Sayısal örnekleyici wattmetre

Abstract

Güç ve AC büyüklüklerin doğru ölçümü, elektriksel güç sisteminin tüm seviyelerinde son derece önemlidir ve gerek güç dağıtımından sorumlu olanlar için gerekse tüketiciler için son derecede değerlidir. Yakın zamana kadar, tasarlanan ekipmanlar için gerilim kaynaklarının sinüs olması gerektiği ve yüklerin lineer olduğu öngörülürdü. Dolayısıyla, elde edilen akımın da sinüs şeklinde olması gerekiyordu. Doğruluk taleplerinin artması ve lineer olmayan yüklerin daha yaygın kullanılmasından dolayı, bu yaklaşım artık çoğunlukla geçerli değildir. Lineer olmayan yüklerin ölçümler üzerine etkilerini araştırmak için çeşitli çalışmalar yapılmakta ve gerek sinüs gerekse sinüs olmayan şartlar için güç dağıtım hatları üzerinde enstrüman geliştirilmektedir. Bu çalışmada, sinüs şartlarındaki ölçümlerde kullanılmak üzere, yüksek doğruluğa sahip bir sayısal örnekleyici wattmetrenin geliştirilmesi ve doğrulanması anlatılmaktadır. Geliştirilen wattmetre, çalışma prensibinin uygunluğu ve yüksek doğrulukta ölçüm yapabilmesinden dolayı sinüs olmayan şartlar için de kullanılabilecektir. Gerilim ve akımın sayısal örneklenmesine dayanan elektriksel gücün ölçülmesi ve hesaplanması Clark ve Stockton tarafından 1982 yılında tartışılmıştı. Böyle bir sistemin avantajı; kalibrasyonunun kolay olması ve sayısal çarpmanın hassas olmasından dolayı, analog çarpma prensibiyle çalışan güç ölçüm cihazlarında oluşan lineerite problemlerinin oluşmamasıdır. Ayrıca, bu sinüs olmayan şartlar için de doğru güç ölçümlerine olanak sağlamakta ve farklı harmoniklerin gücünün hesaplanmasını mümkün kılmaktadır. Yalan zamana kadar sayısal örneklemede A-D çeviriminin yavaş olmasından ve hassas doğrulukta olamamasından ve hesaplama için yüksek hıza ihtiyaç duyulmasından kaynaklanan problemler mevcuttu. Son yıllarda örnekleme teknikleri ve Analog-Sayısal-Çevirici (ADC) teknikleri çok hızlı şekilde gelişmiştir. ADC'lerin hassasiyeti ve örnekleme hızları bugün öyle bir dereceye ulaşmıştır ki en hassas voltmetrelerde dahi bu teknik kullanılmaktadır. Ayrıca, bu enstrümanlar genellikleIV pratik data analiz probleminin birçoğunu çözen standart bilgisayar arabirimleriyle donatılmışlardır. Bu çeşit bir sistemde gerilim kanalı, akım kanalı ve bilgisayar arasında ihtiyaç duyulan elektriksel izolasyon da bu enstrümanlar üzerinde düşünülmüştür. Böylece, bu gibi cihazlar, güç ölçmelerinde ihtiyaç duyulan doğru ve hızlı sayısal örnekleme için çok uygun olmaktadırlar. Bu gelişmeden dolayı ve kişisel bilgisayarların hesaplama kapasitelerinin artmasından dolayı UME'de, ticari olarak alınması mümkün olan cihazların esas alındığı bir sayısal örnekleyici wattmetrenin yapımını hedefleyen bir projeye başlanmasına karar verilmiştir. Bu projede, iki adet Agilent 3458A multimetre bir kişisel bilgisayar ile birlikte kullanılmıştır. Böylece, sistemi kurmakta harcanacak para ve zamandan tasarruf edilmiştir. Ayrıca, diğer ekipman blokları için özen gösterilmiştir. Sistemin doğrulanması, bu uygulama için özellikle önemli olan bu ekipmanların özelliklerinin kontrol edilmesine yoğunlaştırılabilir. Gerilim ve akım örneklemelerinin yeterli miktarda toplanması ve bilgisayara gönderilmesiyle birlikte, birçok parametre değişik hesaplama metotları kullanılarak hesaplanabilmektedir. Bununla birlikte, bu projede kesikli entegrasyon yöntemi kullanılmıştır.Accurate measurement of power and other AC quantities is extremely important at all levels of the electrical power system, and is of value for both power distributors and power consumers. The design of equipment used so far is based on the assumption that the voltage sources are sinusoidal and the loads are linear, so that the resulting current is also sinusoidal. As demands on accuracy have increased and non-linear loads have become more common, this approximation is often no longer valid. Efforts are made to investigate the influence of non-linear loads on measurements and new instrumentation is developed to cope with sinusoidal and non-sinusoidal conditions on the power delivery network. In this work, the development and verification of a digital sampling wattmeter for measurements at sinusoidal conditions at high accuracy level is described. The wattmeter described here has #'ch features as high sampling rate and high accuracy measuring capability that it will be used for non-sinusoidal conditions. Measurement and calculation of electrical power based on digital sampling of, voltage and current have been discussed for some time, e.g. by Cark and Stockton 1982. The advantage of such a system is that it is comparatively easy to calibrate, and that digital multiplication is precise and does not cause linearity problems that could occur in power meters based on analogue multiplication. Furthermore, it enables accurate power measurements in non-sinusoidal situations and makes it possible to calculate the power of the different harmonics. Not so long ago, the problems of the digital sampling were substantial due to the speed and precision required for A-D conversion and speed requirements for the calculations. However, during the last decades sampling techniques and Analog-to- Digital-Converter (ADC) techniques have advanced rapidly. The precision and the sampling rate of ADCs have now increased to such a degree that even some of the most accurate voltmeters use this technique. Moreover, these instruments are oftenVI equipped with standard computer interfaces, which solve much of the practical data acquisition problem. The electrical isolation, which is needed in this kind of system between tie voltage channel, the current channel and the computer, is also taken care of by the instruments. Thus, instruments like these are very well suited for accurate and fast digitizing, as required for power metering. Because of this development and the increasing calculating capability of Personal Computers, UME decided to start a project aimed at building a digital sampling wattmeter based on commercially available equipment. In this project two Agilent 3458A multimeters have been used in conjunction with a PC, thus saving time and money spent on building up the system. Also, the building blocks are already well proven, and verification can be concentrated on checking the properties that are especially important for this application. When a proper set of samples of voltage and current is collected by the multimeters and transferred to the computer a range of parameters can be calculated with different calculation methods. This project, however, has concentrated on one method for calculating the power: the discrete integration method (DI).