روشهای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان در سیستم قدرت AC غیر سینوسی

تجهیزات شبکه انتقال، فوق توزیع و توزیع بنابر گفته کارشناسان، اغلب برای سرویس‌دهی به مشترکانی با بارهای سنتی و کاملاً خطی طراحی و ساخته شده‌اند. به رغم گسترش روزافزون مصرف‌کننده‌های غیرخطی به اعتقاد کارشناسان، هنوز به صورت شفاف، تاثیرات آنها بر روی کاهش عمر کاهش ظرفیت و خطای عملکرد تجهیزات شبکه مورد بررسی قرار نگرفته است.
از مهمترین تجهیزات شبکه قدرت که به طور مستقیم درآمد شرکتهای توزیع و برق‌های منطقه‌ای به آن بستگی دارد- دستگاههای اندازه‌گیری شامل آمپرترها، ولت‌مترها، وات‌مترها و کنتورهای اکتیو و راکتیو هستند.
مقاله ترجمه شده زیر که درباره تجهیزات اندازه‌گیری در شرایط غیر سینوسی است به وسیله شرکت برق و گاز اقیانوس آرام (Company Pacific Gas and Electric) که گاز طبیعی و برق ۱۵ میلیون مشترک را در شمال و مرکز ایالت کالیفرنیا تامین می‌کند منتشر شده است.
این مطلب به وسیله مهندس حمیدرضا محمدزاه مدیر دفتر بازرسی و کنترل کیفیت تجهیزات برق منطقه‌ای خراسان ترجمه و تلخیص شده است.
اغلب تجهیزات اندازه گیری ولتاژ، جریان، و توان در مدارات قدرتAC (جریان متناوب) مبتنی بر این فرض هستند که شکل موج جریان و ولتاژ تقریباً سینوسی است. در صورتیکه این پیش فرض نامعتبر باشد، خطاهای غیر منتظره‌ای بوجود می آید. زمانی که اینگونه خطاها در اندازه گیری ها روی می دهد و در نتیجه وجود بارهای غیر سینوسی پدیده هایی از قبیل اضافه بار(اضافه حرارت) هادیها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات توزیع انرژی الکتریکی به وجود می آید. هنگام تصمیم گیری در مورد اینکه چه دستگاه اندازه‌گیری را خریداری کنیم، موضوع شکل موج غیر سینوسی و اشباع شده ولتاژ و جریان باید یکی از عوامل تصمیم گیری باشد. این موضوع همچنین باید در زمان ارزیابی و تحلیل داده های ثبت شده مد نظر قرار گیرد.
در سالهای اخیر منابع تغذیه غیرخطی در تجهیزات اداری و تجاری، کامپیوترها، ماشینهای تکثیر، دستگاههای صوتی تصویری، سیستمهای روشنایی فلورسنت، دیمرها و سیستمهای کنترل دور موتور به شدت فراگیر شده اند. بارهای خطی عبارتند از لامپهای رایج التهابی و موتورها که سیستمهای توزیع ما اصولاً برای سرویس دهی به آنها طراحی شده اند. بارهای غیرخطی بارهایی هستند که از سیستم تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم، برای کنترل بهتر و صرفه جویی در مصرف انرژی استفاده می‌کنند. این (غیرخطی بودن) یک نقیصه نیست. اما باید در محاسبات و اندازه‌گیری‌ها مد نظر قرار گیرد. در ایالات متحده برای محدود سازی میزان غیرخطی بودن دستگاههای مصرف کننده انرژی الکتریکی، هیچ استانداردی - آنگونه که در اروپا تدوین شده است- وجود ندارد.
● تکنیکهای اندازه گیری مقدار موثر
واژهRMS مخفف عبارت «ریشه دوم متوسط مربعات» است. از نظر ریاضی این عبارت یعنی اینکه مقادیرلحظه ای را به توان دو می رسانید ، از مربعات متوسط گیری میکنید، و سپس جذر این متوسط مربعات را محاسبه می کنید. روش اندازه گیری جریان RMS در جریان متناوب در واقع میزان تاثیر حرارتی عبور جریان متناوب از یک مقاومت (سیم) را اندازه گیری می‌کند. این بسیار مهم است که بدانیم صحت این اندازه گیری به مناسب بودن اندازه هادی ها، ترانسفورماتورها و خازنها بستگی دارد.
دو گزینه رایج برای انتخاب تکنیک اندازه گیری جریان و ولتاژ AC عبارت است از:
ـ روش اندازه‌گیری بر مبنای مقدار متوسط، و روش اندازه گیری بر مبنای مقدار حداکثر. روش اندازه گیری مقدار متوسط، متوسط مقادیر لحظه ای را در یک دوره اندازه گیری مشخص را محاسبه می کند. دستگاههای اندازه گیری حساس به مقدار پیک، بیشترین مقدار لحظه ای را در طی یک دوره اندازه گیری تشخیص می دهند.
اغلب ولت مترهای دیجیتال ارزان قیمت از یکی از روشهای تبدیل مقدار متوسط برای اندازه‌گیری مقدار ولتاژ AC استفاده می کنند. محاسبه مقدار متوسط آسانترین و کم هزینه ترین روش برای تجهیزات اندازه گیری است.
در هردو این تکنیکها، دستگاهها بطور معمول براساس سنجش مقدار RMS برای شکل موجهای کاملاً سینوسی کالیبره میشوند. برای مثال یک ولتمتر حساس به مقدار پیک، معمولاً به گونه ای کالیبره می شود که ۷۰۷/۰ مقدار ولتاژ پیک را نشان دهد. و یک دستگاه اندازه گیری بر مبنای مقدارمتوسط، برای نمایش ۱۱/۱ برابر میزان متوسط کالیبره شده است. در شکل موج سینوسی کامل این مقادیر ثابت انتخاب شده، باعث میشود مقادیر اندازه گیری شده با میزان واقعی RMS کاملاً مطابقت داشته باشد.
● روش تبدیل RMS واقعی
سه تکنیک اندازه گیری مقدار واقعی RMS امروزه مورد استفاده قرار میگیرد. روش حرارتی، روش رقومی(آنالوگ) و روش دیجیتال.
در روش اندازه گیری RMS واقعی حرارتی، سیگنال ورودی از حرارت یک بار مقاومتی استفاده میکند. و میزان حرارت مستقیماً به مقدارRMS شکل موج بستگی دارد. عموماً این پرهزینه ترین روش اندازه گیری مقدار موثر یا RMS است. گرچه روش حرارتی به زمان بسیارطولانی – در حد چند دقیقه - برای محاسبه نیازمند است، که این روش را برای اغلب اندازه گیریهای عملی قدرت غیرکاربردی نشان می دهد. برخی از شرکتهای برق در کانادا از این روش برای محاسبه هزینه برق مصرفی مشترکان بزرگ خود استفاده میکنند. عیب دیگر این روش، این است که باید به طور مکرر برای صحت اندازه‌گیری کالیبره شود.
مبدلهای RMS واقعی آنالوگ: مداری را مورد استفاده قرار میدهد که از ولتاژ (یا جریان) ورودی لگاریتم میگیرد، این مقدار را دو برابر میکند، از آن متوسط‌گیری میکند، و سپس از مقدار نصف متوسط آنتی لگاریتم میگیرد. این روش معادل این است که ولتاژ را به توان دو برسانیم، از مربعات متوسط گیری کنیم، و سپس ریشه دوم (جذر) متوسط ‌ها را محاسبه کنیم.
مقدار ثابت زمانی محاسبات با مدار متوسط گیری تنظیم میشود، و می تواند به صورت نوعی از چند میلی ثانیه تا چندین هزار میلی ثانیه تنظیم شود. مقادیر ثابت زمانی طولانی تر میزان ریپل کمتری در خروجی ایجاد می نماید. اما منجر به کاهش سرعت پاسخگویی می‌شود. تغییرات کوتاه مدت ورودی یک نگرانی مهم در منابع تغذیه کامپیوتراست. مبدل های آنالوگ، همچنین محدودیت هایی در نرخ‌گذرایی و کرست فاکتور دارند. اما در طرح های مدرن اندازه‌گیری توان AC ، این محدودیت ها به ندرت مشکل‌ساز می‌شوند.
مبدلهای RMS واقعی دیجیتال: با سرعت زیاد از سیگنال ورودی نمونه گیری می‌کنند، و این نمونه ها را به مقادیر دیجیتال تبدیل می کنند. غالباًٌ فرکانس نمونه گیری بیشتر از ۱۰۰ برابر فرکانس سیگنال پیش‌بینی می شود. زمانی که می‌خواهیم توانی با فرکانس ۶۰ هرتز را اندازه گیری کنیم، نمونه برداری باید با فرکانسی بیشتر از ۶۰۰۰ هرتز صورت گیرد.
یک پردازشگر، هر کدام از مقادیر نمونه ها را به توان دو میرساند، مقادیر مربعات نمونه های اخیر را جمع میبندد، و سپس از مجموع بدست آمده ریشه دوم می گیرد. اندازه گیری RMS واقعی هر شکل موج دلخواه بسیار هزینه بر است و ثابت زمانی تبدیل میتواند به صورت دلخواه با تنظیم کردن تعداد نمونه های برداشت شده تنظیم شود. استانداردIEEE۱۱۵۹ در خصوص اندازه‌گیری توان، میزان حداقل دوره اندازه گیری مقدار RMS را نیم سیکل تعیین کرده است. اما اغلب دستگاه های اندازه گیری حداقل یک سیکل را برای اندازه‌گیری مقدار موثر مد نظر قرار میدهند. انجام عملیات ریاضی در این حد و به صورت پیوسته، فراتر از توانایی های اغلب دستگاه های سنجش رایج است. از اینرو در این دستگاه ها ترکیبی از روشهای نمونه گیری متفاوت، به صورت متناوب بکارگرفته میشود. گاهی نرخ تناوب این نمونه گیری ها، توسط کاربر قابل برنامه ریزی است. محدودیت دیگر این روش، حجم حافظه مورد نیاز برای ذخیره سازی داده ها و اطلاعات است.
● عوامل بالقوه بروز خطا
خطای پاسخ فرکانسی در اندازه گیری جریان:
ـ حتی هنگامی که پردازشگرها محاسبات دقیقی را بر روی داده ها انجام می‌دهند، به دلیل محدودیت های مربوط به ترانسدیوسرهای جریان که برای جمع آوری مقادیر جریان مورد استفاده قرارگرفته اند، اندازه‌گیری می تواند با خطا همراه باشد. اندازه گیری جریان در مدارهای جریان متناوب، عموماً با استفاده از نوعی ترانسفورماتور جریان انجام می شود. ترانسفورماتورهای جریان دارای پهنای باند محدودی هستند، که این محدودیت در شرایط AC با شکل موج سینوسی نگران کننده نیست. با این وجود در بارهای غیرخطی، هر دو انتهای باند عبور این تجهیزات ]هم حداقل و هم حداکثر فرکانس مجاز[ می توانند بحرانی شوند.
از اینرو اطلاع از محدودیت های ترانسدیوسرهای جریانی که مورد استفاده قرار می‌دهیم، بسیار مهم است. مشکل پهنای باند در ترانسفورماتورهای جریان می تواند با گنجاندن مقاومت شنت در مدار جریان یا استفاده از سنسور اثر هال بر طرف شود.
خطای انتقال فاز در اندازه‌گیری جریان:
ـ علاوه بر وقوع خطای پهنای باند، ترانسفورماتورهای جریان عموماً دارای خطای دیگری به نام خطای انتقال فاز هستند که مقدار آن با فرکانس تغییر می کند. انتقال فاز متغیر با فرکانس، می تواند منجر به بروز خطاهای عمده در اندازه گیری شکل موج شود. میزان خطای انتقال فاز معمولاً برای هارمونیک‌های مرتبه پایین اندک است. اما برای هارمونیک های مرتبه بالاتر افزایش می یابد. به دلایل فوق، درخواست نتایج تست آزمایشگاهی ترانسفورماتورهای جریان، برای اطمینان از صحت پاسخگویی در مقابل پهنای باند فرکانس و دقت کافی در مقابل خطای انتقال فاز. برای تمامی مرتبه های هارمونیکی مورد نیاز، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
روشهای اندازه گیری ضریب قدرت:
ـ ضریب قدرت، نسبت توان حقیقی به توان ظاهری است که به طور سنتی با سنجش زاویه فاز بین بردار جریان و ولتاژ اندازه گیری میشود. این روش برای شکل موجهای غیرسینوسی با خطا همراه است. همیشه مقدار ضریب قدرت قرائت شده به این روش، به خطا بالا است. هنگامی که درصد بالایی بار غیرخطی وجود دارد، خطای اندازه گیری ضریب قدرت به بیش از ۵۰ درصد افزایش پیدا میکند. تنها روش دقیق اندازه گیری ضریب قدرت برای بارهای غیرخطی، متوسط گیری از مقادیر توان لحظه ای و سپس تقسیم کردن آن بر مقدار RMS واقعی جریان و مقدار RMS واقعی ولتاژ است.

منابع:
McEachern, Alexander, Voltage, Current, Power Factor, and Spectrum Measurements on Non-sinusoidal AC Power Circuits, ۱۹۸۷, Basic Measuring Indtruments.
Dugan, R.C., M.F. McGranaghan, S. Santoso, H.W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, ۲nd edition, McGraw Hill, New York, ۲۰۰۳, chap. ۱۱.
برگردان: مهندس حمیدرضا محمدزاده مدیر دفتر بازرسی و کنترل کیفیت تجهیزات برق منطقه‌ای خراسان
منبع: هفته نامه پیک برق
خبرنگار : فاطمه پورآدم

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو