Калибровка гармоник и частот для точных измерений мощности

Калибровка электронных измерительных приборов крайне важна при работе на высоких частотах с высокими гармониками. Невыполнение этого требования приведет к неправильным измерениям и показаниям. Существуют простые решения для измерения гармоник с высокой точностью.

При работе на высоких частотах электронные измерительные приборы не всегда способны надежно измерять ток и напряжение. Классическая калибровка выполняется на частоте 50 Гц, но более высокие гармоники не калибруются и поэтому плохо измеряются. В результате погрешность для высших гармоник оказывается выше.

Измерение гармоник предъявляет повышенные требования к измерительным приборам (в нашем случае — измерительным приборам). Более высокая частота дискретизации требует более быстрых AD-преобразователей и большей вычислительной мощности процессора для обработки данных. Эти проблемы известны и хорошо описаны. Но что никогда не обсуждается, так это частота калибровки. Это неудивительно, ведь современные стандарты не влияют на состояние сети.

Каково поведение датчика напряжения и тока на более высоких частотах?

Для вычисления электрической мощности, а следовательно, и электрической энергии, необходимо точно измерить и оцифровать оба сигнала — напряжение и ток. Помимо величины сигналов, решающее значение имеет фазовый сдвиг между ними. Оба канала состоят из собственно датчика (резистивный делитель напряжения, трансформатор тока), затем усилителей, фильтров нижних частот (ФНЧ) и, наконец, аналого-цифровых преобразователей (АЦП). 

Все компоненты незначительно изменяют величину и фазу сигнала — поэтому каналы следует тестировать как единую систему, а не отдельные элементы.

Отклик канала тока состоит из характеристик высоких частот (трансформатор тока) и низких частот (следующий ФНЧ). Реакция канала напряжения представлена только характеристиками фильтра низких частот.

Очевидно, что в диапазоне частот наблюдается значительный фазовый сдвиг сигнала. Следовательно, для правильного расчета электрической мощности необходимо использовать калибровку. 

Оптимизация процессов калибровки

Калибровка в процессе производства счетчика энергии должна быть максимально быстрой и простой, поэтому не стоит проводить ее по всем точкам (30 шт.), как показано на рисунках ниже.

Связь между ошибками канала и частотой может быть легко описана комбинацией передаточных функций HPF и LPF. В этом случае требуется измерить всего несколько точек. Сплошные линии на рисунке ниже представляют собой результаты калибровки по трем точкам. Были выбраны номинальная частота (50 Гц) и кратные ей десятичные частоты — 500 Гц и 5000 Гц (10-я и 100-я гармоники).

Различия между измеренной и рассчитанной трехточечной калибровочной частотной зависимостью погрешностей приемлемы. Различия составляют менее 0,2 градуса и 0,2% фазовой погрешности и погрешности соотношения соответственно для каналов тока и напряжения.

Для описания зависимости погрешностей от частоты по обоим каналам — напряжения и тока — необходимо всего восемь калибровочных констант. Все эти константы хранятся в ПЛИС, которая может вычислять поправки для всех дискретных частот после процесса БПФ. Применение коррекции к результатам вычислений БПФ обеспечивает правильность величины и фазы частотных составляющих и не влияет на вычисленную электрическую мощность.

Учет поведения и ограничений канала

Использование метода коррекции предполагает неизменное поведение каналов в реальных

условия. В данной статье использовался линейный трансформатор тока с толерантностью к постоянному току. Эти ТТ имеют значительную, но практически постоянную фазовую погрешность (около 4 градусов при частоте 50 Гц). Эта погрешность постоянна даже при наличии постоянного тока.

В отличие от них, двухъядерные ТТ, которые также используются в счетчиках энергии, способны измерять при наличии постоянного тока, но фазовая ошибка изменяется при появлении постоянного тока. Поэтому ошибку фазы невозможно исправить, так как в счетчике энергии нет информации о постоянном токе.

Заключение

Мы показали, что можно выполнить простую калибровку частоты КТ с очень малой погрешностью. Все расчеты калибровки выполняются в ПЛИС. Это решение позволяет точно измерить энергию высокой частоты и, как побочный продукт, разработать частотный анализ напряжения и тока в сети.

Хотите попробовать наши решения для точного измерения мощности?