Pretvornici u energetici

Pretvornici električnih veličina, brojila

• Predmet se bavi pretvornicima električnih veličina i brojilima.
• Studenti trebaju opisati osnovna svojstva pretvornika električnih veličina.
• Opisati i analizirati rad pretvornika električnih veličina.
• Opisati i analizirati rad elektroničkih brojila električne energije.
• Opisati i analizirati metode za umjeravanje brojila.

Daljinska mjerenja

• Praćenje i upravljanje tehničkih procesa.
• Veći broj mjernih mjesta, često udaljenih.
• Mnoštvo podataka u kratkom vremenskom periodu.
• Mjerenje električnih i neelektričnih veličina.
• Prijenos podataka: analogno (istosmjerna struja ili napon ili izmjenični signali - pretvorba u frekvenciju), digitalno (HART, Profibus, CAN, Fieldbus).

Analogni prijenos podataka

• Naponski signali (od 1 V do 10 V): Pad napona u spojnim vodovima dovodi do pogrešaka, utjecaj smetnji i razlika potencijala na mjereni signal.
• Strujni signali (od 1 mA, 5 mA ili 20 mA): Manji utjecaj smetnji na mjereni signal, manji utjecaj otpora vodova (vodovi malog presjeka), realni strujni izvor, ograničen maksimalni izlazni napon.

Pretvornici električnih veličina

• Daljinsko upravljanje procesima u velikim postrojenjima.
• Pretvaranje U, I, P, f, u istosmjernu struju.
• Mjerenje izlazne veličine istim instrumentima.
• Normirane izlazne veličine: 0-1 mA, 0-5 mA; 0-20mA.
• Normirane ulazne veličine: 100 V, 100/√3 V, 230 V, 380 V, 1 A, 5 A.

Karakteristike pretvornika

• Prijenosne: linearne s "živom nulom" (4 mA) – radi detekcije neispravnog pretvornika.
• Izlazne karakteristike: potisnutim početkom, simetrične, asimetrične.

Pretvornici za napon i struju

• Odziv na srednju vrijednost (diodni ispravljač).
• Pretvornik pokazuje efektivnu (efektivnu) vrijednost pretpostavljenog sinusoidalnog valnog oblika.
• Pogreške ovise o faktoru oblika.
• Odziv na efektivnu vrijednost (prema definiciji efektivne vrijednosti).
• Ne ovisi o faktoru oblika

Pretvornici snage

• Potrebno množenje napona i struje, impulsno množilo, Hallova sonda.
• Poluvodička pločica, protjecana strujom I u magnetskom polju B → javlja se Hallov napon UH = RHBI/8.
• B proporcionalno struji, a I naponu tereta.
• Logaritamsko množilo (0,2 % - 0,5 %, do x10 kHz).

Impulsno množilo

• Množenje X₁*X₂.
• Širinski modulator, komparator.
• Napon na izlazu uş proporcionalan s X₁, visinski modulator.
• Izlazna amplituda proporcionalna s X₂, izlazna srednja vrijednost Uiz proporcionalna s X₁*X₂ (proporcionalno snazi).

Pretvornici frekvencije

• Dijelovi: mjerni transformatori, okidni sklop(komparator), sklop za formiranje impulsa, integrator, izlazno pojačalo, napajanje.
• Princip rada: generira se naponski impuls konstantne amplitude (UM) i trajanja (TM) kod svakog prolaska kroz nulu.
• Integrator daje srednju vrijednost niza impulsa.
• Izlazni napon (ili struja) je proporcionalan frekvenciji.

Pretvornici faznog pomaka

• Dijelovi: mjerni transformatori, okidni sklop (komparator), sklop za formiranje impulsa, SR bistabil, integrator, izlazno pojačalo, napajanje.
• Princip rada: bistabil generira naponski impuls konstante amplitude (UM) i trajanja (AT) koje ovisi o faznom pomaku Δφ.
• Integrator daje srednju vrijednost niza impulsa.
• Izlazni napon (ili struja) je proporcionalan faznom pomaku Δφ.

Mjerni transformatori u pretvornicima

• Smanjenje pogreške zbog struje magnetiziranja kod strujnog m.t.
• Mala struja magnetiziranja zbog malog magnetskog toka.
• Mali inducirani napon U₂i (smanjena pogreška).

Zadaci

• Koliku pogrešku izaziva izolacijski otpor od 1 MΩ?
• Mjerni pretvornik sa strujnim izlazom daje na izlazu 5 mA.
• Kolika će pogreška nastati pri mjerenju instrumentom otpora, spojenim s pretvornikom dvožilnim bakrenim vodom?

Pitanja za provjeru

• Čemu služe mjerni pretvornici električnih veličina?
• Čemu služi pretvornik s "živom nulom"?
• Koje je načelo rada pretvornika snage?
• Koliko iznose normirani naponski/strujni ulazi pretvornika?
• Koje su prednosti strujnog izlaza pretvornika u odnosu na naponski izlaz?
• Može li se koristiti strujni mjerni transformator u naponskim ulazima?
• Čime je ograničen otpor instrumenta priključenog na izlazu pretvornika?

Mjerenje energije

• Energija: dinamička brojila, brojilo mjeri energiju ako vrijedi P=kω = k ·∫da = k · (a₂-a₁).
• Ako je broj okretaja N u intervalu (t₂-t₁): N=(α₂-α₁)/2π → W=2πkN
• Energija proporcionalna broju okretaja.
• Statika digitalna brojila: W = ∫t₂t₁ P dt = ΣN-1k=0 u(k)i(k).

Vrste brojila

• Dinamička: elektrodinamsko brojilo, indukcijsko brojilo (Ferraris).
• Statička: elektronička analogna, digitalna.

Indukcijska brojila

• Strujni i naponski elektromagnet.
• Inducirani naponi (zaostaju za 90°).
• Stvaraju vrtložne struje u Al-pločici.
• Stvara se zakretni moment: M = k₁I₁I₂cos(90° - y) ili M = k₂Φ₁I₂cos(90° - y)
• Ukupni moment: M = k₃Φ₁Φ₂sinψ.

Statička (elektronička) brojila

• Prednosti: manji potrošak, mogućnost registracije vršne snage, više tarifa, pohrana podataka, automatsko očitavanje.

Vrste brojila

• Jednofazna, trofazna, višetarifna brojila.
• Uključivanje tarifa uklopnim satom ili impulsima (MTU).
• Vršna brojila: registracija potrošnje pri prekoračenju granične snage, brojila s pokazivanjem maksimuma.
• Najveći utrošak energije u 15, 30 ili 60 minuta u obračunskom razdoblju.

Mjerenje jalove energije

• Jalova energija: Q = U·I·sinφ, cos(π/2+φ)=sin(φ).
• Za mjerenje jalove snage/energije potrebno rotirati struju za π/2.
• Statička brojila na 2 načina: integracijom struje s sinφ · dt = cosφ, analogna rotacija struje za π/2.

Digitalna brojila

• S/HS – shunt ili Hallova sonda.
• AAF – antialiasing filtar (otklanjanje preklapanja spektra).
• SH – sample & hold sklop (uzimanje i zadržavanje uzoraka).
• A/D – analogno digitalna pretvorba.
• MEM – memorija.
• DISP – pokaznik.
• µP – mikroprocesor

Napredne mogućnosti statičkih brojila

• Mjerenje parametara kvalitete napona: varijacije efektivne vrijednosti, broj i trajanje prekida napona (U ispod 10%UN), broj i dubinu propada napona (U ispod 90%UN), broj i dubinu prenapona (U iznad 110%UN), harmonična distorzija (THDu, pojedini harmonici), frekvencija, kolebanje napona ili fliker, razina signalnih napona.

Ispitivanje brojila

• Umjetno ili stvarno opterećenje.
• Očitavanje potrošnje na osnovi broja okretaja N (ili broja impulsa) u određenom vremenskom razmaku.
• WB = N/c [kWh].
• Stvaran utrošak na osnovu mjerenja vatmetrom i satom, W = P × t.

Stvarno opterećenje

• Shema stvarnog opterećenja s trošilom.

Umjetno opterećenje

• Shema umjetnog opterećenja s trofaznim transformatorom, faznim zakretnikom.
• Manji utrošak energije, mali pad napona na strujnoj grani, mala struja na naponskoj grani.
• Fazni zakretnik omogućuje ispitivanje brojila za različite faktore snage.

Pitanja za provjeru

• Kako se spajaju naponske i strujne grane brojila?
• Na kojim načelima rade elektronička brojila?
• Na koji način se umjeravaju brojila s umjetnim opterećenjem?
• Brojilo konstante 700 okr/kWs napravilo 70 okretaja.
• Za što se može koristiti Hallova sonda u brojilima električne energije?
• Da li je veći potrošak snage kod umjeravanja brojila s stvarnim ili s umjetnim opterećenjem?

Literatura

• V. Bego: Mjerenja u elektrotehnici (2003).
• D. Vujević, B. Ferković: Osnove elektrotehničkih mjerenja (1996).
• D. Ilić, I. Kunšt: Mjerenja u elektrotehnici (2003).