Cechy analizatora mocy PA4000

Tektronix oferuje nowoczesny przyrząd przeznaczony do analizy jakości mocy – PA4000. Jest to wielokanałowy miernik gwarantujący dużą dokładność pomiarów (0,04% dla napięcia i prądu) oraz szeroki zakres mierzonych parametrów. Doskonałe parametry uzyskano dzięki zastosowaniu cyfrowej obróbki sygnałów. Analizator mierzy przebiegi o współczynniku kształtu dochodzącym do 10 i aż 100. harmoniczną sieci energetycznej. Zastosowanie przełączanych boczników pozwoliło wykonywać pomiary na zakresach od mikrowatów do kilowatów z zachowaniem dużej rozdzielczości. Wyposażenie przyrządu w odpowiedni interfejs umożliwia dołączenie analizatora do komputera, na którym można gromadzić dane oraz dokonywać precyzyjnej analizy wyników. Producent oferuje odpowiednie oprogramowanie. Każdy kanał pomiarowy wykorzystuje od 1 do 4 wejść stosowanych w różnych konfiguracjach. Specjalne algorytmy obliczeniowe gwarantują bardzo dokładną detekcję i śledzenie częstotliwości mierzonego przebiegu, nawet wtedy, gdy jest on bardzo zaszumiony. Analizator PA4000 ma jeszcze jedną, bardzo użyteczną cechę – specjalne tryby testowania i dobierania parametrów redukujących do minimum możliwość popełnienia błędu przez użytkownika, a w najgorszym przypadku zabezpieczają przed groźnymi skutkami takich błędów.

Kable pomiarowe są dołączane do gniazd umieszczonych na tylnej ścianie przyrządu. Miernik nie ulega uszkodzeniu po podaniu napięć dochodzących nawet do 1000 V_RMS lub 2000 V_pp. 30-amperowy bocznik zapewnia zaś możliwość mierzenia prądów o natężeniu szczytowym równym nawet 200 A. Dodatkowo, do miernika może być dołączany zewnętrzny przetwornik przeznaczony do pomiaru prądów o natężeniu do 1000 A.

Jednym z najistotniejszych elementów w obwodach pomiaru natężenia prądu jest bocznik. Charakteryzuje się on bardzo precyzyjnie dobraną, małą rezystancją, przez którą w czasie pomiaru płynie duży prąd. Tektronix opracował i opatentował własną technologię Spiral Shunt. Wykonane zgodnie z nią elementy zachowują dużą stabilność i liniowość w dużym zakresie zmian prądu i temperatury. Technologia Spiral Shunt wykazuje przewagę nad innymi rozwiązaniami spotykanymi w podobnych przyrządach. Bocznik tej konstrukcji tworzy bifilarnie nawinięta cewka wykonana z odpowiednio dobranego materiału. Specjalna konstrukcja (fotografia 4) minimalizuje induktancję elementu, co ma znaczenie dla pomiarów wysokich harmonicznych. Zachowane są przy tym dobre warunki odprowadzania ciepła.

Fot. 4. Opatentowana konstrukcja bocznika analizatora PA4000

Poszczególne rodzaje pomiarów wymagają ustawienia wielu parametrów miernika. W analizatorze PA4000 czynność ta może być znacznie uproszczona. Wystarczy podać typ pomiaru, a przyrząd dalej automatycznie dobierze nastawy. Przykładowe tryby pomiarowe to: Normal, Ballast, Standby Power, Integrator, PWM Motor.

Jak widać, PA4000 jest przystosowany m.in. do pomiarów Standby, które wbrew pozorom nie są trywialne. Ten rodzaj pomiarów staje się coraz częściej zauważalny przez producentów sprzętu elektronicznego, gdyż wytwarzane przez nich urządzenia muszą spełniać dość rygorystyczne normy (ENERGY STAR, IEC 62301). Dla pomiarów Standby opracowano bardzo precyzyjne algorytmy, wymagające wielokrotnego powtarzania procedur z zachowaniem odpowiednich odstępów czasowych.

Tryb Balast jest wykorzystywany do pomiarów nowoczesnych systemów oświetleniowych. Ich stateczniki generują zmodulowane przebiegi o dużych częstotliwościach. Z kolei tryb Integrator jest wykorzystywany do pomiarów zużycia energii przez różne rodzaje obciążeń w zadanym czasie.

Analiza harmonicznych jest w mierniku PA4000 prowadzona w czasie rzeczywistym, jednocześnie z pomiarem innych parametrów. Określany jest współczynnik THD, amplituda i faza oraz moc poszczególnych harmonicznych.

Obsługa analizatora PA4000

Wszystkie czynności operatorskie są wykonywane poprzez elementy dostępne na płycie czołowej przyrządu. Są to przyciski Quick View umieszczone z lewej strony wyświetlacza TFT 640×480 punktów. Wyświetlana na nim treść jest wybierana 5 przyciskami funkcyjnymi obsługującymi menu ekranowe. W dalszej części znajduje się grupa przycisków operacyjnych i alfanumerycznych oraz klawiatura numeryczna, służąca także do wyboru operacji obliczeniowych. Na płycie czołowej znajduje się ponadto wyłącznik sieciowy oraz gniazdo USB, do którego można dołączać pamięć Flash (pen drive).

Wyniki pomiarów z poszczególnych kanałów są standardowo wyświetlane w postaci liczbowej w 4-kolumnowej tabeli (fotografia 5). Ekran można też przełączyć w tryb graficzny i obserwować zarejestrowane przebiegi w postaci wykresów (fotografia 6). Obok nich znajdują się liczbowe wyniki pomiaru napięcia, prądu i mocy. Harmoniczne są prezentowane na wykresie słupkowym, jest to typowy rodzaj wykresu dla takiego pomiaru (rysunek 7). Naciskając przyciski z symbolami strzałek wybierane są szczegółowe informacje dotyczące poszczególnych harmonicznych. Zaznaczona w ten sposób harmoniczna jest wyświetlana żółtym kolorem, a dane liczbowe są widoczne w górnej części ekranu.

Fot. 5. Wyniki wyświetlane w postaci tabelarycznej na ekranie analizatora PA4000

Fot. 6. Wyniki wyświetlane w postaci graficznej na ekranie analizatora PA4000

Rys. 7. Wykres harmonicznych

Na podstawie mocy pobieranej przez dany odbiornik energii elektrycznej można obliczyć ilość zużywanej energii w zadanym czasie. Takie obliczenie miałoby jednak znaczenie tylko teoretyczne. Funkcja integratora analizatora PA4000 pozwala zmierzyć dokładnie rzeczywiste zużycie energii z jednoczesnym obliczeniem średniej mocy każdego rodzaju, średniego napięcia, prądu, współczynnika PF itd.

W trybie Vector Screen analizator PA4000 wyświetla wykres wektorowy bardzo dobrze pokazujący przesunięcia fazowe między napięciem i prądem dla każdej z harmonicznych. Możliwe jest wybranie wyświetlania wyłącznie napięcia, prądu lub obu tych wielkości. Tryb wektorowy jest stosowany m.in. do porównywania wybranych harmonicznych z każdego kanału pomiarowego.

Dodatkową, bardzo przydatną cechą funkcjonalną analizatora PA4000 są obliczenia matematyczne. Miernik wykonuje do 30 takich obliczeń. Każda formuła definiująca operację matematyczną zawiera do 100 znaków i może być nazwana 10-znakowym oznaczeniem pozwalającym szybko i czytelnie identyfikować poszczególne obliczenia. W obliczeniach mogą być wykorzystywane m.in. funkcje trygonometryczne, logarytmy, pierwiastki, potęgi. Dostępna jest też stała π.

Precyzyjną analizę danych pomiarowych uwzględniającą szereg typowych dla danego przypadku niuansów wykonuje się często na komputerze. Dane mogą być przekazywane z analizatora PA4000 za pośrednictwem pamięci Flash w postaci plików CSV. Do każdego zestawu danych dołączane są dodatkowe informacje zawierające numer seryjny przyrządu, datę i godzinę wykonania pomiarów. Informacje te pojawiają się w nazwach plików, co ułatwia szybką selekcję danych pobieranych do analizy na komputerze. Przykładowy zestaw danych wczytanych do Excela przedstawiono na rysunku 8.

Rys. 8. Dane pomiarowe analizatora PA4000 wczytane do Excela