedance roste s frekvencí, tak i chyba měření asociována parazitickou induktancí s frekvencí roste. 

Konveční řešení

Zde uvádíme příklady, které ilustrují běžně používané techniky:

 

Axiální rezistor s paralelním vinutím odporu 
Zde umožňuje orientace odporového drátu na trubkové formě, určité potlačení elektromagnetického pole díky opačným cestám toku dopředného a zpětného proudu.

 

 

Obrázek 2: Axiální rezistor

 

Vlněná skládaná odporová fólie

Zde je nějaké zrušení pole dosaženo opačným proudem proudění v sousedních fóliových rovinách.

Tato technika má výhodu oproti axiálnímu návrhu v přirozeném chlazení díky zvětšené povrchové ploše.

 

 

 

Obrázek 3: Odporová folie

 

Koaxiální bočník

Zde se vstupní a výstupní připojení uskutečňuje na jednom konci soustředných trubek a na druhé je spojka pro připojení průtokové a vratné vrstvy. Tento design dosahuje lepšího rušení pole než axiální nebo fóliové techniky. Nicméně, mechanická složitost z tohoto návrhu činí drahé řešení.

 

 

Obrázek 4: koaxiální bočník

 

Pokud vezmeme v úvahu jeden tok a jednu zpáteční cestu ve dvou vrstvách koaxiálního bočníku při pohledu z na jednom konci bočníku vidíme velmi efektivní zrušení rotujících polí.

Obrázek 5

Inovativní řešení​

Zatímco vyrušení elektromagnetického pole v koaxiálním bočníku je dobré, fyzická velikost, mechanická složitost a cena této techniky jsou neúnosné, a proto se tato technika běžně nepoužívá.

Společnost Newtons4th Ltd se sídlem ve Velké Británii však vyvinula a zdokonalila design, který umožňuje zrušení pole na stejné úrovni jako nejlepší koaxiální bočník při zachování výrobních nákladů, které jsou životaschopné pro použití v komerčních analyzátorech energie. Jelikož hlavní náklady spojené s koaxiálními návrhy pocházejí z nákladných kovů, obrábění a montáže bočníku, který zahrnuje tři rozměry, bylo cílem tohoto nového návrhu dosáhnout optimálního zrušení pole na sestavě s plošnými spoji. Deska by vyžadovala silnější roviny vodičů než běžné desky s obvody v kombinaci s tenkou izolační vrstvou mezi vodiči, aby se optimalizovalo zrušení pole a vnější laminátové vrstvy pro zajištění mechanické pevnosti.

Použitím centrálně připojených napájecích a zpětných cest vedoucích k povrchově namontovaným odporům, které jsou umístěny k vnějšímu okraji desky, je dosaženo optimální rovnováhy sdílení výkonu rezistoru a zrušení pole. Porovnání impedance a fáze.Aby bylo možné porozumět impedanční a fázové odezvě tohoto nového designu ve srovnání s jinými komerčně dostupnými odporovými bočníky s nízkou indukčností, sledujeme komparativní tabulka ukazující jmenovitý odpor a indukčnost tří modelů včetně nového designu od Newtons4th Ltd. Zde zjednodušená verze designu desky ukazuje dopředu a cesty zpětného proudu k přesné povrchové montáži s nízkým tepelným driftem. Toto uspořádání má za následek minimální změnu teploty v celém rozsahu provozního proudu. Současná cesta hledá konec od vnějšího okraje směrem ke středu bočníku. Zrušení magnetického pole od toku dopředného a zpětného proudu.

Mechanická konstrukce technologie planárního bočníku N4L umožňuje omezit ohřívání za všech provozních podmínek. Vysoký poměr plochy ku objemu poskytuje vynikající odvod tepla. Infračervená analýza planárního bočníku poskytuje vhled do vynikajícího rozložení tepelného výkonu.

Obrázek 8: Struktura proudového planárního bočníku N4L

Obrázek 7: Rozložení teploty v planárním bočníku od 26.3 °C - 36.3 °C

Obrázek 6: Schéma proudového planárního bočníku N4L​

Obrázek 9: Technické parametry bočníku N4L​

Obrázek 10: Technické parametry bočníku N4L​

Planární bočníky tvoří podstatnou součást analyzátorů výkonu Newtons4th, ale jsou pouze jedním z inovativních principů, díky kterým tyto přístroje dosahují vynikajících parametrů. Neméně podstatný parametr je měření plovoucího napětí na bočníku. Měřící kanál má CMMR 150 dB oproti standartně používaným 80 dB. 

V dalším díle se důkladně podíváme na vliv AD převodníku a volby rozsahu.

Všechny díly seriálu najdete zde.

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.