Вычисление параметров электропотребления

В случае цифровой измерительной регистрации входные анало­говые (непрерывные) сигналы представляются цифровыми кода­ми, т.е. дискретными во времени и квантованными по уровню зна­чениями (отсчетами). Рассмотрим вычисление различных парамет­ров и функций на примере напряжений и токов в электрических цепях.

Любой аналоговый сигнал x(t) можно представить (с той или иной достоверностью) последовательностью цифровых эквивален­тов (кодов) мгновенных значений х_i.

Чем большее число кодов (отсчетов) получено на одном периоде сигнала Т (чем меньше шаг дискретизации Т_д и чем выше разрядность аналого-цифрового преобразования, тем точнее будет представлен сам сигнал в цифровом виде и тем точнее будут ре­зультаты всех последующих вычислений. В современных регистра­торах/анализаторах типичное число отсчетов на одном периоде сигнала (Т = 20мс) равно 100... 200. Разрядность аналого-цифрово­го преобразования 10... 16 бит (двоичных разрядов).

Если преобразовать в коды достаточно длительную реализацию входного сигнала (не менее одного периода T), то полученный массив цифровых эквивалентов может быть использован для на­хождения различных параметров и функций. По нему можно най­ти числовые значения некоторых величин, а также построить раз­личные функциональные зависимости.

Мы уже знаем, что истинное среднее квадратическое (действу­ющее) значение (СКЗ) любого аналогового периодического сиг­нала x(t) с периодом Т определяется выражением

На основе массивов кодов, полученных в результате быстродей­ствующего аналого-цифрового преобразования входных периоди­ческих сигналов напряжения и тока, микропроцессор (или компь­ютер) вычисляет СКЗ напряжения и тока на периоде Т. Процедуры вычисления СКЗ по отдельным цифровым отсчетам аналогичны выражениям для непрерывных функций, Например, для случая вычисления СКЗ периодического напряжения и(t) по полученным N результатам аналого-цифрового преобразования (кодам) и_i входно­го периодического сигнала процедура вычисления такова:

Множество таких последовательно вычисленных значений дает возможность построить график изменения (функцию) действую­щего значения u_с.к (t) во времени. Аналогично могут быть получе­ны СКЗ тока I_с.к и функция i_с.к (t). На основе вычисленных значений напряжения и тока можно найти также значения и функции дру­гих важных параметров электрических сигналов, таких как мощ­ность (активная и реактивная), энергия (активная и реактивная), коэффициент мощности и др. Формулы, по которым вычисляются эти значения, напоминают (по сути повторяют) выражения для аналоговых (непрерывных) сигналов.

Регистраторы/анализаторы, предназначенные для работы в трех­фазных электрических сетях, вычисляют СКЗ напряжений и то­ков, а также мощностей отдельно по каждой фазе. Затем можно найти самые различные дополнительные параметры трехфазной сети, например, средние по трем фазам значения СКЗ напряжений (U_с.к)с и токов (I_с.к)_с, общую (суммарную) активную мощность по всем трем фазам Р_Σ, среднее значение коэффициента мощности k_м.с по трем фазам и др.

Рассмотрим подробнее вопрос формирования функциональных массивов кодов. На рис. 7.18 приведена упрощенная структурно-алгоритмическая схема регистратора/анализатора в режиме регис­трации напряжения, тока, вычисления функции мощности и ак­тивной энергии (только для одной фазы).

Структура имеет два входных канала, на которые от иссле­дуемого объекта поступают, соответственно, напряжение u (t)и ток i (t) одной фазы. Входные сигналы уменьшаются (с помощью трансформаторов напряжения, делителей, шунтов или других пре­образователей напряжения и тока) в пропорциональные напря­жения небольших амплитуд (2... 10 В). Затем с достаточно высо­кой частотой дискретизации (5... 20 кГц) они синхронно пре­образуются отдельными аналого-цифровыми преобразователями АЦП в массивы кодов напряжения и тока. Эти массивы упоря­дочение складываются и хранятся в оперативных запоминающих устройствах напряжения (ОЗУ U) и тока (ОЗУ I). Если полученные на интервале, например, одного периода одноименные (т.е. полученные в одни и те же моменты) коды этих массивов перемно­жить с помощью микропроцессорного контроллера МК, то мож­но получить третий массив – массив кодов функции мощности (ОЗУ Р).

Проинтегрировав этот новый массив, можно получить четвер­тый массив – массив кодов, характеризующих функцию измене­ния активной энергии (ОЗУ W). Любой из сформированных мас­сивов может быть восстановлен и в графическом (псевдоаналого­вом) виде представлен на индикаторе (дисплее) или передан с помощью интерфейса другим устройствам.

Трехфазные регистраторы/анализаторы имеют как минимум три подобных входных канала напряжения и три входных канала тока и синхронно регистрируют сигналы по всем этим каналам.

 

Рис. 7.18. Упрощенная структура регистратора/анализатора

7.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПИЧНЫХ РЕГИСТРАТОРОВ/ АНАЛИЗАТОРОВ

Существует несколько вариантов реализации процедур реги­страции и анализа. Наиболее широко распространены малогаба­ритные автономные регистраторы/анализаторы различных физиче­ских величин (процессов), а также компьютерные средства реги­страции и анализа. Рассмотрим их основные возможности и харак­теристики.

7.4.1. Регистраторы/анализаторы параметров электропотребления

Современные микропроцессорные регистраторы/анализаторы параметров электропотребления в электрических цепях – это пе­реносные малогабаритные приборы. Основные характеристики ти­пичных представителей этого класса таковы:

• возможность работы с однофазными и трехфазными цепями (в том числе несимметричными);

• верхний предел диапазонов измерения входных напряжений – линейных до 600... 1000 В, фазных до 500...600 В;

• верхний предел диапазона измерения входных токов (с при­менением токовых клешей, обеспечивающих измерения без раз­рыва цепи исследуемого тока) – до 2000...5000 А (в зависимости от типа используемых клещей);

• выходная информация – средние квадратические (действую­щие) значения напряжений и токов, значения мощностей (актив­ной и реактивной – индуктивного и емкостного характера), ко­эффициентов мощности (соs φ) по каждой фазе, частоты сети, энергии (активной и реактивной как индуктивного, так и емкост­ного характера);

• программируемые режимы работы и диапазоны измерений;

• представление зарегистрированных сигналов напряжений и токов во временной и частотной областях, числовое и графичес­кое представление спектрального состава напряжений и токов (при поддержке специализированного программного обеспечения);

• возможная длительность регистрации – до нескольких ме­сяцев;

• объем внутренней памяти данных – 128 Кбайт... 1 Мбайт (воз­можно также использование дополнительных карт памяти);

• различные режимы запуска (по заданному текущему времени или по заданному уровню входных величин);

• внутренний энергонезависимый таймер (текущие дата и время);

• наличие специализированного программного обеспечения, ко­торое позволяет осуществлять обстоятельный анализ зарегистри­рованных данных на персональном компьютере;

• погрешности измерения и регистрации напряжений и токов (без учета измерительных трансформаторов) во всем рабочем диапазоне температур: ±(0,5 % значения результата измерения + 2 единицы младшего значащего разряда);

• погрешности измерений активной и реактивной мощности (без учета измерительных трансформаторов): ±(1,0% значения результата измерения + 2 единицы младшего значащего разряда);

• частота дискретизации АЦП – до 100 кГц;

• диапазон рабочих температур – 0...50 °С;

• масса – 1 ...3 кг.

Такие приборы (совместно со специализированным программ­ным обеспечением) позволяют измерять, регистрировать и вы­числять:

• текущие средние квадратические (действующие) значения на­пряжений и токов; максимальные, усредненные и минимальные значения напряжений и токов во всех фазах на всем интервале регистрации;

• текущие значения активной и реактивной (как индуктивно­го, так и емкостного характера) мощностей; максимальные и минимальные значения активной и реактивной мощностей на всем интервале регистрации; суммарную мощность по всем фазам;

• потребленную на интервале регистрации активную и реактив­ную энергию;

• текущее значение частоты электрической сети;

• текущие и экстремальные значения коэффициентов мощно­сти (соsφ);

• формы кривых сигналов напряжений и токов во всех фазах; значения коэффициентов общих гармонических искажений на­пряжений и токов в каждой фазе; процентный состав гармониче­ских составляющих напряжений и токов в каждой фазе с графи­ческим представлением в спектральной области, а также в таблич­ной форме.

Зарегистрированные прибором данные по окончании регистрации переносятся в персональный компьютер. Ком­пьютер затем при поддержке программного обеспечения выпол­няет окончательный анализ и представление информации в таб­личном и/или в графическом виде.

Поскольку ресурсы памяти приборов ограничены, то типичной для всех цифровых измерительных регистраторов является необходи­мость выбора оптимального соотношения между шагом дискретиза­ции Т_д и общей продолжительностью (интервалом) регистрации Т_р.

Программировать обычно можно любые значения шага регист­рации в пределах возможного диапазона с разрешающей способ­ностью 1 мин. При большем объеме внутренней памяти (или при использовании карты памяти с большим объемом) возможная про­должительность регистрации пропорционально возрастает.

Программный пакет таких регистраторов/анализаторов обеспе­чивает различные алгоритмы обработки (анализа) и представле­ния информации. Возможное графическое и табличное представ­ление результатов регистрации и анализа весьма разнообразно.