Šestifázový analyzátor výkonu – kompletní řešení pro vývoj řízených pohonů
4. 12. 2019 | Ing. Jaroslav Smetana | Blue Panther s. r. o. | www.blue-panther.cz
S rostoucím tlakem na efektivní využívání elektrické energie roste i potřeba již při vývoji co nejpřesněji měřit jednotlivé elektrické parametry vyvíjených zařízení a jejich efektivitu nejen za statických, ale i dynamických podmínek reálného provozu. To se týká pohonů v průmyslu, ale v poslední době především elektrických pohonů v automobilech. Zde jsou používány hlavně střídavé, frekvenčně řízené pohony synchronní i asynchronní, kde vlivem využití šířkové modulace není snadné. správně a přesně změřit výkon a účinnost přes celý řetězec.
Společnost Newtons4th (dále N4L) pro tyto potřeby vyvinula skupinu analyzátorů řady PPA s vysokou přesností. V následujícím textu uvedeme krátkou informaci o modelu Analyzátor výkonu PPA3500 (obr. 1), který je svými schopnostmi určen právě pro oblast vývoje pohonů v automobilní technice.
Obr. 1. Analyzátor PPA3500
Analyzátor PPA3560 nabízí 12kanálové měření šesti wattmetry v jedné jednotce (obr. 2). Všechna měření jsou časově synchronizována pomocí jádra centrálního FPGA, které získává vzorkovací body ze všech 12 kanálů současně a zabraňuje tak „serializaci“ získávání dat. To umožňuje dosáhnout s tímto analyzátorem bezkonkurenční přesnosti měření fázového úhlu mezi kanály, a to 0,005 deg. Tento parametr je jedním z klíčových vlastností, které z PPA3500 dělá nejlepší analyzátor na trhu z hlediska přesnosti.
Obr. 2. Vstupy pro dvanáctikanálové měření
Další významnou vlastností je vysokorychlostní měření výkonu s intervalem 5 ms. Měření zahrnují všechny kmitočtové složky napětí i proudu, například základní složku, harmonické i nosnou PWM měniče vzorkováním 1 Ms/s při libovolné frekvenci pohonu.
S šířkou pásma 1 MHz a výjimečně plochou frekvenční odezvou nabízí PPA3500 přesnou analýzu celkového výkonu v aplikacích, jako jsou předřadníky osvětlení nebo zmíněné řízené pohony, které obsahují širokou škálu frekvenčních složek. Řešení, které využívá společnost N4L ve svých analyzátorech, je digitální proces nazvaný Expanded Nyquist Sampling, který zajistí nepřítomnost aliasových složek signálu i při frekvencích blízkých vzorkovací frekvenci.
Jedinečná konstrukce vstupních analogových obvodů zajišťuje vysokou přesnost jak pro analýzu výkonu, tak pro harmonickou analýzu. Například přesnost PPA3500 pro měření výkonu je 0,03 % ze čtené hodnoty při napětí 230 V (rozsah 300 V), proudu 2 A (rozsah 3 A) a výkonovém faktoru 1 (40 až 400 Hz).
Mnoho výkonových aplikací vytváří rychle se měnící asynchronní proudové impulsy (špičky a přechodné jevy). Tyto jevy není vhodné z hlediska přesnosti zpracovávat z pohledu harmonických složek využitím FFT (rychlé Fourierovy analýzy), kterou používá většina i velmi kvalitních analyzátorů. Důvodem je pevná délky okna této metody. Proto analyzátory řady PPA firmy N4T kombinují technologii DFT (diskrétní Fourierovu transformaci) v reálném čase s analýzou s proměnlivou šířkou měřicího okna bez mezery (obr. 3). Tímto řešením je zajištěna optimální rychlost a přesnost měření i při rychlých změnách měřeného signálu.
Obr. 3. Kombinace použitých metod
Analýza v reálném čase bez mezery zajišťuje nejen správnost měření výkonu, ale v součinnosti se synchronizací základní a pulzní frekvence zajistí rychle získat správný výkon.
Lze tak tedy například měřit parametry jako vstupní/výstupní výkon, účinnost měniče, harmonické výstupní napětí měniče i charakteristiky pohonu motoru, a získat tak vysokorychlostní harmonickou analýzu a pravdivý výpočet výkonu v reálném čase bez mezery.
Pro komplexní měření na pohonech jsou přístroje PPA3500 vybaveny i vstupy pro mechanické převodníky pro přímé měření krouticího momentu a rychlosti. Tyto vstupy jsou plně synchronizovány s napěťovými a proudovými kanály, a tím je umožněno vyhodnotit skutečnou účinnost konverze energie v reálném čase.
Všechny hodnoty měření výkonu a hodnoty RMS jsou vypočteny současně přes 6 fází, což umožňuje naměřené hodnoty snadno vybrat a zobrazovat je během analýzy. Na obr. 4 jsou zvoleny tři fáze vstupního a tři fáze výstupního výkonu se všemi primárními funkcemi a v každé fázi pulzní frekvence, vybraná harmonická, DC výkon (W) a fázové napětí. Lze zvolit zobrazení mechanické síly, matematiky i funkcí efektivity a provádět analýzu v reálném čase jak elektrických systémů, tak i systémů elektromechanických.
Obr. 4. Příklad výběru měřených hodnot
PPA 3500 je vybaven velkou vnitřní pamětí 500 MB pro zachycování dat s intervalem od 5 ms, a se synchronizací se základní frekvencí a bez mezery mezi jednotlivými měřeními. Alternativně mohou být data uložena na externí USB paměť nebo přímo do PC pomocí softwaru PPALoG.
V režimu „Harmonického analyzátoru“ nabízí analyzátor výkonu PPA3500 výpočet až do 100. harmonické v reálném čase, zobrazované v tabulce nebo sloupcovém grafu. Měření jsou v absolutní velikosti nebo v procentuálním podílu k základní harmonické složce s možností zobrazit fázi harmonické.
Při výpočtech, jak již bylo naznačeno, se používá diskrétní Fourierova transformace (DFT), což vede k velmi přesné harmonické analýze, kde je dosahováno velmi vysoké přesnosti analyzátoru. Použití DFT je možné využitím vysokorychlostního paralelního zpracování signálu v FPGA, stejně jako proporcionálního algoritmu.
PPA3500 umožňuje provoz ve dvou režimech současně využívajících vlastní "Dual Core Power" společnosti N4L, což umožňuje uživateli velkou flexibilitu při měření – jak zobrazením výsledků analýzy výkonů na jednom displeji, tak i zobrazení osciloskopické na displeji druhém při zachování plné vzorkovací frekvence (obr. 5).
Obr. 5. Příklad zobrazení výsledků
Kromě analyzátoru PPA 3500 společnost N4T dodává celou řady analyzátorů výkonu pro laboratorní použití s přesností až 0,01 % a vzorkovací rychlostí 2 MS/s, jednofázových a třífázových laboratorních zdrojů s proměnnou frekvencí od DC do 15 kHz a výkony od 3 kVA až po 67 kVA. Dále jsou v sortimentu analyzátory impedance i analyzátory frekvenční odezvy a EMC IEC61000 testery.
Další podrobnosti o analyzátoru Newtons4th PPA3500 a dalších produktech tohoto výrobce získáte u výhradního zástupce pro ČR a SR společnosti Blue Panther s.r.o.
Vyšlo v časopise Elektro č. 12/2019 na straně 28.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.