Возможно ли их измерить методами аналоговой техники?
В статьях ведущего научного сотрудника ОАО «ВНИИР» г. Чебоксары В. Сушко «Полноценная защита стоит дорого. Готов ли платить потребитель?» («Новости Электротехники» №5(29) 2004) и «Реле серии ЕЛ. Врожденные пороки вряд ли излечимы» («Новости Электротехники» №6(30) 2004) автор ставит под сомнение во-первых, саму целесообразность использования микропроцессорной техники на стороне низкого напряжения, а, во-вторых, возможность этой техники в определении действующего значения напряжения и тока. Он считает, что методами аналоговой техники, такая задача решается и проще и дешевле.
С ним не согласны специалисты компании «Новатек-Электро», которые считают, что такую задачу методами аналоговой техники решить практически невозможно и раскрывают алгоритмы обработки информации своих устройств.
Принцип измернения действующего значения.По определению, квадрат действующего значения сигнала X2равен среднему значению квадрата сигнала
X2= < x( t)2>, (1)
где < > означает усреднение.
Для периодического сигнала x(t+T)=x(t) среднее значение квадрата определяется интегрированием за период сигнала T.
(2)
Задача реле напряжения: определить действующее значение напряжения и в зависимости от его величины принять определеное решение. Определение действующего значения и принятие решений можно производить или аналоговыми или цифровыми методами.
Аналоговые методы
а) получить из входного сигнала с помощью различных аналоговых модулей требуемый выходной сигнал.
б) по величине выходного сигнала принять решение
Цифровые методы
а) ввести массив величин значений сигнала (отсчетов).
б) провести математическую обработку отсчетов.
в) сформировать числовую величину и принять по ней решение.
Методами аналоговой схемотехники можно легко производить интегрирование аналоговых сигналов. Имея входной сигнал y( t) можно сравнительно просто на операционном усилителе реализовать интегратор, выполняющий преобразование сигнала по закону
=?y(t)dt (3)
Такой интегратор можно запускать и сбрасывать в нужные моменты времени. Однако методами аналоговой схемотехники практически невозможно осуществить:
а)операцию возведения сигнала в квадрат, т.е реализовать такой узел, в котором бы осуществлялось преобразование
x(t) -> y(t) = x2(t)
б) операцию извлечения квадратного корня
x(t) -> y(t) =?x(t)
Реализация таких операций требует применения сложных и дорогих узлов, выполненых на специализированных аналоговых микросхемах. Такие аналоговые преобразователи сигналов выполняются на нелинейных элементах, отличаются низкой температурной стабильностью , уходом параметров и нуждаются в периодической подстройке характеристик.
Можно утверждать, что ни в одном из аналоговых реле по настоящему не определяется действующее значение напряжения. Как правило, сигнал выпрямляется и усредняется
=?|x(t)|dt (4)
и полученная таким образом величина используется вместо действующего значения для принятия решений в аналоговых реле.
С помощью современных микроконтроллеров, имеющих встроенные АЦП (аналогово-цифровые преобразователи) можно определять действующее значение сигнала с высокой точностью.
Определение действующего значения напряжения.
Для дискретных сигналов или при дискретном вводе непрерывного сигнала вместо x(t) известны значения x i
сигнал заменяется отсчетами x(t) -> xi ,
интеграл заменяется суммой
(5)
Входное сетевое напряжение через резистивный делитель подается на аналоговый вход микроконтроллера. Микроконтроллер вводит с частотой 10 кН z мгновенные отсчеты напряжения Ui.
По мгновенным отсчетам производится
- слежение за периодом сигнала (напряжения).
- определение действующего значения.
Для определения действующего значения сигнала производится накопление за период суммы квадратов мгновенных отсчетов SUi2. Величины отсчетов возводятся в квадрат и суммируются. Накопленная за период сумма нормируется на количество взятых отсчетов SUi2/ n, из полученной величины извлекается квадратный корень
(6)
Вычисленная величина U линейно пропорциональна действующему значению сетевого напряжения. Коэффициент пропорциональности определяется
а) делителем входного напряжения
б) разрядностью внутреннего АЦП.
в) опорным напряжением АЦП.
Для каждого прибора автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения напряжения в вольтах.
Таким образом только применение микроконтроллеров позволяет создавать массовые, дешевые устройства , с высокой точностью измеряющие действующие значения напряжений.
Особенностью измерения действующего значения напряжений сети является
а) большая величина входного сигнала. Сигнал ослабляется входным делителем, в нем отсутствуют шумы электроники.
б) малый диапазон изменения сигнала. Для принятия решений по сети ~ 220 V достаточно измерять с высокой точностью напряжение в диапазоне 150-300 Вольт, т.е диапазон изменений входного сигнала всего 2 раза.
Для напряжения метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов позволяет с высокой точностью производить измерение действующего значения.
Определение действующего значения тока.
Особенностью измерения действующего значения токов является
а) Малая величина входного сигнала.
Сигнал снимается с различных датчиков ( Холла, трансформаторов тока, шунтов ), как правило удаленных от прибора и требует предварительного усиления. В сигнале присутствуют шумы электроники и постоянные смещения;
б) большой диапазон изменения сигнала. Измеряемые величины тока зависят от включеной нагрузки и могут различаться в 100 – 1000 раз.
Для таких сигналов метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов не обеспечивает требуемую точность. Для задач измерения действующего значения токов применяется метод определения действующего значения по измерению отдельных гармоник сигнала тока. Принципом измерения является свертка входной последовательности отсчетов тока с соответствующей опорной гармоникой, построенной по периоду сетевого напряжения, т.е. строится функция синуса , период которой совпадает с периодом входного напряжения. Это связано с тем, что ток может или вообще отсутствовать или не иметь четко выраженной периодики, а сетевое напряжение всегда имеет четко выраженную периодичность.
Отсчеты входного сигнала x i сворачивается с синусом первой гармоники sin( t i)
(7)
Аналогично сигнал сворачивается с косинусом первой гармоники
(8)
Смысл различия синуса и косинуса заключается в том, что это две взаимо ортогональные функции
(9)
Соотношение величин S1и С1определяется сдвигом фаз между измеряемым током и напряжением, что позволяет измерять сдвиги фаз между токами и напряжениями, а также и сдвиги фаз между токами ( в трехфазной нагрузке).
Величина
(10)
линейно пропорциональна действующему значению первой гармоники тока.
Аналогично проводится свертки с кратными опорными гармониками и определяются действующие значения 3-й, 5-й, 7-й гармоник входного сигнала.
Величина
(11)
линейно пропорциональна действующему значению тока.
В прибор автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения тока в амперах.Количество гармоник включаемых в анализ зависит от возможностей микроконтроллера по скорости ввода информации и проведению вычислений. Для дешевых приборов достаточно ограничиться 7-й гармоникой, так как опыт показывает, что в реальных токовых сигналах суммарная мощность гармоник выше 7 не превышает долей процента и их исключение не влияет на точность определения действующего значения и принятия решений.
Применение универсальных микроконтроллеров с аналоговыми входами позволяет создавать дешевые и надежные устройства контроля, с высокой точностью измеряющие действующие значения входных величин.
Реле напряжения и тока на микроконтроллерах отличаются высокой стабильностью, долгим сроком службы и не требуют подстройки параметров в течение всего срока эксплуатации.
Schneider Electric нашей электрике не указчик.
Во второй из вышеуказанных статей В. Сушко прозвучала не только критика в адрес отечественных микропроцессорных устройств, но и утверждения о том, что западные производители, особенно Schneider Electric, пошли в плане надежности и точности измерений значительно дальше. Действительность же показывает совершенно обратную картину и позволяет нам утверждать, что у указанного производителя в измерительной цепи используются аналоговые (пороговые) элементы, не способные в принципе произвести надежные измерения, особенно в проблемных сетях.
Испытательным Центром Железнодорожной Автоматики и Телемеханики (ИЦ ЖАТ ПГУПС) при Петербургском Государственном Университете Путей Сообщения производился выбор поставщика реле напряжения на современной элементной базе для замены дискретных устройств сертифицированных еще в 60-х годах прошлого века. Их выбор остановился на трех производителях реле: Меандр, Schneider Electric, Новатек-Электро. Испытания проводились по ГОСТ Р 50656-2001, предусматривающем более жесткие параметры испытаний, чем испытания для устройств общепромышленного назначения. Согласно этому ГОСТу указанные устройства относятся к техническим средствам, непосредственно не влияющим на безопасность движения поездов и предполагаемое место их эксплуатации характеризуется жесткой электромагнитной обстановкойтретьего класса ТС ЖАТи должно функционироватьскритерием качества Впри воздействии помех со степенями жесткости, предусмотренными для данного класса.
Для ТС ЖАТ третьего класса предусмотрены следующие максимальные параметры испытательных воздействий:
Электростатические разряды по ГОСТ Р 51317.4.2-99
Амплитуда напряжения импульса контактного разряда + 6 кВ
Амплитуда напряжения импульса воздушного разряда + 8 кВ
Наносекундные импульсные помехи по ГОСТ Р 51317.4.4-99
Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях питания и заземления + 2 кВ
Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях ввода/вывода + 1 кВ
Микросекундные импульсные помехи большой энергии по ГОСТ Р 51317.4.5-99
Амплитуда напряжения импульса «провод – земля» + 2 кВ
Амплитуда напряжения импульса «провод – провод» + 1 кВ
Амплитуда напряжения импульса на порты ввода-вывода + 1 кВ
Динамические изменения напряжения электропитания по ГОСТ Р 51317.4.11-99
Испытательное напряжение и длительность воздействия при:
провале напряжения питания 0,7 Uном в течение 1 с;
прерывание напряжения питания с критерием В 0 Uном в течение 1,3 с;
выбросе напряжения питания 1,2 Uном в течение 1 с.
Магнитное поле промышленной частоты по ГОСТ Р 50648-94
Длительное магнитное поле 30 А/м
Кратковременное магнитное поле 300 А/м
Радиочастотное электромагнитное поле по ГОСТ Р 51317.4.3-99
Напряженность поля в полосе частот 80 - 1000 МГц 10 В/м
Напряженность поля в полосе частот 800 - 960 МГц и 1,4 - 2 ГГц 30 В/м
Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными
полями по ГОСТ Р 51317.4.6-99
Испытательное напряжение в полосе частот 0,15 - 80 МГц 10 В
Кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 кГц по ГОСТ Р 51317.4.16-2000
Длительное напряжение помехи на частоте 50 Гц 30 В
Кратковременное напряжение помехи на частоте 50 Гц 100 В
Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 Гц 100-10 1) В
Длительное напряжение помехи в полосе частот 150-1500 Гц 10 В
Длительное напряжение помехи в полосе частот 1,5-15 кГц 10-100 2) В
Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 кГц 100 В
Примечания: 1) испытательное напряжение уменьшается на 20 дБ/декада,
2) испытательное напряжение возрастает на 20 дБ/декада.
Испытания дали следующие результаты: реле непряжения производства Меандр, сгорели (в прямом смысле) после первого же испытания, реле производства Schneider Electric не дали ни одного надежного срабатывания ни по одному параметру, реле Новатек-Электро прошли все испытания. В результате заказчик остановился именно на них и сейчас эти реле сертифицированы в составе комплетного устройства автоматики для железной дороги.
