Harmonicko-frekvenční kalibrace pro přesné měření výkonu
Kalibrace e-metrů je nezbytná při provozu na vysokých frekvencích s vysokým obsahem harmonických. Pokud ji neprovedete, dojde k nesprávnému měření a odečtu. K dispozici jsou jednoduchá řešení pro měření harmonických s vysokou přesností.
Při provozu na vyšších frekvencích nejsou elektronické měřiče vždy schopny spolehlivě měřit proud a napětí. Klasická kalibrace se provádí při frekvenci 50 Hz – vyšší harmonické se však nekalibrují, a proto se měří špatně. Výsledná chyba je následně u vyšších harmonických větší.
Měření harmonických klade větší nároky na měřicí přístroje (v našem případě měřiče). Vyšší vzorkovací frekvence vyžaduje rychlejší AD převodníky a větší výpočetní výkon procesoru pro zpracování dat. Tyto problémy jsou známé a dobře popsané. O čem se však nikdy nediskutuje, je frekvence kalibrace. Není to překvapivé, protože dnešní normy nemají na stav sítě vliv.
Jak se chová snímač napětí a proudu napříč vyššími frekvencemi?
Pro výpočet elektrického výkonu, a tedy i elektrické energie, je nutné přesně měřit a digitalizovat oba signály – napětí i proud. Kromě velikosti signálů je rozhodující fázový posun mezi nimi. Oba kanály se skládají ze samotného snímače (odporový dělič napětí, proudový transformátor), dále ze zesilovačů, filtrů dolních propustí (LPF) a nakonec z analogově-digitálních převodníků (ADC).
Všechny součásti mírně mění velikost a fázi signálu – proto by se kanály měly zkoušet jako kompletní systém, nikoli jako jednotlivé prvky.
Odezva proudového kanálu se skládá z charakteristiky horní propusti (proudový transformátor) a charakteristiky dolní propusti (následující LPF). Odezva napěťového kanálu je reprezentována pouze charakteristikami dolnopropustného filtru.
Je zřejmé, že v rámci frekvenčního rozsahu dochází k výraznému fázovému posunu signálu. Proto se musí použít kalibrace, aby se správně vypočítal elektrický výkon.
Zjednodušení kalibračních procesů
Kalibrace během výrobního procesu elektroměru musí být co nejrychlejší a nejjednodušší, a proto není vhodné ji provádět ve všech bodech (30 bodů) jako na obrázcích níže.
Vztah mezi chybami kanálu a frekvencí lze snadno popsat kombinací přenosových funkcí HPF a LPF. Pak je třeba měřit skutečně jen několik bodů. Plné čáry na obrázku níže představují výsledky tříbodové kalibrace. Byla zvolena jmenovitá frekvence (50 Hz) a desetinné násobky – 500 Hz a 5000 Hz (10. a 100. harmonická).
Rozdíly mezi naměřenou a vypočtenou tříbodovou kalibrační frekvenční závislostí chyb jsou přijatelné. Rozdíly jsou menší než 0,2 stupně a 0,2 % fázových a poměrových chyb pro proudový a napěťový kanál.
Pro popis závislosti chyb na frekvenci v obou kanálech – napěťovém i proudovém – je třeba pouze osm kalibračních konstant. Všechny tyto konstanty jsou uloženy v FPGA, který může po procesu FFT vypočítat korekce pro všechny diskrétní frekvence. Použití korekce na výsledky výpočtů FFT zajistí, že velikost a fáze frekvenčních složek jsou správné a vypočtený elektrický výkon není ovlivněn.
Úvahy o chování a omezeních kanálu
Použití korekční metody předpokládá neměnné chování kanálů v reálných podmínkách. V tomto článku byl použit lineární stejnosměrný toleranční proudový transformátor. Tyto CT mají značnou, ale téměř konstantní fázovou chybu (přibližně 4 stupně při 50 Hz). Tato chyba je konstantní i při přítomnosti stejnosměrného proudu.
Naproti tomu dvoužilové CT, které se používají i v elektroměrech, jsou schopny měřit i za přítomnosti stejnosměrného proudu, ale fázová chyba se při výskytu stejnosměrného proudu mění. Tuto fázovou chybu proto nelze korigovat, protože v elektroměru není informace o stejnosměrném proudu.
Shrnutí
Ukázali jsme, že je možné provést jednoduchou frekvenční kalibraci CT s velmi malou chybou. Všechny kalibrační výpočty se provádějí v FPGA. Toto řešení poskytuje možnost přesně měřit energii o vysoké frekvenci a jako vedlejší produkt vypracovat frekvenční analýzu napětí a proudu v síti.