PL237606B1 - Sposób pomiaru prądu rozruchu urządzeń elektrycznych zasilanych w warunkach zmiennej częstotliwości napięcia zasilającego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru prądu rozruchu urządzeń elektrycznych z wykorzystaniem analizatora jakości energii, w szczególności w warunkach zmiennej częstotliwości napięcia zasilającego, jak w przypadku zasilania silników elektrycznych z przemienników częstotliwości (falowników).

Stan techniki

Dotychczas znane urządzenia pomiarowe dają poprawne odczyty wartości skutecznych okresowych lub półokresowych prądu jedynie w warunkach stałej częstotliwości, tj. 50 lub 60 Hz. Często jednak od takich urządzeń wymagany jest również pomiar napięcia zasilającego urządzenie a nie samego prądu. Stosowane algorytmy bazują na przyjęciu stałej liczby próbek sygnału przypadających na 1 okres (lub 1 półokres). Jest ona równa stosunkowi częstotliwości próbkowania i częstotliwości nominalnej (50 lub 60 Hz). Następnie wyliczane są wartości skuteczne okresowe lub półokresowe, jednak ze względu na fakt, że przyjęta stała liczba próbek nie odpowiada rzeczywistej długości okresu (lub półokresu) mierzonego przebiegu, może dojść do sytuacji błędnego wyznaczenia wartości skutecznych.

W przypadku badania prądów rozruchowych urządzeń zasilanych z przemienników częstotliwości, gdy częstotliwość prądu zasilającego zmienia się dynamicznie, obecnie dostępne przyrządy pomiarowe dają wyniki mocno odbiegające od rzeczywistych wartości skutecznych prądów półokresowych i okresowych. Wyniki te oscylują wokół wartości rzeczywistej z błędem zależnym od różnicy częstotliwości rzeczywistej a częstotliwości nominalnej przyrządu pomiarowego (50 lub 60 Hz). Przy częstotliwości zasilającej w zakresie od 40 do 80 Hz błędy pomiarowe osiągają wartość ±15%. Błędy te uniemożliwiają precyzyjne dobranie zabezpieczeń nadprądowych, a jest to główna przyczyna wykonywania pomiarów prądów rozruchowych.

Metody obliczające wartości skuteczne okresowe lub półokresowe bazujące na wyszukiwaniu przejść sygnału przez zero są zawodne, gdyż w obecności harmonicznych, gdy przebieg prądu jest odkształcony, sygnał może przechodzić przez zero wielokrotnie w czasie jednego okresu, lub też miejsca przejść są znacząco przesunięte w stosunku do przejścia przez zero składowej podstawowej, co automatycznie spowoduje błędy w liczeniu wartości skutecznych.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US20140052397A1 znane jest urządzenie do pomiaru prądu rozruchu posiadające sondę pomiarową, przetwornik analogowo-cyfrowy połączony z sondą pomiarową, filtr cyfrowy połączony z przetwornikiem, mikrokontroler elektrycznie połączony z filtrem oraz wyświetlacz.

Z innego amerykańskiego dokumentu US6628113B2 znany jest sposób oraz urządzenie do pomiaru prądu rozruchu. Metoda zawiera etapy uzyskiwania sygnału wejściowego z sondy pomiarowej, przetwarzanie sygnału wejściowego w cyfrowe próbki reprezentujące chwilowe wartości prądu, porównywanie wartości próbek cyfrowych z ustalonymi wartościami prądu rozruchu, a kiedy te ustalone wartości zostaną przekroczone, uzyskanie serii kolejnych próbek cyfrowych dla określonego okresu, który obejmuje co najmniej część czasu trwania prądu rozruchu, przetwarzanie uzyskanych serii próbek cyfrowych oraz wyświetlanie na wyświetlaczu wartości numerycznych prądu rozruchu. Urządzenie realizujące wyżej opisaną metodę posiada sondę pomiarową, przetwornik analogowo-cyfrowy, środki pozwalające na określenie kiedy wartość sygnału wejściowego przekroczy założony próg, procesor połączony z przetwornikiem analogowo-cyfrowym w celu przetwarzania próbek cyfrowych oraz wyświetlacz.

Istota wynalazku

Celem wynalazku jest dostarczenie rozwiązania, które zapewni skuteczny pomiar prądu rozruchu w sposób adaptacyjny w warunkach zmiennej częstotliwości napięcia zasilającego.

Sposób pomiaru prądu rozruchu urządzeń elektrycznych w warunkach zmiennej częstotliwości napięcia zasilającego, według wynalazku, polegający na pomiarze prądu przy użyciu analizatora jakości energii zaopatrzonego w cęgi pomiarowe oraz przetworzeniu uzyskanego sygnału wejściowego na wartości cyfrowe, obejmuje kolejno następujące po sobie kroki:

(2C) próbkuje się mierzony prąd ze stałą częstotliwością próbkowania w przetworniku analogowocyfrowym;

(2D) przesyła się otrzymany sygnał na cyfrowy filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR) wysokiego rzędu i usuwa się z widma przebiegu mierzonego prądu wyższe harmoniczne oraz pozostawia się składową podstawową prądu;

PL 237 606 B1 (2E) wyznacza się miejsca przejść przez zero przebiegu prądu dla odfiltrowanych próbek;

(2F) wyznacza się wartości skuteczne okresowe lub półokresowe dla sygnałów sinusoidalnych lub odkształconych, korzystnie przy częstotliwościach w zakresie od 30 Hz do 100 Hz;

Wyznacza się miejsca przejść przez zero metodą interpolacji liniowej.

Wyniki pomiarów prezentuje się w czasie rzeczywistym na interfejsie graficznym (2G) i jednocześnie zapisuje się w pamięci nieulotnej (2H) analizatora jakości energii.

Korzystne skutki wynalazku

Wynalazek zapewnia poprawne wyniki pomiaru wartości skutecznych prądów okresowych i półokresowych w warunkach zmiennej częstotliwości napięcia (prądu) zasilającego w zakresie od ok. 30 Hz do ok. 100 Hz, również dla przebiegów odkształconych, np. gdy współczynnik zniekształceń harmonicznych THD jest większy niż 50%. Błąd pomiaru poszczególnych wartości skutecznych jest mniejszy niż ±2%.

Dodatkową zaletą rozwiązania jest brak konieczności podłączenia do urządzenia pomiarowego napięcia zasilającego badanego urządzenia, co ułatwia zestawienie układu pomiarowego i zmniejsza czasochłonność pomiaru.

Pomiar wykonywany jest w czasie rzeczywistym. Sposób pomiaru nie opiera się na przetwarzaniu zarejestrowanych wartości prądów metodą post-processingu, co pozwala na obróbkę danych i przedstawienie wyników pomiaru na bieżąco, nawet w przypadku długich czasów rejestracji.

Objaśnienie rysunku

Wynalazek zostanie poniżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania, z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 - przedstawia schemat podpięcia urządzenia pomiarowego do silnika zasilanego prądem trójfazowym.

Fig. 2 - przedstawia schemat ukazujący czynności składające się na sposób pomiaru prądu rozruchu według wynalazku.

Szczegółowy opis korzystnego przykładu realizacji wynalazku

Na fig. 1 pokazano schemat podpięcia analizatora jakości energii 1D do silnika 1C zasilanego prądem trójfazowym L1, L2, L3. Prądy przepływające ze źródła zasilania 1A do obciążenia 1C są mierzone za pomocą cęgów prądowych 1B podłączonych do urządzenia pomiarowego do pomiaru prądu rozruchu, którym jest analizator jakości energii 1D. Na fig. 2 w sposób schematyczny przedstawiono kolejno następujące po sobie czynności składające się na sposób pomiaru prądu rozruchu. W pierwszym kroku przebiegi prądów (2A) są kondycjonowane w torze analogowym (2B) i próbkowane ze stałą częstotliwością próbkowania w przetworniku analogowo-cyfrowym (2C). Następnie po usunięciu składowej stałej (jeśli taka składowa jest obecna) sygnał jest podawany na cyfrowy filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR) wysokiego rzędu (2D). Filtr ten ma za zadanie usunąć z widma przebiegu mierzonego prądu wszelkie wyższe harmoniczne i pozostawić jedynie składową podstawową prądu. Zastosowany filtr dla częstotliwości powyżej 200 Hz zapewnia tłumienie rzędu kilkudziesięciu dB. Filtr taki ma znaczną złożoność obliczeniową w porównaniu z filtrami o nieskończonej odpowiedzi impulsowej, jednakże zastosowanie filtru o nieskończonej odpowiedzi impulsowej nie jest możliwe, ze względu na zmienne opóźnienie grupowe filtru w paśmie przejściowym, co skutkowałoby dużymi błędami przy wyznaczaniu miejsc przejść przez zero odfiltrowanego przebiegu w warunkach zmiennej częstotliwości prądu zasilającego. Filtr FIR ma określone stałe opóźnienie grupowe równe połowie jego rzędu, co powoduje, że nie zachodzi odkształcenie fazy sygnału mierzonego i miejsca przejść przez zero składowej podstawowej mogą być określone bez błędów.

W efekcie działania filtracji sygnał mierzony zostaje oczyszczony z wyższych harmonicznych pozostaje jedynie sygnał bliski sinusoidalnemu o częstotliwości podstawowej napięcia (prądu) zasilającego.

W kolejnym etapie odfiltrowane próbki zostają podane na blok wyznaczania miejsc przejść przez zero przebiegu (2E). Badana jest zmiana znaku sąsiadujących próbek. Ponieważ sygnał zawiera w zasadzie jedynie składową podstawową, a wyższe harmoniczne zostały mocno wytłumione, wyznaczanie tych miejsc ma bardzo duże prawdopodobieństwo poprawności. Dodatkowo, metodą interpolacji liniowej, wyznaczane się dokładne miejsca przejścia przez zero i na podstawie tej informacji próbki skrajne są uwzględniane w całkowitej wartości skutecznej z odpowiednią wagą. Tym samym błąd pomiarowy jest dodatkowo zmniejszony.

PL 237 606 B1

Na podstawie informacji o miejscach przejść przez zero są następnie obliczane wartości skuteczne okresowe lub półokresowe (2F) sygnału spróbkowanego (2C) z uwzględnieniem opóźnienia grupowego filtru cyfrowego (2D).

Rezultatem działania sposobu jest precyzyjne wyznaczanie wartości skutecznych okresowych lub półokresowych (2F) dla sygnałów sinusoidalnych lub odkształconych, przy częstotliwościach w zakresie od ok. 30 Hz do 100 Hz.

Wyniki pomiarów są prezentowane w czasie rzeczywistym przez interfejs graficzny (2G) analizatora jakości energii i jednocześnie zapisywane w pamięci nieulotnej do późniejszego wykorzystania (2H). Urządzenie pomiarowe realizujące metodę według wynalazku stanowi analizator jakości energii, który posiada przewody pomiarowe z cęgami prądowymi zaciskanymi wokół przewodnika prądu, przetwornik analogowo-cyfrowy, cyfrowy filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR), mikroprocesor do przetwarzania danych cyfrowych, pamięć oraz wyświetlacz.

Claims (4)

1. Sposób pomiaru prądu rozruchu urządzeń elektrycznych zasilanych w warunkach zmiennej częstotliwości napięcia zasilającego, polegający na pomiarze prądu przy użyciu analizatora jakości energii zaopatrzonego w cęgi pomiarowe oraz przetworzeniu uzyskanego sygnału wejściowego na wartości cyfrowe, znamienny tym, że obejmuje kolejno następujące po sobie kroki:

(2C) próbkuje się prąd ze stałą częstotliwością próbkowania w przetworniku analogowo-cyfrowym;

(2D) przesyła się otrzymany sygnał na cyfrowy filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR) wysokiego rzędu oraz usuwa się z widma przebiegu mierzonego prądu wyższe harmoniczne i pozostawia się składową podstawową prądu;

(2E) wyznacza się miejsca przejść przez zero przebiegu prądu dla odfiltrowanych próbek;

(2F) wyznacza się wartości skuteczne okresowe lub półokresowe dla sygnałów sinusoidalnych lub odkształconych.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartości skuteczne wyznacza się przy częstotliwościach w zakresie od 30 Hz do 100 Hz.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznacza się miejsca przejść przez zero metodą interpolacji liniowej na podstawie sygnału odfiltrowanego.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyniki pomiarów prezentuje się w czasie rzeczywistym za pomocą interfejsu graficznego (2G) i jednocześnie zapisuje się w pamięci nieulotnej (2H) analizatora jakości energii.