Miten testata virransyöttölaitteiden virheellisyys: digitaalinen ja kvasi-balanseerausmenetelmä
Virransyöttölaitteiden, kuten virransyöttömuuntajien (CT) ja jännitemuuntajien (VT), tarkastelu ja virheiden mittaaminen on keskeinen osa sähköjärjestelmien luotettavaa toimintaa ja turvallisuutta. Nämä laitteet ovat välttämättömiä virran ja jännitteen mittaamiseksi ja suojausjärjestelmien toiminnan varmistamiseksi. Virheiden tarkka määrittäminen on tärkeää, sillä muuntajien toimintahäiriöt voivat johtaa merkittäviin mittaustulosten virheisiin ja siten väärään järjestelmän tilan arviointiin.
Virransyöttölaitteiden virheiden mittaaminen voidaan suorittaa useilla eri menetelmillä, jotka mahdollistavat tarkkojen ja luotettavien tulosten saamiseksi. Yksi tällainen menetelmä on digitaalinen vaiheherkkyys (PSD, Phase Sensitive Detection) -tekniikka, jossa käytetään digitaalisia näytteitä ja erittäin tarkkoja analogi-digitaali-muuntimia (ADC). Toisena lähestymistapana on kvasi-balanseerausmenetelmä, jossa vertaillaan testattavan virransyöttölaitteen virheitä standardiin.
Virransyöttömuuntajien virheiden mittaamiseen käytetään usein digitaalisia mittareita, kuten digitaalisia jännitemittareita (DVM). Näiden mittareiden avulla voidaan mitata virransyöttömuuntajien jännitteet ja virrat, jotka puolestaan lasketaan virheiden määrittämiseksi. Tällöin tärkeimmät mittaustulokset saadaan seuraavilla kaavoilla:
Vop: Vop=2πA1RDSIdcosθ
Voq: Voq=2πA2RDSIdsinθ
Vos: Vos=2πRBSI2S
Näiden lähtöarvojen perusteella saadaan mittaustulokset seuraavasti:
ReadingDVM1: ReadingDVM1=10000×RBSI2SA1RDSIdcosθ
ReadingDVM2: ReadingDVM2=10000×RBSI2SA2RDSIdsinθ
ReadingDVM3: ReadingDVM3=10000×πRBSI2S
Digitaalisen testauksen avulla voidaan laskea suoran ja vaiheen virhe, jotka määritellään seuraavasti:
Suhteellinen virhe: RDSN∑(EdjESj)
Vaihevirhe: RBSN∑EdjESj
Digitaalisen menetelmän etuna on sen kyky suorittaa erittäin tarkkoja mittauksia käyttämällä korkearesoluutioisia (24-bittisiä) samanaikaisia näytteenottolaitteita, jotka tarjoavat täsmällisempiä tuloksia verrattuna perinteisiin analogisiin mittausmenetelmiin. Tämä takaa virransyöttölaitteen tarkemman arvioinnin ja varmistaa mittaustulosten luotettavuuden.
Toinen tärkeä menetelmä on kvasi-balanseerausmenetelmä, jossa testattavan virransyöttömuuntajan virheitä verrataan standardin virransyöttömuuntajaan. Tässä menetelmässä käytetään niin sanottua "virtasähköön" perustuvaa lähestymistapaa, jossa virheiden määrittäminen tapahtuu vertaamalla testattavan muuntajan tuloksia standardin muuntajan tuloksiin. Tämä mittaus suoritetaan tarkistamalla kaksi erillistä balansoimista, joissa toinen perustuu jännite- ja virhekohteen yhdistämiseen ja toinen virtalähteen tarkkuuden määrittämiseen.
Kaavoina kvasi-balanseerausmenetelmässä saadaan seuraavat yhtälöt:
Suhteellinen virhe: I2SIdcosθ×100=m1
Vaihevirhe: tan−1(I2SIdsinθ)=m1(m2−m1)
Tässä metodissa saadaan virheiden mittaaminen suoritetuksi ilman monimutkaisia digitaalisten mittareiden ja laitteistojen käyttöä, mutta kuitenkin saadaan luotettavat ja tarkat tulokset. Kvasi-balanseerausmenetelmän etuna on sen helppous ja tehokkuus verrattuna digitaalisiin menetelmiin.
Virransyöttölaitteiden tarkkuuden ja virheiden mittaamisen tärkeyttä ei voi liikaa korostaa. Virransyöttömuuntajat, erityisesti sähköverkostoissa, ovat keskeisessä roolissa ja niiden virheet voivat vaikuttaa koko järjestelmän turvallisuuteen ja toimintaan. Virheiden tunnistaminen ja korjaaminen varmistaa järjestelmän oikean toiminnan ja estää mahdollisia suuria ongelmia. Tämän vuoksi on tärkeää, että alan ammattilaiset ymmärtävät käytettävät mittausmenetelmät ja niiden soveltamisen eri tilanteissa.
Miten kaksivaiheinen ADC vaikuttaa mitattaviin signaaleihin ja kuinka se voi poistaa häiriöitä?
Kaksivaiheinen ADC (analoginen-digitaali-muunnin) on erittäin herkkä mittauslaite, joka käyttää kahta integrointivaihetta signaalin mittaamiseen ja jäsentämiseen digitaaliseksi arvoksi. Tällöin on tärkeää, että valitaan oikea aika T1, jotta häiriöiden integrointi ajanjaksolla T1 jää nollaksi. Tämä on erityisen tärkeää, kun mitataan pieniä jännitteitä, kuten millivolttiluokassa olevia signaaleja, joissa virtaviivaisten mittausten tarkkuus voi heikentyä häiriöiden vuoksi, kuten sähköverkon aiheuttamien häiriöiden takia. Sähköverkon taajuus, joka on yleisesti 50 Hz tai 60 Hz eri maissa, voi vaikuttaa merkittävästi mittaustuloksiin, jos sitä ei oteta huomioon.
Valitsemalla T1 aikaväliksi, joka on kokonaisluku kertoa sähkönsyöttöjakson pituudella, voidaan täysin poistaa verkon aiheuttama häiriö. Esimerkiksi useimmat kaksivaiheiset ADC:t käyttävät 100 ms ensimmäistä integrointiaikaa, jolloin voidaan poistaa sekä 50 Hz että 60 Hz häiriöt. Tässä tapauksessa T2:n arvo vaihtelee 0:sta (Vin = 0) aina 2T1:een (200 ms), kun Vin saavuttaa täyden mittaustason (200 mV, jos ADC:llä on täysi mittaustaso 200 mV). Tällöin muunnosaika jatkuvassa tilassa vaihtelee 100 ms (Vin = 0) ja 300 ms (Vin = 199,9 mV) välillä. Tämän vuoksi kaksivaiheisen ADC:n mittaamisnopeus on suhteellisen hidas, vain muutama mittaus sekunnissa.
Kuitenkin, jos T1 valitaan lyhyemmäksi ajaksi, kuten millisekunteihin, saadaan mittaustuloksia nopeammin, mutta samalla kaksivaiheisen ADC:n kyky vaimentaa häiriöitä ja melua heikkenee. Tämä on tärkeä trade-off, koska nopeampien mittausten hinta on yleensä signaalin tarkkuuden ja häiriösuojausten heikkeneminen. On myös huomattavaa, että vaikka oletimme aiemmissa keskusteluissa, että ADC:n laskuri on BCD-laskuri, tämä ei ole pakollista, ja voimme käyttää myös binääristä laskuria. Tällöin kaikki selitykset ja laskelmat, kuten yhtälöt (9.13) – (9.24), ovat edelleen voimassa, mutta ne käyttävät binäärilukuja.
Kaksivaiheinen ADC on laajasti käytössä, erityisesti integroiduissa piireissä, joita on valmistettu 1970-luvun lopulta lähtien. Näistä tunnetuimpia ovat ICL 7106 ja ICL 7107, jotka toteuttavat 3½ numeron kaksivaiheisen ADC:n, ja ICL 7109, joka tarjoaa merkin ja 12-bittisen binäärilähtöisen kaksivaiheisen ADC:n. ICL 7135 puolestaan on 4½ numeron kaksivaiheinen ADC.
Digitaalinen lähtö kaksivaiheisesta ADC:stä kertoo suoraan jännitteen, joka on mitattu, ja näin ollen se toimii usein digitaalisen jännitemittarin (DVM) roolissa. Yksi suosituimmista DVM:istä on 3½ numeron DVM, jonka täysi mittaustaso on 200 mV, eli mittari voi mitata alueen 000.0–199.9 mV. ICL 7106 ja ICL 7107 ovat suosittuja integroituja piirejä, jotka toteuttavat tämän 3½ numeron DVM:n. ICL 7106 tukee LCD-näyttöä, kun taas ICL 7107 voi ohjata 7-segmenttisiä LED-näyttöjä. Näissä mittareissa mittaustulos saadaan 100 ms:ssä, ja jännite on pidettävä vakaana 100 ms ajan mittauksen aikana.
Kaksivaiheisen ADC:n muunnosaika, joka on 300 ms täysjännitteelle, johtaa käytännössä siihen, että mittaustuloksia saadaan vain noin kolme kertaa sekunnissa. Tämän vuoksi peruskaksivaiheinen ADC (erityisesti 3½ numeron DVM) on käytännössä DC-jännitemittari. Jotta signaali suodatetaan ja estetään mahdolliset häiriöt, sisääntulo liitetään ensimmäisen asteen RC-matalanpassifiltteriin, kuten esitetään ICL 7107:n kaaviossa.
Kaksivaiheinen ADC voidaan myös laajentaa mittaamaan eri alueita, kuten suurempia DC-jännitteitä, käyttämällä yksinkertaista jännitejakajaa. Tällöin voidaan luoda usean alueen DVM. Esimerkiksi, alkuperäisen 200 mV mittarin lisäksi voidaan lisätä jakajia, kuten 2V, 20V ja 200V, jolloin laite voi mitata laajemman jännitealueen. Tämä on mahdollista, koska DVM:llä on hyvin korkea syöttövastus, yleensä megohm-asteikolla. Tämä tarkoittaa, että mittalaitteen virrankulutus on hyvin pieni ja sen syöttövastus on suuri, jolloin mittauksia voidaan suorittaa ilman merkittävää häiriötä.
Kaksivaiheisella ADC:llä voidaan myös mitata tasajännitteisiä (DC) virtoja yksinkertaisesti muuntamalla mitattava virta jännitteeksi, kuten liittämällä vakiovastus Rs DVM:n liittimiin. Esimerkiksi, jos Rs on 1 Ω ja mitattava virta on 1 mA, kehittyvä jännite Rs:llä on 1 mV, ja DVM lukee 1.0. Samoin 100 mA virta tuottaa 100 mV jännitteen Rs:llä, jolloin DVM lukee 100.0. Tällä tavalla DVM voidaan helposti muuntaa eri virran mittausalueille, mikä tekee siitä joustavan työkalun virtamittauksille.
AC-jännitteiden mittaus DVM:llä on kuitenkin hieman monimutkaisempaa, koska perus-DVM mittaa vain DC-jännitteitä. AC-jännitteiden mittaamiseen voidaan käyttää tasasuuntaajaa, joka muuntaa AC-jännitteen DC-jännitteeksi ennen mittausta. Jos halutaan mitata pienempiä AC-jännitteitä, kuten 200 mV, voidaan käyttää tarkkaa tasasuuntaajaa, kuten tarkkuustasasuuntaajaa, joka on suunniteltu pienille jännitteille ja jossa viritysraja (cut-in voltage) on pienempi kuin tavallisessa dioditasasuuntaajassa. Tämä mahdollistaa tarkan mittauksen jopa pienistä AC-jännitteistä.
Kaksivaiheisen ADC:n etu on sen kyky suodattaa pois verkon aiheuttamia häiriöitä ja melua, mikä tekee siitä erinomaisen työkalun tarkkoihin mittauksiin erityisesti matalilla taajuuksilla ja pienillä jännitteillä. Kuitenkin, koska mittausaika on pidempi, se rajoittaa sen käyttöä nopeissa mittauksissa. Näin ollen kaksivaiheisen ADC:n valinta mittaustarkoituksiin riippuu käytettävistä signaaleista ja vaaditusta mittaustarkkuudesta.
Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский