Измерительные преобразователи мощности нагрузки в однофазной сети НПСИ-МС1 находят широкое применение в задачах контроля электрических параметров в энергетических и технологических установках. В данной статье описываются особенности преобразователей НПСИ-МС1, выпускаемых НПФ «КонтрАвт».
Измерительные нормирующие преобразователи часто используются в задачах измерения электрических параметров.
К числу важнейших параметров, характеризующих потребителей электроэнергии, относится мощность. Если для цепей постоянного тока само понятие мощности является достаточно простым, то для цепей переменного тока картина становится несколько сложнее.
В рассмотрение вводят три разных мощности: полную, активную и реактивную. Причиной тому является то обстоятельство, что в цепях переменного тока помимо активной нагрузки начинают проявлять себя индуктивные и емкостные составляющие.
Это приводит к тому, что между напряжением и током появляется разность фаз, а энергия не только выделяется на активной нагрузке, но может накапливаться и затем высвобождаться в емкостях и индуктивностях.
Дадим определение указанных мощностей и кратко рассмотрим их смысл.
Полная мощность
Полная мощность S в однофазной цепи переменного тока образуется из двух составляющих: активной мощности Р и реактивной мощности Q.
Она равна произведению действующего значения тока I на действующее значение напряжения U и измеряется в ВА - вольт-амперах (кВА – киловольт-амперах):
Практическое значение полной мощности определяется тем, что она характеризует фактические нагрузки на элементы электрической цепи: провода, коммутационные элементы, трансформаторы, линии электропередачи и т.п. Эти нагрузки задаются протекающими токами, а не фактически использованной потребителем электроэнергией.
Для измерения полной мощности измеряют действующие значения напряжения и тока, а затем их перемножают.
Есть очень важное обстоятельство, которое необходимо учитывать при выборе оборудования для измерения мощности. Дело в том, что на практике сигналы тока и напряжения могут сильно отличаться от правильной синусоидальной формы.
Это значит, что, выбирая измерительный прибор для измерения действующих значений напряжения и тока, следует выяснить, является ли сигнал синусоидальным или нет, и какой метод измерения действующего значения реализует измерительный прибор.
В реальных условиях вследствие использования нелинейной нагрузки потребителем, в результате процесса передачи и преобразования электроэнергии и ряда других факторов, форма напряжения и тока отличается от синусоидальной формы.
Процентное увеличение доли нелинейных, несимметричных, импульсных нагрузок потребителя (персональные компьютеры, приводы с регулируемой скоростью, сварочные инверторы, осветительное оборудование, выпрямительные агрегаты и др.) с каждым годом всё больше растёт.
Применение цифровых методов измерения и обработки сигналов, позволяет проводить измерение действующих значений более точно и для сигналов несинусоидальной формы.
Активная мощность
В цепях однофазного синусоидального тока
Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует необратимые превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную).
В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи. Единица измерения активной мощности - Ватт.
Если угол φ равен 0 и cos φ =1, то в цепи присутствует чисто активная нагрузка, полная мощность совпадает с активной и вся электрическая энергия превращается в нагрузке в другие виды энергии. Наличие реактивных элементов, уменьшает значение cos φ , и соответственно, долю активной мощности в полной мощности. Показатель cos φ называют коэффициентом мощности.
Реактивная мощность
Реактивная мощность характеризует нагрузки, имеющие реактивный характер – индуктивный или емкостной. При таких видах нагрузки угол между напряжением и током не равен нулю и появляется реактивная составляющая мощности:
Особенность реактивных элементов нагрузки в цепях переменного тока заключается в том, что они периодически преобразуют электрическую энергию переменного тока в энергию электрического или магнитного поля ( в зависимости от вида нагрузки) и обратно, то есть потребления энергии как таковой нет. Но, несмотря на то, что фактического потребления энергии в реактивностях нет, реактивный характер нагрузки проявляет себя негативно.
В частности, токи, протекая от источника в реактивность и обратно, разогревают подводящие провода, тем самым создавая непродуктивные потери.
Именно поэтому расчет проводов и других элементов устройств переменного тока производят, исходя из полной мощности S, которая учитывает активную и реактивную мощности. В связи с этим необходимо следить за значением коэффициента мощности cos φ и предпринимать меры по его увеличению до 1.
Характеристики преобразователей мощности
Рассмотрим измерительный преобразователь мощности НПСИ-МС1, выпускаемый научно-производственной фирмой «КонтрАвт» (см. рис. 1).
Измерительные преобразователи характеризуются типами и диапазонами входных и выходных сигналов.
В преобразователях НПСИ-МС1 выбор входных и выходных сигналов программируется пользователем. Устанавливаются не только диапазоны преобразования, но и типы измеряемого параметра (различные виды мощности, коэффициент мощности, ток и напряжение).
Типы и диапазоны преобразования измеряемых параметров приведены в табл. 1.
Для мощности в таблице указаны максимальные значения, которые соответствуют максимальным диапазонам измерения напряжения (0…450 В) и тока (0…5 А).
Преобразователь можно настроить и на меньшие диапазоны, задавая соответствующие диапазоны измерения напряжения и тока. Например, выбирая диапазон напряжения 0…150 В и тока 0…1 А, получим диапазон полной мощности 0…150 ВА.
Особенность измерительных преобразователей НПСИ-МС1 заключается в том, что наряду с переменным напряжением и током они могут измерять и преобразовывать постоянные напряжения и ток. С учетом физического смысла действующего значения, измеренное действующее значение постоянного сигнала будет равно уровню самого постоянного сигнала, а полная мощность будет равна активной.
Указанные диапазоны измерения приведены для случая прямого включения преобразователя в цепь, как это показано на рис. 2. Однако, фактический диапазон измерения в цепях переменного тока можно увеличить, применяя трансформаторы напряжения и тока. Возможна и комбинированная схема прямого и трансформаторного подключения.
Тип выходного сигнала (ток или напряжение), а также их диапазон также программируются пользователем (см. табл. 2)
Преобразователи НПСИ-МС1 обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных сигналов. Напряжение изоляции составляет 1500 В.
Основная погрешность измерения мощности, коэффициента мощности, действующих значений напряжения и тока в сети частотой 50 Гц и их преобразования в постоянные унифицированные сигналы тока и напряжения составляет 0,5 %.
Частота выборки в преобразователе равна 5 кГц, это позволяет измерять с указанной точностью синусоидальные сигналы вплоть до частот 400 Гц (на частоте 1 кГц погрешность составляет 1 %).
Преобразователь можно использовать и для измерения мощности и действующих значений напряжения и тока несинусоидальной формы, например, в цепях с симисторными коммутаторами.
В этом случае может появиться дополнительная погрешность за счет ошибок измерения гармоник свыше 400 Гц. Вклад этих гармоник в общую погрешность следует оценивать с учетом их доли в сигнал.
На измерительные преобразователи НПС-МС1 можно возложить и функцию контроля за уровнем электрических параметров. Контроль обеспечивается сигнализацией по уровню параметра. Преобразователи НПСИ-МС1 выпускаются как с функцией сигнализации, так и без нее. В модификациях с сигнализацией выполняемая функция выбирается пользователем из четырех возможных вариантов:
- Функция 1. Сигнализация срабатывает, если сигнал больше заданного уровня;
- Функция 2. Сигнализация срабатывает, если сигнал меньше заданного уровня;
- Функция 3. Сигнализация срабатывает, если сигнал больше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем;
- Функция 4. Сигнализация срабатывает, если сигнал меньше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем.
Действие сигнализации для функций 1 и 3 иллюстрируют рис. 3, 4. Функции 3 и 4 представляют собой сигнализацию с защелкой. Сбросить его может пользователь только с передней панели преобразователя. Даже временное отключение питания не может сбросить защелку – после возобновления питания сигнализация будет включена.
Таким образом, сигнализация с защелкой позволяет зафиксировать факт аварийной ситуации, а необходимость выполнения процедуры сброса с панели гарантирует, что обслуживающий персонал обнаружит аварийную ситуацию и предпримет действия, предусмотренные технологическим регламентом.
Помимо выполнения функций сигнализации, преобразователи обнаруживают аварийные ситуации, которые могут возникнуть в системе: обрыв линий связи входных, обрыв выходных сигналов (только для 4…20 мА), выход сигналов за допустимый диапазон, целостность параметров в энергонезависимой памяти.
При обнаружении аварийных ситуаций (не путать с работой сигнализации) на преобразователе зажигается индикатор АВАРИЯ, на дисплее отображается код аварийной ситуации, а выходной ток принимает значение, которое при конфигурировании задает пользователь – низкий или высокий аварийный уровень.
Измерительные системы, принимающие сигналы преобразователей, регистрируют эти аварийные уровни, и следовательно, обнаруживают аварийные ситуации.
Питание преобразователей НПСИ-МС1 в зависимости от модификации производится либо от сети переменного напряжения 220 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 85…265 В), либо от постоянного напряжения 24 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 10…42 В).
Конструктивно преобразователи НПСИ-МС1 выполнены в корпусе с габаритными размерами (D´H´W) 115 ´ 110 ´ 22,5 мм, который обеспечивает монтаж на DIN-рельс 35 мм по стандарту EN 50 022.
Настройка преобразователя (конфигурирование) осуществляется пользователем с передней панели с помощью кнопок с контролем по цифровому двухразрядному дисплею (см. рис. 4). На цифровом дисплее отображается уровень сигнала в процентах от диапазона. Уровень сигнала наглядно показывает и линейный бар-граф.
Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений производится с помощью разъемных клеммных соединителей (см. рис. 5).
Нормирующие преобразователи НПСИ-МС1, выпускаемые НПФ «КонтрАвт», рассчитаны на эксплуатацию при температуре от -40 до +70 оС и относительной влажности 95%.
Преобразователи предоставляются в опытную эксплуатацию, поэтому пользователь имеет возможность опробовать преобразователи в работе, оценить их характеристики и принять обоснованное решение об их применении.
ООО НПФ «КонтрАвт», Нижний Новгород
тел./факс: (831) 260-13-08
e-mail: sales@contravt.ru
