Цифровой измеритель мощности сигналов сложной формы на базе PXI-платформы

Выводы

1. Предложен метод инициирования электрического разряда в проводящих средах, заключающийся во включении рабочего промежутка в зарядную цепь генератора импульсов.

2. Показано, что инициирование разряда при производстве электронабивных свай позволяет на

20...30 % уменьшить предпробивные потери энергии и, соответственно, уменьшить величину запасаемой энергии в генераторе импульсов.

3. Разработана технология производства электронабивных свай, и создана установка HDVID 50, которая прошла успешные испытания в г. Чанчунь (КНР).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Евдокимов В.С., Егоров А.Л., Борисенков В.И. Набивные сваи, изготовленные по электроимпульсной технологии // Проектирование и инженерные изыскания. - 1991. - № 2. -C. 17-19.

2. Балохин Б.В., Джантимиров Х.А. Новые электроразрядные технологии в геотехническом строительстве // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1998. - № 4-5. - C. 47-52.

3. Курец В.И., Юшков А.Ю. Производство набивных свай и анкеров с использованием электрических импульсных разрядов // Известия Томского политехнического университета. -2006- Т. 309. - №2. - С. 76-79

4. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. - 206 с.

5. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. - Киев: Наукова думка, 1983. - 272 с.

Поступила 22.03.2012 г.

УДК 004.9+621.317.3

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ НА БАЗЕ PXI-ПЛАТФОРМЫ

С.В. Силушкин, С.В. Муравьев, Ю.М. Фомичев, Е.Ю. Емельянова

Томский политехнический университет E-mail: slavasv@mail.ru

Обсуждается реализация модульного измерителя электрической мощности сигналов сложной формы на базе модульной PXI-платформы, которая позволяет проводить измерение электрической мощности синусоидальных и несинусоидальных сигналов, т. е. проводить оценку качества электроэнергии. Предложены и реализованы структурная схема модульного измерителя мощности и решения по его программному обеспечению.

Ключевые слова:

Электрическая мощность, качество электроэнергии, PXI-платформа, цифровая обработка сигналов.

Key words:

Electric power, power quality, PXI Platform, digital signal processing.

Введение

Измерение мощности синусоидальных и несинусоидальных сигналов является актуальной задачей, т. к. способствует принятию правильных решений при формировании планов мероприятий по энергосбережению. Кроме коммерческих потерь в энергетических сетях имеются технологические потери, важной составляющей которых являются потери, связанные с неудовлетворительным качеством электроэнергии, к которым относят следующие ее показатели: отклонение напряжения, колебания напряжения, несинусоидальность напряжения, несимметрия напряжений, провал напряжения и др. [1-3]. Поэтому для правильного учета потребленной электрической энергии необходимо иметь приборы, регистрирующие показатели качества электроэнергии и, в частности, различные виды мощности соответствующих сигналов.

Обзор приборов анализа качества электроэнергии показывает, что в настоящее время выпускаются средства измерений, позволяющие проводить энергетические обследования в электрических сетях и системах электроснабжения и сочетающие в себе широкий спектр функциональных возможностей (проверка систем учета электроэнергии и регистрация графиков активной и реактивной мощностей, а также графиков изменения напряжения и др.).

До настоящего времени большая часть оборудования проектировалась под синусоидальные источники напряжения и линейные нагрузки таким образом, чтобы ток был синусоидальным. Вопросы определения неактивной мощности в несинусоидальных режимах до сих пор являются предметами полемики и дискуссий [4-6].

В статье обсуждается реализация модульного измерителя мощности с аналого-цифровым преоб-

разованием входных сигналов и последующей их цифровой обработкой.

1. Выбор метода измерения мощности

Общеизвестные подходы к определению мощности электрических сигналов, как правило, применимы только для строго синусоидальной формы сигнала. В отличие от классических методов цифровой метод, основанный на дискретизации сигнала по уровню и времени, позволяет рассчитывать мощность для любой формы сигнала. Если напряжение и электрический ток являются периодическими функциями времени с одинаковым периодом, то напряжение и электрический ток могут быть представлены посредством разложения в ряд Фурье. Активную Р, полную £ и реактивную О мощности рассчитывают с учетом гармонических составляющих [7].

Следует заметить, что единого подхода к расчету реактивной мощности для несинусоидальных условий не существует, например, Международной электротехнической комиссией рекомендован один из подходов, описанный в [8]. В работах [9-11] обсуждается справедливость методов расчета реактивной мощности, однако разночтения в подходах не устранены до сих пор.

Из-за возможности различных трактовок понятия реактивной мощности до сих пор не существует общепринятого определения этого понятия. Поэтому при разработке цифрового измерителя мощности в данной работе было решено вычислять реактивную мощность в соответствии с наиболее распространенными определениями: по К. Будеа-ну [12] и по С. Фризе [13].

2. Аппаратная реализация

цифрового измерителя мощности

Современные устройства, предназначенные для измерения мощности, проектируются на базе микропроцессорных систем, в которых входные сигналы преобразуются в массивы мгновенных значений токов и напряжений, что позволяет реализо-

вать цифровые средства измерений мощности как при синусоидальных, так и несинусоидальных сигналах.

На данный момент промышленностью выпускаются различные цифровые средства измерений - вольтметры, амперметры, осциллографы -как в автономном, так и в модульном исполнении. Например, компания National Instruments (США) выпускает модули в стандарте PXI [14], которые можно использовать для создания систем измерения мощности на основе цифровой обработки сигналов.

На основе метода проектной компоновки была разработана структурная схема цифрового измерителя мощности ЦИМ-1.1 (далее - ЦИМ 1.1), рис. 1. В состав ЦИМ-1.1 входят следующие блоки:

1. ИД - индуктивный делитель уменьшает входное напряжение U0 до уровня U1 для оцифровки.

2. Шунт или трансформатор тока (ТТ) - преобразует ток I0 в напряжение U2, с соответствующим коэффициентом преобразования для последующей оцифровки.

3. PXI-1031 - модульная платформа компании National Instruments (США), в которой подключаемые модули соединяются между собой шиной PCI:

• PXI-5124 - двухканальный цифровой осциллограф (Канал 0 и Канал 1), который может быть синхронизирован сигналом синхронизации (СС), подаваемым на вход внешней синхронизации «Триггер». Технические характеристики приведены в [15];

• PXI-8331 - контроллер интерфейса с персональным компьютером через мост MXI-4, для управления модулями PXI;

• ПК - персональный компьютер, на котором устанавливается программное обеспечение для управления модулями PXI и обработки результатов измерений.

На рис. 2 показан ЦИМ-1.1 в режиме работы с сигналами тока и напряжения, не имеющими искажений. В комплект ЦИМ-1.1 включены токовый

ИД

Шунт/

ТТ

Модульная платформа

Осциллограф Контроллер

Канал 0 интерфейса

Канал 1 О MXI-4

Триггер

PXI-5124 PXI-8331

PXI-1031

Рис. 1. Структурная схема цифрового измерителя мощности ЦИМ-1.1

шунт, индуктивный делитель ДИ-3 и модульная платформа РХІ-1031 с цифровым осциллографом РХІ-5124.

Рис. 2. ЦИМ 1.1 в комплектации с токовым шунтом и индуктивным делителем, модульной системой PXI и персональным компьютером

Алгоритм работы ЦИМ-1.1

Принцип работы ЦИМ описывается следующим алгоритмом:

1. На трансформатор тока (шунт) и индуктивный делитель подаются входные сигналы тока и напряжения соответственно, которые приводятся к стандартным уровням входных напряжений АЦП осциллографа PXI-5124. «Канал 0» осциллографа используется как канал измерения напряжения, а «Канал 1» - канал измерения тока.

2. Входные сигналы преобразуются в цифровой код при помощи двух независимых АЦП. При этом можно использовать как внешнюю, так и внутреннюю синхронизацию сигналов, или производить некогерентную выборку сигналов с последующей записью и обработкой.

3. Цифровые коды сигналов передаются при помощи контроллера интерфейса PXI-8331 и моста MXI-4 для дальнейшей обработки в персональный компьютер.

4. Обработка результатов измерений, полученных с аппаратной части ЦИМ-1.1, проводится в виртуальном приборе «Цифровой измеритель мощности», рис. 3.

3. Виртуальный прибор «Цифровой измеритель мощности»

Программное обеспечение измерителя мощности ЦИМ-1.1 разработано в среде Lab VIEW 2009 компании National Instruments [16] и выполнено в виде виртуального прибора, который позволяет формировать параметры проведения эксперимента, управления осциллографом PXI-5124, сохранения данных, проводить расчет мощностей по различным алгоритмам, а также графически представлять результаты эксперимента на экране монитора в реальном времени. На рис. 3 приведен внешний вид виртуального прибора «Цифровой измеритель мощности».

Рис. 3. Виртуальный прибор «Цифровой измеритель мощности». Исследуемые сигналы тока и напряжения без искажений

На рис. 3 показаны сигналы тока и напряжения, не имеющие высших гармоник. Разработанный виртуальный прибор может работать в трех режимах:

1. «Анализ U и I» - настройка и выбор измерительных каналов, измерение параметров сигналов тока и напряжения, визуализация полученных данных в окнах «Параметры U» и «Параметры I».

2. «ЦОС (Р)» - цифровая обработка сигналов сложной формы и представление их в виде осциллограмм, проведение расчетов всех видов мощности.

3. «W/R» - запись и воспроизведение из базы данных результатов измерений, обработка некогерентной выборки сигналов, расчет мощностей и параметров сигналов.

Переход между режимами работы ЦИМ-1.1 осуществляется выбором соответствующей закладки: «Анализ U и I», «ЦОС (Р)» и «W/R».

4. Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанного ваттметра

Разработанный цифровой измеритель мощности ЦИМ-1.1 позволяет измерять следующие параметры сигналов: амплитудные (действующие) значения тока и напряжения; фазовый сдвиг между током и напряжением; частоту гармонических сигналов; активную, реактивную и полную мощности как синусоидальных, так и несинусоидальных сигналов (дополнительно рассчитывается мощность искажения); коэффициент гармоник (коэффициент искажения синусоидальности кривой).

Измерение действующих значений напряжения

Исследовались погрешности измерения действующего значений напряжения, для чего был использован калибратор Fluke 5520A как источник входных сигналов напряжения в диапазоне частот от 0,020 до 50 кГц, а мультиметр Agilent 3458A -как рабочий эталон для измерения значений напряжения. Диапазон измеряемых напряжений U0=0,5...30 В. Относительная погрешность измерений значений напряжения рассчитывается по формуле:

S = Хизм. - ,100 о/

Хз

где Хизм. - показания ЦИМ-1.1, В; Хэ - показания мультиметра, В.

Результаты измерений представлены в табл. 1.

Таблица 1. Погрешность измерений значений напряжения в частотном диапазоне, %

Напряжение Uo, В Частота сигнала f, кГц

0,02 0,05 1 10 20 30 40 50

0,5 0,5 0,5 0,3 0,4 0,6 0,7 0,7 0,8

10 0,4 0,5 0,5 0,4 0,5 0,6 0,6 0,7

30 0,4 0,5 0,6 0,5 0,5 0,6 0,7 0,8

Результаты измерений, приведенные в табл. 1, показали, что погрешность измерений значений напряжений не превышает 1 %, т. е. не выходит за пределы установленных в технической документации на pXl-5124 [15].

Измерения значения тока, фазового сдвига

между током и напряжением

В эксперименте определены погрешности измерений значений тока и фазового сдвига между током и напряжением. Как источник входных сигналов напряжения и тока, фазового сдвига в диапазоне частот от 0,045 до 10 кГц использован калибратор Fluke 5520A. Измерения значений фазовых сдвигов производились при помощи фазометра Ф2-34. Измеряемые значения тока 1 и 2 А. Относительная погрешность измерений значений тока рассчитывается по формуле (1), в которой: Хизм. - показания ЦИМ-1.1, A; Хэ - установленные значения тока на выходе калибратора, A.

Результаты измерений представлены в табл. 2.

Таблица 2. Погрешность измерений значений тока в частотном диапазоне, %

Ток I3, A Частота сигнала f, кГц

0,045 0,060 1 3 5 10

1 0,5 0,5 0,7 0,6 0,7 0,8

2 0,4 0,4 0,6 0,5 0,6 0,7

Для измерения погрешности фазового сдвига устанавливались фазовые сдвиги между входным током и напряжением <р=30° и ^=60°. Абсолютная погрешность измерений значений фазовых сдвигов рассчитывается по формуле:

Лф=%зм-%,

где <рти - показания ЦИМ-1.1, град.; (рэ - установленные значения фазового угла на выходе калибратора, град.

Результаты измерений приведены в табл. 3.

Таблица 3. Погрешность измерений значений фазовых сдвигов в частотном диапазоне, град.

Значения фазового сдвига фз, град. Частота сигнала f, кГц

0,045 0,060 1 3 5 10

30 0,25 0,18 0,22 0,3 0,4 0,5

60 0,12 0,12 0,16 0,3 0,4 0,5

Результаты измерений действующих значений тока и фазовых сдвигов между током и напряжением показывают, что они не превышают допустимое значение основной погрешности PXI-5124 [15].

Измерение активной, реактивной

и полной мощностей

В эксперименте определены погрешности измерений значений активной, реактивной и полной мощностей в диапазоне частот от 0,045 до 10 кГц.

В данном эксперименте калибратор Fluke 5520A использовался как источник входных сигналов на-

пряжения и тока, фазового сдвига в диапазоне частот от 45 Гц до 10 кГц. Диапазон измеряемых напряжений ^=0,5...30 В. Измеряемые значения тока 1 и 2 А.

Результаты измерений представлены в табл. 4, 5 для фазовых сдвигов между сигналами тока и напряжения 0 и 45°.

Таблица 4. Результаты измерений мощности при фазовом сдвиге <р=0°

P=30 Вт, qr=0°

f, Гц 50 60 400 1000 5000 10000

Ризм, Вт 29,99 29,98 29,98 29,96 29,94 29,99

S, % 0,03 0,07 0,07 0,14 0,2 0,03

Р=60 Вт, 9=0°

Ризм, Вт 60,10 60,10 60,10 60,10 59,90 60,00

S, % -0,17 -0,17 -0,17 -0,17 0,17 0,00

Таблица 5. Результатыы измерений мощности при фазовом сдвиге ф=45°

S=60 ВА, 9=45°, P=42,426 Вт, 0=42,426 Вар

f, Гц 50 60 400 1000 5000 10000

РВт 42,19 42,22 42,4 42,36 42,1 42,0

8р, % 0,6 0,5 0,06 0,16 0,8 1,0

^изм, ВА 60,0 60,0 60,0 60,0 60,0 60,1

Ss, % 0 0 0 0 0 -0,17

Оизм, Вар 43,17 43,17 43,17 43,17 43,17 43,17

So, % -1,8 -1,8 -1,8 -1,8 -1,8 -1,8

Результаты экспериментов показывают, что измерения мощностей зависит от частоты сигналов и фазового сдвига между током и напряжением. Реактивная мощность имеет наибольшую погрешность до 1,8 %, в то время как максимальная погрешность измерений активной и полной мощностей не превышает 1 %.

Измерение активной, реактивной

и полной мощностей несинусоидального сигнала

Схема эксперимента для измерения мощностей искаженного сигнала приведена на рис. 4.

Для измерения мощностей несинусоидального сигнала использовался калибратор Fluke 5520A, с выхода U которого берется основная гармоника входного сигнала U1, которая через фазовращатель с дополнительным фазовым сдвигом (р1 (U1) подается на первый вход суммирующего усилителя. На второй вход суммирующего усилителя с выхода калибратора I задается соответствующая гармоника Un. При помощи суммирующего усилителя формируется несинусоидальный сигнал U& который поступает на канал тока ЦИМ-1.1.

Амплитуда U\ измеряется мультиметром, а фазовый сдвиг <р1 - фазометром. Измерения проводились при значениях силы тока 30 А.

В проведенном эксперименте использовались следующие значения: U1=3 В; Un=300 мВ; А=10 А/В; ^=30°; Spac4=90,9 ВА; Ррасч.=78,72 Вт; Qpac4.=45,45 Вар.

Результаты измерений приведены в табл. 6.

Таблица 6. Результатыы измерений мощности несинусоидального сигнала для основной частотыы 50Гци значения относительной погрешности результатов измерений

Определяемые значения Частота высшей гармоники тока, Гц

150 250 350 450

5изм. 90,74 90,71 90,69 90,65

Ss, % 0,17 0,21 0,23 0,28

Р 1 изм. 78,28 78,10 78,05 78,02

Sp, % 0,6 0,8 0,9 0,9

Оизм. 45,28 45,18 45,21 45,19

Sq, % 0,4 0,6 0,5 0,6

Погрешность результатов измерений, приведенных в табл. 1, не превышает 1 %, что позволяет

Калибратор

Выход U

Normal

Выход I

AUX

Fluke 5520А

U,

а

и„

ФВ

—г~

Ф

Г

V,

Vу

а

т

ЦИМ-1.1

Канал U

Канал/

Мультиметр

Вход

Agilent 3458А

Рис. 5. Схема эксперимента для измерения активной, реактивной и полной мощностей несинусоидального сигнала: ФВ - фазовращатель; Ф - фазометр Ф2-34; Е - суммирующий усилитель

сделать вывод о возможности использования разработанного измерителя мощности в случаях, когда измеряемые сигналы не являются синусоидальными.

Заключение

Предложена и аппаратно реализована структурная схема цифрового измерителя мощности ЦИМ-1.1, позволяющего определять амплитудное и действующее значения тока и напряжения; фазовый сдвиг между ними; частоту гармонических сигналов; активную, реактивную и полную мощности для синусоидальных и несинусоидальных сигналов (дополнительно рассчитывается мощность искажения), рассчитывать мощность, коэффициент искажения синусоидальности кривой.

Разработанный измеритель мощности имеет модульную структуру, поэтому его можно адаптировать к требованиям заказчика, а его параметры могут быть улучшены путем добавления новых мо-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Введ. с 1999-01-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998.

- 61 с.

2. ГОСТ Р 8.655-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Средства измерений показателей качества электрической энергии. Общие технические требования.

- Введ. с 2010-07-01. - М.: Стандартинформ, 2009. - 37 с.

3. ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и определения. - Введ. с 1989-07-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2005. - 27 с.

4. Демирчян К.С. Разложение мгновенной мощности на составляющие // Известия РАН. Энергетика. - 1994. - № 5. -С. 5-8.

5. Мельников Н.А. Реактивная мощность в электрических сетях.

- М.: Энергия, 1975. - 128 с.

6. Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components // IEEE Trans. on Ind. Appl. - 1984. - V. IA-20. -№ 3. - Р. 625-630.

7. Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение мощности в звуковом диапазоне частот. - Л.: Энергия, 1980. - 168 с.

дулей обработки сигналов в состав программного обеспечения или замены аппаратных модулей другими модулями с более высокими метрологическими характеристиками.

Экспериментально показано, что разработанный ЦИМ-1.1 обеспечивает измерение мощности сигналов в частотном диапазоне от 0,020 до 50 кГц с погрешностью до 1 % для активной и полной и до 2 % для реактивной мощностей.

Разработка цифрового измерителя мощности (ЦИМ) выполнена в рамках проекта «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными характеристиками» (5 этап Государственного контракта № П487 от 13 мая 2010 г. по направлению «Создание электронной компонентной базы» в рамках мероприятия 1.2.1«Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», мероприятия 1.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук», направления 1 «Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы).

8. IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms, Std 100-1977. - American National Standards Institute/Institute of Electrical and Electronics Engineers (ANSI/IEEE), 1977. - 882 р.

9. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке. - М.: Энергоатомиз-дат, 1985. - 112 с.

10. Баков Ю.В. Мощность переменного тока. - Иваново: Изд-во Ивановского гос. энергетического ун-та, 1999. - 252 с.

11. Асанбаев Ю.А., Касаточкин А.А. Об определении составляющих мощности в несинусоидальных процессах // Известия НИИ постоянного тока. - 2002. - № 59. - С. 144-160.

12. Budeanu C.I. Puisslanses reactiv’es et fictives // Inst. Romain de I’Energie, Bucharest. - 1927. - Pub. № 2.

13. Fryze S. Active, reactive and apparent power in circuits with non sinusoidal voltage and current // Przegl. Elektrotech. - 1931. - № 7.

- Р 193-203; - № 8. - Р 225-234; 1932; - № 22. - Р 673-676.

14. PXI Platform. 2012. URL: http://www.ni.com/pxi (дата обращения: 22.06.2012).

15. NI PXI/PCI-5124 Specifications. 12-Bit 200 MS/s Digitizer. 2008. URL: http://www.ni.com/pdf/manuals/371135h.pdf (дата обращения: 22.06.2012).

16. Тревис Дж. LabVIEW для всех. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 544 с.

Поступила 07.09.2012 г.