Merjenje delovne moči v izmeničnih tokokrogih

Različni elektronski inštrumenti za merjenje električne energije in ostalih parametrov električnih tokokrogov so dandanes prisotni vsepovsod. V spodnjem prispevku bomo na kratko prikazali princip delovanja teh naprav, nekatere vplive na natančnost meritev in trende na tem področju.

Simon Pervanja, Kolektor Sisteh, d. o. o., PE Idrija

Priprava merilnih signalov

Že od samega začetka široke uporabe elektromehanskih merilnikov moči in energije poznamo dva načina vezave električnih "števcev", neposredni in posredni. Neposredno se običajno merijo napetosti do 400 V in tokovi do 40 A, pri večjih vrednostih pa se uporabljajo merilni transformatorji, ki ponavadi pretvorijo napetost na nivo 100 V in tok na nivo 1 A ali 5 A.

Elektromehanski aparati so take napetostne in tokovne nivoje potrebovali za svoje delovanje, pri elektronskih merilnikih pa je v sami napravi potrebno narediti še eno pretvorbo signala, saj merilni element na vhodu ponavadi zahteva nivo do nekaj sto milivoltov. Pretvornik napetosti je običajno uporovni s fazno kompenzacijo, za tok pa se uporabljajo merilni transformatorji, npr. 5 A na 5 mA.

Vidimo, da se tok pretvarja dvakrat, zato so nekateri proizvajalci merilnikov moči v zadnjem času našli poenostavitev – že prvi tokovni transformator pretvori tok neposredno na nivo, uporaben za elektronske merilnike. Standardnih vrednosti še ni, trenutno pa se največ uporabljajo nivoji 10 do 100 mA in 333 mV. Takšna rešitev ima več prednosti, zahteva pa nekaj dodatne pazljivosti pri vgradnji:

  • Tokovni transformatorji so fizično manjši in večinoma izvedeni z deljivim jedrom, kar zelo olajša montažo in vzdrževanje.
  • Sekundarji tokovnih transformatorjev niso več nevarni, saj je na teh tokovnih nivojih zaščita proti prenapetosti s polprevodniki enostavna.
  • Povezava sekundarja tokovnega transformatorja je zaradi nizkih napetostnih in tokovnih nivojev načeloma bolj občutljiva na motnje. Ta povezava je že pri klasičnih tokovnikih ločena od energetskih povezav, pri mA ali mV tokovnih transformatorjih pa je izvedena s prepletenima vodnikoma. S tem ukrepom je vpliv motenj v veliki meri kompenziran, seveda pa mora biti vhod merilnika simetričen.

V zadnjem času so začeli ponujati rešitve z mA in mV tokovnimi transformatorji tudi proizvajalci, kot sta Eaton ali Siemens, kar pomeni, da imajo tovrstne rešitve prihodnost tudi v očeh velikih.

Tokovni transformator z deljivim jedrom

Tokovni transformator z deljivim jedrom

Izmenična moč

Meritve moči v enosmernih tokokrogih so, kot vemo, v osnovi precej enostavne – izmerimo samo napetost in tok in že lahko neposredno določimo tudi moč in energijo.

V izmeničnem tokokrogu pa je stvar malo drugačna – tu sta pomembna tako fazni zamik (kot) med napetostjo in tokom kot tudi oblika napetosti in toka. Pri sinusnih signalih lahko delovno moč določimo po znani enačbi Pd = U * I * cos , pri nesinusnih pa moramo upoštevati še višje harmonske komponente ali tako imenovani faktor oblike.

Graf trenutne moči ohmskega bremena

Graf trenutne moči ohmskega bremena

Na grafih trenutnih moči vidimo, da je pri ohmskem bremenu celotna moč pozitivna, pri kapacitivnem bremenu pa se graf moči premakne navzdol. Dejanska delovna moč (črtkana črta), ki je povprečje trenutne moči, se s tem zmanjša.

Graf trenutne moči kapacitivnega bremena

Graf trenutne moči kapacitivnega bremena

Naši porabniki pa so velikokrat nelinearni (spodnji graf) in v tem primeru je takšna tudi krivulja moči. Na tej sliki se lepo vidi odvisnost moči (črtkana črta) od oblike toka.

Graf trenutne moči nelinearnega bremena

Graf trenutne moči nelinearnega bremena

Merjenje moči in energije z namenskim integriranim vezjem

Naprave za merjenje energije so danes tako razširjene, da so za ta namen razvili namenska integrirana vezja. Obstajajo izvedbe za enofazno in trifazno meritev, sam princip delovanja in uporaba obeh pa sta enaka.

Spodnja slika prikazuje poenostavljeno tipično shemo merilnika. Zgoraj imamo pripravo tokovnega in napetostnega merilnega signala, potem čip, ki opravi praktično vse "delo", in na koncu prikazovalnik in/ali mikroprocesor; oba služita le za povezavo z zunanjim svetom.

Vemo, da se v digitalnih multimetrih pri meritvi napetosti in toka uporablja metoda RMS (koren povprečja kvadratov, ang. root mean square) in tudi tu ni nič drugače. Interval vzorčenja mora biti 500 μs ali manj, da dobimo tako imenovano pravo RMSvrednost (ang. True RMS).

Shema digitalnega merilnika

Shema digitalnega merilnika

Ob vzorčenju toka in napetosti se ti dve vrednosti sproti zmnožita in dobimo trenutno moč. To je lepo vidno na grafih, predznak trenutne moči je vedno odvisen od predznakov trenutne napetosti in toka. Dejanska delovna moč je potem povprečje trenutne moči v določenem času.

Iz tako dobljenih vrednosti se sproti izračunavata še ostala dva pomembna parametra – faktor moči in delovna energija.

Kaj pa se zgodi, če merilni tokovni transformator obrnemo narobe? Zamenja se smer toka in delovna moč postane negativna (spodnji graf). Vidimo, da nam smer tokovnega transformatorja dejansko kaže predznak delovne moči in s tem smer pretoka energije.

Ohmsko breme, negativna smer energije

Ohmsko breme, negativna smer energije

Večkanalni merilniki

Natančno spremljanje stroškov energije po porabnikih je običajna zahteva skoraj vsakega investitorja. Pri realizaciji te zahteve pride v nekaterih primerih do velikega števila meritev moči in energije v vsakem razdelilnem bloku, kar pri izvedbi s klasičnimi števci ali merilniki moči zahteva precej prostora in dela z vezavo in montažo.

V takem primeru je smotrno uporabiti večkanalni merilnik, na katerega napetost priklopimo samo enkrat, tokovni vhodi pa omogočajo nekaj deset trifaznih meritev. Tudi povezava take naprave na sistem za upravljanje z energijo ali v podatkovno bazo je precej bolj enostavna, saj imamo meritve zbrane na enem mestu.

Shema večkanalnega merilnika.

Shema večkanalnega merilnika.

Točnostni razredi in standardi

Pri vseh meritvah nas mora zanimati, kakšna je razlika med izmerjeno in dejansko vrednostjo. Osnovno informacijo dobimo že iz točnostnega razreda merilnika, bolj podrobno pa so dovoljeni pogreški opisani v standardih. Na tem področju so zanimivi predvsem naslednji standardi:

SIST EN 62053-21 in 22 Statični števci delovne energije razredov 0.2, 0.5S, 1 in 2
SIST EN 61557-12 Naprave za merjenje in nadzorovanje lastnosti/parametrov električnih omrežij
SIST EN 60044-1 Tokovni transformatorji

Poznavanje dejanskih zahtev standardov je v nekaterih primerih pomembno pri oceni natančnosti meritve. Zanimiv primer je premik faze v tokovnem transformatorju; ta je predpisan s standardom SIST EN 60044-1 po naslednji tabeli:

V desnem stolpcu te tabele vidimo, da imamo lahko zaradi premika faze v tokovniku precejšnje pogreške pri meritvi delovne moči in energije.

Naj navedem še nekaj drugih izvorov pogreškov pri meritvah:

  • Merilni čipi in merilno vezje so običajno točni pod 0,1 % v dinamičnem razponu 1 : 1000 in tako pri meritvah v razredih 0,5 do 2 niso velik izvor napake
  • Napačna nastavitev merilnika, npr. prestave tokovnika
  • Poškodovani ali delno odprti tokovniki z deljivim jedrom
  • Prekinjeni sekundarni tokokrogi merilnih transformatorjev

Zaradi vsega navedenega je pomembna periodična kontrola meritev s kalibriranim inštrumentom; le tako lahko dolgoročno zagotovimo pravilne meritve in upravičimo investicijo v merilni sistem.

Nazaj