Máy Phân Tích Công Suất Chính Xác Cao 7 Kênh ZES Zimmer LMG671

5. Bộ chuyển đổi tần số:

Cách tránh những cạm bẫy điển hình khi đo biến tần

của Dipl.-Ing. Thomas Jäckle, R&D ZES ZIMMER

Sự tập trung chính trị và công chúng ngày càng tăng vào việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên là một trong những động lực đằng sau việc tăng cường áp dụng Biến tần (VFD) để điều khiển động cơ. Các nhà sản xuất động cơ và hệ thống truyền động đang chịu áp lực phải cải thiện hiệu suất sản phẩm của họ, điều này đòi hỏi phải có thiết bị đo lường và kiểm tra phù hợp để lần lượt định lượng cả mức tiêu thụ và tổn thất. Mặc dù VFD có khả năng cải thiện hiệu quả tổng thể, nhưng chúng cũng làm tăng độ phức tạp và do đó đòi hỏi mức độ phức tạp cao hơn trong phép đo.

Liên quan đến phương pháp đo lường đầy đủ và đánh giá kết quả, đây là một số câu hỏi điển hình:

Mức độ chính xác có thể được ước tính một cách đáng tin cậy như thế nào? Các xung PWM trong thời gian ngắn cũng có thể được đo chính xác không? Cài đặt công cụ ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng như thế nào? Tỷ lệ lấy mẫu có sẵn có đủ cho mục đích này không?

Ghi chú ứng dụng sau đây không chỉ trả lời các câu hỏi trên mà còn cung cấp một số thông tin cơ bản hữu ích về phân tích năng lượng điện nói chung.

Độ không đảm bảo đo liên quan đến phân bố công suất phổ

Việc nhắm mục tiêu cải thiện hiệu quả trong phạm vi phần mười phần trăm chắc chắn đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng các quy trình đo lường được sử dụng. Mọi quan sát tiếp theo liên quan đến công suất cũng áp dụng cho hiệu quả, được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào của một thiết bị nhất định. Các nhà sản xuất máy phân tích công suất thường chỉ xác định độ chính xác cho các tín hiệu hình sin, vì các tiêu chuẩn quốc gia mà thiết bị của họ được truy nguyên chỉ bao gồm như vậy. Bất chấp hạn chế này, vẫn có nhiều cách để ước tính độ không đảm bảo một cách đáng tin cậy cho các tín hiệu điển hình trong thế giới thực.

Phổ công suất ở đầu ra của VFD thể hiện các đặc điểm sau. Mặc dù các giá trị số chính xác là một chức năng của ứng dụng cụ thể, nhưng nguyên tắc quản lý luôn giống hệt nhau.

Hình 1 – Giá trị tuyệt đối và tần số tích lũy (đảo ngược) của công suất tác dụng P theo tần số

Đóng góp chủ yếu vào công suất RMS bắt nguồn từ tần số cơ bản của động cơ. Giả sử hiệu quả hợp lý của sự kết hợp động cơ-truyền động, một phần lớn năng lượng tổng thể sẽ được truyền từ VFD đến động cơ ở tần số này. Nó thường nằm dưới 1000 Hz và hiển thị nội dung sóng hài thấp.

Đóng góp tiếp theo là tần số chuyển đổi của VFD, nằm ở đâu đó giữa vài trăm Hertz (VFD có mức công suất nhiều MW) và 20 kHz (mức công suất kW) và bị ô nhiễm với hàm lượng hài cao do tín hiệu gần như hình chữ nhật. của điều chế độ rộng xung (PWM).

Cuối cùng, một số nội dung tín hiệu có nguồn gốc khác nhau sẽ được tìm thấy ở mức cao trong phạm vi MHz: ví dụ: cộng hưởng trong cuộn dây động cơ gây ra bởi sóng hình chữ nhật, sườn tín hiệu dốc, phản xạ cuối dòng, v.v.

Theo nguyên tắc, công suất tác dụng chỉ có thể được truyền bởi điện áp và dòng điện có cùng tần số. Rõ ràng là nếu động cơ quay thì có công suất tác dụng. Tại và cao hơn tần số chuyển mạch PWM, dòng điện phụ thuộc nhiều vào độ tự cảm và điện dung của cuộn dây cũng như điện dung nối đất của động cơ. Những dòng điện như vậy có thể bị suy giảm và dịch chuyển theo pha – bằng điện cảm hoặc điện dung. Điều quan trọng cần lưu ý là ngay cả trong những điều kiện trường hợp xấu nhất, đóng góp của chúng vào năng lượng hoạt động chỉ là một phần rất nhỏ so với cơ bản. Liên quan đến đầu trên của phổ có thể đo được, bất kỳ dòng điện nào có thể quan sát được sẽ chỉ có cường độ rất hạn chế, kết hợp với điện áp tương đối thấp sẽ chỉ mang lại lượng điện năng không đáng kể, nếu có.

Trong ví dụ của chúng tôi, một động cơ nhỏ đang chạy không tải ở tần số 50Hz (4W). VFD có tần số chuyển mạch là 6 kHz và điều khiển động cơ thông qua cáp dài 100 mét. Các cài đặt không điển hình này đã được chọn để minh họa rõ hơn một số hiện tượng được hiển thị trong Hình 1: Các thành phần tín hiệu của tần số chuyển đổi (6 kHz, 18 kHz, 30 kHz,…) – được đánh dấu bằng màu xanh lam trong sơ đồ – nổi bật rõ ràng hơn như đối với động cơ có tải. Tuy nhiên, biên độ giảm dần trong khoảng từ 6 kHz đến 150 kHz. Sự tăng trở lại sau đó đạt đỉnh ở 310 kHz là do phản xạ do chiều dài cố ý phóng đại của cáp.

Đường cong màu đỏ cho thấy chức năng phân phối tích lũy (đảo ngược) của công suất hoạt động. Phần lớn (87%) là do cơ bản ở tần số 50 Hz, 13% còn lại là do tần số cao hơn. Bắt đầu từ tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi (6 kHz), nguồn điện còn lại sẽ giảm dần. Ví dụ cho thấy một đỉnh cuối cùng ở 310 kHz, sau đó công suất còn lại giảm từ 11% xuống 1%.

Mặc dù biên độ ở 310 kHz thấp hơn so với ở 6 kHz, các phản xạ được phân bổ trên một phần phổ rộng hơn và do đó vượt qua sự đóng góp trực tiếp của tần số chuyển đổi, được minh họa bằng kích thước của vùng màu xanh lam.

Chiều dài cáp 100 mét là khá bất thường, cũng như hiện tượng phản xạ do điều này gây ra và chúng tôi muốn chỉ ra rằng nguyên tắc cơ bản của phép đo này là đúng ngay cả trong những trường hợp thực tế hơn. Để đánh giá chính xác mức độ chính xác, các thành phần quang phổ hiện tại trong hệ thống cần được xác định và đo lường.

Như đã đề cập ở trên, các tham số được sử dụng không điển hình cho các tình huống trong thế giới thực. Vì phản xạ chủ yếu là một chức năng của chiều dài cáp, nên 100m dây dẫn sẽ là ngoại lệ hơn là quy tắc. Điều quan trọng cần ghi nhớ là nguyên tắc cơ bản: trước khi cố gắng ước tính độ không đảm bảo, cần phải biết sự phân bố phổ của công suất.

Phân tích quang phổ đầu ra của VFD cho phép ước tính mức đóng góp độ chính xác của từng dải tần số. Do tính chất hình sin của nó, thành phần cơ bản, đóng góp chính cho công suất hoạt động, dễ đánh giá nhất. Mặc dù đối với các thành phần tần số cao hơn, chúng ta phải sử dụng phương pháp gần đúng, nhưng các lỗi đưa ra là không đáng kể, như các ví dụ sau đây sẽ chỉ ra.

Ví dụ 1

Giả sử sự phân bố công suất phổ sau đây:

₋          4 W @ 5 Hz fundamental
₋          0.1 W caused by switching frequency and harmonics in the range of 6 kHz to 150 kHz
₋          0.03 W caused by RF effects @ 350 kHz

8W sẽ được giả định cho phạm vi đo công suất. Độ chính xác của phép đo trong bảng bên dưới được lấy từ thông số kỹ thuật của LMG500. Bạn có thể tìm thêm thông tin về tính toán độ không đảm bảo tổng của tín hiệu không phải hình sin trong hướng dẫn sử dụng đi kèm với mỗi máy phân tích công suất ZES ZIMMER.

Measuring accuracy by frequency range for the LMG 500

Frequency range	0.05 Hz…45 Hz, 65 Hz…3 kHz	45 Hz…65 Hz	15 kHz…100 kHz	100 kHz…500 kHz
Accuracy of active power ±(% of reading + % of range)	0.028+0.03	0.015+0.01	0.24+0.3	0.8+1.0

Cơ bản cho thấy độ không đảm bảo là 0,028% của 4 W = 1,12 mW. Mặc dù điều chế độ rộng xung của VFD hoạt động ở 6 kHz, nhưng chúng tôi đã chọn dải từ 15 kHz đến 100 kHz trong Bảng 1 để chuyển đổi tần số và sóng hài. Do đó, việc ước tính hơi quá mức gây ra được bù đắp bằng việc ước tính dưới sai số đối với các tần số trên 100 kHz, điều này giúp đơn giản hóa đáng kể phép tính sau đây. Do đó, tần số chuyển đổi đóng góp độ không đảm bảo là 0,24% của 0,1 W = 0,24 mW và các hiệu ứng RF đóng góp độ không đảm bảo là 0,8% của 0,03 W = 0,24 mW.

Ngoài độ không đảm bảo của các tín hiệu đo được, chúng ta cũng phải xem xét độ không đảm bảo do phạm vi đo đóng góp. Lựa chọn phạm vi được xác định bởi tín hiệu có biên độ cao nhất, tức là 5Hz. Do đó, chúng tôi đạt được 0,03% của 8W = 2,4mW và tổng độ không đảm bảo có thể được tính là 1,12 mW + 0,24 mW + 0,24 mW + 2,4mW = 4mW:

Measuring error from measuring range:	2.40   mW/4 mW            =	60%
Measuring error from fundamental:	1.12   mW/4 mW            =	28%
Measuring error from switching frequency:	0.24   mW/4 mW            =	6%
Measuring error from RF effects:	0.24   mW/4 mW            =	6%

Ví dụ 2

Tương tự như Ví dụ 1, nhưng cơ bản là 50 Hz.

Bây giờ cơ bản đóng góp một sự không chắc chắn là 0,015% của 4W = 0,6mW. Sai số do phạm vi đo giảm xuống 0,01% của 8 W = 0,8 mW. Do đó, tổng độ không đảm bảo trở thành 1,88 mW.

Một lần nữa, những đóng góp không chắc chắn của tín hiệu là

Measuring error from measuring range:	0.80   mW/1.88 mW            =	42%
Measuring error from fundamental:	0.60   mW/1.88 mW            =	32%
Measuring error from switching frequency:	0.24   mW/1.88 mW            =	13%
Measuring error from RF effects:	0.24   mW/1.88 mW            =	13%

Mặc dù các tần số cao hơn hiện có tác động mạnh hơn đến tổng thể, lỗi đo lường xuất phát từ tần số cơ bản ở 50 Hz vẫn chiếm ưu thế. Cho dù lỗi đo từ tần số chuyển đổi được ước tính là 0,24 mW hay 0,3 mW thể hiện sự khác biệt tương đối là 25%, nhưng chỉ dẫn đến sự khác biệt 3% đối với tổng lỗi.

Vẫn cần phải làm rõ cách xác định phân bố phổ chính xác, vì không phải tất cả các thành phần tín hiệu đều là sóng hài. Một cách tiếp cận là sử dụng các bộ lọc: Bắt đầu với bộ lọc thông thấp có tần số cắt thấp hơn tần số chuyển đổi (ví dụ: 1 kHz) để cách ly cơ bản và các sóng hài của nó. Lặp lại với tần số giới hạn cao hơn tần số chuyển đổi nhưng thấp hơn phần RF (ví dụ: 150 kHz). Sự khác biệt giữa cả hai giá trị bằng với sự đóng góp năng lượng của tần số chuyển mạch.

Hình 1 được tạo theo một cách khác: Công cụ Phân tích dạng sóng của ZES ZIMMER (có sẵn dưới dạng tùy chọn cho máy phân tích công suất chính xác LMG500) cung cấp phân tích phổ tần số với độ phân giải có thể định cấu hình. Đối với ví dụ trên, chúng tôi đã chọn 50Hz, dẫn đến phổ công suất rất chi tiết bao gồm 30.000 đường riêng lẻ trong khoảng từ 50Hz đến 1,5MHz.

Tầm quan trọng của chu kỳ / thời gian đo

Có hai lý do có thể cản trở phép đo chính xác số nguyên chu kỳ tín hiệu: Một mặt, đồng bộ hóa có thể bị định cấu hình sai, dẫn đến đồng bộ hóa sai tần số hoặc không có gì cả. Mặt khác, chu kỳ tín hiệu thực sự có thể dài hơn thời lượng của phép đo, trong trường hợp đó chỉ một phần nhỏ của chu kỳ sẽ được ghi lại. Ví dụ: không thể đo chính xác tín hiệu 0,55 Hz trong vòng 1 giây. Trường hợp thứ hai có thể dễ dàng tránh được bằng cách điều chỉnh thời gian chu kỳ của thiết bị.

Trong trường hợp không thể đặt chính xác thời gian đo, có thể giảm sai số đo bằng cách chọn khoảng thời gian dài hơn. Tắt 0,1 chu kỳ dẫn đến sai số tương đối lớn hơn khi đo trên 1,1 chu kỳ so với khi đo trên 100,1 chu kỳ!

Hình 2 – Lỗi giá trị rms của tín hiệu 50 Hz khi đo trong các khoảng thời gian không đồng bộ

Hình 2 minh họa điều này: Giá trị rms (không đổi) của tín hiệu hình sin được đo, bắt đầu từ giao điểm 0 dương. Phép đo càng kéo dài thì độ lệch so với giá trị rms càng nhỏ. Vì lý do đối xứng, sai số co lại theo chu kỳ bằng 0 sau khi một nửa chu kỳ của tín hiệu đi qua. Cứ sau 10 ms, tín hiệu 50 Hz trong hình 2 được đo mà không có lỗi [1].

Biểu đồ cũng cho thấy các trường hợp xấu nhất xảy ra khi vượt quá hoặc giảm giá trị lý tưởng khoảng ¼ chu kỳ tín hiệu. Với điều kiện đồng bộ hóa được đặt đúng cách, mức độ của lỗi kết quả là nhỏ và đã được xem xét trong độ chính xác đo được chỉ định.

Ý nghĩa của tốc độ lấy mẫu trong phân tích công suất

Trước khi đánh giá liệu tốc độ lấy mẫu nhất định có đủ để đo chính xác tất cả các xung của tín hiệu VFD hay không, chúng ta cần xem xét kỹ hơn phương pháp đo và toán học cơ bản. Ghi chú ứng dụng của ZES ZIMMER #105 “Đo công suất và nền tảng lý thuyết của nó“[1] cung cấp phần giới thiệu thuận tiện về chủ đề này. Tóm lại, giá trị rms, giá trị DC, công suất hoạt động và các giá trị khác có thể được coi là đại lượng thống kê khi thảo luận về xử lý tín hiệu số. Chúng có thể được hiểu là giá trị trung bình của tín hiệu (có khả năng được điều hòa, nếu cần). Đây là “bí mật” của máy phân tích công suất: không cần phải thực hiện đúng mọi phép đo đơn lẻ, miễn là giá trị trung bình trên một tập hợp mẫu đủ lớn được tính toán chính xác. Chúng ta hãy lấy ví dụ về giá trị DC của một tín hiệu để minh họa: Về mặt toán học, giá trị DC là trung bình cộng của một tích phân trong một khoảng thời gian nhất định. Trong xử lý tín hiệu số, tích phân là tổng các giá trị mẫu ngẫu nhiên của tín hiệu. Công thức tương tự được sử dụng trong thống kê.

Chúng ta hãy thực hiện một số thí nghiệm tưởng tượng: hãy tưởng tượng một xung rất ngắn có thời lượng 100ns với tần số lặp lại là 16 kHz (tức là một xung cứ sau 62,5 µs). Số hóa tín hiệu này bằng bộ chuyển đổi A/D ở tốc độ 3 MS/s trong 0,5 giây tạo ra 1.500.000 mẫu. Giả sử lấy mẫu ngẫu nhiên – hoàn toàn không đồng bộ với tín hiệu – chúng ta sẽ thấy khoảng 1.500.000/625 = 2.400 mẫu “đánh” xung. Lỗi dự kiến ​​trong khoảng tin cậy 99% chỉ là 6 mẫu. Sai số bổ sung được giới thiệu chỉ là 0,25%, cho phép chúng tôi tính toán tất cả các giá trị mong muốn (hiệu dụng hiệu dụng, công suất hoạt động…) mà không gặp sự cố và với độ chính xác hợp lý – miễn là băng thông tương tự đủ và việc lấy mẫu thực sự là ngẫu nhiên.

Đôi khi, điều này gây ra một số nhầm lẫn liên quan đến định lý lấy mẫu (định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon hoặc định lý lấy mẫu WKS). Định lý lấy mẫu yêu cầu tín hiệu phải được lấy mẫu với tốc độ ít nhất gấp đôi băng thông tín hiệu. Phần thường bị bỏ qua có nội dung: “…để tái tạo lại hoàn toàn tín hiệu.” Do đó, định lý lấy mẫu không áp dụng trong ngữ cảnh của chúng tôi, vì việc tái tạo lại tín hiệu ban đầu là không cần thiết để tính toán các đại lượng mong muốn. Khi tính trung bình, thứ tự của các phép cộng không liên quan (tính giao hoán của phép cộng) đối với kết quả.

Tuy nhiên, trong trường hợp dự định xử lý kỹ thuật số tiếp theo như FFT hoặc lọc, các tiêu chí của định lý lấy mẫu phải được đáp ứng và việc sử dụng bộ lọc khử răng cưa rất được khuyến khích để đảm bảo chúng.

Nguyên tắc cơ bản của lấy mẫu ngẫu nhiên là ghi lại nhiều giá trị hơn mức cần thiết thoạt nhìn. Điều này có thể dẫn đến kết quả đáng kinh ngạc. Ngay trong những năm đầu của phép đo kỹ thuật số, máy đo DC có độ chính xác cao được thiết kế trên cơ sở bộ chuyển đổi A/D 8-bit. Sau đó, tín hiệu được phủ lên bằng nhiễu ngẫu nhiên hoặc sóng răng cưa có biên độ bằng biên độ của bit có ý nghĩa nhỏ nhất (LSB). Thay vì chỉ đo một lần, vốn là đủ ngay từ cái nhìn đầu tiên, tín hiệu thu được đã được lấy mẫu vài nghìn lần.

Kết quả: Thay đổi biên độ DC bằng ví dụ: 1/100 biên độ LSB dẫn đến trung bình thêm một bit được đặt trên 100 giá trị mẫu. Sự khác biệt này đã được tính và hiển thị. Tuy nhiên, một số tiêu chí phải được quan sát: Phần cứng tương tự phải đủ chính xác, nhiễu phải đủ ngẫu nhiên và số lượng mẫu – cơ sở thống kê – lớn đáng kể.

Điều không thể tránh khỏi trong thời kỳ của bộ chuyển đổi A/D 8-bit do thiếu độ phân giải cao hơn ngày nay vẫn còn phù hợp để lấy mẫu ngẫu nhiên trong miền thời gian. Phần cứng tương tự cần phải chính xác và phải cung cấp đủ băng thông. Các mẫu phải là ngẫu nhiên – tức là độc lập tĩnh với tín hiệu và khoảng thời gian đo phải đủ dài.

Mặc dù chúng tôi biết rằng số liệu thống kê cho phép đo các xung ngắn ngay cả với tốc độ lấy mẫu thấp, miễn là thời gian đo đủ dài, thì không thể bỏ qua các định luật vật lý: Bộ chuyển đổi A/D hoạt động ở tốc độ 10 kS/s sẽ khó có được yêu cầu băng thông tương tự để lấy mẫu một xung có thời lượng 1 µs, mạch lấy mẫu và giữ của nó cũng không đủ nhanh và chính xác. Do đó, luôn có lợi khi sử dụng các bộ chuyển đổi có tốc độ lấy mẫu cao. Lấy mẫu sẽ nhanh hơn và do đó tạo ra nhiều kết quả hơn trong một khung thời gian nhất định.

Một khía cạnh khác liên quan đến thời gian đo: như đã đề cập ở trên, các giá trị đo được có đặc tính thống kê mạnh và như với tất cả các số liệu thống kê, số lượng mẫu là yếu tố then chốt đối với chất lượng của kết quả. Tốc độ và thời gian lấy mẫu càng cao thì số lượng mẫu được lấy trong khoảng thời gian đo càng cao. Do đó, tốc độ lấy mẫu cao hơn có thể mang lại kết quả hữu ích và chính xác trong khoảng thời gian tương đối ngắn hơn hoặc đo DUT chính xác hơn.

Để kết luận: khi đo tín hiệu PWM tần số cao, không thể đảm bảo mỗi và mọi xung sẽ được bắt chính xác – nhưng đối với phép đo công suất, điều này cũng không cần thiết. Máy phân tích công suất sẽ tính toán giá trị trung bình thống kê trong thời gian chu kỳ (không thể chọn nhỏ tùy ý) với độ chính xác cao do số lượng mẫu được sử dụng để tính toán cao.

[1] Để hoàn thiện, cần đề cập rằng trong một số hạn chế nhất định được xác định rõ (3 pha đối xứng, thậm chí không có sóng hài), thời gian đo có thể giảm xuống còn 1/6 chu kỳ tín hiệu [2] mà vẫn cho kết quả chính xác .

6. Phân tích công suất trong sản xuất đèn LED và các vật dụng chiếu sáng khác

Trong nỗ lực giảm tiêu thụ năng lượng, bóng đèn được thay thế trên toàn thế giới bằng đèn điện hiệu quả hơn. Mặc dù đối với người tiêu dùng, đây chỉ là một sản phẩm mới trong ổ cắm cũ, nhưng sự khác biệt về điện là rất đáng kể – trái ngược với bóng đèn thông thường, đèn LED và đèn huỳnh quang compact (“đèn tiết kiệm năng lượng”) được điều khiển bằng chấn lưu điện tử đặc biệt. Các chấn lưu này hoạt động một phần với tần số chuyển đổi lên đến 200 kHz và tạo ra biến dạng tín hiệu ở tần số lên đến 1 MHz. Các nhà sản xuất được yêu cầu ngăn chặn phản hồi mạch bất lợi và đảm bảo tuổi thọ tối ưu cho sản phẩm của họ. Để đạt được mục tiêu thứ hai, khởi động ấm có kiểm soát thường được thực hiện, lần lượt việc thực hiện đúng phải được đảm bảo bằng các phép đo.