Pretvornici električnih veličina i mjerenje energije PDF

Pretvornici električnih veličina, Brojila 1  Na kraju sata student treba biti u stanju: Opisati osnovna svojstva pretvornika električnih veličina...

Pretvornici električnih veličina, Brojila 1  Na kraju sata student treba biti u stanju: 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 Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 2  Daljinska mjerenja Praćenje i upravljanje tehničkih procesa Veći broj mjernih mjesta koja mogu biti i na većoj udaljenosti 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 (strujna petlja 4 – 20 mA + superponirani digitalni kontrolni signali)  Profibus (PROcess FIeld BUS)  CAN (Controller Area Network)  Fieldbus Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 3  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 – telefonski vodovi, i nekoliko km)  Realni strujni izvor, ograničen maksimalni izlazni napon (od 10 V do 30 V)  ograničava ukupni otpor u izlaznoj petlji  Ako je izlazna struja pretvornika 5 mA i maksimalni napon 30 V, koliko iznosi maksimalni otpor instrumenata? Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 4  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 Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 5  Karakteristike pretvornika Prijenosne  Linearna  s “živom nulom” (4 mA) – radi detekcije neispravnog pretvornika  Potisnutim početkom Izlazne karakteristike  Simetrične  asimetrične Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 6  Pretvornici za napon i struju Odziv na srednju vrijednost  Diodni ispravljač  Pretvornik „vidi” srednju vrijednost, a pokazuje efektivnu vrijednost pretpostavljenog sinusoidalnog valnog oblika  Pogreške ovisi o faktoru oblika Odziv na efektivnu vrijednost  Prema definiciji efektivne vrijednosti  Ne ovisi o faktoru oblika Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 7  Pretvornici snage BI U H  RH Potrebno množenje napona i struje   Impulsno množilo  Hallova sonda  Poluvodička pločica, protjecana strujom I u magnetskom polju B  javlja se Hallov napon UH = RHBI/  B proporcionalno struji, a I naponu tereta  Logaritamsko množilo  (0,2 % - 0,5 %, do x10 kHz)  Logaritam definiran samo za pozitivne vrijednosti   dodavanje DC komponente ili indikacija predznaka Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 8  Impulsno množilo Množenje X1*X2 Širinski modulator:  Komparator  Napon na izlazu uš proporcionalan s X1 1 uš  TT  u š dt Visinski modulator  Izlazna amplituda proporcionalna s X2 Izlazna srednja vrijednost Uiz proporcionalna s X1*X2 (proporcionalno snazi) Mjerenja u elektrotehnici T1  T2 T1  T2 Pretvornici el. veličina u v  uš  X 2   X 2  k  X1  X 2 uš   k  X1 T1  T2 T 9  Pretvornici frekvencije Dijelovi:  Mjerni transformatori  Okidni sklop (komparator)  Sklop za formiranje impulsa  Integrator  Izlazno pojačalo  Napajanje Princip rada:  generira se naponski impuls konstante amplitude (UM) i trajanja (TM) kod svakog prolaska kroz nulu  Integrator daje srednju vrijednost niza impulsa  Izlazni napon (ili struja) proporcionalni frekvenciji Mjerenja u elektrotehnici U M  TM Pretvornici el. veličina U iz  T  U M  TM  U iz  k f 10 T  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 (T) koje ovisi o fazno pomaku   Integrator daje srednju vrijednost niza impulsa  Izlazni napon (ili struja) U iz uelektrotehnici T U M   proporcionalni faznom pomaku   Mjerenja  U iz  Pretvornici U M T el. veličina 360 o 11  Mjerni transformatori u pretvornicima Smanjenje pogreške zbog struje magnetiziranja kod strujnog m.t. N2 Mala struja magnetiziranja zbog malog R2 U2 I2 magnetskog toka U1 X2 R  mali inducirani napon U2 i smanjena N1 U3 pogreška Ui U 2 N2 N3 U3  Ui / A  U 3 N3 U i  I 2   R2  jX 2  R   U 2  I 2  Z s  U 2 N 2 U i N 2 I 2  Z s  U 2  N 2 U 2  U3      N3 A N3 A N3  N2  I2  Zs U 2  1  A    I 2  Z s U2  Mjerenja u elektrotehnici  N3   N2  Pretvornici el. veličina 1  A   12  N3   Zadaci Koliku pogrešku izaziva izolacioni otpor od 1 M između vodiča prijenosnog voda ako mjerni pretvarač sa strujnim izlazom ima izlaznu struju 5 mA i izlazni napon 15 V? Mjerni pretvornik sa strujnim izlazom daje na izlazu 5 mA. Kolika će pogreška nastati pri mjerenju instrumentom otpora Ri=10 , spojenim s pretvornikom dvožilnim bakrenim vodom (=0,05 mm2/m) duljine l=50 m i presjeka S=0,25 mm2, ako je unutrašnji otpor pretvornika Ru =60 k Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 13  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? Kako? Zašto? Čime je ograničen otpor instrumenta priključenog na izlazu pretvornika? Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 14  Mjerenje energije Energija: t2 W   Pdt Dinamička brojila t1  Brojilo mjeri energiju ako vrijedi: d P  k   k ...slijedi: dt t2 t2 2 W   Pdt  k   dt  k   d  k   2  1  t1 t1 1  Ako je broj okretaja N u intervalu (t2-t1): N=(2-1)/2  W=2kN  Energija proporcionalna broju okretaja Statička digitalna brojila: t2 N 1 Mjerenja u elektrotehnici W   Pdt   u k   ik  t1 Pretvornici el. veličina k 0 15  Vrste brojila Dinamička  Elektrodinamsko brojilo  Indukcijsko brojilo (Ferraris)  Strujni i naponski elektromagnet stvaraju vrtložne struje u Al-pločici   stvara se zakretni moment proporcionalan snazi tereta M=k∙P   protumoment stvar permanentni magnet M1=k·   =k∙P ili n=k∙W Statička  Elektronička analogna  Digitalna Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 16  Indukcijska brojila Strujni i naponski elektromagnet  Magnetski tokovi U, I Inducirani naponi (zaostaju za 90o) Stvaraju vrtložne struje u Al-pločici  U  IU I  II Stvara se zakretni moment:   M 1  k1U I I cos 90o     M 1  k 2  I IU cos 90o   Ukupni moment: M 1  k5 I U sin Treba nam M = kP = kUIcos    90o   Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 17  Statička (elektronička) brojila Prednosti  Manji potrošak  Mogućnost registracije vršne snage, U,...  Više tarifa  Pohrana podataka  Automatsko očitavanje Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 18  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 Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 19  Mjerenje jalove energije t Jalova energija: WQ   2 Qdt t1 Q=U∙I∙sin cos(/2+)=sin()  za mjerenje jalove snage/energije potrebno rotirati struju za /2 Statička brojila na 2 načina:  Integracijom struje  sin   dt  cos  Analogna rotacija struje za /2 Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 20  Digitalna brojila u AAF SH A/D MEM DISP i S/HS AAF SH A/D P sabirnica S/HS – shunt ili Hallova sonda AAF – antialiasing filtar (otklanjanje preklapanja spektra) vanjsko sučelje SH – sample & hold sklop (uzimanje i zadržavanje uzoraka) A/D – analogno digitalna pretvorba MEM – memorija DISP – pokaznik P - mikroprocesor Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 21  Napredne mogućnosti statičkih brojila Mjerenje parametara kvalitete napona:  Varijacije efektivne vrijednosti (nazivna vrijednost UN=230 V (NN))  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 (nazivna frekvencija 50 Hz)  Kolebanje napona ili fliker (spore varijacije napona koje proizvode treperenje)  Razina signalnih napona Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 22  Ispitivanje brojila Umjetno ili stvarno opterećenje Očitavanje potrošnje na osnovu broja okretaja N koje pločica učini (ili broja impulsa) u određenom vremenskom razmaku: N N WB  kWh  3,6 106 Ws  c c  c konstanta brojila [okr/kWh] Stvaran utrošak na osnovu mjerenja vatmetrom i satom: Ws=P∙t W p  Ws p 100% Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina Ws 23  Stvarno opterećenje Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 24  Umjetno opterećenje Manji utrošak energije  Na strujnoj grani mali pad napona  U naponskoj grani mala struja Fazni zakretnik omogućuje ispitivanje brojila za različite (prividne) faktore snage Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 25  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 je napravilo 70 okretaja? Kolika je izmjerena energija? Za što se može koristiti Hallova sonda u brojilima električne energije? Da li je veći potrošak snage kod umjeravanje brojila s stvarnim ili s umjetnim opterećenjem? Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 26  Literatura V. Bego: Mjerenja u elektrotehnici, 9. izdanje, Graphis, Zagreb, 2003. D. Vujević, B. Ferković: Osnove elektrotehničkih mjerenja I. i II. Dio, Školska knjiga Zagreb, 1996. D. Ilić, I. Kunšt: Mjerenja u elektrotehnici, Prilog predavanjima, Zagreb 2003. Mjerenja u elektrotehnici Pretvornici el. veličina 27