Analizoare de calitate a energiei electrice pentru sisteme monofazate

Controlul calitatii energiei electrice a impus realizarea unor aparate de masura cu microprocesor, numite analizoare de calitate a energiei (de putere sau energie). Acestea permit masurarea tensiunii, curentului (valoare efectiva, medie, de varf), defazajului, factorului de putere, puterii si energiei (activa, reactiva, aparenta) in retelele de forta (50 Hz) pe intervale scurte sau mai lungi de timp. Multe dintre aceste echipamente sunt capabile de a realiza si analiza armonica (tensiune, curent, putere), calculul distorsiunilor si analiza regimurilor tranzitorii. Analizoarele de putere se construiesc in doua variante: pentru masurari in sisteme monofazate si pentru masurari in sisteme trifazate.

Marimile masurate cu ajutorul analizoarelor de calitate a energiei au ca punct de plecare valorile instantanee ale tensiunii si curentului din reteaua de alimentare: , , unde si reprezinta valorile efective ale acestora, t este variabila timp, φ este defazajul dintre curent si tensiune, iar reprezinta pulsatia (este frecventa, iar T reprezinta perioada).

Fig.1. Schema de principiu a unui analizor de calitate a energiei

Schema de principiu a unui analizor de calitate a energiei este prezentata in figura de mai sus, unde:

CCT, DT -convertor curent-tensiune si divizor de tensiune;

AI, AU -amplificatoare de izolare pentru separare galvanica;

E/M -circuite de esantionare si memorare;

CAN -convertor A/N cu aproximatii succesive;

MUX -logica de multiplexare a canalelor de curent (I_x) si de tensiune (U_x);

mP -microprocesor rapid sau procesor de semnal;

Blocul de intrare pentru tensiune contine un divizor rezistiv de tensiune (DT) cu doua trepte (300 V si 600 V), urmat de un amplificator de izolare la iesirea caruia se obtine o tensiune (U₁) proportionala cu U_x .

Blocul de intrare pentru curent (I_x) cuprinde un traductor de curent, de tip sunt sau de tip cleste ampermetric (CCT), precum si un amplificator de izolare la iesirea caruia se obtine o tensiune (U₂) proportionala cu I_{x .} Tensiunile U₁ si U₂ au, de regula, valoarea de 1V la capat de scara (cs).

Asa cum este prezentat in figura 2, esantionarea unui semnal analogic consta in prelevarea valorilor semnalului la momente de timp echidistante, (perioada de esantionare). Esantionarea se realizeaza inmultind semnalul u(t) cu un tren de impulsuri (t), rezultand un semnal discret u_s(t) ce urmeaza a fi cuantizat (cu ajutorul unui convertor analog-numeric) si reprezentat numeric.

Teorema esantionarii afirma ca frecventa de esantionare trebuie sa fie de cel putin doua ori mai mare decat cea mai ridicata frecventa din spectrul semnalului achizitionat. De exemplu, pentru un semnal cu frecventa de 50 Hz, pentru care se urmaresc armonicile pana la cea de rang 25, rezulta o frecventa teoretica minima de esantionare de 3,5 kHz. Practic, aceasta valoare este mai mare. Astfel, o frecventa de esantionare de 4 ÷ 8 kHz poate fi considerata acceptabila.

Fig.2. Esantionarea semnalelor si definirea timpilor de mediere si integrare

Circuitele de esantionare si memorare (E/M) furnizeaza la iesire valori stabile (u_k) pe durata conversiei analog-numerice (fig.2.f), valori ce sunt cuantizate de catre convertoare. Deoarece acest proces este caracterizat de erori de cuantizare inerente ( u(t) = u_k - u(t), in care u(t) reprezinta semnalul de intrare, care la momentul t = kt, produce la iesirea convertorului, esantionul u_k), se urmareste reducerea acestora la valori admisibile (sub 0,2 ÷ 0,5 %). Pentru aceasta, numarul de esantioane (n) pe baza carora se calculeaza valorile efective ale marimilor U_x si I_x, nu se limiteaza la o singura perioada (T), ci se extinde la un interval T_M, numit timp de mediere (fig.2.d), mult mai mare. Tipic, T_M = 1 s.

Pentru masurari pe durate mai mari, se pot grupa valorile mediate intr-un interval de integrare, T_integrare, de ordinul minutelor (fig.2.e). Rezultatul reprezinta o medie pe termen lung, termen ce poate fi stabilit de utilizator. Uzual, la frecventa de 50 Hz (T = 20 ms) se lucreaza cu 100 esantioane/perioada, adica n = 5000 esantioane/sec. Medierea pe un numar asa mare de esantioane reduce atat eroarea de cuantizare, cat si erorile provocate de alte surse de zgomot de banda larga cu medie statistica nula.

Convertoarele analog-numerice sunt cu aproximatii succesive, cu rezolutie buna (mai mare de 10 biti).

Microprocesorul poate fi atat de uz general, cat si specializat (procesor de semnal), cu conditia de a dispune de suficienta flexibilitate si putere de calcul pentru a putea realiza atat comanda partii de masura, cat si efectuarea calculelor de determinare a valorilor efective ale marimilor U_x si I_x, puterilor activa (P_x), reactiva (Q_x) si aparenta (S_x), factorului de putere (cos ) etc.

Afisajul este cu cristale lichide, utilizand scari virtuale, iar tastatura este multifunctionala si asigura introducerea comenzilor operative si a parametrilor lor.

Mod de functionare

Selectarea marimii de masurat se realizeaza de catre operator, de la tastatura aparatului. Valorile masurate ale marimilor de intrare sunt obtinute prin calcule efectuate cu ajutorul microprocesorului:

Valorile efective ale U_x si I_x:

[V], [A], unde b₁ si b₂ sunt factori de scara.

Puterea activa (P) se determina cu relatia:

[W], in care b reprezinta factorul de scara.

Puterea aparenta (S) este calculata cu relatia: [VA].

Factorul de putere: , unde este defazajul dintre U_x si I_x.

Puterea reactiva (Q), a carei definitie este , va fi calculata cu relatia:

[VAR], dedusa din figura de mai jos.

Fig.3. Relatia de faza dintre U_x si I_x si relatia dintre marimile P, Q si S

Analizorul permite si masurarea frecventei tensiunii U_x, fie cu ajutorul unui modul de tip frecventmetru, fie cu ajutorul unui convertor frecventa-tensiune. De asemenea, frecventa poate fi determinata plecand de la analiza esantioanelor semnalului de intrare, in conditiile cunoasterii ratei de achizitie a acestora.

Factorii de distorsiuni ai tensiunii si curentului se determina cu relatiile:

(%), unde U₂, U₃, si I₂, I₃,    reprezinta armonicile tensiunii U_x, respectiv ale curentului I_x. U₁ si I₁ reprezinta fundamentala tensiunii, respectiv a curentului.

Analiza armonica consta in determinarea separata a parametrilor fiecarei armonici: amplitudine, frecventa, faza. O metoda moderna de realizare a analizei armonice are la baza utilizarea transformatei Fourier discrete sau rapide.

Unele analizoare permit si masurarea energiilor activa (W) si reactiva (W_r).

Pot fi evidentiate diverse tipuri de evenimente: goluri de tensiune, cresteri de tensiune, fenomene tranzitorii etc.

In mod curent, analizoarele de calitate a energie sunt realizate in varianta portabila si dispun de o interfata pentru calculator sau imprimanta, uzual RS-232. Un astfel de instrument este prezentat in cele ce urmeaza.