Calibração de frequência harmônica para medições de potência

A calibração dos medidores eletrônicos é vital ao operar em altas frequências com harmônicos elevados. Se isso não for feito, resultará em medições e leituras incorretas. Há soluções simples disponíveis para medir harmônicos com alta precisão.

Ao operar em frequências mais altas, os medidores eletrônicos nem sempre são capazes de medir a corrente e a tensão de forma confiável. A calibração clássica é feita em 50 Hz, mas os harmônicos mais altos não são calibrados e, portanto, são mal medidos. A margem de erro resultante é subsequentemente maior para harmônicos mais altos.

A medição de harmônicos exige mais dos instrumentos de medição (medidores, no nosso caso). Uma taxa de amostragem mais alta exige conversores AD mais rápidos e mais potência de cálculo do processador para o processamento de dados. Esses problemas são conhecidos e bem descritos. Mas o que nunca é realmente discutido é a frequência da calibração. Isso não é surpreendente, pois os padrões atuais não afetam o status da rede.

Qual é o comportamento do sensor de tensão e corrente em frequências mais altas?

Para calcular a potência elétrica e, consequentemente, a energia elétrica, é necessário medir e digitalizar com precisão os dois sinais: tensão e corrente. Além da magnitude dos sinais, a mudança de fase entre eles é crucial. Os dois canais consistem no próprio sensor (divisor de tensão resistivo, transformador de corrente), seguido por amplificadores, filtros passa-baixa (LPF) e, por fim, conversores analógico-digitais (ADCs).

Todos os componentes alteram ligeiramente a magnitude e a fase do sinal – portanto, os canais devem ser testados como um sistema completo, em vez de elementos individuais.

Comportamento do canal atual para a faixa de frequência de 10 Hz a 10 kHz. Esses pontos são os resultados de medições reais.
A imagem mostra o comportamento do canal atual para a faixa de frequência de 10 Hz a 10 kHz. Esses pontos são os resultados de medições reais.

A resposta do canal de corrente consiste em características passa-altas (transformador de corrente) e características passa-baixas (LPF seguinte). A resposta do canal de tensão é representada apenas pelas características do filtro passa-baixa.

É evidente que há uma mudança de fase significativa do sinal dentro da faixa de frequência. Portanto, a calibração deve ser usada para calcular corretamente a energia elétrica.

Simplificando os processos de calibração

A calibração durante o processo de fabricação do medidor de energia precisa ser a mais rápida e fácil possível e, portanto, não é adequado fazê-la em todos os pontos (30 pts.), como nas figuras abaixo.

A relação entre os erros do canal e a frequência pode ser facilmente descrita pela combinação das funções de transferência do HPF e do LPF. Assim, apenas alguns pontos precisam realmente ser medidos. As linhas sólidas na figura abaixo representam os resultados de um processo de calibração de três pontos. Foram escolhidas a frequência nominal (50 Hz) e os múltiplos decimais – 500 Hz e 5000 Hz (10º e 100º harmônicos).

As diferenças entre a dependência dos erros da frequência de calibração de três pontos medida e calculada são aceitáveis. As diferenças são inferiores a 0,2 graus e 0,2% dos erros de fase e proporção, respectivamente, para os canais de corrente e tensão.

Apenas oito constantes de calibração são necessárias para uma descrição da dependência dos erros em relação à frequência em ambos os canais – tensão e corrente. Todas essas constantes são armazenadas no FPGA, que pode computar correções para todas as frequências discretas após o processo de FFT. A aplicação da correção aos resultados dos cálculos da FFT garante que a magnitude e as fases dos componentes de frequência estejam corretas e que a energia elétrica computada não seja afetada.

Considerações sobre o comportamento e as limitações do canal

O uso do método de correção pressupõe o comportamento invariável dos canais em condições reais.. Neste artigo, foi usado um transformador de corrente linear tolerante a CC. Esses TCs têm um erro de fase significativo, mas quase constante (cerca de 4 graus a 50 Hz). Esse erro é constante mesmo com a presença de corrente CC.

Em contraste, os TCs de núcleo duplo que também são usados em medidores de energia são capazes de medir com a presença de corrente CC, mas o erro de fase muda quando a corrente CC ocorre. Portanto, esse erro de fase não pode ser corrigido porque não há informações sobre a corrente CC no medidor de energia.

Conclusão

Mostramos que é possível realizar a calibração de frequência simples de TCs com muito pouco erro. Todos os cálculos de calibração são feitos em FPGA. Essa solução oferece a capacidade de medir com precisão a energia de alta frequência e, como subproduto, desenvolver uma análise de frequência da tensão e da corrente na rede.

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