6. díl, N4L seriál: Šesti a sedmifázová analýza motorových pohonů

Vzhledem k výhodě nižší spotřeby při rozběhu, řízené akceleraci, nastavitelné rychlosti bez mechanických převodů a vyšší efektivitě, představují pohony s proměnnou frekvencí (VFD) neboli frekvenční měniče rychle rostoucí podíl aplikací s elektromotory.

Analýza elektrických pohonů s frekvenčními měniči ve více fázích

Společně s mnoha rychle rostoucími technologiemi se používání frekvenčních měničů již neomezuje na průmyslové a speciální aplikace.

Moderní domácí elektrospotřebiče od bílého zboží po výkonné nářadí nyní běžně využívají VFD technologii.

Stejně jako technologie spínaných zdrojů zvýšila potřebu vybavení pro analýzu výkonu s dostatečnou přesností pro ověření jejich stále rostoucí účinnosti, rostoucí účinnost frekvenčních měničů, kombinovaná se složitým, širokým spektrem napětí, generovaným těmito zařízeními, přináší potřebu testování motorů a měničů a rovněž schopnosti měřících zařízení, které uspokojí potřeby konvenčních aplikací s indukčními motory.

Prováděná měření se mohou zaměřovat na účinnost motoru, účinnost měniče nebo celé sestavy od zdroje střídavého napětí po výkon na mechanickém výstupu, ale v každém případě bude třeba mnoho bodů měření. Na stabilních a snadno opakovatelných aplikacích je praktické provést sekvenční měření. Ovšem pokud – jako v mnoha případech – nemůže být zajištěna absolutní stabilita nebo pokud se podmínky zátěže změní v aplikaci s frekvenčním měničem, souběžné měření účinnosti elektricko-elektrické a/nebo elektricko-mechanické, vyžaduje přístroje navržené k řešení složité povahy žádaných měření v tomto prostředí.

Účinnost soustavy s šestifázovou analýzou

Na schématu níže je měřena účinnost usměrňovače, střídače a motoru pomocí šestifázového měřícího přístroje:

Zapojení analyzátoru výkonu PPA3560 pro šestifázovou analýzu výkonu

Proč šestifázový přístroj?

Je zřejmé, že se šesti kanály měření výkonu a vstupy pro točivý moment a otáčky je možné měřit celkový třífázový příkon, výkon na stejnosměrné sběrnici, třífázový výkon a mechanický výkon. Částečně z tohoto důvodu je 6 kanálů měření výkonu běžnou volbou pro přístroje na měření výkonu, zaměřené na tuto aplikaci.

Kde je třeba pouze měřit celkovou spotřebu elektřiny a celkový elektrický výkon, tj. kde není potřeba měřit výkon stejnosměrné sběrnice, může být třífázový vstup i třífázový výstup konfigurován na měření metodou plných 3 wattmetrů. To uživateli umožní vidět příspěvky výkonu jednotlivých fází. Protože však výkon jednotlivé fáze na výstupu střídače je obvykle mnohem zajímavější než každá fáze poměrně jednoduchého zdroje střídavého napájení, je vstup obvykle měřen s použitím techniky 2 wattmetrů, která odvodí přesně stejný celkový výkon na třívodičové soustavě jako metoda 3 wattmetrů, přičemž uvolní měřící kanál, který může být využit pro měření výkonu stejnosměrné sběrnice nebo jiných zajímavých veličin, jako jsou otáčky, vibrace, teplota, atd.

Zde je užitečné připomenout si, že na rozdíl od prohlášení pronesených občas v souvislosti s technikami měření na třífázové, třívodičové soustavě, správně použittá technika měření 2 wattmetry dosáhne přesně stejného úhrnného výkonu, jaký by byl odvozen z techniky 3 wattmetrů. To platí bez ohledu na rozsah, fázový úhel nebo harmonické nevyvážení měřeného třífázového systému. Takže, zatímco může být jistě zajímavé znát relativní příspěvek výkonu každé fáze, což může poskytnout připojení se 3 fázemi a 3 wattmetry, jak bylo zmíněno výše, výsledkem metody 2 wattmetrů bude přesně stejný naměřený celkový výkon.

Může šestifázový přístroj podávat sedmifázové výsledky?

Ano. Vzhledem k povaze interakce mezi všemi fázemi třífázové, třívodičové soustavy, měřící soustava s dostatečným procesním výkonem v reálném čase může odvodit hodnoty napětí třetí fáze, proudu a výkonu při zapojení v konfiguraci 2 wattmetrů konverzí 2 wattmetrů na 3 wattmetry v reálném čase.

Na schématu níže popisujeme konverzi 2 na 3 wattmetry, kde je zobrazena počítaná fáze jako PH7.

Zapojení analyzátoru výkonu PPA3560 pro sedmifázovou analýzu s virtuální sedmou fází

Konverze měření 3 fáze 2 wattmetry na 3 fáze 3 wattmetry

Názvosloví:

Udn(t) = napětí na fázi n vztažené k fázi 3
Us(t) = napětí na uzlu hvězdy vztažené k fázi 3
Usn(t) = napětí na fázi n vztažené k uzlu hvězdy
Zn = impedance zátěže na fázi n
Z = paralelní impedance Z1, Z2 a Z3
In(t) = proud ve fázi n
Pdn(t) = výkon na fázi n, měřený v zapojení 3 fáze 2 wattmetry
Psn(t) = výkon na fázi n, měřený v zapojení 3 fáze 3 wattmetry
 

Výpočty napětí:

Uvažujme napětí uzlu hvězdy vztažené ke 3. fázi pomocí zásady superpozice:

Us(t) = Z ( Ud1(t) / Z1 + Ud2(t) / Z2 )

Pokud Z1 = Z2 = Z3, pak

Us(t) = ( Ud1(t) + Ud2(t) ) / 3

Nyní

Us1(t)            = Ud1(t) – Us(t)
         = Ud1(t) - ( Ud1(t) + Ud2(t) ) / 3
         = ( 2 * Ud1(t) – Ud2(t) ) / 3

Podobně

Us2(t)            = ( 2 * Ud2(t) - Ud1(t) ) / 3
Us3(t)            = 0 – Us(t)
         = - ( Ud1(t) + Ud2(t) ) / 3

Pamatujte, že tyto výpočty vyžadují pouze aby impedance zátěže ve všech fázích byly stejné a aby žádné jiné zdroje napětí neovlivňovaly uzel hvězdy.

Výpočet proudu:

Proudy fázemi 1 a 2 jsou měřeny přímo; proud fází 3 může být vypočten na základě Kirchoffova zákona o proudu:

I3(t) = - I1(t) - I2(t)

Předpokladem je, že uzel hvězdy neovlivňují žádné jiné zdroje proudu.

Výpočty výkonu:

Ps1(t) = Us1(t) * I1(t)
         = ( 2 * Ud1(t) – Ud2(t) ) * I1(t) / 3
         = ( 2 * Pd1(t) – Ud2(t) * I1(t) ) / 3

Ps2(t) = Us2(t) * I2(t)
         = ( 2 * Ud2(t) – Ud1(t) ) * I2(t) / 3
         = ( 2 * Pd2(t) – Ud1(t) * I2(t) ) / 3

Ps3(t) = Us3(t) * I3(t)
         = ( - Ud1(t) – Ud2(t) ) * ( - I1(t) – I2(t) ) / 3
         = ( Pd1(t) + Ud1(t) * I2(t) + Ud2(t) * I1(t) + Pd2(t) ) / 3

Pro potvrzení vzorců výkonu uvažujme celkový výkon ( (t) vynecháno pro lepší čitelnost):

Pcelk = Ps1 + Ps2 + Ps3
         = ( 2 * Pd1 – Ud2 * I1 + 2 * Pd2 – Ud1 * I2 + Pd1 + Ud1 * I2 + Ud2 * I1 + Pd2 ) / 3
         = Pd1 + Pd2

Všechny tyto výpočty jsou založeny na okamžitých hodnotách a vyžadují pouze aby žádný jiný zdroj nepůsobil na uzel hvězdy zátěže, a dle očekávání, aby impedance všech fází střídavého zdroje byly srovnatelné.

Ukázky obrazovek z přesného analyzátoru výkonu PPA3560 v režimu měření 7 fází:

Obrazovky naměřených hodnot analyzátoru výkonu PPA3560 při sedmifázovém měření

Pamatujte, že „Phase 7“ je 3. fáze na třífázovém vstupu s hodnotami W, VA, pf, V a A vypočtenými pro simulovanou fázi.

Závěr

Rostoucí složitost moderních aplikací s frekvenčními měniči vyžaduje vícekanálové přístroje pro měření výkonu k dosažení smysluplné analýzy výkonu.

Moderní přístroje pro měření výkonu s odpovídajícími vzorkovacími technikami a procesním výkonem mohou poskytnout vysoce přesná měření v reálném čase na 6 nebo 7-fázových úlohách měření výkonu.

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 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.

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 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 kvality výkonu N4L PPA5500-TE Edice Transformer

Nejpřesnější analyzátor výkonu transformátoru na světě.

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.