Введение к работе
Актуальность работы. Согласно постановлению Правительства РФ №1013 от 13.08.1997 г. электроэнергия является товаром, который характеризуется качеством. Поскольку электроэнергия – это товар, то её качество – это вопрос экономический. Показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и точность их измерения установлены ГОСТ 13109-97 и международным стандартом МЭК 61000-04-30. При измерении ПКЭ применяются специализированные средства измерений (СИ). Для поверки СИ ПКЭ необходим специализированный калибратор. Выпускаемые промышленностью калибраторы предназначены для воспроизведения широкого ряда ПКЭ, включающего в себя параметры фазных напряжений сети, токов и мощности. Однако с точки зрения потребителя электроэнергии, наибольший интерес представляет качество именно напряжения. Из-за своей многофункциональности существующие калибраторы дорогие, их цена составляет от 7000 $ (калибратор «ЭНЕРГОФОРМА 3.3») до 64000 $ (одноканальный калибратор «FLUKE 6100A», для получения трёхфазной системы необходимо три блока) и имеют внушительные массу (от 10 кг до 30 кг) и габариты. В настоящее время на поверочные средства СИ ПКЭ стандартов нет. Поэтому требования к их метрологическим характеристикам (МХ) следует формировать исходя из стандартизованной точности измерения ПКЭ и общих требований к точности поверочных средств. Все ПКЭ, определённые стандартами, зависят либо от действующих значений гармоник сигнала, либо от его частоты, либо от начальной фазы и действующего значения первой гармоники сигнала. Поэтому задача точного воспроизведения ПКЭ сводится к задаче точного воспроизведения отмеченных параметров сетевого напряжения. У калибраторов ПКЭ, выпускаемых промышленно, МХ не являются удовлетворительными в полном объёме. Например, на калибраторы «ЭНЕРГО-ФОРМА 3.3» и «FLUKE 6100А» не нормируются диапазон и точность воспроизведения коэффициентов несимметрии напряжений, а калибраторы «ПАРМА ГС8.031» и «РЕСУРС-К2» имеют неудовлетворительную точность воспроизведения этих ПКЭ.
Таким образом, на рынке отсутствуют доступные средства с полностью удовлетворительными МХ, позволяющие производить поверку СИ ПКЭ при их серийном производстве и эксплуатации, что является препятствием для широкого распространения СИ ПКЭ.
Поэтому актуальной является работа по созданию доступного и удобного в эксплуатации трёхфазного калибратора ПКЭ, ориентированного на напряжение, имеющего полностью удовлетворительные МХ.
По темам, связанным непосредственно с разработкой калибратора ПКЭ, проводились исследования разными авторами. Описывается метод моделирования несимметрии трёхфазной системы путём суммирования отдельно сформированных высокостабильной симметричной системы номинальных напряжений U’A, U’B, U’C и дополнительной системы напряжений U”A, U”B, U”C. Также известен метод воспроизведения сетевого напряжения путём суммирования аналоговых синусоидальных сигналов с изменяющимися во времени действующими значениями. Ограниченные функциональные возможности этих методов делают их непригодными для построения калибратора ПКЭ.
Из литературы известно, что для реализации калибраторов ПКЭ применяется прямой цифровой синтез напряжения (DDS, от англ. Direct Digital Synthesis). Кратко принцип действия DDS можно описать так: аккумулятор фазы либо счётчик, вырабатывает адрес, в соответствии с которым из запоминающего устройства считывается код сигнала, который затем преобразуется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) в значение напряжения. Далее напряжение фильтруется и усиливается. Применение DDS-метода порождает задачу выбора метода регулирования частоты сигнала и задачу учёта влияния на точность воспроизводимых ПКЭ усечения кода аккумулятора фазы, неидеальности ЦАП и усилителя напряжения. Рассмотрение влияния усечения кода АФ на искажения спектра синусоидального напряжения, синтезируемого DDS-методом, в литературе имеется. Однако рассмотрение влияния усечения кода АФ на нестабильность периода (джиттер) и искажения спектра воспроизводимого напряжения для случая, когда DDS-синтезатор применяется в качестве генератора опорной частоты ЦАП, в литературе отсутствует.
В современной литературе по DDS-синтезаторам рассматривается влияние неидеальности ЦАП на их характеристики. Известно, что конечное число разрядов ЦАП приводит к появлению шума квантования, который оценивается действующим значением напряжения шума в полосе частот сигнала. В литературе также рассматриваются выбросы на выходе ЦАП (ложные выбросы и импульсы сквозного цифрового проникновения): описаны причины их возникновения и способы нормирования их площади. Однако искажения спектра сигнала, обусловленные указанными неидеальностями ЦАП, не рассматриваются. Нелинейность функции преобразования ЦАП принято характеризовать параметрами SFDR, THD, INL, первые два из которых характеризуют искажения спектра, но иногда не нормируются. Поэтому возникает задача оценить гармонические искажения ЦАП по INL.
Из литературных источников известно, что источниками нелинейности усилителя напряжения (УН) являются нелинейность его каскадов и саморазогрев резисторов цепи обратной связи. Необходимо найти количественные оценки влияния указанных факторов на характеристики калибратора ПКЭ.
Известно, что одни систематические погрешности калибратора ПКЭ могут быть найдены расчётным путём и скорректированы введением поправочных коэффициентов. Другие систематические погрешности – это систематические погрешности, определение которых требует проведения ряда измерений. Эти погрешности могут быть найдены экспериментальным путём и тоже скорректированы введением поправочных коэффициентов. Возникает задача по разработке методики проведения коррекции систематических погрешностей калибратора ПКЭ, найденных расчётным и экспериментальным путём.
Вопросам разработки калибраторов ПКЭ и анализу DDS-синтезаторов посвящены работы следующих российских и зарубежных авторов: Таранов С. Г., Мирфайзиев О. М., Торосян А. и Вилсон А., Николас Х.Т., Кестер В. и др.
Несмотря на то, что по теме опубликованы некоторые работы, отдельные задачи остаются неисследованными, что препятствует появлению калибратора ПКЭ, соответствующего в полном объёме требованиям, предъявляемым к нему как к поверочному средству. Такими задачами являются: формирование требований к МХ калибратора ПКЭ; классификация способов регулирования частоты в DDS-синтезаторах и выбор наиболее перспективного из них; анализ искажений спектра воспроизводимого напряжения, обусловленных неидеальностью ЦАП и нелинейностью УН; разработка методики коррекции систематических погрешностей калибратора ПКЭ, найденных расчётным и экспериментальным путём.
Цель работы – разработка калибратора ПКЭ, ориентированного на воспроизведение сетевого напряжения, и исследование его погрешностей для более полного удовлетворения требований к метрологическим характеристикам калибратора как к поверочному средству СИ ПКЭ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Формирование требований к метрологическим характеристикам калибратора ПКЭ исходя из стандартизованной точности измерения ПКЭ и общих требований к точности поверочных средств.
-
Классификация способов регулирования частоты в DDS-синтезаторах для обоснованного выбора наиболее перспективного способа регулирования частоты выходного напряжения и соответствующей структуры DDS-синтезатора.
-
Определение искажений спектра напряжения, воспроизводимого калибратором ПКЭ, обусловленных неидеальностью ЦАП: конечное число разрядов, нелинейность функции преобразования, ложные выбросы и импульсы сквозного цифрового проникновения.
-
Нахождение влияния нелинейности усилителя напряжения на искажение спектра сигнала. Определение требований к основным метрологическим характеристикам усилителя напряжения и его построение.
-
Разработка методики коррекции систематических погрешностей калибратора ПКЭ и проведение имитационного моделирования погрешностей калибратора ПКЭ с целью проверки правильности расчётов и сделанных выводов.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теории измерений и теории линейных электрических цепей. При исследовании применен математический аппарат интегрального исчисления, спектрального анализа и цифровой обработки сигналов. Экспериментальные исследования выполнены при помощи математического моделирования на компьютере.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Получено аналитическое выражение, связывающее погрешность воспроизведения фазы напряжения с погрешностями воспроизведения коэффициентов несимметрии и действующего значения напряжения.
-
Предложена классификация способов регулирования частоты в DDS-синтезаторах, при помощи которой найдена перспективная структура DDS-синтезатора для калибратора ПКЭ, обеспечивающая требуемые характеристики при сниженной ёмкости запоминающего устройства.
-
Получены аналитические выражения, позволяющие оценить искажения спектра, обусловленные конечным числом разрядов ЦАП, его выбросами и нелинейностью его функции преобразования.
-
Предложена методика коррекции систематических погрешностей калибратора ПКЭ, найденных расчётным и экспериментальным путём.
Практическая значимость работы. Основные результаты работы, имеющие практическую ценность, заключаются в следующем:
-
Выработаны требования к метрологическим характеристикам калибратора ПКЭ.
-
Разработан DDS-синтезатор для калибратора ПКЭ, обеспечивающий наименьшие искажения спектра сигнала и ёмкость запоминающего устройства при сохранении высокого разрешения по частоте.
-
Получены аналитические выражения и разработано имитационное моделирование, позволяющие на этапе проектирования оценить искажения спектра воспроизводимого напряжения из-за неидеальности основных функциональных узлов калибратора ПКЭ: ЦАП, фильтра нижних частот, усилителя напряжения. Даны практические рекомендации по выбору параметров этих узлов.
-
В результате исследования искажений спектра выходного напряжения калибратора ПКЭ, обусловленных нелинейностью УН из-за саморазогрева резистора, включенного между выходом и инвертирующим входом усилителя, выдвинуты требования к номинальной мощности рассеивания резистора.
-
Разработана методика коррекции систематических погрешностей калибратора ПКЭ, найденных расчётным и экспериментальным путём.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях по информационным средствам и технологиям, (г. Москва, 2005 – 2006 гг.), на Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, (г. Москва, 2007г.).
Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением в контрольных точках результатов аналитического и имитационного моделирования паразитных гармоник, обусловленных нелинейностью функции преобразования ЦАП, ложными выбросами ЦАП, конечной разрядностью ЦАП.
Положения, выносимые на защиту
-
Аналитическое выражение, связывающее погрешность воспроизведения фазы основной гармоники напряжения с погрешностями воспроизведения коэффициентов несимметрии и действующего значения напряжения.
-
Структура DDS-синтезатора для калибратора ПКЭ, обеспечивающая наименьшие искажения спектра сигнала и ёмкость запоминающего устройства при сохранении высокого разрешения по частоте.
-
Оценка искажений спектра воспроизводимого напряжения, обусловленных неидеальностью ЦАП: конечное число разрядов, нелинейность функции преобразования, ложные выбросы и импульсы сквозного цифрового проникновения.
-
Методика коррекции систематических погрешностей калибратора ПКЭ, найденных расчётным и экспериментальным путём.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ. Все результаты, выносимые на защиту, получены лично автором диссертации. Научному руководителю – А.А. Шатохину – принадлежат идеи и постановка задач.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложений, библиографического списка, включающего 65 источников. Основная часть работа изложена на 172 страницах, содержит 66 рисунков и 20 таблиц.
