Proč jsou analyzátory výkonu Newtons4th přesnější než ostatní?

Většina techniků je přesvědčena, že vyšší „počet bitů“ u ADC a rychlejší vzorkovací frekvence poskytují přesnější výsledky měření.  Ano, ale neplatí to vždy a při analýze výkonu již vůbec.

Existuje mnoho dalších faktorů způsobujících nepřesnosti, které vykazují mnohem významnější vliv na přesnost měření výkonu, než jen prosté rozlišení převodníku a jeho rychlost.

Chybám při přesné analýze výkonu dominují analogové efekty přítomné přímo na začátku měřicího řetězce – na vstupu a obvodech stabilizace analogového signálu připojené ke zkušebnímu vzorku. 

Bez ohledu na to, jak rychle dokážete signál vzorkovat, bez ohledu na to, jak vysoké je rozlišení digitalizovaného signálu, pokud informace předávané z analogové části signálového řetězce do části číslicové jsou již zatížené šumem a zkreslením, pak ADC s vysokým rozlišením a rychlou vzorkovací frekvencí nepomohou – systém jednoduše digitalizuje špatná data.

Měření výkonů s použitím karet data acquisition (DAQ) s vysokým rozlišením, s přesvědčením, že tak naměřím nejlepší výsledky je mylné. DAQ je multifunkční vzorkovací systém poskytující většinou povícero nízkonapěťových vstupů.  Klíčovým problémem je, že obvody pro stabilizaci signálu pracují nezávisle na kartě DAQ, takže neexistuje komunikace mezi nimi a v rámci systému měření výkonů poskytují poněkud tuhé funkce.

Pokud je k měření průběhů napětí generovaných například střídačem s modulací PWM bude nutné pro měření mezi fázemi řetězcem měření napětí založeném na DAQ, nutno zajistit izolaci mezi kanály. Tato izolace bude obvykle zajištěna ve formě diferenciální sondy, která poskytuje vždy jeden rozsah (100:1, 1000:1 atd.).

Za prvé, i dobré diferenciální sondy vykazují nominální přesnost 1 %, což je významný zdroj chyby, která ovlivní měření při všech výkonových faktorech. Dobré analyzátory výkonu vykazují přesnost lepší než 0,1 %.  Analyzátory Nevtons4th (N4K) vykazují 0,01% chyby čtení.

Za druhé, diferenciální sonda zavede fázový posun mezi kanály – přesnou úroveň fázového posunu nelze zjistit bez rozsáhlé diagnostiky. Vzhledem k tomu, že výkon (W) závisí i na fázi mezi napětím a proudem (cos(θ)), jakýkoli fázový posun zavedený do systému měření snižuje jeho přesnost. Tento vliv je větší při měření nižších výkonů.

Zatímco úrovně napětí během měření mohou být poměrně stabilní (i když tomu tak často není), aktuální úrovně určitě nebudou. Proto je životně důležité, aby každý vysoce přesný měřicí systém vybral vhodný rozsah, který bude odpovídat příchozímu signálu v čase. Čím blíže může být rozsah k vrcholu příchozího průběhu (bez oříznutí), tím nižší budou chyby rozsahu.

Obr. 1

Analyzátory výkonu N4L využívají aktivní systém přepínání rozsahů, který dokáže reagovat na změny v měřeném vstupním signálu v reálném čase. V návaznosti na průběh signálu dokáže přístroj přenastavit svůj rozsah tak, aby byl adekvátně využit. Tím pádem dojde ke zmenšení kvantizačního šumu a zlepšení přesnosti měření. Obr. 1 ilustruje, jak aktivní systém reaguje na měnící se vstupní signál a dynamicky upravuje svůj rozsah při změně velikosti vstupního signálu s tím, že vždy využívá plný rozsah ADC. Na obr. 2 je aktivní rozsah zvýrazněn modře, čtenáři by mělo být jasné, že chyba rozlišení je zredukována při snížení rozsahu.

Jako příklad výhod tohoto systému uvažujme 14bitový systém aktivního rozsahu založený na ADC s rozsahy znázorněnými na obr. 2, odpor bočníku zůstává na 0,01 Ω, ADC má plný rozsah +/-3 Vpk. I když je rozlišení ADC nižší než v předchozím příkladu, chyba rozlišení měření je téměř ve všech případech nižší. Rozlišení = 3 / 214 = 183 µV. Tedy 183 µV / 3 V= 0,006% chyba rozsahu.

Obr. 2

Při detekci vstupního signálu 200 mArms, systém aktivního rozsahu na analyzátoru N4L automaticky vybral rozsah 300 mApk. Chyba způsobená kvantizací tedy je: chyba (A) = 0,006 % ∗ 0,3 = 18 µA.

Z tohoto příkladu je zřejmé, proč je systém aktivního rozsahu nezbytný pro vysoce přesná dynamická měření elektrického výkonu a předpoklad mnoha inženýrů, že ADC s vyšším rozlišením poskytne větší přesnost, není vždy pravdivý.

Multiplexování

Většina karet DAQ i některé analyzátory výkonu na trhu sdílí svou vzorkovací frekvenci mezi kanály.  Karta DAQ postupně vzorkuje každý kanál individuálně před přechodem na další kanál. Toto řešení je poměrně velký problém pro měření výkonu. Analyzátor výkonu musí vzorkovat napětí a aktuální průběhy každého kanálu v systému současně, aby přesně určil fázový posun mezi kanály napětí a proudu. Pokud vstupní kanály analyzátoru nejsou synchronizované, je nevyhnutelné, že bude ovlivněna fáze měření RMS i následný výpočet výkonu (obr. 2).

Chyba spouštění

Všechny analyzátory výkonu N4L odebírají vzorky nezpracovaných analogových signálů přítomných na všech vstupních kanálech současně, což vyžaduje signální řetězec schopný sbírat syrové vzorky paralelně – to rozhodně není triviální úkol při vzorkování v oblasti MHz při rozlišení 14 bitů. N4L vyvinula signální řetězec schopný současně vzorkovat 12 analogových kanálů (6x napětí a 6x proud) plus potřebné vstupy točivého momentu a otáček potřebné pro jakoukoli aplikaci. Správa a získávání vzorků signálu je řešeno kombinací FPGA a DSP s proprietárními izolačními technikami.

Trasovatelnost​

Analyzátor výkonu by měl nejen poskytovat přesná měření, ale měl by být také schopen tato měření prokázat díky návaznosti na referenci. Pokud nebylo zařízení pro přesné měření ověřeno na základě trasovatelné návaznosti na etalon s vypočtenými použitelnými nejistotami, nelze se spolehnout jen na specifikaci takového zařízení. Přesnost „podle návrhu“ nestačí, jakýkoli systém přesné analýzy by měl být trasovatelný zpět k primárnímu referenčnímu etalonu.

Zpracování dat v reálném čase bez mezer

Požadavek, který je v odvětví energetického měření často přehlížen, a to i mnoha specializovanými výrobci analyzátorů výkonu je skutečné zpracování v reálném čase bez mezer.

Zpracování v reálném čase zahrnuje signální řetězec, který získává, zpracovává a zahazuje vzorky „za běhu“. To odporuje požadavku na ukládání vzorků do vyrovnávací paměti, a tím také eliminuje potřebu vzorkovací vyrovnávací paměti, protože vzorky ukládané do vyrovnávací paměti podle požadovaných datových rychlostí brzy zaplní jakoukoli dostupnou systémovou paměť.

Proč je to důležité?

Představme si elektromotor napájený měničem s PWM rotující při 0,1 Hz, který vyžaduje analýzu výkonu cyklus po cyklu. Jak systém akvizice založený na vyrovnávací paměti (například systém založený na DAQ), tak systém bez mezer v reálném čase (například analyzátory výkonu N4L) musí získat dostatek vzorků pro uzavření jednoho celého cyklu (10 sekund dat na každém kanálu, při vzorkování 2 MS/s. To je celkem 240 milionů vzorků pro 6fázový systém).

V reálném čase, bez mezery signálního řetězce, délka akvizičního okna (v tomto případě 10 sekund) se systémové paměti netýká, protože vzorky budou zpracovány za běhu. Po zpracování se vypočítané výsledky nashromáždí v paměti a nezpracované vzorky se zlikvidují. Paměť tedy vyžaduje pouze dostatek místa pro zachycení malého množství nahromaděných hodnot, jako jsou integrované hodnoty výkonu, až do konce okna akvizice (pouze kB, nikoli GB paměťového prostoru).

Signální řetězec založený na vyrovnávací paměti zpracovává vzorky jiným způsobem, namísto zpracování jednotlivých vzorků za běhu jsou uloženy v paměti (ve vyrovnávací paměti), a to je problém, protože hloubka paměti je vždy konečná.

Nejen to, že namísto zpracování vzorků za běhu, jakmile bude dokončeno akviziční okno, bude zapotřebí obrovské množství zpracování signálu potřebné k tomu, aby se buffer plný surových vzorků přepočítal na Vrms, Irms, W, reaktivní výkon, aktivní výkon a tak dále, ale o to více času bude třeba k dokončení zpracování většího počtu vzorků, a proto bude nutné mezi dokončením jednoho okna a začátkem dalšího období pozdržet odběr vzorků.

V situacích, kdy okno akvizice musí pokrývat dlouhou dobu, mají nástroje založené na klasickém přístupu významná omezení:

- snížení vzorkovací frekvence – sníží šířku pásma

- zvětšení velikosti paměti – drahé a také způsobuje větší mezery mezi okny, protože musí být provedeno více matematických operací na větším počtu vzorků mezi okny. Vyřeší se sice jeden problém a vytvoří se problém ještě větší. Žádná z výše uvedených možností není ideální.

Obr. 3

Na obr. 3 je blokové schéma analyzátoru bez mezery N4L, který je schopen udržet konstantní vzorkovací frekvenci bez ohledu na to, zda je okno akvizice krátké nebo dlouhé.

Analyzátor bez mezery by měl být schopen udržet konstantní vzorkovací frekvenci bez ohledu na to, zda je okno akvizice krátké nebo dlouhé.

Díky výše popsaným řešením analyzátory výkonu společnosti Newtons4th, disponují celou řadou unikátních vlastností implementovaných pro přesnější měření elektrického výkonu.

Kontinuální akvizice, dynamické změny rozsahu a specializované planární bočníky a celková filozofie architektury přístrojů pro měření výkonu tvoří dohromady bezkonkurenční přístroje.

Další informace o analyzátorech Newtos4th se můžete dovědět od jejich zástupce pro ČR a SR, společnosti Blue Panther s.r.o. (www.blue-panther.cz).