Точний розрахунок електричної потужності за допомогою QuantumX і програмного забезпечення catman

Як виконати необхідні кроки з використанням вимірювального модуля QuantumX MX403B і програмного забезпечення catman DAQ.

Зміст

• Розрахунок електричної потужності
• Система збору даних QuantumX MX403B
• Програмне забезпечення catman DAQ
• Покрокове вимірювання, онлайн-розрахунок і аналіз у catman

Розрахунок електричної потужності

У багатьох застосуваннях отримання електричних сигналів і подальший розрахунок потужності та аналіз сигналів у часовій і частотній областях набувають усе більшого значення. Ця стаття надає практичні поради щодо виконання необхідних дій для таких задач за допомогою HBM QuantumX MX403B і програмного забезпечення HBM catman.

Електричні приводи нині використовуються у дедалі більшій кількості застосувань — у ліфтах, ескалаторах, автомобілях тощо. Вони швидко замінюють гідравлічні системи, що раніше використовувалися для створення зусилля. Тому вимірювання електричних величин, таких як напруга та струм, стає дедалі важливішим.

Система збору даних QuantumX дає змогу вимірювати як електричні, так і фізичні величини. Модуль QuantumX MX403B спеціально розроблений для високоточного вимірювання напруги, зокрема малих диференційних напруг на високому потенціалі.

Увага: вимірювання небезпечних напруг повинно виконуватись лише навченим персоналом. Категорії вимірювань, визначені стандартом IEC 61010, допомагають вибрати правильне обладнання. Обов’язково дотримуйтеся інструкцій з безпеки в посібнику користувача MX403B.

Система збору даних QuantumX MX403B

Модуль MX403B має чотири ізольовані диференційні канали для вимірювання напруги до 1000 В DC або 1000 В rms AC. Діапазони вимірювання (10, 100, 1000 В) задаються вільно. Це дозволяє як вимірювати високі напруги щодо землі, так і малі диференційні напруги на високому потенціалі.

Кожен канал має аналогові антиаліасингові фільтри, 24-бітні АЦП і цифрові фільтри, що налаштовуються окремо.
Модулі QuantumX можуть розташовуватися безпосередньо біля точки вимірювання та з’єднуватися через оптичний Ethernet або FireWire, що забезпечує високу надійність зв’язку з ПК.

Частота дискретизації — до 100 кГц/канал, смуга пропускання — до 40 кГц. QuantumX дозволяє синхронно збирати всі фізичні величини — механічні, електричні, теплові — створюючи повну інтегровану систему для досліджень і розробок.

Вимірювання напруги за допомогою MX403B

Звичайно, при вимірюванні напруги важливо знати, в якій точці потенціалу/відліку проводиться вимірювання. Модуль MX403B ідеально підходить для вимірювання, аналізу та випробувань і вимірює постійну напругу на пристроях накопичення енергії, а також змінну напругу в однофазному або трифазному режимі відповідно до категорій вимірювання CAT II та III. У трифазному режимі ми розрізняємо 3- та 4-провідні трифазні системи струму, залежно від того, чи є нейтраль. Це також визначає вимірювальні ланцюги для визначення електричної потужності.

Трифазні системи струму часто використовують конфігурацію зірки або Y. Три обмотки (L1, L2, L3) підключені до загальної точки в двигуні. Ця «загальна точка зірки» виводилася в розподільну коробку і використовувалася для перемикання з зірки на трикутник при запуску двигуна в минулому.

Зі зростанням популярності електронних перетворювачів ситуація швидко змінюється. При трьох фазах потужність додається геометрично від окремих значень потужності; оскільки струм вимірюється в кожній фазі окремо, його потрібно помножити на напругу кожної фази. Тільки в рідкісних випадках фазну напругу можна відібрати безпосередньо. Тому використовується один з наступних методів:

• Розрахунок фазних напруг U1N, U2N, U3N із лінійних U12, U23, U31. Це неточний метод, проте він застосовується на практиці

• Генерація опорної точки поза двигуном за допомогою мережі R або RC (віртуальна зірка). Цей метод є більш точним і добре підходить для збалансованих навантажень. Однак, якщо припустити, що двигун є ідеально збалансованим як за конструкцією, так і за поведінкою, достатньо буде ОДНОГО каналу потужності. Це потрібно проаналізувати.

Напруги та струми в 3-провідній системі (зіркове з’єднання)

Напруга та струм у 3-провідній системі (зіркоподібне з’єднання)

При проектуванні електродвигунів особлива увага приділяється створенню збалансованих навантажень, тобто нейтраль не проводить струм. Якщо зірка не виведена (немає нейтралі і, отже, трипровідна схема), можна налаштувати «зовнішню віртуальну зірку». Для цього можна використовувати адаптер G068-2, що постачається компанією HBM. G068-2 складається з трьох RC-мереж. Коробка точно підходить до бананових роз’ємів MX403B, однак обмежує діапазон до 600 В змінного струму.

Вимірювання струму за допомогою QuantumX MX403B

Електричний струм можна вимірювати за допомогою різних принципів. У той час як перетворювач з нульовим потоком, шунт або перетворювач з датчиком Холла дозволяють проводити точні, фазосинхронні вимірювання малих струмів, струмові датчики особливо підходять для швидких вимірювань струму в однофазному та трифазному режимах. Токові кліщі дозволяють проводити широкий спектр електрично ізольованих вимірювань змінного струму (часто також постійного струму) без необхідності розриву струмопровідної лінії. Крім того, токові кліщі є недорогими і дозволяють проводити аналіз потужності в застосуваннях з менш суворими вимогами до точності. Для різних цілей доступні різні конструкції токових датчиків (індуктивні, на ефекті Холла).

Індуктивний принцип вимірювання призводить до фазового зсуву в трансформаторі струму (перекосу) між реальним струмом струмового затискача і його вихідною напругою, який необхідно компенсувати перед розрахунком потужності. Це передбачає відповідне запізнення виміряної напруги. У деяких струмових затискачах похибка фазового кута змінюється в залежності від частоти і в межах діапазону вимірювання, що, звичайно, впливає на розрахунок потужності! Залежно від діапазону вимірювання, за еталонних умов може спостерігатися відхилення від 3 до 10°. Зверніть увагу: в більшості випадків як еталон використовується ідеальна синусоїдальна напруга, 45…60 Гц, температура навколишнього середовища 23° C і відносна вологість 50%. Кожне відхилення від цього еталону може і буде впливати на точність вимірювання струму і, отже, на розрахунок потужності. Тому вибір правильного струмового затискача має першочергове значення. З цієї причини HBM безпосередньо пропонує струмові затискачі.

Для правильного розрахунку потужності необхідно компенсувати зсув фази. Найпростіший спосіб компенсувати зсув фази і, таким чином, визначити потужність, полягає у відповідній затримці виміряної напруги. Цей процес описаний більш детально нижче. Тепер, коли обидві електричні величини були розглянуті, ми можемо розглянути програмне забезпечення, необхідне для розрахунку електричної потужності.

Програмне забезпечення catman DAQ

Програмне забезпечення HBMatman DAQ ідеально підходить для збору даних вимірювань на наступних етапах розрахунку:

• Параметризація каналів (збереження налаштувань каналів для використовуваних датчиків, наприклад, струмових датчиків)

• Опціональна компенсація фази при використанні струмових датчиків

• Розрахунок сигналів для ефективної, видимої та реактивної потужності, а також інших факторів

• Візуалізація вихідних та розрахованих значень на окремих дисплеях

• Зберігання даних у бажаному форматі

• Аналіз під час поточного вимірювання

• Постпроцесний аналіз та звітність

Окрім збору вимірювань, програмне забезпечення catman також пропонує інтегровану математичну бібліотеку. Математичні функції включають прості алгебраїчні обчислення, статистичний та спектральний аналіз, а також обчислення електричної потужності та ефективності. Програмне забезпечення також може обчислювати середньоквадратичне значення (RMS) вхідних величин.

Покрокове вимірювання, онлайн-розрахунок і аналіз у catman

База даних датчиків може допомогти вам параметризувати канали вимірювання. Якщо в базі даних датчиків не вдається знайти правильний опис сигналу, ви можете перевірити відповідний технічний паспорт. Використання технічного паспорта датчика полегшує подальше налаштування параметрів кожного окремого каналу і робить процес відтворюваним у будь-який час.

Фазосинхронний аналіз сигналів

Збір даних відбувається синхронно для всіх каналів системи збору даних QuantumX. Програма підтримує різноманітні технології датчиків і перетворювачів для перетворення фізичних величин, таких як напруга, струм, крутний момент, швидкість обертання, температура, прискорення, вібрація, шум і сигнали шини для зв’язку пристроїв управління, в цифрові сигнали.

У нашому прикладі струм вимірюється за допомогою шунта. Шунти часто використовуються для вимірювання змінного і постійного струму. Шунти мають суто резистивну структуру, тому не мають фазового зсуву.

Що робити у разі фазового зсуву між струмом і напругою?

Через індуктивний вимірювальний сердечник струмові датчики мають фазовий зсув. Це означає, що фаза вихідного сигналу перетворювача затримується відносно фази струму. Якщо фазовий зсув перетворювача невідомий, його можна легко виміряти, вимірявши струм і напругу на резистивному споживачі (наприклад, лампі розжарювання) і скоригувавши його за допомогою програмного забезпечення catman EASY. Виміряна напруга може бути затримана відповідно. Наприклад, струмові датчики можна підключити до модуля QuantumX MX403B за допомогою перехідника banana-to-Bayonet-Neill-Concelman (BNC).

Струмовий датчик також можна підключити через інший вимірювальний підсилювач у групі, наприклад, через адаптер BNC-SubHD на універсальному підсилювачі MX840A. Цей підсилювач також може реєструвати такі змінні: крутний момент, швидкість обертання, температуру, прискорення, вібрацію та сигнали шини CAN.

Праворуч наведено приклад корекції фази в catman: Обчислювальні канали > Фільтр > Функція корекції фази

Розрахунок потужності враховує тільки низькочастотні гармонічні сигнали (< 100 Гц). Процес не передбачає використання складних алгоритмів інтеграції. Використовуються загальноприйняті стандартні формули. Розрахунок потужності в catman Easy включає процес на основі вікна. Точність розрахунку потужності залежить від основної частоти сигналу та ширини, обраної для вікна. Розрахована потужність буде мати невелике залишкове пульсування навіть у статичній системі.

Наприклад: основна частота коливань 50 Гц -> 20 мс на період -> вікно 100 мс -> в середньому 5 періодів.

Повний розрахунок усіх величин в catman EASY включає середньоквадратичне значення, а також середнє значення (MEAN) за часовим вікном. Жодне з них не формується в прямому процесі усереднення з n значеннями, як, наприклад, в модулі QuantumX MX403B. (Для цього знадобився б буфер для n значень, тому максимальне часове вікно було б обмеженим!) Натомість процес є однокроковою ітерацією без буфера.Нижче наведено відповідні формули:

• RMS (n) = sqrt((1-a)*measured value(n)*measured value(n) + a * RMS(n-1))
• MEAN (n) =  (1-a)*measured value(n) + a * MEAN(n-1))
• a = exp(-1/(sampling rate * time window)).

Процес є швидшим, практично не вимагає буфера і тому може реалізовувати часові вікна будь-якого розміру. Результат тісно узгоджується з значеннями, обчисленими на борту підсилювача QuantumX MX410B або QuantumX MX403B. RMS і MEAN також можна фільтрувати для згладжування. Інші обчислювальні канали обчислюються наступним чином:

• REALPOWER = MEAN(U * I)
• APPARENTPOWER = RMS(U) * RMS(I)
• REACTIVEPOWER = sqrt(APPARENTPOWER*APPARENTPOWER – REALPOWER*REALPOWER)
• POWERFACTOR = REALPOWER/APPARENTPOWER
• PHI = acos(POWERFACTOR) * 57.29 to go from rad to °

Галерея скріншотів

Процес параметризації розрахунку потужності.

Далі ви виконуєте вимірювання за допомогою щойно отриманих величин. У прикладі об’єктом вимірювання є лампа розжарювання потужністю 60 Вт. Графік можна просто експортувати до звіту про вимірювання в Microsoft Word за допомогою текстових маркерів (на вкладці «Office»).

Для порівняння, на іншому графіку показано вимірювання індуктивних навантажень. У цьому випадку об’єктом вимірювання є 50-ватний паяльник.

Аналіз записаних даних вимірювань за допомогою catman

В подальшому виконується аналіз сигналу в частотному діапазоні. Аналіз сигналу цього типу базується на швидкому перетворенні Фур’є (FFT). Він полегшує перехід від часових сигналів до частотного діапазону. За допомогою програмного забезпечення для вимірювань catmanEasy можна візуалізувати та аналізувати частотний розподіл одного або декількох сигналів. Нижче наведено кількість виміряних значень, що використовуються для обчислення амплітудного спектра, як обов’язковий параметр.

Частотний аналіз у режимі постобробки використовує FFT для обчислення спектру (амплітудного, фазового або потужності). Відображення декількох спектрів у часі є особливо важливим у динамічному режимі роботи. «Діаграма водоспаду» може послідовно відображати амплітудні спектри, розбиті на три виміри. Вигляд можна вільно обертати в усіх напрямках. Активуйте «Створити набір частотних даних», щоб частотний канал був доступний для експорту.