Kalibracja częstotliwości harmonicznych dla pomiarów energii
Kalibracja mierników elektronicznych jest niezbędna podczas pracy przy wysokich częstotliwościach z wysokimi harmonicznymi. Nieprzestrzeganie tego wymogu spowoduje nieprawidłowe pomiary i odczyty. Dostępne są proste rozwiązania umożliwiające pomiar harmonicznych z dużą dokładnością.
Podczas pracy przy wyższych częstotliwościach mierniki elektroniczne nie zawsze są w stanie niezawodnie mierzyć prąd i napięcie. Klasyczna kalibracja odbywa się przy częstotliwości 50 Hz – ale wyższe harmoniczne nie są kalibrowane i dlatego są źle mierzone. Wynikający z tego margines błędu jest większy dla wyższych harmonicznych.
Pomiar harmonicznych nakłada większe wymagania na przyrządy pomiarowe (w naszym przypadku mierniki). Wyższa częstotliwość próbkowania wymaga szybszych przetworników AD i większej mocy obliczeniowej procesora do przetwarzania danych. Kwestie te są znane i dobrze opisane. Ale to, co nigdy nie jest tak naprawdę omawiane, to częstotliwość kalibracji. Nie jest to zaskakujące, ponieważ dzisiejsze standardy nie mają wpływu na stan sieci.
Jak zachowuje się czujnik napięcia i prądu przy wyższych częstotliwościach?
Aby obliczyć moc elektryczną, a w konsekwencji energię elektryczną, konieczne jest precyzyjne zmierzenie i zdigitalizowanie obu sygnałów – napięcia i prądu. Oprócz wielkości sygnałów, kluczowe znaczenie ma przesunięcie fazowe między nimi. Oba kanały składają się z samego czujnika (rezystancyjny dzielnik napięcia, przekładnik prądowy), a następnie wzmacniaczy, filtrów dolnoprzepustowych (LPF) i wreszcie przetworników analogowo-cyfrowych (ADC).
Wszystkie komponenty nieznacznie zmieniają wielkość i fazę sygnału – dlatego kanały powinny być testowane jako kompletny system, a nie poszczególne elementy.
Odpowiedź kanału prądowego składa się z charakterystyki górnoprzepustowej (przekładnik prądowy) i charakterystyki dolnoprzepustowej (po LPF). Odpowiedź kanału napięciowego jest reprezentowana tylko przez charakterystykę filtra dolnoprzepustowego.
Oczywiste jest, że w zakresie częstotliwości występuje znaczne przesunięcie fazowe sygnału. W związku z tym należy zastosować kalibrację w celu prawidłowego obliczenia mocy elektrycznej.
Usprawnienie procesów kalibracji
Kalibracja podczas procesu produkcyjnego licznika energii musi być tak szybka i łatwa, jak to tylko możliwe, dlatego nie jest właściwe wykonywanie jej we wszystkich punktach (30 pkt.), jak na poniższych ilustracjach.
Zależność między błędami kanału a częstotliwością można łatwo opisać za pomocą kombinacji funkcji transferu HPF i LPF. Wówczas wystarczy zmierzyć tylko kilka punktów. Linie ciągłe na poniższym rysunku przedstawiają wyniki trzypunktowego procesu kalibracji. Wybrano częstotliwość nominalną (50 Hz) i dziesiętne wielokrotności – 500 Hz i 5000 Hz (10. i 100. harmoniczna).
Różnice między zmierzonymi i obliczonymi zależnościami błędów od częstotliwości kalibracji trzypunktowej są akceptowalne. Różnice są mniejsze niż 0,2 stopnia i 0,2% błędów fazy i współczynnika odpowiednio dla kanałów prądu i napięcia.
Tylko osiem stałych kalibracyjnych jest niezbędnych do opisu zależności błędów od częstotliwości w obu kanałach – napięciowym i prądowym. Wszystkie te stałe są przechowywane w układzie FPGA, który może obliczać poprawki dla wszystkich dyskretnych częstotliwości po procesie FFT. Zastosowanie korekty do wyników obliczeń FFT zapewnia, że wielkość i fazy składowych częstotliwości są prawidłowe, a obliczona moc elektryczna nie ulega zmianie.
Uwzględnienie zachowania kanału i ograniczeń
Korzystanie z metody korekcji zakłada niezmienne zachowanie kanałów w rzeczywistych warunkach. W tym artykule zastosowano liniowy przekładnik prądowy tolerujący prąd stały. Te przekładniki prądowe mają znaczny, ale prawie stały błąd fazy (około 4 stopni przy 50 Hz). Błąd ten jest stały nawet przy obecności prądu stałego.
Natomiast dwurdzeniowe przekładniki prądowe, które są również stosowane w licznikach energii, są w stanie mierzyć przy obecności prądu stałego, ale błąd fazy zmienia się, gdy pojawia się prąd stały. W związku z tym błędu fazy nie można skorygować, ponieważ w liczniku energii nie ma informacji o prądzie stałym.
Wnioski
Wykazaliśmy, że możliwe jest wykonanie prostej kalibracji częstotliwościowej przekładników prądowych z bardzo małym błędem. Wszystkie obliczenia kalibracyjne są wykonywane w FPGA. Rozwiązanie to zapewnia możliwość dokładnego pomiaru energii o wysokiej częstotliwości i, jako produkt uboczny, opracowania analizy częstotliwości napięcia i prądu w sieci.