Ing. Petr Bilík, doc. Ing. Daniel Kaminský, CSc., doc. Ing. Jan Žídek, CSc.,
ELCOM, a. s., Divize virtuální instrumentace, katedra elektrických měření, VŠB – TU Ostrava Analyzátor BK550 – osvědčený prostředek identifikace
a analýzy energetického rušení (1. část) Pokračující vývoj sdruženého analyzátoru sítí BK500 firmy ELCOM, a. s., přinesl v loňském a letošním roce další podstatné vylepšení jeho užitných vlastností. Byly zdokonaleny a zpřesněny algoritmy pro sběr a analýzu naměřených dat v souladu s evropskými standardy. Analyzátor BK500 se nyní dodává ve třech variantách, odstupňovaných podle výkonnosti, kompaktnosti a rozšiřitelnosti. 
V článku, jehož obsah byl prezentován na konferenci ERU 2000, jsou popsány nové funkce současné verze analyzátoru. Ve verzi 7.x byl k přístrojům sdruženým v analyzátoru přidán zapisovač rychlých dějů, který rozšířil dosavadní sadu pěti přístrojů – FFT analyzátor, monitor výkonů a energií, měřič blikání, monitor napětí podle ČSN EN 50160 a zapisovač pomalých dějů. Vylepšení analyzátoru se odrazila i v oblasti analýzy a zpracování naměřených dat. 1. Úvod
1. Úvod Za dobu šesti let vývoje analyzátoru BK500 byla několikrát zdokonalena jeho hardwarová podoba i funkce. Zatím jeho poslední verze s označením BK550 se velmi odlišuje od verzí předchozích (BK550 byl uveden na trh v červenci 2000). Na českém trhu jej výhradně nabízí firma ELCOM, a. s., na zahraničním trhu pod označením PNA550 rakouská firma Dawetron a pod označením C.A 8350 francouzská firma Chauvin-Arnoux. Nynější verze analyzátoru je k dispozici s podporou pěti jazyků. 1.1 Funkce analyzátoru BK550
Současná podoba analyzátoru sítí BK550 obsahuje tyto moduly: - analyzátor FFT pro čtyři napětí a čtyři proudy s kmitočtem 50 Hz nebo 6,25 Hz, pracující do frekvence 2 500 Hz;
- osciloskop pro jednu periodu čtyř napětí a čtyř proudů;
- vektorový diagram čtyř napětí a čtyř proudů na vybrané harmonické;
- monitor energií a výkonů pro čtyři napětí a čtyři proudy, vyhodnocující tyto veličiny: – URMS, IRMS,
– celkové výkony a energie P, Q, S, AP, AQ, AS,
– výkony a energie na základní harmonické P1, Q1, AP1, AQ1,
– selektivní integrace odebírané a dodávané činné energie APin, APout,
– selektivní integrace kapacitní a indukční jalové energie AQC, AQL,
– celkový účiník PF a účiník na základní harmonické cos j,
– celkové harmonické zkreslení napětí a proudu THDU, THDI,
– frekvence; - měřič míhání (flickermetr) pro tři napětí;
- monitor napětí pro tři napětí, vyhodnocující hlavní charakteristiky napětí v souladu s EN 50160;
- zapisovač rychlých dějů (transient recorder) pro čtyři napětí a čtyři proudy s pamětí 65 536 vzorků, který pracuje s nastavitelnou vzorkovací frekvencí 6 400 Hz, 12 800 Hz, 25 600 Hz; maximální frekvence je závislá na počtu měřených signálů;
- zapisovač pomalých dějů pro maximálně šestnáct kanálů, vzorkovací frekvence je 1/3 Hz, je určen k monitorování přídavných veličin, např. teploty.
Ke každému popisovanému měřicímu modulu existuje výkonný modul pro analýzu a vizualizaci naměřených dat s intuitivním ovládáním. Modul zpracování naměřených dat je nezávislý program, který je možné provozovat také nezávisle na vlastním hardwaru analyzátoru BK550, a je tedy možné zpracovávat naměřená data na stolním počítači. Výstupem tohoto modulu jsou vytištěné protokoly z měření. 1.2 Varianty analyzátoru BK550
V současné době je analyzátor sítí BK550 dostupný ve třech variantách: - přenosný průmyslový počítač PC DEWE-2000,
- kompaktní přenosný průmyslový počítač PC DEWE-3000,
- speciální robustní jednoúčelové prove-dení.
Tyto tři varianty se od sebe odlišují rozšiřitelností, rozhraními, rozměry, cenou a univerzálností použití mimo analyzátor BK550. Z hlediska výkonnosti PC jsou všechny tři varianty rovnocenné. Obsahují procesor Intel Celeron 500 MHz, operační paměť RAM 128 MB a pevný disk s kapacitou nad 6 GB, poskytující dostatečný výpočetní výkon a prostor pro ukládání naměřených dat. 1.2.1 Přenosný průmyslový PC DEWE-2000
Základní systém je vysoce výkonný průmyslový osobní počítač, sestavený z kvalitních standardních komponent, které jsou zabudovány v odolné, speciálně stíněné skříni z hliníku a oceli. V zadní části skříně je šestnáctikanálový rám pro moduly úpravy signálu z čidel a zásuvná měřicí karta. Prostorná skříň dovoluje vybavit PC dalšími třemi zásuvnými kartami plné délky a výšky. V šestnáctikanálovém rámu jsou umístěny čtyři galvanicky oddělené programovatelné vstupní moduly DAQP-DMM PNA pro napěťové vstupy a čtyři galvanicky oddělené programovatelné vstupní moduly DAQP-V PNA pro proudové vstupy. Vstupní moduly jsou vybaveny tzv. filtrem anti-aliasing. Další čtyři pozice v rámu zabírají čtyři napájecí zdroje ±9 V pro proudové měřicí kleště. Zobrazovací jednotkou je vestavěný 12,1" (na požadavek 15") průmyslový displej TFT s volitelnou dotykovou obrazovkou, který nahrazuje myš. Dále je přístroj vybaven standardními rozhraními PC, jako jsou RS-232, LPT, externí VGA, společný konektor DIN pro myš a klávesnici (obr. 1). Vstupy pro měření proudu jsou napěťové, je tedy nutné použít externí bočník, proudové měřicí kleště s napěťovým výstupem nebo Rogowského prstenec se zesilovačem (např. Chauvin-Arnoux AmpFlex). Rozměry popsaného voleného příslušenství jsou 410 × 230 × 290 mm, hmotnost 9,5 kg. 
1.2.2 Kompaktní přenosný průmyslový PC DEWE-3000
Základním systémem je vysoce výkonný průmyslový osobní počítač, sestavený z kvalitních komponent, které jsou zabudovány v odolné, speciálně stíněné skříni z hliníku a oceli. V boční části skříně je osmikanálový rám k upevnění modulů pro úpravu signálu z čidel a zásuvná měřicí karta. Skříň umožňuje vybavit PC jednou další zásuvnou kartou. V osmikanálovém rámu jsou zabudovány čtyři galvanicky oddělené programovatelné vstupní moduly DAQP-DMM PNA pro napěťové vstupy a čtyři galvanicky oddělené programovatelné vstupní moduly DAQP-V PNA pro proudové vstupy. Vstupní moduly jsou opět vybaveny filtrem anti-aliasing. Na skříni jsou umístěny konektory čtyř napájecích zdrojů ±9 V pro proudové měřicí kleště, dále konektor RS-485. Z měřicí karty jsou bez galvanického oddělení vyvedeny dva konektory BNC přímých napěťových vstupů a konektor digitálních vstupů a výstupů. Jako zobrazovací jednotka slouží vestavěný 12,1" průmyslový displej TFT s dotykovým stínítkem, které umožňuje plnohodnotný provoz analyzátoru bez připojené klávesnice a myši. Dále je přístroj vybaven standardními rozhraními PC, jako jsou RS-232, LPT, externí VGA, Ethernet UTP, USB, klávesnice PS2, myš PS2, která dovoluje rozšířit analyzátor o periferie a snadno jej začlenit do informačních systémů (obr. 2). Vstupy pro měření proudu jsou napěťové. Pro měření napětí je nutné použít externí bočník, proudové měřicí kleště s napěťovým výstupem nebo Rogowského prstenec se zesilovačem (např. Chauvin-Arnoux AmpFlex). Rozměry zmíněného voleného příslušenství jsou 372 × 238 × 150 mm, hmotnost 5,5 kg. 1.2.3 Speciální robustní jednoúčelové provedení
Základním systémem je vysoce výkonný průmyslový osobní počítač, sestavený z kvalitních komponent, které jsou zabudovány ve skříni z vysoce odolného plastu. Zde jsou i galvanicky oddělené moduly pro úpravu napěťových vstupů, proudové vstupní obvody a filtry anti-aliasing. Toto řešení neumožňuje žádné další rozšíření. Za zobrazovací jednotku byl zvolen vestavěný 7,5" průmyslový displej LCD s dotykovou obrazovkou, která dává možnost analyzátor jednoduše ovládat. Pro jakoukoliv komunikaci s vnějškem je přístroj vybaven dvěma porty USB. Přes tyto porty lze k analyzátoru připojit periferie nebo jej začlenit do počítačové sítě (obr. 3). Proudové vstupy 1 A a 5 A jsou přímé, dále napěťové pro Rogowského prstenec bez zesilovače (speciálně upravené Chauvin-Arnoux AmpFlex). Rogowského prstence jsou volené příslušenství. Rozměry tohoto provedení jsou 360 × 300 × 150 mm, hmotnost 4 kg. Ke všem verzím analyzátoru se standardně dodává příslušenství v podobě připojovacích vodičů pro přivedení napěťových a proudových signálů. 2. Novinky v poslední verzi analyzátoru
Od loňské verze analyzátoru BK500 V7.x.x byl kompletně přepracován celý firemní software analyzátoru, tzn. měřicí části i vyhodnocovací části. 2.1 Měřicí část
Zcela zásadní novinkou je adaptivní změna vzorkovací frekvence analyzátoru v závis-losti na frekvenci analyzovaného napěťového signálu. Tato vlastnost umožnila výrazně zpřesnit frekvenční analýzu v amplitudách i ve fázích, následně se toto zpřesnění promítlo do většiny navazujících výpočtů. Frekvence analyzovaného signálu může být v rozmezí 45 Hz až 55 Hz. K dispozici je rovněž varianta pro 60 Hz sítě, kde je frekvenční rozsah opět ±10 % jmenovité frekvence sítě. Další výraznou novinkou je kompletně přepracované grafické uživatelské rozhraní. Nový způsob ovládání sjednotil polohu a vzhled ovládacích prvků na všech panelech, obsluha je nyní více intuitivní a panely jsou přehlednější. Základní koncepce ovládání přístroje: spodní vodorovná lišta tlačítek pro volbu zobrazeného přístroje a pravá svislá lišta tlačítek, která jsou určena k ovládání zvoleného přístroje. Ihned po spuštění přístroje BK550 se zobrazí úvodní panel měřicí části (lze jej zobrazit také po stisku tlačítka Systém na vodorovné liště). V tomto panelu lze přístroj nastavovat, např.: uživatel, projekt, konfigurace, jazyk, vstupy, odblokování zakoupených modulů. Z panelu se spouští a zastavuje měření. Jestliže měření není spuštěno, je jediným aktivním tlačítkem na vodorovné liště tlačítko Systém, ostatní tlačítka vodorovné lišty je možné ovládat až po spuštění měření. I v této verzi analyzátor přirozeně podporuje práci více uživatelů na více projektech a stará se o správné rozčlenění a uložení měřených dat. Databázi uživatelů, projektů a měření lze snadno rozšiřovat a nastavenou konfiguraci je možné uložit pro další využití. 2.1.1 Nastavení rozsahů a konstant přístroje
Pro nastavení typu připojení k napěťové soustavě, vstupních rozsahů přístroje a zohlednění předřazených měřicích transformátorů napětí a proudů prostřednictvím konstant slouží panel Nastavení přístroje. Uživatel zadá všechny konstanty tak, aby vizualizace a ukládání měřených dat byly realizovány přímo ve skutečných měřených jednotkách na primárních stranách měřicích transformátorů. Po nastavení vstupních rozsahů a konstant přístroje je možné zobrazit aktuální velikost hodnot RMS napětí a proudů a zkontrolovat správnou volbu měřicích rozsahů, včetně vektorového diagramu (obr. 4). Tento panel umožní ještě před spuštěním měření odhalit nesprávnou polaritu proudového signálu nebo nesprávný sled napěťových fází. 2.1.2 Analyzátor FFT
V panelu FFT lze zobrazit aktuální frekvenční amplitudové spektrum měřeného napětí a proudu. Díky vyhodnocování fázového spektra je možné zobrazit i spektrum činného a jalového výkonu. Směr toku výkonů je rozlišen barvou: červená – kladný výkon, modrá – záporný výkon. Spektrum zvolené veličiny je zobrazeno pro jedinou vybranou fázi. Pod grafem spektra jsou číslicové indikátory zobrazující pro vybranou fázi URMS, IRMS, THDU, THDI, P, S, Q, PF a dále pro zvolenou harmonickou Ui, Ii, Pi, Si, Qi, ji. 2.1.3 Osciloskop
Jednu periodu všech měřených signálů je možné zobrazit v panelu Osciloskop (obr. 5). Stopy napětí a proudů lze selektivně vypínat. 2.1.4 Vektorový diagram
Panel Vektory zobrazuje fázové poměry mezi napětími a proudy pro vybrané harmonické (obr. 6). Je možné selektivně zobrazit pouze napětí nebo pouze proudy; poté jsou soustředné kružnice opatřeny číslicovým indikátorem hladiny. 2.1.5 Monitor energií a výkonů
Výkonové a energetické poměry na jednotlivých fázích i souhrnné údaje pro všechny tři fáze poskytuje panel Výkony. Na tomto panelu jsou zajímavé selektivní informace o činné energii: energie dodaná APin a energie spotřebovaná APout, dále informace o jalové energii: energie jalová induktivní AQL a energie jalová kapacitní AQC jsou zde rovněž údaje o frekvenci a napěťové nesymetrii. V tomto panelu lze přepínat mezi zobrazením číslicových hodnot a grafickým průběhem některých veličin za poslední hodinu v grafu. 2.1.6 Měřič blikání (flickermeter)
Měřič blikání měří, zobrazuje okamžité míry vjemu blikání za poslední čtyři sekundy P(t), střední hodnoty okamžité míry vjemu blikání za jednu minutu Pavg(t), hodnotu krátkodobého vjemu blikání Pst(t) a dlouhodobého vjemu blikání Plt(t) statisticky zpracovávanou každých deset minut. Na panelu Flicker lze přepínat mezi zobrazením průběhu P(t) a Pavg(t) nebo Pst(t) a Plt(t) (obr. 7). 2.1.7 Monitor napětí podle ČSN EN 50160
Panel 50160 zobrazuje měřené charakteristiky napětí – desetisekundovou frekvenci, střední desetiminutovou hodnotu RMS v jednotlivých fázích, dvouhodinový flicker, desetiminutový činitel zkreslení pro jednotlivé fáze a desetiminutovou hodnotu nesymetrie. U každé veličiny je uvedena její extrémní hodnota a počet měření, které v rámci intervalu měření padly do dovoleného pásma z hlediska normy ČSN EN 50160. Vpravo je pole indikátorů, které ukazují, zda byla u některé měřené veličiny překročena její dovolená hodnota (obr. 8). 
| 
| Součástí panelu 50160 je histogram odchylek napětí, v němž lze číst počet odchylek napětí podle doby jejich trvání a velikosti odchylky od jmenovité hodnoty . Dále je zde chronologický výpis událostí, kterými se rozumí opuštění pásma ±10 % od referenční hodnoty hodnotou RMS libovolného měřeného napětí. Uživatel zde nalezne pro každou takovouto událost datum a čas jejího počátku, označení fáze, extrémní hodnotu, které při této události bylo dosaženo, a délku trvání této události. 2.1.8 Zapisovač rychlých dějů (transient recorder)
Pro zachycení přechodných jevů je určen panel Transient, na němž lze nastavit celkem dvacet různých triggrovacích podmínek (obr. 9). Tyto podmínky mohou být skryty pro vybrané fáze a navzájem mohou být spojeny logickým součtem či součinem. Jejich kombinací lze sestavovat i velmi složité podmínky pro zachycení ojedinělých rušivých jevů v napájecí síti. 
Tento tranzientní zapisovač má paměť pro 65 536 vzorků, v jejichž rámci lze nastavit pretrigger (obr. 10) a posttrigger. Je tu k dispozici funkce blokující trigger, jestliže je napětí po nastavenou dobu menší než nastavená úroveň – tato funkce slouží k potlačení nežádoucího ukládání, je-li např. vypnuta měřená část sítě. Tranzientní zapisovač umožňuje zobrazit osm period signálu, v jejichž rámci byla splněna triggrovací podmínka. 2.1.9 Zapisovač pomalých dějů (PAD)
PAD je název skupiny modulů firmy Dewetron pro měření pomalých dějů. Zapisovač pomalých dějů – panel PAD je připraven pro spolupráci s těmito moduly a umožňuje dodatečně měřit až šestnáct analogových nebo digitálních kanálů. Panel PAD zobrazuje současně vždy pouze jednu skupinu osmi kanálů v podobě grafu nebo číslicově. Jednotlivé stopy lze selektivně vypínat. Dokončení v příštím čísle |
