Měření účinnosti měniče frekvence analyzátorem napájecích sítí BK-ELCOM

Článek ve formátu PDF je možné stáhnout zde

Ing. Petr Bilík, Ph.D., Ing. Gustav Hrudka, Ph.D., ELCOM, a. s.

Úvod

Analyzátory kvality napětí BK-Elcom jsou u odborné veřejnosti známy jako komplexní nástroje pro analýzu napájecích sítí. Analyzátory BK-Elcom používají již více než dvanáct let techniku měřicích přístrojů postavených na bázi osobního počítače, který je vestavěn v analyzátoru. Tuto techniku stále častěji používají všichni významní výrobci měřicí techniky z důvodu dosažení maximální flexibility svých výrobků. Pouhou změnou používaného firmwaru je možné u analyzátorů kvality napětí BK-Elcom dosáhnout odlišné funkčnosti přístroje, a to často bez jakékoliv potřeby modifikovat hardware. Příkladem

snadné modifikace analyzátoru pro výrazně odlišný účel od původního určení je realizace systému pro vyhodnocení účinnosti elektrického pohonu.

Popis měřicí úlohy

Pro měření účinnosti elektrického pohonu je třeba analyzovat a vyhodnotit vlastnosti systému zahrnujícího polovodičový měnič, asynchronní motor, popř. další součásti, jako je např. převodovka. Pro podrobnou analýzu výkonových poměrů lze samotný měnič rozdělit na část před stejnosměrným meziobvodem a na část za stejnosměrným meziobvodem. Uspořádání takového systému je patrné z obr. 1. Podle blokového schématu na obr. 1 jsou měřeny následující veličiny:

vstupní napájecí napětí U_1AC
proud odebíraný z napájecí sítě I_1AC
napětí stejnosměrného meziobvodu měniče U_DC
proud stejnosměrného meziobvodu měniče I_DC
napájecí napětí motoru U_2AC
proud odebíraný motorem I_2AC
točivý moment M
otáčky pohonu v

Vnější napájecí systém pohonu (část I. na obr. 1) je obvykle třífázová napájecí síť se jmenovitou frekvencí 50 Hz. Vlastní napájení motoru (část III. na obr. 1) pracuje v širším rozsahu frekvencí, např. 20 až 80 Hz. Kromě elektrických veličin U, I v jednotlivých částech obvodu je pro vyhodnocení účinnosti třeba snímat také mechanické veličiny vhodným senzorem (např. tachodynamo, inkrementální čidlo apod.).

Na základě měření uvedených veličin lze vyhodnotit mechanický výkon na hřídeli motoru, účinnost motoru, účinnost jednotlivých částí měniče a samozřejmě účinnost celého pohonu. Vyhodnocení měřených elektrických a mechanických veličin vyžaduje komplexní přístup splňující řadu specifických vlastností systému. Pro popsanou měřicí úlohu existují na trhu speciální jednoúčelové analyzátory výkonů, avšak pořizovací náklady na tyto jednoúčelové přístroje jsou velmi vysoké. Jsouli akceptovatelná některá omezení vycházející zejména z nižší vzorkovací frekvence a menšího frekvenčního rozsahu analyzátoru napájecích sítí ve srovnání s jednoúčelovým analyzátorem výkonů, lze popsanou úlohu realizovat analyzátorem BK-Elcom.

Specifické požadavky na analyzátor

Pro korektní vyhodnocení základních parametrů třífázových systémů, jako je napětí, proud, výkony a zejména harmonická analýza, je nutné odvodit frekvenci vzorkování od detekované frekvence sítě. Běžná měřicí technika určená pro síťovou frekvenci 50 Hz je v tomto ohledu schopna pracovat pouze se signály na frekvencích pohybujících se v úzkém rozsahu kolem jmenovité frekvence sítě, tj. 50 Hz ±10 %. Na výstupu měniče jsou běžně frekvence, které se od 50 Hz značně liší.

Proto je třeba výstup měniče snímat s odlišnou vzorkovací frekvencí schopnou adaptace v odpovídajícím rozsahu. Pro monitorování elektrického pohonu lze využít analyzátoru sítí ENA300, jehož podoba je na obr. 2. Analyzátor ENA300 se skládá z modulu úpravy signálu pro čtyři napětí a čtyři proudy a z A/D převodníku. Model ENA300 nemá vestavěnou procesorovou jednotku, a proto musí být připojen k počítači s operačním systémem Windows XP, na kterém je spuštěn firmware analyzátoru, přes rozhraní USB. Pro použití jako analyzátoru kvality napětí využívá ENA300 stejný firmware jako všechny analyzátory řady ENA. Poskytuje také stejnou funkčnost a přesnost měření jako jakýkoliv jiný model analyzátorů ENA. Protože model ENA300 je připojen k počítači přes rozhraní USB, nic nebrání v připojení dvou jednotek ENA300. Každá z těchto jednotek bude pracovat s nezávislou vzorkovací frekvencí, čímž vzniká analyzátor s označením ENA300.22. Na přání zákazníka lze jednotku ENA300 doplnit konektorem pro měření až osmi doplňujících analogových veličin. Doplňující analogové vstupy mohou být využity pro měření stejnosměrného meziobvodu měniče a mechanických veličin pohonu, jako jsou moment a otáčky.

Vlastnosti firmwaru analyzátoru

Firmware analyzátoru poskytuje simultánní funkčnost řady softwarových modulů: FFT harmonická analýza, výkony, tranzientní děje (záznam vzorků signálu), poruchové děje (záznam půlperiodových hodnot), alarmy atd. Prostřednictvím speciálního softwarového modulu PAD jsou snímány pomocné napěťové vstupy AI (viz obr. 3). Současně s přímým záznamem okamžitých hodnot napětí a proudu stejnosměrného meziobvodu měniče (UDC a IDC), měřených otáček a momentu pohonu (M, v) lze přímo sledovat i dopočtené hodnoty:

výkon stejnosměrného meziobvodu měniče: P_DC = U_DC × I_DC,
mechanický výkon pohonu: P_M = M_v,
účinnost meziobvodu DC (P_DC/P₁, kde P₁je celkový příkon měřený na vstupu měniče),
účinnost měniče (P₂/P₁, kde P₂ je celkový výkon na výstupu měniče),
účinnosti P₂/P_DC, P_M/P_DC, P_M/P₁, P_M/P₂a případné další veličiny.

Pro každý z napěťových vstupů AI lze definovat základní přepočet využívající uživatelem definovaný offset (B) a zesílení (A).

Pro zobrazovanou a ukládanou měřenou hodnotu platí následující vztah:

měřená hodnota = F(A(x(t) + B))

V uvedeném vztahu je x(t) okamžitá hodnota veličiny pro odpovídající vstup AI (viz obr. 2) a funkce F představuje způsob zpracování navzorkovaných dat x(t), které může nabývat následujících variant:

střední hodnota (stejnosměrná složka) signálu x(t),
střídavá složka signálu x(t) (s odfiltrováním DC offsetu),
efektivní (true RMS) hodnota signálu x(t),
další funkce podle požadavku zákazníka.

Pro každý kanál vstupů AI může dále uživatel pro snadnou orientaci při zpracování naměřených údajů měnit název a fyzikální jednotku měřené veličiny. Zásadním rozdílem mezi analyzátorem ENA300.22 a ostatními modely spočívá v odlišném způsobu vzorkování kanálů jednotlivých měřených třífázových systémů. Frekvence sítě je vyhodnocována nezávisle pro vstup a pro výstup měniče a na jejím základě je stanovena vzorkovací frekvence. Nezávislou adaptivní změnou vzorkovací frekvence je možné splnit požadavek vyhodnocení deseti period signálu pro signál s frekvencí v rozsahu 20 až 80 Hz. Při frekvenci měniče 20 Hz je použita vzorkovací frekvence 3 840 vzorků/s na kanál a základní časové okno pro zpracování signálu T_W = 0,5 s. Při frekvenci 80 Hz je vzorkovací frekvence 15 360 vzorků/s na kanál a základní časové okno pro zpracování signálu T_W = 0,125 s. Perioda ukládání dat do souboru je nastavitelná od 1 s výše.

Výhodou řešení s analyzátorem ENA300.22 je koncepce jednotky pro vstupy měřených veličin jako externích modulů, které mohou být připojeny prostřednictvím dvou portů USB k libovolnému počítači s požadovaným výkonem (notebook, desktop apod.), který je vybaven odpovídajícím firmwarem (obr. 3).

Zpracování naměřených údajů

Samostatným softwarovým modulem analyzátoru BK-Elcom je modul zpracování naměřených dat BK-Post (obr. 4). Tento modul umožňuje analýzu naměřených údajů a generování protokolu z měření. Protokol lze vytisknout na tiskárně nebo ho uložit do souboru ve formátu BMP nebo HTML. Tento modul umožňuje alternativně export naměřených údajů do textových souborů pro zpracování dat, např. do MS Excel.

BK-Post dovoluje zpracování naměřených údajů několika základními způsoby:

analýza v časové oblasti s výstupem grafu časových průběhů,
analýza se statistickým vyhodnocením v podobě histogramů a kumulativních distribučních funkcí,
analýza ve frekvenční oblasti s výstupem spekter měřených veličin,
analýza dat naměřených speciálními moduly měření:
– měření v souladu s normou ČSN EN 50160,
– měření tranzientním zapisovačem,
– měření monitorem alarmů,
– měření analyzátorem signálu HDO,
– měření monitorem frekvence,
– měření zapisovačem poruchových dějů.

Obr. 1. Blokové schéma elektrického pohonu

Obr. 2. Analyzátor BK-Elcom ENA330

Obr. 3. Připojení analyzátoru ENA300.22 k signálům elektrického pohonu a k počítači

Obr. 4. Ukázka aplikace pro zpracování naměřených údajů BK-Post