SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Измерительные преобразователи мощности нагрузки в однофазной сети

Измерительные преобразователи мощности нагрузки в однофазной сети НПСИ-МС1 находят широкое применение в задачах контроля электрических параметров в энергетических и технологических установках. В статье описываются особенности преобразователей НПСИ-МС1, выпускаемых НПФ «КонтрАвт».


KontrAvt_site.gif

Измерительные нормирующие преобразователи часто используются в задачах измерения электрических параметров. В № 3 журнала «ИСУП» за 2012 год детально обсуждались вопросы применения нормирующих преобразователей для измерения и преобразования действующих значений напряжения и тока сети, в том числе несинусоидальной формы, а также в случае плавающей частоты сети.

К числу важнейших параметров, характеризующих потребителей электроэнергии, принадлежит мощность. Если в случае с цепями постоянного тока само понятие мощности является достаточно простым, то в цепях переменного тока картина становится несколько сложнее. В рассмотрение вводят три разные мощности: полную, активную и реактивную. Дело в том, 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 и действующего значения напряжения U и измеряется в вольт-амперах (ВА) или киловольт-амперах (кВА): S = U × I = √P² + Q².

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 того чтобы вычислить полную мощность, 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 прибор для измерения действующих значений напряжения и тока, следует выяснить, является ли сигнал синусоидальным или нет и какой метод измерения действующего значения данный прибор реализует.

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. В процентном отношении доля потребителей с нелинейными, несимметричными, импульсными нагрузками (персональные компьютеры, приводы с регулируемой скоростью, сварочные инверторы, осветительное оборудование, выпрямительные агрегаты и др.) с каждым годом все возрастает. При этом цифровые методы измерения и обработки сигналов позволяют с большей точностью измерять и действующие значения сигналов несинусоидальной формы.


Активная мощность

В цепях однофазного синусоидального тока Р = U × I × cos φ , где φ – угол сдвига фаз между током и напряжением. 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: Q = U × I × sin φ .

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 такового 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» (рис. 1).
Измерительные преобразователи характеризуются типами и диапазонами входных и выходных сигналов.

Ris.1.png

Рис. 1. Внешний вид измерительного преобразователя мощности НПСИ-МС1, 
выпускаемого НПФ «КонтрАвт»

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.

Таблица 1. Типы и диапазоны измеряемых параметров преобразователя НПСИ-МС1

Tab.1.png

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.

Ris.2.png
 
Рис. 2. Подключение входных сигналов 
при измерении мощности и коэффициента мощности 
с использованием измерительных трансформаторов 
и с прямым подключением к нагрузке

Тип выходного сигнала (ток или напряжение), а также его диапазон тоже программируются пользователем (табл. 2).

Таблица 2. Типы и диапазоны выходных сигналов преобразователя НПСИ-МС1
(программируются пользователем)

Tab.2.png

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 частоты 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 НПСИ-МС1 можно возложить и функцию контроля уровня 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 ее может только пользователь 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.

Ris.3.png

Рис. 3. Диаграмма работы сигнализации «превышение» без защелки


Ris.4.png

Рис. 4. Диаграмма работы сигнализации «превышение» с защелкой

Помимо выполнения функций сигнализации, преобразователи обнаруживают аварийные ситуации, которые могут возникнуть в системе: обрыв линий связи входных сигналов и выходного сигнала 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.

В зависимости от модификации НПСИ-МС1 их питание 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 (рис. 5). На цифровом дисплее отображается уровень сигнала в процентах от диапазона. Уровень сигнала наглядно показывает и линейный барграф.

Ris.5.png

Рис. 5. Органы индикации и управления 
на передней панели преобразователя НПСИ-МС1

Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений производится с помощью разъемных клеммных соединителей (рис. 6).

Ris.6.png

Рис. 6. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

Нормирующие преобразователи НПСИ-МС1, выпускаемые НПФ «КонтрАвт», рассчитаны на эксплуатацию при температуре от –40 до +70 °С 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.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 5(59)_2015

Д. В. Громов, технический директор,
А. А. Желтухин, начальник сектора,
тел.: (831) 260-0308,
e‑mail: sales@contravt.nnov.ru,