Wszyscy znamy dowcip o krasnoludku, który przychodzi do stacji benzynowej i pyta – Ile kosztuje kropelka benzyny? Nic nie kosztuje – odpowiada uśmiechnięty sprzedawca. To proszę mi nakapać 40 litrów – prosi triumfująco krasnoludek. Podobnie jest z mocą zużywaną przez miliony odbiorników energii w stanie czuwania, czyli pozornego wyłączenia. Pomiar tej mocy nie jest wbrew pozorom trywialny.

Zużycie mocy urządzeń pracujących w trybie standby jest zwykle lekceważone przez użytkowników. Wartość tego parametru podawana w specyfikacjach technicznych sprzętu elektronicznego jest dla użytkownika najczęściej akceptowalnie niska, to znaczy pomijalna w stosunku do mocy zużywanej w trakcie normalnej pracy. Zagadnienie to ma jednak dwa aspekty. Po pierwsze, nie zawsze zapewnienia producentów są prawdziwe, a rzeczywiste parametry mocno odbiegają od wartości podawanych w materiałach reklamowych. Po drugie, nawet jeśli moc standby jednego urządzenia jest dla niego zaniedbywalna, to globalne zużycie takiej mocy w przez wszystkie urządzenia okazuje się nieprawdopodobnie wielkie. Przykładowo, jeśli nie zostaną podjęte żadne środki zaradcze, to w roku 2020 globalne zużycie mocy przez urządzenia pracujące w trybach standby jest szacowane na 50 TWh w skali roku.

Pomiary standby – założenia

Pomiary mocy standby to wbrew pozorom dość skomplikowane zagadnienie wymagające  stosowania specjalistycznej aparatury. Świadczy o tym niewielka liczba producentów oferujących przyrządy dedykowane do takich celów. Opracowanie metodyki pomiarów było przez długi czas utrudnione ze względu na brak jednolitych przepisów i rozporządzeń. Instytucją tworzącą odpowiednie dla takich przepisów normy jest m.in. International Electrotechnical Commision (IEC). Aktualnie obowiązuje druga już wersja dokumentu IEC 62301 Ed.2.0 (Household electrical appliance – Measurement of standby power), który stał się też podstawą do opracowania standardu europejskiego: EN50564:2011 przyjętego 1 kwietnia 2012 roku. Na bazie tych norm (ich wcześniejszych wersji) powstały obowiązujące w Unii Europejskiej rozporządzenia obowiązujące wszystkich producentów sprzętu elektronicznego. Są to: „Rozporządzenie Komisji (WE) Nr 1275/2008 z 17 grudnia 2008 r. zamieszczone w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej oraz Rozporządzenie Komisji (WE) Nr 278/2009 z 6 kwietnia 2009r. zamieszczone w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej.

W normach IEC zakłada się wykonywanie pomiarów trzema podstawowymi metodami, z zastosowaniem:

– próbkowania,

– uśredniania odczytu,

– bezpośredniego odczytu.

Metoda z próbkowaniem jest najszybszą spośród wymienionych. Warunkiem pomiaru jest jednak pełne ustabilizowanie się mocy po przełączeniu badanego urządzenia w tryb standby. Należy o tym pamiętać, gdyż czas ten w pewnej klasie sprzętu może być dość długi. Przyjęto, że odczyty mocy powinny być prowadzone z interwałami nie większymi niż jedna sekunda. W przypadku niestabilnych obciążeń układów zasilających lub fluktuacji mocy wywoływanych innymi czynnikami, zalecane jest zwiększenie szybkości próbkowania, tak by interwały między pomiarami nie były dłuższe niż 0,25 s.

Jeśli moc pobierana nie ulega cyklicznym zmianom, całkowity czas pomiaru powinien być nie krótszy niż 15 minut. Z kolekcji wyników usuwana jest jedna trzecia skrajnych danych, a na podstawie pozostałych dwóch trzecich określana jest stabilność. Jeśli będzie ona niezadowalająca, konieczne jest kontynuowanie pomiaru. Stabilność jest określana na podstawie regresji liniowej wyznaczonej na podstawie kolekcji zebranych próbek. Przyjęto, że dla mocy mniejszych lub równych 1 W nachylenie prostej regresji powinno być mniejsze niż 10 mW/h, natomiast dla mocy większych niż 1 W nachylenie powinno być mniejsze niż 1% mocy mierzonej na godzinę.

Jeśli moc pobierana ulega cyklicznym zmianom, proces zbierania danych pomiarowych musi być poprzedzony co najmniej 10 minutową fazą inicjującą, w której nie są zbierane żadne dane. Wyniki obejmują dwa okresy porównawcze składające się co najmniej z dwóch cykli. Warunek jest jednak taki, aby każdy okres zawierał taką samą liczbę cykli. Ostatnim etapem takiego pomiaru jest uśrednianie wyników.

Metoda z uśrednianiem nie może być stosowana w przypadku cyklicznych zmian obciążenia układów zasilających lub wtedy, gdy czas pomiaru jest ograniczony.Pierwszy etap zapewnia uzyskanie stabilności badanego urządzenia po przełączeniu w tryb standby. Dla sprzętu domowego powinien być nie krótszy niż 30 minut, dla innych urządzeń przyjęto 10 minut. W tej metodzie są stosowane dwa sposoby uzyskiwania wyników: z bezpośrednim uśrednianiem mocy i z akumulacją mocy. Czas pomiaru nie może być krótszy niż 10 minut. Jeśli nie uzyskuje się w nim warunków stabilności należy wydłużyć czas pomiaru.

Metodę z odczytem bezpośrednim stosuje się wtedy, gdy urządzenie badane zachowuje się bardzo stabilnie. Czas pomiaru nie powinien być krótszy niż 30 minut. Odczyt mocy może być prowadzony ręcznie, bezpośrednio z przyrządu. Należy jednak kontrolować stabilność wyników, i w przypadku stwierdzenia wahań wymagane jest wydłużenie czasu pomiaru. 

Inne wymagania

Warunki, jakie powinny być zachowane podczas prowadzenia pomiarów mocy standby obejmują nie tylko parametry elektryczne. Określony jest na przykład także maksymalny przepływ powietrza, który nie powinien być większy niż 0,5 m/s w temperaturze otoczenia 23 ±5^oC. Urządzenia jednofazowe są zasilane napięciem przemiennym 230 V ±1% o częstotliwości 50 Hz ±1%. Dla urządzeń trójfazowych parametry te wynoszą odpowiednio: 400 V ±1%, 50 Hz ±1%.

Mierniki mocy standby Yokogawy

Jednym z wiodących producentów urządzeń wykorzystywanych w pomiarach mocy standby jest Yokogawa. Firma ta dostarcza systemy składające się z miernika mocy (modele: WT310, WT500, WT1800 i WT3000), specjalistycznego oprogramowania oraz opcjonalnie kalibratora zwiększającego dokładność pomiarów. Wszystkie przyrządy realizują opisane wyżej założenia: dokonują pomiaru mocy, określają stabilność wyników, odmierzają wymagane w wybranej metodzie czasy pomiarów itp. Mierniki komunikują się z komputerami za pośrednictwem interfejsów: GPiB, Ethernet, USB lub RS232. Dostępność portów w poszczególnych przyrządach przedstawiono w tabeli 1.

Tab. 1. Interfejsy komunikacyjne mierników mocy rodziny WT

Parametry sieci zasilającej i inne wymagania związane z pomiarami są wybierane automatycznie na podstawie własnej bazy danych po określeniu strefy geograficznej. Przed pomiarami należy te parametry zweryfikować, a także ustawić ewentualnie inne warunki. Rozpoczęcie pomiarów następuje po wciśnięciu przycisku „Start”. Kolejne czynności określone wybraną metodą pomiarową są wykonywane automatycznie, a na koniec generowany jest raport końcowy, który zostaje zapisany we wskazanym folderze w formacie .CSV.

We współczesnych urządzeniach elektronicznych stosowane są powszechnie zasilacze impulsowe. Mierniki mocy muszą więc uwzględniać dość szeroki zakres częstotliwości. Przyrządy Yokogawy analizują widmo do 13. harmonicznej włącznie. Według zaleceń IEC/EN udział tej harmonicznej w stosunku do całkowitej mocy nie powinien być większy niż 2%.

W dokumentach IEC/EN do większości pomiarów zalecana jest metoda z próbkowaniem. Daje ona najszybsze wyniki w przypadku, gdy mierzona moc zachowuje się stabilnie, nie ulega znaczącym fluktuacjom. Oprogramowanie Yokogawy uwzględnia jednak oprócz tej metody również pomiar z uśrednianiem, który może być stosowany, jeśli urządzenie badane nie zachowuje się stabilnie.

W omawianych zagadnieniach problemem jest niepewność pomiarów. W zaleceniach IEC/EN (Aneks D do IEC 62301 Ed 2.0 i EN 50564:2011) określono ją na poziomie 0,026 W. Mierniki Yokogawy spełniają to zalecenie.

Rys. 1. Przykładowe przebiegi napięcia i prądu w badanym urządzeniu