Masurarea Puterii Active In Circuite Trifazate de Curent Alternativ

CAP.1. TEMA DE PROIECT

Sa se realizeze un instrument virtual care sa masoare puterea activa in circuite trifazate de curent alternativ cu frecventa 50 Hz.

Tensiunea de intrare proportionala cu curentul maxim prin circuitul de masurat are valoarea de 5V pe fiecare faza.

Tensiunea de intrare corespunzatoare tensiunii maxime Umax=240V din ciruit are valoarea 5V.

Se va utiliza o placa de achizitie National Instrument PCI 6221,iar programul de achizitie va fi realizat in modul de programare LabView.

CAP.2 ARHITECTURA SISTEMELOR DE ACHIZITIE SI GENERARE DE DATE ANALOGICE

Un sistem de instrumentatie (fig.2.1) contine urmatoarele blocuri:

sistem de achizitie de date analogice (DAS)-este destinat citirii datelor in forma analogica;aceste date pot proveni de la traductoare si adaptoare de masura.

sistem de generare de date analogice (DGS)-este principalul mijloc de obtinere a unor comenzi in forma analogica;semnalele astfel obtinute pot fi aplicate elementelor de executie sau pot fi afisate pe inscriptoare,monitoare TV analogice,etc.

intrari/iesiri numerice (DIO)-se utilizeaza la conectarea cu echipamente numerice sau la interfatarea cu elemente de comutare comandate electric.

Un sistem de instrumentatie modern este de neconceput fara o unitate de control echipata cu microprocesor;tehnicile de interfatare actuale impun controlere inteligente,cu putere de calcul proprie.

microcomputer ( C)-este partea de calcul care poate realiza atat procesarea locala a datelor, cat si comunicarea cu alte sisteme;aici prin microcomputer se intelege o arhitectura de calcul mono- sau multiprocesor sau microcontrole

fig2.1 Structura simplificata a unui sistem de instrumentatie

In continuare,vor fi analizate atat structura modulelor de achizitie si generare de date,cat si principalele tehnici de interfatare ce fac posibila realizarea sistemelor de instrumentatie actuale (dedicate sau de uz general).

fig. 2.2 Sistem de achizitii de date monocanal

2.1.SISTEME DE ACHIZITIE DE DATE (DAS)

Convertorul analog-numeric este partea esentiala a unui DAS,si la limita este chiar si cea mai simpla forma a sa.Pe langa convertor A/N,un DAS mai contine si circuite de conditionare a semnelor (programabile sau nu).Un DAS este carecterizat de:rezolutia conversiei,numarul de canale analogice de intrare,rata de esantionare/canal,rata de transfer a DAS,posibilitati de conditionare a semnelor de intrare,etc.

DAS monocanal (fig2.2) are doar o singura intrare analogica asimetrica sau diferentiala;in forma cea mai simpla,poate fi doar un convertor A/N si o interfata minimala.Blocul de conditionare realizeaza functii cum ar fi:atenuare/amlificare,toate celelalte operatii se pot realiza numeric.Circuitul de esantionare si memorare (SHC) asigura mentinerea constanta a semnalului pe durata conversiei.Rezolutia si rata conversiei impun alegerea convertorului A/N si a circuitelor de comanda.

DAS multicanal cu multiplexare numerica(fig2.3) consta in mai multe DAS monocanal ce pot functiona atat independent,cat si corelat,prin comenzi adecvate,furnizate de o logica de control.Se pot prelua semnale in faza,pana la frecvente de esantionare apropiate de cele permise de convertoare.O structura similara este avantajoasa in sistemele cu transmitere la distanta a informatiei convertite;in acest caz multiplexarea se face in camera de control.

Fig. 2.3 DAS multicanal cu multiplexare numerica si esantionare simultana

fig2.4 DAS multicanal cu multiplexare analogical si esantionare simultana

DAS multicanal cu multiplexare analogica si esantionare simultana(fig2.4) este utilizat in aplicatii de viteza medie,unde se cer date achizitionate in faza.Convertorul trebuie sa aiba o viteza suficienta pentru a prelua valorile memorate de circuitele de esantionare si memorare,fara ca acestea sa se altereze semnificativ.Dezavantajul costului mai ridicat al convertorului A/N (mai rapid) este compensat de faptul ca se utilizeaza doar un singur circuit.Deoarece este posibil ca procesorul (sau programul de achizitie) sa nu fie suficient de rapid,aceste sisteme de achizitie utilizeaza memorii tampon ce sunt incarcate sub controlul logicii proprii (cu ajutorul unui secventiator cablat).Ulterior esantioanele sunt preluate din aceste memorii prin program sau prin DMA.In momentul actual,mai multe firme produc sisteme de achizitie cu multiplexare analogical si esantionare simultana integrate.Un astfel de circuit este MAX 155/156,DAS de 8 biti,este interfatabil direct cu microprocesoare,este configurabil software,are 8 canale de intrare si o viteza medie (cca. 3,6 s/esantioane) ;circuitul,realizat in tehnologie monolitica,este produs de firma MAXIM [27].

DAS multicanal cu multiplexare analogica si esantionare secventiala(fig.2.5) reprezinta o simplificare a celui precedent si poate fi utilizat acolo unde nu intereseaza corelatia temporala a semnelor de la intrarile analogice.Pentru a ridica viteza de achizitie,in timp ce esantionul unui canal este convertit,multiplexorul selecteaza urmatorul canal.Logica de control asigura secventierea corecta a operatiilor de esantionare,conversie si multiplexare,permitand sincronizarea unor infurmatii de stare corespunzatoare.

fig2.5 DAS multicanal cu multiplexare analogical si esantionare secventiala

Selectia canalului se poate face software sau cu o logica suplimentara de autoscanare.Acest tip de DAS este foarte raspandit,datorita unui bun raport performanta/cost,si a faptului ca pot fi realizate multe clase de aplicatii in cele mai diverse domenii.Practic,majoritatea firmelor producatoare de circuite pentru instrumentatie produc astfel de sisteme de achizitie.

2.2SISTEME DE GENERARE A DATELOR

Un DGS are drept scop furnizarea semnalelor electrice necesare comenzii elementelor de executie pentru controlul unui proces.Un DGS este caracterizat de:rezolutia semnalelor de iesire,numarul canalelor analogice,rata de generare,timpul de stabilire pe fiecare canal,etc.

DGS cu distribuire numerica (fig.2.6) contine cate un convertor numeric-analogic (CNA) pe fiecare canal si o logica numerica,ce asigura distributia esantioanelor numerice in registrele (BA) asociate fiecarui CAN.Daca momentul schimbarii datelor de iesire trebuie sa fie acelasi pentru toate canalele,se prevede un tampon suplimentar (BB) pentru fiecare canal,iar incarcarea se va face simultan (prin comenzi in faza).Schemele cu doua tampoane sunt utile si la comunicarea la distanta a semnalelor analogice.Filtrele de iesire (F) au rolul de netezire;daca rata de generare este constanta,filtrele sunt fixe;in caz contrar filtrele trebuie sa fie acordabile.

DGS cu distribuire analogical (fig.2.7) folosesc circuite de esantionare si memorare pentru retinerea valorii analogice a iesirii,pana la inscrierea unui nou esantion.Este necesar ca baleierea iesirilor sa se faca suficient de rapid,pentru a permite “reimprospatarea” memoriilor analogice (condensatorii circuitelor de esantionare si memorare);din acest motiv aceasta operatie se realizeaza hardware.

fig 2.6 DGS multicanal cu distribuire numerica

Datorita scaderii pretului de cost al convertoarelor N/A prima solutie s-a impus in majoritatea sistemelor de instrumentatie actuale;avantajul evident al acesteia este simplitatea comenzii si adaptarea simpla la structurile de calcul bazate pe microprocesoare sau microcontrolere.Exista DGS multicanal in varianta monolitica,produse de o serie de firme specializate in circuite de instrumentatie.

2.3.TEHNICI DE INTERFATARE

Realizarea unor configuratii de instrumentatie complexe ridica probleme de interconectare deosebite.Se cunosc doua solutii cu larga raspandire: conectarea directa (interna)pe magistrala calculatorului si conectarea externa printr-o interfata de comunicatie standardizata(RS-232,RS-422,IEEE-488).

Conectarea interna (fig.2.8) prezinta o serie de avantaje:viteza mare datorita conectarii sistemului direct pe magistrala calculatorului gazda,pret de cost si gabarit mic;dezavantajele majore al acestei metode constau in sensibilitatea la zgomote (prin plasarea interfetei in interiorul unui mediu zgomotos) si dificultatea achizitiei de date la distanta.

Conectarea externa (fig.2.9 )prezinta urmatoarele avantaje:poate fi configurat un sistem oricat de complex,subsistemul de achizitie poate fi plasat la distanta (cat mai aproape de locul de prelevare al marimilor de masurat),subsistemul de achizitie poate fi interfatat practic cu orice tip de calculator;dezavantajul principal il constituie pretul de cost mai ridicat.

Se constata ca solutia interna sta la baza sistemelor de instrumentatie sau control inteligente,inclusive cele ce folosesc comunicarea externa,deoarece aceasta din urma impune un protocol complex si o gama larga de prelucrari,imposibil de realizat fara un proces local pe a carui magistrala sa fie plasate DAS si DGS.

Tehnicile de interfatare reunesc totalitatea solutiilor hardware si software de interconectare a subansamblurilor unui sistem de instrumentatie,astfel incat acestea sa functioneze intr-o maniera coordonata si compatibila.Diverse firme realizeaza module integrate de achizitie si generare de semnal,cat si pachete de programe destinate utilizarii acestora.

Exista patru metode de interfatare utilizate in conectarea DAS si DGS pe magistrala;aceste metode se aleg in functie de performantele si costul sistemului,dupa cum va fi prezentat in continuare.

fig 2.8 Conectarea interna a unui sistem de achizitie de date

Fig.2.9.Conectarea externa a unui sistem de achizitie de date

Fig.2.10 Interfatarea in bucla programata hardware (a) si organigrama achizitiei de date (b)

Bucla programata (fig 2.10) este cea mai simpla metoda,utilizabila in toate sistemele simple unde se cer rate de conversie scazute (1…5kHz) si nu foarte precise.Controlul conversiei si al ratei este software (fig.2 10b).Initierea conversiei se face prin program,cu o instructiune OUT,a carei decodificare produce impulsul SC,aplicat direct convertorului A/N.Sfarsitul sau este testat citind,tot prin program,un registru de stare,cu o instructiune IN,a carei decodificare produce impulsul ST,ce deschide (pe durata citirii starii),un tampon 2-State intre linia EOC si magistrala de date.La trecerea OC=1,datele convertite trec in registrul RAD de unde se pot citi cu o instructiune IN,carei decodificare genereaza impulsul AD;acesta deschide iesirile registrului RAD pe magistrala locala de date,de unde sunt directionate pe magistrala sistemului cu microprocesor prin tamponul DB.

Schema din fig.2.10a este completata cu un convertor N/A,a carui comanda se realizeaza extreme de simplu,prin instructiunea OUTde trimitere a valorii esantionului catre CNA;decodificarea acesteia produce impulsul DA ce determina incarcarea datelor intr-un registru de memorare(RDA) pana la o noua inscriere realizata similar.

Imposibilitatea stabilirii unei rate de conversie precise este principalul dezavantaj al metodei de interfatare descrise;buclele de intarziere obtinute prin program sunt putin controlabile si instabile (depind de particularitatile hardware ale sistemului)

fig 2.11 Interfatarea prin intreruperi cu generator cu rata de converesie

Utilizarea intreruperilor (fig.2.11) permite controlul precis al conversiei prin folosirea unui contor/temporizator programabil, TIM, responsabil de initierea conversiilor la momente de timp izocrone (impulsurile generate de TIM la iesirea O1 sunt aplicate la intrarea SC a convertorului A/N).Sfarsitul fiecarei conversii (EOC) nu mai este testat prin program,ci este trimis spre sistem ca cerere de intrerupere (IntrA),ce va activa secventa de program asociata.Ca si in cazul anterior,incheierea conversieiicultatea achizitiei de date la distanta.

Conectarea externa (fig.2.9 )prezinta urmatoarele avantaje:poate fi configurat un sistem oricat de complex,subsistemul de achizitie poate fi plasat la distanta (cat mai aproape de locul de prelevare al marimilor de masurat),subsistemul de achizitie poate fi interfatat practic cu orice tip de calculator;dezavantajul principal il constituie pretul de cost mai ridicat.

Se constata ca solutia interna sta la baza sistemelor de instrumentatie sau control inteligente,inclusive cele ce folosesc comunicarea externa,deoarece aceasta din urma impune un protocol complex si o gama larga de prelucrari,imposibil de realizat fara un proces local pe a carui magistrala sa fie plasate DAS si DGS.

Tehnicile de interfatare reunesc totalitatea solutiilor hardware si software de interconectare a subansamblurilor unui sistem de instrumentatie,astfel incat acestea sa functioneze intr-o maniera coordonata si compatibila.Diverse firme realizeaza module integrate de achizitie si generare de semnal,cat si pachete de programe destinate utilizarii acestora.

Exista patru metode de interfatare utilizate in conectarea DAS si DGS pe magistrala;aceste metode se aleg in functie de performantele si costul sistemului,dupa cum va fi prezentat in continuare.

fig 2.8 Conectarea interna a unui sistem de achizitie de date

Fig.2.9.Conectarea externa a unui sistem de achizitie de date

Fig.2.10 Interfatarea in bucla programata hardware (a) si organigrama achizitiei de date (b)

Bucla programata (fig 2.10) este cea mai simpla metoda,utilizabila in toate sistemele simple unde se cer rate de conversie scazute (1…5kHz) si nu foarte precise.Controlul conversiei si al ratei este software (fig.2 10b).Initierea conversiei se face prin program,cu o instructiune OUT,a carei decodificare produce impulsul SC,aplicat direct convertorului A/N.Sfarsitul sau este testat citind,tot prin program,un registru de stare,cu o instructiune IN,a carei decodificare produce impulsul ST,ce deschide (pe durata citirii starii),un tampon 2-State intre linia EOC si magistrala de date.La trecerea OC=1,datele convertite trec in registrul RAD de unde se pot citi cu o instructiune IN,carei decodificare genereaza impulsul AD;acesta deschide iesirile registrului RAD pe magistrala locala de date,de unde sunt directionate pe magistrala sistemului cu microprocesor prin tamponul DB.

Schema din fig.2.10a este completata cu un convertor N/A,a carui comanda se realizeaza extreme de simplu,prin instructiunea OUTde trimitere a valorii esantionului catre CNA;decodificarea acesteia produce impulsul DA ce determina incarcarea datelor intr-un registru de memorare(RDA) pana la o noua inscriere realizata similar.

Imposibilitatea stabilirii unei rate de conversie precise este principalul dezavantaj al metodei de interfatare descrise;buclele de intarziere obtinute prin program sunt putin controlabile si instabile (depind de particularitatile hardware ale sistemului)

fig 2.11 Interfatarea prin intreruperi cu generator cu rata de converesie

Utilizarea intreruperilor (fig.2.11) permite controlul precis al conversiei prin folosirea unui contor/temporizator programabil, TIM, responsabil de initierea conversiilor la momente de timp izocrone (impulsurile generate de TIM la iesirea O1 sunt aplicate la intrarea SC a convertorului A/N).Sfarsitul fiecarei conversii (EOC) nu mai este testat prin program,ci este trimis spre sistem ca cerere de intrerupere (IntrA),ce va activa secventa de program asociata.Ca si in cazul anterior,incheierea conversiei antreneaza trecerea EOC in 1,simultan cu incarcarea datelor in registrul de date RAD,de unde acestea vor fi citite in rutina de tratare a intreruperii (cu o instructiune IN,a carei decodificare genereaza impulsul AD de deschidere a iesirilor registrului RAD pe magistrala locala de date).Astfel,se pot obtine usor,rate de conversie precise (TIM e pilotat de un oscillator cu cuart),desi destul de scazute (5…10kHz).

Daca in sistem exista si convertoare N/A,acestea pot fi controlate intr-o maniera asemanatoare,folosind un alt canal al circuitului TIM.Prin program se inscriu datele in registrul RDA,iar actualizarea iesirii CAN se face prin trecerea lor (din RDA) in RDB sub actiunea impulsurilor produse de iesirea O2 a circuitului contor/temporizator.Simultan se genereaza si o intrerupere catre sistem (IntrB),care activeaza o rutina de inscriere a unui esantion in RDA,astfel incat urmatorul impuls,produs de TIM,va gasi datele pregatite pentru actualizare.

Acest tip de interfatare este extrem de utilizat datorita pretului de cost scazut la care se poate obtine achizitia (sau generarea) de date izocrona.Singurul dezavantaj al metodei prezentate consta in gradul mare de ocupare al procesorului la rate de conversie ridicate (acesta consuma prea mult timp in rutinele de tratare a intreruperilor),ceea ce conduce la scaderea randamentului sistemului sau la necesitatea utilizarii unor microprocesoare rapide.

Accesul direct la memorie (DMA) se realizeaza fara controlul direct al procesorului(fig.2.12);dialogul convertor-memorie este asigurat de controlerul DMA,care este capabil sa coordoneze singur tranzactiile pe magistrala;metoda se preteaza la rate de conversii medii si izocrone (10…100kHz).

fig 2.12 Interfatarea combinata DMA/intreruperi

Ca si in cazul precedent,un timer programabil (TIM) va genera impulsurile precise de initiere a conversiilor (O1).Sfarsitul fiecarei conversii (EOC) este trimis spre sistem ca cerere de acces direct la memorie,adresata controlerului DMA.Ca si in cazurile anterioare,la sfarsitul conversiei EOC trece in 1,simultan cu incarcarea datelor in registrul de date RAD,de unde acestea vor fi trimise direct in memoria sistemului sub controlul circuitului DMA.Cu o logica suplimentara,interfata descrisa poate lucra si prin intreruperi,modul de lucru putand fi selectat prin program.

Convertoarele N/A pot fi controlate folosind aceeasi tehnica.Fie-

care ciclu de acces direct la memorie,declansat de iesirea O2 a circuitului contor/temporizator,va adduce un nou esantion in RDA.Acelasi impuls determina si actualizarea iesirii CAN prin transferul datelor din RDA in RDB.Se observa ca aceasta operatie se desfasoara cu un “pas inapoi”:fiecare esantion obtinut la iesirea convertorului N/A reprezinta datele depuse in ciclul DMA anterior.

Metoda de interfatare descrisa este performanta si relativ ieftina.

Ea reclama doar existenta unui controler DMA in sistem (o serie de microprocesoare inglobate dispun de suport DMA incorporate),oferind rate precise si destul de ridicate ,in conditiile unui randament bun al intregului sistem (procesorul nu mai este incarcat cu operatiile de transfer a datelor,ci numai initializarea circuitelor timer si DMA).

Utilizarea unui tampon local FIFO permite realizarea unor rate de conversie ridicate (0,1…10MHz),prin prelucrarea,cu ajutorul unui automat local,a esantioanelor,intr-o memorie locala rapida si cu capacitate suficient de mare pentru a stoca o cantitate semnificativa de date;la umplerea partiala

a tamponului (de obicei la jumatate) se genereaza o cerere de transfer catre sistem,timp in care cealalta portiune a tamponului continua sa se umple;tehnica este cunoscuta sub numele de transfer cu tampoane duble.In general, aceasta metoda se asociaza cu interfatarea prin DMA.

CAP3. TIPURI DE SISTEME DE ACHIZITII DE DATE

3.1 SISTEM DE ACHIZITII DE DATE

CU MULTIPLEXARE TEMPORALA

Cea mai simpla structura de sistem de achizitii de date (Fig 3.1)presupune realizarea muliptexarii temporale. Diferitele semnale analgice de pe cele n canale sunt multiplexate la intrarea circuitului de esantionare – memorare care determina de fiecare data, valoarea unui esantion, in vederea conversiei.

In acest proces, circuitul de esantionare-memorare realizeaza o dubla conversie,mentine constant (in limite de cel mult ±0,5 LSB – Least Significant Bit – bitul eel mai pitin semnijlcativ) semnalul achizitionat la intrarea convertorului analog-digital; permite o utilizare cat mai eficienta a timpului de achizitic, comutarea urmatoruiui canal putand avea loc pe durata cat circuitul de esantionare-memorare se gaseste in starea de memorare si tensiunea sa de iesire este supusa procesului de conversie analog-digitala.

Multiplexorul analogic permite utilizarea unui singur convertor analog-digital, pentru n canale analogice; de regula n este de forma 2k. Multiplexorul este componenta electronica, continand n = 2k comutatoare analogice, ale caror iesiri sunt conectate impreuna, pentru a furniza iesirea unica a multiplexoruiui; numarul de comutatoare determina numarul de intrari aie multiplexoruiui. Comanda de inchdere si de deschidere a comutatoarelor analogice este efectuata prin intermediul a Iog2 n = k intrari de selectie.

Cand dinamica procesuiui de colectare a datelor permite acest lucru, se va mari numarul de canale analogice de intrare, care se pot conecta, prin multiplexare, la acelasi lant de conversie, folosind structuri de tip arbore de multiplexoare, deoarece multiplexoarele semiconductoare analogice sunt utilizabile doar in combinatii 2:1, 4:1, 8:1, 16:1.

Din fig 3.1 se remarca functiunile unitatii centrale. Aceasta trebuie sa determine:

• semnalul de comanda a circuitului de esantionare-memorare;

• semnalul de initiere a conversiei (START) a convertorului analog-digital. La sfarsitul fiecarei conversii, convertorul CA/D furnizeaza un semnal, EOC ( End of Conversion – sfarsitul conversiei), pentru a semnala in exterior ca iesirea numerica este disponibila si stabila; semnalele de selectie a canalului pentru multiplexor, adresarea canalelor de intrare putand fi facuta fie secvential, fie aleatoriu.

fig.3.1 Sisteme de achizitii de date cu multiplexare temporala

Timpul de achizitie pentru, un canal /, TiACH poate fi detcrminat astfel:

TiACH=tEIM+tMUX+tC+tMEM; i=1÷n (3.1)

Semnificatia marimilor ce intervin este urmatoarea:

tEIM – timpul de esantionare-memorare, compus din timpul de comanda si timpul de achizitie;

tmux – timpul din multiplexare, compus din timpul de comanda si din timpul de stabilire al multipIexoruIui;

tc – timpul de conversie, compus din timpul de comanda si din timpul de conversie analog-digitala;

tMEM~timpul de memorare a rezultatelor, obtinut ca suma timpilor de executie a untei instructiuni de citire a rezultatelor de la convertorul analog-digital si a unei instructiuni de scriere a rezultatelor in rnemorie. Pentru n canale de intrari, timpul de esantionare, Tc, se calculeaza:

(3.2)

Sistemul cu multiplexor analogic, care permite accesul secvential al semnalelor, are dezavantajul unei viteze reduse de masurare, solutia fiind in schimb, cea mai ieftina.

Frecventa maxima de esantionare, fe, a acestui sistem de achizitii de date este data de relatia:

(3.3)

Valoarea relativ mica, ceea ce conduce la observatia, conform teoremei esantionarii lui Shannon:

fe≥2*fmax (3.4)

Aceasta arhitectura de sistem de achizitii de date nu pate fi folosita .eficient pentru monitorizarea unor seimnale de frecvanta mare sau rapid variabile in timp.

Trebuie, insa, precizat faplul ca, de obicei, unitatea centrala nu este proprie. sistemului de achizitii de date, ci este mult mat corect sa vorbim de o interfafa de achizitii de date compatibila cu un sistem de calcul compatibil IBM – PC XT/AT, acest sistem cunstituind unitatea centrala de prelucrare.

Un exemplu rcprezentativ de sistem de achizitii de date cu muptiplexare temporala este constituit de sistemul DAS 1600, produs de firma Keithley. Acest sistcm de achizitii de date se compune din:

• interfata de achizitii de date;

*microsistem de calcul, compatibil IBM PC/AT, organizat in jurul
unei magistrale de tip ISA .

Schema bloc a interfetei de achizitii de date DAS 1600 este prezentata in fig. 2.2

Interfata DAS 1600 permite achizitia a 16 semnale de intrare analogice nedifirentiale, .sau a 8 semnale analogice de intrare complet diferentiale, in gama 5V, frecventa maxima de esantionare pentru un canal fiind de 100 kHz.

Selectia modului de lucru (nediferential sau diferential) se face printr-o configurare hardware. Semnalele de selectie a canalului curent esantionat sunt asigurate de o logica de comanda si incrementare, constituita dintr-un numarator ,si circuite auxiliare.Aceasta logica permite atat baleierea secventiala, cat si aleatoare, a canalelor de intrare.

Iesirea multiplexorului analogic este aplicata unui ampljftcator de instrumentatie a carui amplificare este selectabila software, functie de nivelul semnalului de intrare. Amplificarea este comandata prin internediul unui cuvant de doi biti, astfel incat la iesirea amplificatorului de instrumentatie, nivelul semnalului sa fie adus in gama ±5 V. Nivelul optim al amplificarii este stabilit prin utilizarea unui registru de stare, registru care contine si informatii despre canalul de intrare sclectat, .starea procesului de conversie etc. De asemenea, un circuit auxiliar permite selectarea polaritatii semnalului de intrarc. Conversia analog-digitala este reaqlizata pe 12 biti, rezolutia asigurata fiind de 2,44 mV.

Interfata DAS 1600 dispune de doua convertoare digital-analogice

multiplicare pe 12 biti, a caror tensiune de referinta si polaritate a iesirii pot fi selectate hardware. Tensiunea de referinta poale fi furnizata fie de o sursa de referinta -10V sau -5 V, fie de o tensiune cxterna.

Transferul datelor, sub forma numerica in complement fata de doi, catre programul de calcul se face prin intermediul unei interfete DMA al carei nivel de polaritate poate fi configurat hardware.

Subsistemul numeric al interfetei de achizitii de date DAS 1600 este in trei parti compontante:

– logica de control, care include;

registrul de date al convertorului analog-digital si al multiplexorului analogic de intrare;

logica de comanda si incrementare a multiplexorului analogic ;

registrul de stare,

registrul de control (comanda);

logica de selectie a modului de trigger-are a procesului de
achizitie;

logica de ceas cu frecventa de 1 0 MHz;

logica de selectie si decodificare;

logica de gestionare a intreruperilor,

logica de comanda a canalului DMA,

are rolul de a gestiona desfasurarea procesului de achizitie;

interfetele programabile de inirare-iesire, constitute din;

trei contoare programabile de 16 biti, organizate intr-un
circuit 8254 si folosite pentru selectarea frecventei de
esantionare, efectuarea unui numar prestabilit de esantioane;

trei porturi paralele, bidirectionale, dispunand de 8 biti,
organizate intr-un circuit 8258 si folosite ca linii digitale de
intrare-iesire;

un registru de intrare de 4 biti, folosit pentru sincronizarea
externa a comenzilor de achizitie;

un regism de iesire de 4 biti;

Pentru alimentare, interfata DAS 1600 necesita o singura tensiune de celelalte tensiuni, ±15 V, necesare functionarii sunt asigurate de un curent continuu – curent continuu, cu care este echipata interfata. Tensiunea dc rcfcrinta, cu valoarea de -5V, este asigurata de sursa interna, data in convcrtorul analog-digital.

3.2 SISTEM DE ACHIZITIE SINCRONA DE DATE

In arhitectura sistemului de achizitii de date, reprezentat in fig. 3.3, se incearca amplasarea, pe fiecare canal de intrare, a cate unui circuit de esantionare-memorare, E/M in amonte fata de multiplexor. Comanda pentru trecerea in stare de memorare este data simultan, pentru toate circuitele E/M, dupa care iesirilc sunt multiplexate la intrarea convertorului CA/D. Multiplexarea canalelor anulogice de intrare se poate face fie secvential, fie aleator.

Deoarece timpul de asteptare, in vederea conectarii la intrarea convertorului CA/D, poate fi destul de lung, circuitele de E/M trebuie sa prezinte o rata sa de alterare a tensiunii memorate.

Timpul de esantionare, Te, pentru n canale analogice de intrare rezulta:

Te=TiACH=tE /M+n*(tMUX +tC + tMEM)

Se constata scaderea timpului de esantionare in raport cu acela corespunzator arhitecturii cu multiplexare temporala, insa, cu toate acestea Te, timpul esantionare, depinde inca, in mod dramatic, de numarul de canale de intrare, cu care este prevazut sistemul de achizitii de date.

Ca exernplu, in continuare este prezentata arhitectura interfetei de achizitii de date EISA-2000, produsa de firma National Instruments.

Acest sistem rapid de achizitii de date, produs de firma National Instruments, este realizat sub forma unei placi echipate cu un conector compatibil cu magistrale EISA a sistemelor de calcul cornpatibile PC.Viteza maxima de esantionare este:

1 MHz, in cazul esantionarii pe un singur canal;

500 kHz, in cazul esantionarii simultane a doua canale;

250 kHz, in cazul esantionarii simultane a celor patru canale analogice de intrare.

fig3.2. Sistem de achizitie sincrona de date

Procesul de achizitie a datelor, pentru fiecare canal analogic de intrare,poate fi declansat cu ajutorul unor circuite de tip trigger de tip software, analogic (nivelul analogic de trigger-are este programabil pe 10 biti, in alul (-5,12…+5,12)V, cu posibilitatea de alegere a polaritatii) sau digital.

Interfata rapid de achizitii de date EISA-A2000 utilizeaza sistemul de trigger-are in timp real RTSI, elaborat de firma National Instruments, pentru a realiza functionarea mai multor placi de achizitii de date, de tip EISA sau instalate intr-un sistem de calcul. Prin utilizarea unui controller DMA, ata EISA-A200) poate transfera datele direct in memoria sistemului de in modul burst (‘rafala’) cu rate de maxim 16,5 Mocteti/secunda.

Ca domenii generale de aplicatii, interfata EISA-A2000 poate fi

prezentata in aplicatii de laborator sau industriale. Cele patru intrari analogice cu rezolutie de 12 biti, permit utilizarea interfetei pentru analiza, de precizie, de semnal, pentru analiza regimurilor tranzitorii, etc.

3.3 STRUCTURA HARDWARE A INTERFETEI DE ACHIZlTII DE DATE EISA-A 2000

In fig, 3.4 este prezentata schema bloc a interfetei de achizitii de date EISA -A2000.

Circuitele analogice de intrare

Circuitele de esantionare-memorare si convertorul analog-digital, cu rezolutie de 12 biti, permit digitizarea unui esantion o data la o microsecunda. Banda maxima de frecventa a semnalelor de intrare este pentru semnal mic de 4 Mhz, iar de semnal mare de 1,1 MHz. Gama tensiunilor de intrare acceptate de sistem este de ±5V. Selectia tipului de semnal de intrare se face prin program. In cazul optiunii AC, intrarile analogice asigura o rejectie a semnalelor continue de ±30 V

Toate canalele analogice de intrare sunt echipate cu circuite de protectie la supratensiuni de intrare de pana la ±30V, atat in conditii de functionarea interfetei, cat si daca interfata nu este alimentata. Interfata de achizitii EISA-A2000 asigura o rezolutie de 12 biti, ceea ce este echivalent cu o rezolutie analogica de 2,44mV. Este posibila cresterea rezolutiei efective peste 12 biti, folosind generatorul Gauss Dither, implementat pe placa, si medierea esantioanelor achizitionate. Rezolutia este automat crescuta la 16 biti, rezultatul fiind reprezentat in complement fata de doi.

fig.3.3.Schema bloc a interfetei de achizitii de date EISA-2000

Circuitele de autocalibrare

Interfata EISA-A2000 contine un nucleu software de autocalibrare a circuitelor de intrare analogice. Sursa de referinta interna asigura o inalta precizie si stabilitate in timp si cu temperatura. De asemenea, disponibile circuite peniru reglajul de offset pentru fiecare canal, asigurand scaderea erorii de offset la mai putin de 0,25 LSB. Procesul de calibrare nu necesita corexiuni exterioare. Datele necesare pentru efectuarea autoca-librarii sunt memorate intr-un circuit de memorie E2 PROM, amplasat pe placa.

Circuitele analogice si digitale de trigger-are

Interfata EISA-A2000 dispune atat de circuite analogice, cat si digitale de trigger-are pentru declansarea procesului de achizitii de date. Exista trei moduri pentru declansarea convertorului analog-digital, CA/D:

* modal analogic de trigger-are:

Procesul de achizitie este dernarat de un semnal analogic de intrare atunci cand atat nivelul semnalului, cat si polaritatea acestuia, corespund valorilor programate. Un convertor digital-analogic genereaza tensiunea de prag, cu o rezolutie de 10 mV, Se compara nivelul tensiunii de intrare cu aceasta tensiune de prag programata ; conversia este declansata la egalilatea celor doua tensiuni si este, de asemenea, indeplinita conditia de polaritate. Semnalul de trigger analogic poate fi selectat de la oricare dintre cele patru canale analogice de intrare sau de la o intrare externa.

* modul digital de trigger-are

Exista optiunea de a selecta prin program care dintre fronturile semnalului, crescator sau cazator, va declansa procesul de achizitie

* modul software de trigger-are.

Procesul de achizitii de date este declansat prin program.Circuitele de secventializare .si de comanda a conversiei prezinta trei moduri de trigger-are pentru procesul de achizitii de date; modul de lucru pretrigger-are, modul de lucru cu intarziere fata de semnalul de trigger-are : modul de lucru cu posttrigger-are.

In modul de lucru cu pretrigger-are, procesul de achizitie este declansat; prin software', acesta continua, depunand rezultatele intr-un buffer circular pana cand se primeste un semnai de trigger analogic sau digital.

In cel de-al doilea mod de lucru, se poate selecta, prin program, un timp de intarziere, pe durata caruia procesul de achizitie este inhibat, de la primire unui semnal trigger analogic sau digital.

In modul de lucru posttrigger, achizitia incepe dupa ce interfata EISA A2000 primeste un semnal trigger analogic, digital sau software,

Prin combinarea modurilor de lucru, se poate achiziliona un numar pre programat de esantioane, inainte sau dupa indeplinirea unei conditii de triggei are.

Logica de comanda si timing a achizitiei

Aceste circuite genereaza semnalele de secventializare (timing) si de comanda a procesului de achizitie. Timing-ul de conversie multipla analog-digitala este comandat fie de un circuit de tip numarator implementat pe interfata EISA-A2000, fie de un ceas extern de esantionare.

Circuitul de numarare

Este pe 16 biti, si cu el este echipata placa, generand timing-ul necesar pentru conversia analog-digitala. Acest circuit dispune de baze de timp selectabile software, de 200ns, 1µs, 10µs, 100µs, 1ms si 10ms Intervalul minim de esantionare, in cazul operarii monocanal, este de lµs. Daca este necesar in cadrul aplicatiei. numaratorul intern poate inlocuit cu un semnal de ceas de esantionare extern. Numarul de esantioane prelevate in cadrui aplicatiei, pe fiecare canal, este moni- torizat de un numarator pe 32 de biti, care opreste procesul de achizitie la atingerea numarului preprogramat de esanti

cap.4.Măsurarea puterii active și reactive în circuitele trifazate de curent alternativ.

4.1.Teorema generalizată (Blondel) a măsurării

puterilor active și reactive prin metoda celor n și n – 1 wattmetre și varmetre.

Se consideră cazul general al unui receptor constituit din impedanțe

liniare, bilaterale, formând o rețea cu ochiuri care comportă n noduri, alimentată printr-un circuit polifazat cu n conductoare (fig 4.1.a). Puterea aparentă complexă totală S este egală cu suma puterilor date de potențialele nodurilor V1, V2, … , Vn, cu curenții I1, I2, … , In:

Dacă se consideră un punct N de un potențial oarecare (fig.4.1.b) notând cu

U1N, U2N, … , UnN, tensiunile auxiliare de fază, expresia puterii aparente complexe se poate scrie:

Deoarece puterea activă P este partea reală a puterii aparente complexe rezultă:

(4.1)

Deoarece puterea reactivă Q este partea imaginară a puterii aparente complexe rezultă

(4.2)

Relații (4.1) și (4.2) se numesc expresiile cu n termeni ale puterii active, respectiv reactive, într-un circuit polifazat cu n conductoare.

Observații

Puterea activă P, respectiv puterea reactivă Q, totală, într-un circuit

polifazat este egală cu suma a n puteri active, respectiv a n puteri reactive monofazate date de diferența de potențial (tensiunile auxiliare de fază) U1N, U2N, … , UnN, între cele n conductoare și un punct arbitrar ales, N, de potențial oarecare cu curenții de linie I1, I2, … In.

2. Puterea activă P, respectiv puterea reactivă Q într-un circuit polifazat

cu n conductoare se poate măsura prin metoda celor n wattmetre, respectiv varmetre, montate ca în figura 4.2. și anume: bobinele de curent ale aparatelor se montează în serie pe fiecare fază, respectând polaritatea; circuitele de tensiune se conectează cu borna polarizată la același conductor la care se află și borna polarizată de curent, cealaltă extremitate fiind legată la punctul comun N.

Dacă P1, P2, … , Pn, respectiv Q1, Q2, … , Qn, sunt indicațiile celor n

wattmetre, respectiv varmetre, suma reprezintă puterea totală, iar suma reprezintă puterea reactivă totală. De remarcat că unele indicații pot fi în sens contrar gradații scării aparatelor (pentru wattmetre când defazajul este >+/2, iar pentru varmetre când curentul Ik este defazat înaintea tensiunii UkN; pentru citirea indicațiilor se inversează legăturile la circuitul de tensiune, iar puterea se consideră cu semn minus.

Dacă se alege ca punct de referință una din faze rezultă N k,

tensiunile auxiliare devenind tensiunile de linie ale circuitului, (U1N = U1k, U2N = U2k, … , UkN = Ukk = 0, … , UnN = Unk). Relațiile (1) și (2) devin:

(4.3)

(4.4)

Relațiile (4.3) și (4.4) se numesc expresiile cu n – 1 termeni ale puteri active, respectiv reactive într-un circuit polifazat cu n conductoare. Deci puterea activă, respectiv reactivă, se va putea măsura și prin metoda celor n –1 wattmetre, respectiv varmetre conectate ca în figura 4.3, renunțându-se la aparatul de pe faza de referință deoarece Ukk = 0 (bobinele de curent în serie pe fazele 1, 2, …, k – 1, k + 1, … , n, iar circuitele de tensiune se alimentează cu diferențele de potențial între diversele conductoare și faza k de referință). Evident, există n variante ale metodei celor n –1 aparate, deoarece ca fază de referință se poate alege oricare conductor.

Metodele celor n și n – 1 aparate sunt valabile indiferent de gradul de

nesimetrie al tensiunilor de alimentare a circuitului polifazat și de gradul de dezechilibru al curenților de linie.

6. Numărul n – 1 reprezintă numărul minim de aparate care poate fi folosit pentru măsurarea P și Q într-un circuit polifazat cu n conductoare. Numărul n reprezintă numărul maxim de aparate care are sens să fie utilizat.

7. În funcție de punctul N ales arbitrar, puterile monofazate P1, P2, … , Pn, respectiv Q1, Q2, … , Qn, pot să varieze; suma lor rămâne însă mereu constantă deoarece reprezintă puterea totală activă sau reactivă absorbită de receptor.

8. În cazul simetriei totale a circuitului, indicațiile celor n wattmetre sau varmetre, (presupuse identice), devin egale, astfel încât poate fi păstrat un singur aparat: pentru determinarea puterii totale se multiplică indicația acestuia cu n.

4.2. Măsurarea puterilor active într-un circuit

trifazat fără conductor neutru.

Conform teoremei generalizate Blondel, puterea activă într-un circuit trifazat fără conductor neutru, pentru n = 3 conductoare, se poate măsura prin metoda celor n = 3 sau n – 1 = 2 wattmetre.

4.2.1.Metoda celor trei wattmetre.

Se fac următoarele ipoteze inițiale:

tensiunile de alimentare formează un sistem nesimetric (U12 U23 U31) deci, în planul topografic al potențialelor, triunghiul tensiunilor de linie rezultă oarecare;

curenții de linie formează un sistem dezechilibrat (I1 I2 I3);

nu se precizează natura receptorului.

Expresia cu n = 3 termeni a teoremei generalizate Blondel pentru

măsurarea puterii active este:

(4.5)

În figura4.4 se prezintă schema de montaj a wattmetrelor. Punctul N poate ocupa în planul topografic al potențialelor următoarele poziții:

în exteriorul triunghiului tensiunilor de linie, dacă N primește artificial din exterior un anumit potențial (fig 4.5.a);

în interiorul triunghiului, într-o poziție oarecare în funcție de rezistențele circuitelor de tensiune ale wattmetrelor, dacă RWU1RWU2RWU3 (fig 4.5.b), dacă N este lăsat liber;

în centrul de greutate al triunghiului, N G, dacă circuitele de tensiune ale wattmetrelor au rezistențe egale (RWU1=RWU2=RWU3) (fig.4.5. c).

Observație

Valoarea maximă a tensiunilor U1N, U2N, U3N care se aplică circuitelor de tensiune ale celor trei wattmetre poate fi tensiunea de linie a circuitului trifazat (se vor alege deci corespunzător domeniile de măsurare ale aparatelor).

4.2.1.1. Caz particular al metodei celor trei wattmetre.

Metoda unui singur wattmetru.

Se fac următoarele ipoteze inițiale:

tensiunile de alimentare formează un sistem simetric U12=U23=U31=U deci în planul topografic al potențialelor, triunghiul tensiunilor de linie este echilateral (fig.4.6);

curenții de linie formează un sistem echilibrat (I1=I2=I3=I);

deoarece punctul comun al circuitelor de tensiune, aplicând metoda celor trei wattmetre, rezultă în centrul de greutate al triunghiului, tensiunile auxiliare de fază U1N, U2N, U3N, se confundă cu tensiunile stelate ale distribuției trifazate simetrice E1, E2, E3. Tensiunile stelate formează un sistem simetric E1=E2=E3=E;

defazajele dintre tensiunile stelate de fază și curenții de linie sunt egale:

În aceste condiții puterile indicate de cele trei wattmetre sunt egale și

relația (5) devine

(4.6)

Deci puterea activă trifazată poate fi măsurată cu un singur wattmetru cu condiția de a se observa ansamblul celor trei rezistențe egale, în scopul creări unui punct neutru artificial N, situat în centrul de greutate al triunghiului.Rezulta

montajul unui singur wattmetru (fig.4.7) în care RWU este rezistența circuitului său de tensiune, iar Ra, R = Ra + RWU și R = Ra + RWU sunt trei rezistențe adiționale pentru crearea punctului neutru N. Dacă P1 este indicația acestui wattmetru, puterea activă trifazată va fi:

Observații

Metoda unui singur wattmetru nu se aplică la măsurarea puterii

microreceptoarelor (prezența aparatului pe una din faze produce o nesimetrie a sistemului de tensiuni aplicat receptorului).

Dacă punctul neutru al receptorului este accesibil (sarcină simetrică

montată în stea) wattmetrul poate fi conectat cu borna nepolarizată la acest punct neutru, rezistențele auxiliare nemaifiind necesare (fig.4.8)

Măsurarea puterii cu wattmetrul montat indirect, prin intermediul

transformatoarelor de măsură, se realizează conform schemei din figura 4.9.

Wattmetrele monofazate montate permanent în circuite trifazate

echilibrate după schemele din figurile 4.8 și 4.9 au de obicei scara gradată astfel încât să indice direct puterea activă trifazată.

4.2.2. Metoda celor două wattmetre. Wattmetrul electrodinamic trifazat.

Se fac următoarele ipoteze inițiale:

tensiunile de alimentare formează un sistem nesimetric U12U23U31 (triunghiul tensiunilor de linie este oarecare);

curenții de linie formează un sistem dezechilibrat I1I2I3.

Presupunând că se adoptă faza 2 ca referință, deci N 2, tensiunile

auxiliare devin:

U1N = U12, U2N = U22 = 0, U3N = U32.

Teorema lui Blondel (expresia cu n – 1 – 2 termeni) devine:

Corespunzător rezultă schema de montare a celor două wattmetre (fig.4.10) și diagrama fazorială a circuitului (fig.4.11). În cazul particular al unui circuit cu tensiuni simetrice și curenți echilibrați, sunt îndeplinite condițiile:

U12=U23=U31=U; I1=I2=I3=I

Din diagrama fazorială din figura 4.12 rezultă că defazajul dinte U12 și I1 este de 30+, iar defazajul dintre U32 și I3 este de 30– , deci puterile măsurate de cele două wattmetre rezultă:

Observații

Pentru un receptor capacitiv, în expresiile, puterilor P1 și P2 se

modifică semnul defazajului .

Pe baza indicațiilor celor două wattmetre se poate obține defazajul

,cu relația:

Pentru un receptor pur rezistiv, indicațiile celor două wattmetre sunt

egale (P1 = P2) când = 0. Pentru un receptor pur reactiv ( = 90) puterile măsurate de cele două wattmetre sunt egale și de semn contrar ( – P1 = P2), deci puterea activă totală (trifazată) este nulă. Pentru = 60, P1 = 0, deci P = P2.

Din indicațiile celor două wattmetre se poate deduce și puterea reactivă

trifazată:

În scopul măsurări puterii active trifazate cu un singur aparat s-au

construit wattmetre trifazate denumite și wattmetre duble. Wattmetrele duble de tip electrodinamic sunt compuse din două wattmetre monofazate, având bobinele de tensiune cuplate pe același ax (asupra cărora acționează astfel suma cuplurilor date de cele două wattmetre), care sunt conectate în circuit trifazat după schema din figura 4.13.

Măsurarea puteri trifazate cu ajutorul wattmetrelor duble putându-se

aplică atât în cazul circuitelor cu tensiuni nesimetrice și curenți echilibrați, cât și în cazul circuitelor cu tensiuni nesimetrice și curenți dezechilibrați, are o mare răspândită în practică (fig.4.13). Scara wattmetrelor duble este adeseori gradată direct în wați, puterea maximă marcată pe cadran fiind egală P = 1,73 UnIn (Un și In sunt valorile nominale pentru care este construit wattmetrul). În cazul wattmetrelor duble de la laborator scara este extinsă până la o putere 2UnIn corespunzătoare puteri active pe care o poate măsura wattmetrul dublu când este utilizat ca wattmetru monofazat, prin conectarea în serie a bobinelor de curent și în paralel a bobinelor de tensiune.

4.3. Măsurarea puterii active într-un circuit trifazat cu conductor neutru

Conform teoremei lui Blondel pentru măsurarea puterii active se pot adopta metodele celor patru și trei wattmetre (la care se alege ca fază de referință: conductorul neutru). Expresia cu n = 4 termeni a teoremei lui Blondel rezultă

Rezultă deci modul de conectare a celor patru wattmetre (fig.4.14) și diagrama fazorială din figura 4.15. Expresia cu n – 1 termeni a teoremei Blondel rezultă:

Fig.4.14. Metoda celor patru wattmetre

Fig.4.15. Diagrama fazorială a schemei din figura 4.14

Rezultă deci modul de conectare a celor trei wattmetre (fig.4.16) și diagramele fazoriale corespund prezenței respectiv absenței impedanței pe conductorul neutru (fig.4.17 și fig4.18).

Receptorul, în cazul acestor circuite, este de regulă montat în stea și nu conține impedanță, astfel încât cele trei wattmetre din fig.4.16 măsoară fiecare puterea consumată pe faza respectivă. Puterea totală a circuitului este dată de suma indicațiilor celor trei wattmetre:

P = P1 + P2 + P3, (4.7)

Indicațiile wattmetrelor fiind totdeauna pozitive, oricare ar fi dezechilibrul curenților, nesimetria tensiunilor și caracterul sarcinii.

Fig.4.16. Metoda celor trei wattmetre

Fig.4.17. Diagramă fazorială a schemei din figura 4.16 în

cazul unei impedanțe pe conductorul neutru

În scopul măsurări directe a puterii active, trifazate dată de expresia (4.7) se folosesc wattmetre trifazate cu câte trei sisteme active având bobinele de tensiune fixate pe un ax comun care, fiind acționat de toate cele trei cupluri active, produce o deviație proporțională cu puterea totală consumată în circuit (fig.4.19).

În cazul particular al sistemului simetric de tensiuni și sistemului echilibrat de curenții, se poate utiliza metoda unui singur wattmetru (fig 4.20).

Fig.4.18. Diagramă fazorială a schemei din figura 4.16 în

cazul absenței impedanței pe conductorul neutru

Fig.4.19. Wattmetru trifazat cu trei sisteme active (montaj semiindirect, cu transformatoare de curent și rezistențe adiționale – distribuțiile trifazate cu conductor neutru se utilizează practic numai pentru: 220/127V, 380/220V, 500/380V pentru care nu se folosesc transformatoare de tensiune)

Fig.4.20. Metoda unui singur wattmetru pentru măsurarea

temperaturii circuitului trifazat cu conductor neutru

4.4. Măsurarea puterii reactive în circuite trifazate fără conductor neutru.

4.4.1. Metoda celor trei wattmetre în montaj special,

alimentate cu tensiuni auxiliare de fază.

Ipotezele inițiale sunt:

tensiunile de linie care alimentează circuitul trifazat formează un sistem simetric, U12=U23=U31=U (deci triunghiul reprezentativ al fazorilor rezultă echilateral) (fig.4.21);

curenții de linie formează un sistem dezechilbirat: I1I2I3;

nu se fac precizări asupra naturii și conexiunilor receptorului.

Teorema Blondel (expresia cu n = 3 termeni) relativ la măsurarea putrii

reactive este:

Deci:

Fig.4.21. Diagrama fazorială pentru:

U12 = U23 = U31 = U; (b) I1 I2 I3

Fig.4.22. Metoda celor trei wattmetre pentru măsurarea puterilor

active pentru circuite trifazate fără conductor neutru

Se vor determina puterile active P1, P2, P3 echivalente puterilor reactive Q1, Q2, Q3. Deci, din diagrama fazorială urmează să se găsească tensiunile auxiliare care să fie defazate cu /2 în urmă față de tensiunile de bază . Dar U1N E1, U2N E2, U3N E3, punctul N fiind ales chiar în centrul de greutate al triunghiului echilateral. Tensiunile stelate de fază, E1, E2 și E3 formează un sistem simetric, deci E1 = E2 = E3 = E. Din diagrama fazorială se determină tensiunea defazată cu /2 în urmă față de ; aceasta este . Deci puterea reactivă monofazată Q1 este:

în care

,

deci:

.

Analog se determină tensiunile U31 și U12 fiind defazate cu /2 în urmă față de U2N E2 și U3N E3; rapoartele și având aceeași valoare , rezultă:

Puterea reactivă trifazată va fi dată de relația:

Deci, bobinele de curent ale wattmetrelor se montează în serie pe cele trei faze ale circuitului; circuitele de tensiune ale wattmetrelor se alimentează cu tensiunile între fazele următoare celei pe care se montează bobina de curent. (fig.4.22).

4.4.1.1. Caz particular al metodei celor trei wattmetre. Metoda unui singur wattmetru pentru măsurarea puteri reactive.

Ipotezele inițiale sunt:

tensiunile de linie formează un sistem simetric U12 = U23 = U31 = U;

curenți de linie formează un sistem echilibrat I1 = I2 = I3 = I.

Fig.4.23. Diagrama fazorială pentru:

U12 = U23 = U31 = U; (b) I1 = I2 = I3 = I

Fig.4.24. Metoda unui singur wattmetru

pentru măsurarea puterii reactive

Circuitul trifazat este deci cu simetrie totală (de tensiune și curent), astfel

încât din diagrama fazorială din figura 4.23 se observă că puterile P1, P2, P3 au expresiile:

deci puterea reactivă trifazată este:

Deoarece puterile P1, P2, P3 sunt egale, puterea reactivă trifazată se poate măsura cu ajutorul unui singur wattmetru, de exemplu primul, montat ca în figura 4.24 cu bobina de curent pe faza 1, iar circuitul de tensiune conectat între fazele 2 și 3. Puterea Q este egală cu puterea activă indicată de wattmetru P1 multiplicată cu .

4.4.2. Metoda celor două wattmetre în montaj special, alimentate cu tensiuni auxiliare de fază.

Ipotezele inițiale sunt:

tensiunile de linie formează un sistem simetric U12 = U23 = U31 = U;

curenții de linie formează un sistem dezechilibrat I1 I2 I3.

Metoda se bazează pe expresia cu doi termeni a puterii reactive dedusă

din teorema lui Blondel:

sau:

Din diagrama fazorială a circuitului reprezentat în figura 4.25, rezultă că tensiunea defazată cu /2 în urmă față de U12 este , iar tensiunea defazată cu /2 în urmă față de U32 este . Deoarece tensiunile stelate de fază formează un sistem simetric (E1 = E2 = E3 = E), rezultă că raportul

dintre tensiunea de bază U și tensiunea auxiliară de fază E este același pentru ambele wattmetre, deci: K1 = K2 = K = U/E = . Puterea reactivă este:

măsurându-se cu două wattmetre montate ca în figura 4.26. În această schemă tensiunile E1 și E2 se obțin prin crearea punctului neutru artificial N cu ajutorul rezistenței R de valoare egală cu rezistențele circuitelor de tensiune ale celor două wattmetre.

Fig.4.25. Determinarea tensiunilor auxiliare de fază pentru măsurarea

puteri reactive trifazate prin metoda celor două wattmetre

Fig.4.26. Metoda celor două wattmetre pentru

măsurarea puteri reactive trifazate

Fig.4.27. Diagrama fazorială pentru:

(a) U12 = U23 = U31 = U; (b) I1 = I2 = I3 = I

În cazul particular al sistemului echilibrat de curenți (I1 = I2 = I3 = I) pe baza diagramei fazoriale din figura 4.27 se deduc expresiile puterilor active măsurate de cele două wattmetre:

(8)

Observație

Din relațiile (8) se constată că din indicațiile P1 și P2 ale wattmetrelor se pot determina:

puterea reactivă:

puterea activă

defazajul receptorului

4.5. Măsurarea puterii reactive în circuite trifazate cu conductor neutru

În circuitele trifazate cu conductor neutru, alimentat cu tensiuni simetrice se folosește schema cu n –1 = 3 wattmetre, montate în conformitate cu principiul general. Expresia cu trei termeni a teoremei generalizate Blondel este (adoptat din referință

Fig.4.28. Diagrama fazorială pentru un

circuit trifazat cu conductor neutru

Fig.4.29. Metoda celor wattmetre pentru măsurarea puterii

reactive într-un circuit trifazat cu conductor neutru

Din diagrama fazorială (fig.4.28) se deduc tensiunile cu care se alimentează wattmetrele (U23, U31, U12) rezultând schema din figura 4.29. În cazul particular al tensiunilor simetrice și curenților echilibrați, puterea reactivă se poate măsura cu un singur wattmetru (fig.4.30). Pe baza schemelor prezentate se construiesc varmetrele trifazate pentru circuite cu tensiuni simetrice.

Fig.4.30. Metoda unui singur wattmetru pentru măsurarea

puteri reactive într-un circuit trifazat cu conductor neutru

CAP.5.PREZENTAREA GENERALA A PROGRAMULUI

Programul realizeaza achizitia pe sase canale a semnalelor analogice,calculeaza produsul esantioanelor acestora.

Programul este destinat masurarii puterii in circuite trifazate de curent alternativ si va avea doua componente principal

-fereastra panoului cu instrumenete (Panel)

-fereastra blocului diagrama (Diagrama

5.1.FEREASTRA PANOU

fig.5.1.Fereastra panou

Reprezinta o componenta constituita din panoul frontal al aparatului de masura virtual,componenta ce va permite citirea,afisarea valorilor marimii masurate si introducerea unor date de intrare (valori de referinta,valori constante,butoane de comanda,comutatoare etc.).

Aspectul acestei ferestre este reprezentata in fig. 5.1.Se remarca urmatoarele elemente de intrare:

a)elementul de intrare de tip numeric cu ajutorul caruia se stabileste numarul placii de achizitie.

Acest element este necesar pentru ca in caz general pe acelasi calculator pot fi montate mai multe placi de achizitie.

b)element de intrare cu eticheta „canale” –cu ajutorul acestui element se stabilesc canalele pe care se face achizitia.Ordinea de precizare a canalelor elementelor de intrare este ordinea inversa in care se face scanarea.In cazul nostru ordinea este de la 5 la 0,primul canal scanat fiind canalul 0.

Scanarea se face astfel:se preia cate un esantion de pe fiecare canal incepand cu canalul 0 pana la canalul 5,apoi se reia procedeul incepand cu canalul 0.Se achizitioneaza un numar de esantioane corelat cu frecventa de esantionare si cu frecventa semnalului de masurat (50 Hz) astfel incat sa rezulte un numar intreg de esantioane pe fiecare canal.

c)element de intrare de tip numeric cu eticheta „frecventa de esantionare” in care se precizeaza cate scanari se realizeaza intr-o secunda.

d)element de intrare de tip numeric cu eticheta „frecventa de semnal” in care se specifica frecventa semnalului de masurat pentru instrumentul nostru,valoare implicita 50 Hz.

Se remarca urmatoarele elemente de iesire:

a)graficul intrarii:-element de iesire de tip grafic pe care sunt afisate valorile obtinute la fiecare scanare ale tensiunii si curentului preluate din circuitul de masurat.

b)grafic putere:-pe care este afisata valoarea puterii calculate pentru fiecare scanare.

c)element de iesire de tip numeric cu eticheta”val. putere” pe care este afisata valoarea medie a puterii active (V).

d)element de iesire de tip numeric cu eticheta „numar esantioane” pe care este afisat numarul de scanari pe fiecare scanare.

5.2.FEREASTRA DIAGRAMA

fig.5.2.Diagrama

In fereastra diagrama se descriu operatiile pe care le realizeaza programul pornind de la datele de intrare si valorile marimilor achizitionate pe diferite canale.Fiecare operand,operator sau functie este reprezentata printr-o iconica specifica ce va fi prezentata in continuare,ca relatiile dintre acestea fiind reprezentate prin linii de forme si grosimi diferite,corespunzatoare diferitelor tipuri de date.

5.2.1.FUNCTII UTILIZATE IN TIMPUL PROGRAMULUI

Functiile utilizate in timpul programului sunt::

a)AI CONFIG

-prin intermediul careia se realizeaza configurarea placii.

Ca semnal specific este intrarea „Numar esantioane” care permite precizarea dimensiunii memoriei tampon alocata pentru stocarea esantioanelor;implicit dimensiunea tamponului de memorie este 1000.

b)AI START

-lansarea unei achizitii analogice care are ca semnale specificate semnalele de intrare:

-Numar scanari (number of scan to aquire) care permite p-recizarea numarului de scanari ce se vor realiza (mai mic sau egal cu dimensiunea tamponului de memorie a functiei de configurare cu care este conectata functia de start.).

-Rata scanare (scan rate) care permite precizarea frecventei de cahizitie a esantioanelor (in Hz),valoarea implicita fiind 1000 Hz,trebuie mentionat ca aceasta valoare nu trebuie sa depaseasca frecventa maxima de achizitie specifica placii de achizitie.

c)AI READ

-citirea datelor analogice stocate in tampon cu urmatoarele semnale specifice:

-Numar scanari (Number of scan to read ) semnal de intrare care precizeaza numarul de achizitii citite de memoria tampon;in mod implicit in valoarea acestui parametru este -1 care comunica compilatorului sa seteze numarul de scanari citite la o valoare egala cu numarul de scanari realizate de functia Al Start cu care functia respectiva este egala.

-Scalare date (scaled data ) semnal de iesire care permite prezentarea datelor scalate,atunci cand scalarea este necesara,iesirea este un tablou bidimensional in prima dimensiune fiind precizat esantionul,iar in cea de-a doua fiind specificate canalele.

d)AI CLEAR

-stergerea datelor analogice stocate in memoria tampon –semnalele de intrare,iesire sunt cele generate specificate anterior.

AI Config,AI Start,AI Read realizeaza cablajul de simboluri grafice.

e) -reprezinta frecventa de esantionare

f) -reprezinta frecventa de semnal

g) -operatia aritmetica „inmultire”

h) -se imparte 1 la o valoare data de „x”.

– „x” poate fi un numar scalar, un sir de numere etc.

-reprezinta valoarea reciproca a valorii de intrare.

i) -valoarea absoluta.Calculul valorii absolute a unui numar

„x”.

j) -suma elementelor unui vector.Acest simbol grafic

insumeaza toate elementele unui vector.

k) -opreatia aritmetica de „impartire”.

l) -opreatia aritmetica de „adunare”.

m) -elementele de tip matrice

n) – index array-reprezinta un sir de numere.

5.2.2.MODUL DE FUNCTIONARE AL APARATULUI VIRTUAL

Achizitia semnalelor de pe cele 6 canale este realizata prin intermediul functiunilor de configurare AI CONFIG,de pornire AI START ,de citire AI READ si de stergere AI CLEAR a canalelor de intrare.

Configurarea canalelor de achizitie se realizeaza conform cu datele introduse la elementele de intrare placa si canalul, numarul de esantioane achizitionat fiind determinat prin calcul pe baza frecventei de esantionare si a frecventei sau semnalului de masurat.Valoarea esantioanelor este depusa intr-un buffer de memorie dimensionat achizitionat corespunzator.Dupa achizitionarea numarului de esantioane precizat se realizeaza citirea esantioanelor prin intermediul functiei AI READ .Dupa citirea acestora se goleste buffer-ul pentru a permite un nou ciclu de achizitie.Datele achizitionate sunt stocate sub forma unei matrici in care fiecare coloana este corespunzatoare unui canal si fiecare linie unei scanari.Datele achizitiei sunt introduse intr-un ciclu FOR cu un numar de pasi egal cu numarul de scanari.Datele obtinute la fiecare scanare de pe canalul 4 si 5 sunt inmultite ,obtinandu-se o valoare proportionala cu puterea consumata pe faza 1.Datele obtinute la fiecare scanare pe canalele 2 si 3 sunt inmultite ,obtinandu-se o valoare proportionala cu puterea de pe faza 2,iar datele obtinute la fiecare scanare de pe canalul 0 si 1 sunt inmultite obtinandu-se o valoare proportionala cu puterea de pe faza 3.Cele 3 puteri sunt adunate,iar cu valorile obtinute la fiecare scanare realizandu-se o variabila de tip sir.Aceasta metoda de masurare este corespunzatoare masurarii puterii active in circuite trifazate cu 3 conductoare prin metoda celor 3 aparate.Valorile stocate in sir sunt afisate la terminarea masuratorii elementelor de iesire grafic-putere,se realizeaza integrarea numerica cu expresia :

Pmed= (5.1),

unde:

Pi-reprezinta valoarea puterii instantanee obtinute la fiecare scanare.

Δti-reprezinta intervalul de timp dintre 2 scanari.

T-reprezinta perioada semnalului corespunzator frecventei introduse pe la elementulde intrare corespunzator.

Valoarea obtinuta in urma integrarii numerice este afisata la elementul de afisare numerica cu eticheta „valoare putere”.

BIBLIOGRAFIE

1.Ababei St. Masurari electrice si achizitii de date

Editura Tehnica Info,Chisinau,2002.

2.Antoniu M. Masurari electronice,Editura Satya,Iasu,1997.

3.Cottet,Fr. Bazele programarii in LabVIEW,

Editura Matrix Rom,Bucuresti, 1998.

4.Manolescu P. Masurarea electrica a marimilor electrice si

neelectrice,Editura Didactica si Pedagogica ,

Bucuresti,1978.

5.*** Instrumantation Catalog,Mesurement and,

Automation National Instruments,Austin.TX

SUA,1978.

6.*** DAQ PC-LPM-User Manual,National

Instruments,November 1993 Edition

7.*** LabVIEW Data Acquisition Reference

Manual for Windows,NATIONAL

INSTRUMENT,September 1994 Edition