4. díl, N4L seriál: Měření klidové spotřeby (Standby) dle IEC62301

Měření spotřeby v režimu Standby pro snížení klidové spotřeby analyzátory výkonu Newtons4th.

Tento článek se věnuje možnostem využití analyzátorů společnosti Newtons4th při měření a analýze spotřeby v režimu Standby.

Odhady energie typicky zmařené v domácnostech elektronickými zařízeními v pohotovostním režimu (Standby) se pohybují v rozsahu od 5% do 15% celkové spotřeby energie v domácnostech.

Finanční náklady a vliv této zmařené energie na životní prostředí nyní upoutává mezinárodní pozornost.

Tento poznatek vedl ke standardům, které nutí výrobce elektronických produktů redukovat spotřebu těchto zařízení, nejsou-li v normálním pracovním režimu.

Mezinárodní standardy

Symbol klidového režimu

Mezinárodně uznávaným standardem pro měřící techniku a přesnost měření pro klidovou spotřebu je IEC62301. IEC (International Electrotechnical Commission) je celosvětová organizace pro standardizaci zahrnující všechny národní elektrotechnické výbory (IEC National Committees). Kterýkoliv regulátor, který chce použít odlišnou techniku, než je definována IEC, musí samostatně definovat odlišnosti, takže ve většině případů regulátoři přijali standard IEC62301.

 K místním standardům patří:

Energy Star, Blue Angel, EcoDesign, Top Runner a Nordic Swan.

V následující tabulce jsou příklady limitů pro napájecí adaptéry. Dále pak prozkoumáme, s jakými výzvami se setkali tvůrci analyzátorů výkonu při řešení měření klidové spotřeby a jak tyto výzvy překonali.

Příklad limitů – napájecí adaptéry

Regulační autority a limity účinnosti napájecích zdrojů

Typické slabiny analyzátorů výkonu

Řada výrobců analyzátorů výkonu prohlašuje, že má „řešení“ pro testování dle IEC62301, avšak obecně vzato, tyto produkty mají slabé stránky.

Dva nejčastější nedostatky jsou:

Průběh skutečné klidové spotřeby a naměřené hodnoty

  1. Dlouhá integrace potřebná k zajištění stabilního odečítání výkonu. Není-li měřený výkon stabilní, IEC dovoluje dlouhé měřící intervaly k dosažení stabilního odečítání. Tato nestabilita se však týká analyzátoru výkonu, ne testovaného zařízení.Vysoce produktivní analyzátory výkonu mohou dosáhnout stability měření při krátké době měření; takže minimální doba zkoušky může být dosažena.
  2. K měření malých proudů jsou nutné externí bočníky. Pro měřící aplikace s malým proudem k 1mA mohou být externí proudové bočníky užitečné, ale není to nutné pro zkoušky dle IEC62301. Externí bočníky vnášejí do systému komplikaci a možné chyby. Nejlepší analyzátory výkonu zvládají zkoušet podle IEC62301 pouze s použitím interních bočníků. Zde analyzátor výkonu PPA5500 s přímými vstupy 300Apk a 30Arms snadno měří při nízkém výkonu klidové spotřeby křivku s hodnotami 24mApk a 8,5mArms.

Průběh napětí a proudu na obrazovce analyzátoru výkonu

Zkoušky dle IEC62301

Jak bylo popsáno výše, program Energy Star společně se všemi hlavními standardy, souvisejícími s klidovým odběrem nyní vnímá IEC62301 jako referenci pro techniky měření a přesnost.

Podmínky měření klidové spotřeby dle IEC62301

Stanovisko z programu Energy Star

„Pro měřící přístroje je rovněž vhodné, aby byly schopny průměrovat výkon přesně po uživatelem nastavený čas...“ 

„Alternativně by měřící přístroje měly být schopny integrace energie po jakýkoli uživatelem zvolený časový interval s rozlišením hodnoty energie menším nebo rovným 0,1mWh a času integrace s rozlišením 1 sekundy nebo méně.“

Je klidová spotřeba periodická?

V podmínkách malých výkonů je jistě důležité, aby použitý měřící přístroj měl kanál s dostatečnou citlivostí pro měření minimálního předpokládaného proudu.

Pravidelný pulsující odběr

Se sinusovou křivkou proudu to může být relativně snadné, ale s pulsujícím odběrem proudu jako je na obrázku výše, který produkuje vysoký crest factor (CF), se to stává obtížnějším.

Problém se dále komplikuje s testovaným zařízením, které předvádí proudové pulsy v době nízké spotřeby.

Obecnou chybou, kterou dělá mnoho výrobců přístrojů, je předpoklad, že profil klidové spotřeby je periodický a tak může být přesně kvantifikován s mezerami mezi měřeními integrací po dlouhý časový interval. Ale tak to není.

Měření skutečné klidové spotřeby

Reálný odběr proudu v režimu klidové spotřeby

Křivka na obrázku výše je blíže té, s níž se může setkat analyzátor výkonu, měřící klidovou spotřebu.

V praxi nejsou v režimu nízké spotřeby výkonu symetrické a ve skutečnosti to platí u mnoha tradičně navržených napájecích zdrojů s trvalou spotřebou cyklus po cyklu. K získání skutečné hodnoty klidového výkonu by správný analyzátor výkonu měl měřit souvisle, tak aby nevynechal žádnou událost. Většina analyzátorů výkonu však dělá mezery mezi okénky měření a tak hlavní příčinou nestability měřeného výkonu je často měřící zařízení, ne zařízení testované.

Typická analýza výkonu

Typická ztrátová analýza výkonu

Většina analyzátorů výkonu dělá mezery mezi okénky měření s neperiodickou spotřebou proudu nebo po několik etap vyčkává. Takové postupy mohou ztratit události a poskytnout pouze průměrnou aproximaci místo skutečného měření.

Je-li zvolen přístroj měřící bez mezer, může měření spotřeby obsahovat všechny události. Na základě pulsní povahy většiny profilů klidové spotřeby se běžně berou v úvahu pouze proudové pulsy. Je však velmi důležité měřit přesně též zbytkový proud mezi pulsy, protože ten často představuje značnou část celkové klidové spotřeby.

Ideální řešení

Ideální analýza výkonu pro měření klidové spotřeby

Ideální řešení by mělo mít souvislá okénka proměnlivé délky měření, která jsou automaticky přizpůsobena měnícímu se intervalu mezi pulsy proudu. Takto bude měření výkonu rychle odrážet skutečnou klidovou spotřebu.

Klidový režim a série PPA – 1 z 5 cyklů

Zde popíšeme měření tří různých cyklů v režimu nízké spotřeby pomocí přímého připojení ke standardním napěťovým a proudovým vstupům analyzátoru výkonu série PPA.

Obrazovky v režimu analyzátoru výkonu a RMS voltmetru (měření 1 z 5 cyklů)
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cyklus zátěže 1 z 5 s opakováním 10Hz / Pozn.: 23,82mApk / 8,5597mArms = 2,78 CF

Obrazovky v režimu analyzátoru výkonu a RMS voltmetru (měření 1 z 20 cyklů)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cyklus zátěže 1 z 20 s opakováním 2,5Hz / Pozn.: 23,48mApk / 4,9461mArms = 4,75 CF

Obrazovky v režimu analyzátoru výkonu a RMS voltmetru (měření 1 z 50 cyklů)
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cyklus zátěže 1 z 50 s opakováním 1Hz / Pozn.: 23,47mApk / 3,7884mArms = 6,19 CF

Série analyzátorů výkonu PPA nabízí špičkové možnosti měření klidové spotřeby dle IEC62301 díky velkému rozsahu frekvence, crest faktoru a frekvenci vzorkování v kominaci s unikátní technologií proudových bočníků a souvislé analýze.

Přesnost IEC62301 a EnergyStar

Dodržování IEC62301 vyžaduje schopnost udržet definovanou přesnost během měření každého testovaného zařízení v klidovém režimu. Analyzátory výkonu série PPA zaručují požadovanou přesnost.

Žádaná přesnost měření výkonu @ > 0,5W = 2,0%
PPA2530 měří s přesností do 0,2%
Žádaná přesnost měření výkonu @ < 0,5W = 0,01W
PPA2530 měří s přesností do 0,001W

 

 

 

 

 

Standard uvádí, že povolená měřidla budou mít „Rozlišení výkonu 1mW a lepší“ a také že „Měření výkonu menšího než 0,5W by mělo být s nejistotou menší nebo rovnou 0,01W s důvěryhodností 95%“. Ideální řešení měření bude tedy poskytovat rozlišení 0,0001W.

Poznámka: IEC62301 rovněž specifikuje podmínky testu, podle nichž by mělo být měření výkonu prováděno. Celkový obsah harmonických napájecího napětí (do 13. harmonické, včetně) musí být menší než 2%. Crest factor napětí by měl být mezi 1,34 a 1,49.

Můžete ověřit přesnost výkonu?

Vzhledem ke složité povaze klidové spotřeby jsou prohlášení o přesnosti tvořena běžně bez podpůrných důkazů. Avšak obecně v jiných oblastech metrologie může být přesnost výkonu ověřena porovnáním výsledků měření se známou nebo vypočitatelnou referencí.

V tomto případě jsou požadovány tři ovlivnitelné elementy:

  1. Horní úroveň signálu – představuje „puls“ (interval aktivity)
  2. Dolní úroveň signálu – představuje „mrtvé pásmo“ (interval klidu)
  3. Volitelný cyklus zátěže mezi těmito dvěma úrovněmi

 Je-li každý signál konstantní, měření odpovídajícího výkonu na horní a dolní úrovni signálu je celkem věrné. Odvozování správného výkonu z kompozitního signálu o definovaném cyklu zátěže pak spočívá v jednoduchém poměrovém výpočtu.

Obrazovky při měření spotřeby s externím bočníkem

 

 

 

 


 

 

 

Externí bočník (0,47mΩ 3Arms 30Apk)​

Obrazovky při měření spotřeby s interním bočníkem
 

 

 

 

 

 

 

Interní bočník (0,01mΩ 30Arms 300Apk)

Z měření výkonu v intervalech pulsu odběru (on) a klidu (off), můžeme vypočítat simulace klidové spotřeby následovně:

Výpočet simulací klidové spotřeby

Skutečný test 1 z 5 cyklů klidové spotřeby

Nyní použijeme tentýž napájecí zdroj jako při předchozím měření a nastavíme jej do režimu 1 z 5 cyklů klidové spotřeby.

Klidová spotřeba 1 z 5 cyklů, vypočtená výše z intervalů On a Off:

Odběr 1:4 0,55W + 0,097W = 0,647W

Obrazovky při měření spotřeby s externím bočníkem

 

 

 

 

 


 

Externí bočník

Obrazovky při měření spotřeby s interním bočníkem

 

 

 

 

 


 

Interní bočník​

Obrázky výše zobrazují přístroj měřící velmi přesně spotřebu 1 z 5 cyklů.

1 z 20 cyklů klidové spotřeby

Porovnání obrazovek analyzátoru výkonu při měření s interním a externím bočníkem
 

 

 

 

 

 

Interní bočník / Externí bočník

Odběr 1:19

= 1/20 on + 19/20 off
= 0,1375W + 0,115W
= 0,252W

1 z 50 cyklů klidové spotřeby

Porovnání obrazovek analyzátoru výkonu při měření s interním a externím bočníkem
 

 

 

 

 

 

 

Interní bočník / Externí bočník

Kompletní řešení dle IEC62301 od N4L

Program „Standby POWER“ provádí testování v souladu s IEC62301 ve 4 jednoduchých krocích.

1. krok:

Zadejte podrobnosti o testovaném zařízení a zkušebním prostředí; datum, čas a detaily o měřícím přístroji se vloží kliknutím na tlačítko.

Obrazovka programu Standby POWER - detaily testu

2. krok:

Jmenovité parametry testu jsou načteny kliknutím na tlačítko „Read Data“. Všechny hodnoty budou měřeny k žádaným limitům.

Obrazovka programu Standby POWER - podmínky testu

3. krok:

Zahajte test pomocí tlačítka „Start“ a zastavte tlačítkem „Stop“, nebo nastavte dobu měření, klikněte na tlačítko „Run“ a test klidové spotřeby bude zahájen. Po odpočtu žádané doby automaticky zastaví.

Obrazovka programu Standby POWER - ovládání testu

4. krok:

Na konci ručního nebo automatického testu klikněte na tlačítko „Export to .xls“ a otevře se tabulka se všemi detaily, podmínkami a výsledky testu. Tabulku je možno uložit do libovolného souboru a je předformátována pro přímý tisk.

Příklad testu klidové spotřeby v souladu s IEC62301

Report o testu z programu Standby POWER

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

Ing. Jaroslav Smetana
Telefon: +420 241 762 724

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.

Přístroje pro vývoj a výzkum

Stolní a laboratorní přístroje pro použití ve vývojových a školních laboratořích a průmyslových zkušebnách.