Cмотри подробную информацию (описание, характеристики, cхемы и др.):
- НПСИ-ДНТВ нормирующий измерительный преобразователь действующих значений напряжения (до 500 В) и тока с сигнализацией
- НПСИ-ДНТН нормирующий измерительный преобразователь действующих значений напряжения (до 50 В) и тока с сигнализацией
- НПСИ-200-ДН, НПСИ-200-ДТ нормирующие преобразователи действующих значений напряжения и тока
- НПСИ-МС1 преобразователь мощности, действующих значений напряжения и тока, коэффициента мощности нагрузки пром. сети
- НПСИ-500-МС1 измерительный преобразователь параметров однофазной сети с интерфейсами RS-485 и USB
- НПСИ-500-МС3 измерительный преобразователь параметров трёхфазной сети с интерфейсами RS-485 и USB
Добрый день, уважаемые коллеги!
Задача измерения действующих значений тока и напряжения в электрической сети очень распространена. Научно-производственная фирма “КонтрАвт” предлагает целый ряд измерительных преобразователей, которые позволяют производить эти измерения и преобразовывать измеренные значения в унифицированные сигналы.
В конце видео мы приведем перечень таких преобразователей. А сейчас мы сосредоточимся на обсуждении ряда вопросов, связанных с измерением этих величин.
Несмотря на распространенность и “привычность” этих параметров, результат измерения сильно зависит от применяемого метода измерения, а главное, от того, насколько этот метод соответствует особенностям измеряемых сигналов.
Попробуем в этом разобраться.
Мы начнем с определения.
Определение действующих значений.
Обсудим простейшие методы измерения действующих значений гармонических сигналов.
Основное внимание уделим методам измерения негармонических сигналов, которые реализованы в преобразователях НПФ “КонтрАвт” и укажем те факторы, которые влияют на точность измерения.
Гармонические сигналы
Когда говорят о сигнале в сети переменного тока 50 Гц, то обычно имеют в виду гармонический (синусоидальный) сигнал. (график гармонического сигнала) Это идеальный случай.
Само значение переменного сигнала редко представляет самостоятельный интерес на практике. Более интересным оказывается измерение некоторых определенных характеристик переменных сигналов, дающих представление о сигнале в целом.
Действующее значение
Одним из таких обобщенных параметров, описывающим энергетические свойства переменного сигнала, его способность совершать работу, является “действующее значение сигнала” или по другому ”среднеквадратичное значение”.
Графики наглядно показывают, что измерительные преобразователи измеряют и преобразуют не сам сигнал, а характеризующий его параметр - действующее значение.
Дадим математическое определение.
Действующее значение есть квадратный корень из среднего значения квадрата сигнала. Усреднение проводится по времени за период переменного сигнала Т:
где 
- мгновенные значения напряжения и тока.
Физический смысл действующего значения напряжения заключается в том, что оно соответствует такому постоянному напряжению, которое выделяет на активной нагрузке такое же тепло. Поэтому применяется еще термин «эффективное» значение. Таким образом, действующее значение позволяет сравнивать с энергетической точки зрения переменный сигнал с постоянным.
Для гармонических сигналов
Мы дали математическое определение и выяснили физический смысл действующего значения.
Рассмотрим теперь метод его измерения в частном случае гармонического (синусоидального ) сигнала.
Действующие значения напряжения Uд и тока Iд для гармонического (синусоидального) сигнала можно математически рассчитать и установить связь с амплитудами Um и Im:
.
Отсюда сразу следует метод измерения действующего значение путем измерения амплитуды.
Второй метод - измерение через средневыпрямленное значение.
Средневыпрямленное значение - это среднее значение модуля сигнала:
Средневыпрямленные значения для гармонического сигнала выражаются через их амплитуды следующими соотношениями:
Как видим, среднеквадратичные и средневыпрямленные значения линейно связаны между собой:
Метод измерения действующего значения на основе средневыпрямленного весьма распространен, прежде всего, потому, что его реализация аналоговыми схемотехническими решениями достаточна проста.
Несинусоидальные сигналы
Недостаток этих двух методов измерения заключается в том, что они применимы только для синусоидального сигнала. На практике сигналы тока и напряжения могут сильно отличаться от правильной синусоидальной формы.
Поэтому попытка измерения среднеквадратичного значения негармонических сигналов с помощью выпрямительных приборов приводит к большим погрешностям измерения.
Почему форма напряжения и тока в сети может отличаться от синусоидальной?
Основная причина - применение нелинейных устройств в качестве нагрузки или управляющих элементов. На графиках приведены эпюры напряжения для тиристорного регулятора, однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
Это значит, что для измерения действующих значений сигналов несинусоидальной формы необходимо применять методы измерений, позволяющие вычислять значения непосредственно по формулам.
Про такие методы измерения говорят TRUE RMS.
Большую помощь в этом оказывают цифровые методы измерения и обработки сигналов. Они позволяют проводить измерение действующих значений с высокой точностью и для сигналов несинусоидальной формы.
Однако, и в этом случае есть некоторые особенности измерения, которые надо учитывать.
Проблемы две и обе они вытекают из формулы для действующих значений:
- Первая - это погрешности, связанные с численным интегрированием с конечным шагом дискретизации сигнала, особенно при наличии высших гармоник.
- Вторая - частота в сети на практике может не совпадать с периодом усреднения
Рассмотрим как эти две проблемы решаются в измерительных преобразователях действующих значений напряжения и тока серии НПСИ, выпускаемых НПФ “КонтрАвт”
Особенности измерения
Итак первая проблема: Влияние частоты дискретизации на точность вычисления интеграла.
Как мы говорили ранее, практический интерес представляет ситуация, когда измеряется действующее значение напряжения (тока) сети частотой 50 Гц, но форма сигнала не является чисто гармонической (синусоидальной). Это означает в спектре сетевого напряжения будут присутствовать высшие гармоники, кратные 50 Гц.
При цифровом интегрировании непрерывный интеграл заменяется суммой дискретных отсчетов, при этом точность интегрирования напрямую зависит от периода дискретизации Δt.
В преобразователях НПСИ частота дискретизации составляет 10 кГц, а усреднение производится на 4 периодах сетевого напряжения, то есть на интервале 80 мс.
При частоте дискретизации 10 кГц, максимально допустимая гармоника в спектре сетевого напряжения будет 20-ая, с частотой 1000 Гц. Для более высоких не хватает частоты дискретизации.
При измерении действующих значений синусоидальных сигналов погрешность вычислений пропорциональна квадрату отношения интервала дискретизации к периоду гармоники (Δt/Тгарм)2.
Для основной гармоники сетевого напряжения 50 Гц погрешность вычислений составляет всего 0,0025 % и ее можно не принимать в расчет.
На частоте 500 Гц эта вычислительная погрешность составляет уже 0,25%, а на частоте максимально допустимой гармоники 1000 Гц (20 -ая гармоника) - погрешность 1 %.
Для преобразователя НПСИ заявленная основная погрешность составляет 0.5%. Поэтому, если в сети присутствуют только первые 7-8 гармоник, то преобразователи НПСИ будет измерять действующие значения без дополнительной погрешности, При наличии более высоких гармоник необходимо учитывать учитывать дополнительную погрешность.
Вторая особенность заключается в том, что частота в сети может отличаться от 50 Гц и на периоде усреднения укладывается не целое число периодов. В результате переменная составляющая не будет полностью обнуляться и измеренные значения будут колебаться. Эти колебания могут рассматриваться как дополнительная погрешность измерения.
Российскими стандартами установлено, что нормально допустимые и предельно допустимые отклонения частоты сети не должны превышать соответственно ± 0,2 Гц и ± 0,4 Гц.
При отклонении частоты на 0,2 Гц от частоты 50 Гц возникают колебания результата измерения порядка 0,4%.
В связи с этим одно важное замечание.
Преобразователи НПСИ позволяют измерять гармоники, кратные 50 Гц, вплоть до частоты 1000 Гц, но их нельзя применять для частот не кратных 50 Гц (например, 64 Гц).
Аналогичная ситуация будет, если сигнал не является периодическим.
Борьба с погрешностью
Есть три основные причины, из-за которых возникают флуктуации измеренных действующих значений. О первых двух мы только что рассказали:
- Погрешность измерения высших гармоник
- Отклонение частоты от 50 Гц.
- Наличие шумоподобных и импульсных помех.
Все три приводят к погрешности измерения.
Для борьбы с этими явлениями в преобразователях НПСИ можно включить усреднение измеренных значений. Это простой и эффективный метод позволяет практически полностью исключить эти колебания, но его применение приводит к повышению инерционности измерения. Первичное усреднение происходит на интервале 80 мс при измерении самого действующего значения. Кроме того, в преобразователях НПСИ предусмотрена дополнительная возможность усреднения с временами усреднения от 1 с до 50 с, но дополнительное усреднение может быть и отключено.
Пользователю следует выбрать оптимальное соотношение погрешности и быстродействия.
Приборы НПСИ
Вначале уже говорили, что НПФ “КонтрАвт” выпускает целый ряд измерительных преобразователей измерения и преобразования в унифицированные сигналы тока и напряжения
Вот их перечень:
- НПСИ-ДНТВ (до 500 В), НПСИ-ДНТН (до 50 В), программируемые тип и диапазон измерения
- НПСИ-200-ДН (напряжение) и НПСИ-200-ДТ (ток) - фиксированные диапазоны
- НПСИ-МС1 - ток, напряжение, мощность, 1 фаза, программируемые
- НПCИ-500-МС1 ( 1 фаза) и НПСИ-500-МС3 (3 фаза) - ток, напряжения мощности, программируемые, RS-485
В этой линейке приборов есть преобразователи с программируемым типом и диапазоном измерения, есть с фиксированным преобразованием. Есть преобразователи, которые измеряют всю совокупность параметров в одно- и трехфазной сети (действующие значения тока и напряжения, все виды мощности, частоту сети и ряд других параметры), а также преобразуют их в токовые сигналы и передают по интерфейсу RS-485.
Во всех реализован описанный метод измерения, позволяющий измерять периодические несинусоидальные сигналы с основной частотой 50 Гц с гармониками вплоть до 20 (частота 1000 Гц), а также сигналы с постоянной составляющей (постоянные сигналы). Дополнительное усреднение измеренных значений эффективно повышает точность и стабильность измерения.
Завершение
На этом мы заканчиваем обсуждение методов измерения действующих значений напряжения и тока.