SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA. Monitorovanie spotreby elektrickej energie

Transcription

1 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA Monitorovanie spotreby elektrickej energie Nitra 2010 Róbert Kupeček

2 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA Monitorovanie spotreby elektrickej energie Bakalárska práca Študijný program: Manažérstvo kvality produkcie Študijný odbor: Kvalita produkcie Školiace pracovisko: Katedra elektrotechniky, automatizácie a informatiky Školiteľ: Ing. Bohumír Brachtýr Nitra 2010 Róbert Kupeček 1

3

4 Čestné prehlásenie Podpísaný Róbert Kupeček vyhlasujem, že som záverečnú prácu na tému Monitorovanie spotreby elektrickej energie vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé. V Nitre, Róbert Kupeček 3

5 Poďakovanie Ďakujem Ing. Bohumírovi Brachtýrovi za odbornú pomoc, vedenie, cenné rady a pripomienky pri vypracovaní mojej bakalárskej práce.... Róbert Kupeček 4

6 Abstrakt V súčasnosti sa náš každodenný život stal závislým na množstve elektrických a elektronických zariadení. S ich narastajúcim počtom stúpa samozrejme aj dopyt po elektrickej energii. Ako aj pri iných výrobkoch aj tu očakávame, že elektrická energia bude mať napriek svojim špecifickým vlastnostiam vysokú kvalitatívnu úroveň. Kvalitu energie nepriaznivo ovplyvňuje množstvo vplyvov (šírenie rôznych druhov signálov energetickými rozvodmi, používaním tyristorového riadenia resp. frekvenčných meničov). Tie môžu byť ďalej príčinou zmeny funkcie, ba až výpadku činnosti niektorých zariadení. S prevádzkou vedení súvisia aj straty na vedeniach, ktorých veľkosť závisí od veľkosti premiestňovanej jalovej energie. Preto pre celkovú energetickú bilanciu je potrebné, hlavne pri väčších odberoch sledovať aj túto zložku. K dosiahnutiu čo najväčšej účinnosti prenosu elektrickej energie je nevyhnutné sledovať aj vyváženosť výroby a spotreby elektrickej energie. Vzhľadom na uvedené skutočnosti sa stále viac vynára potreba sledovania stavu spotreby - monitorovanie a analýza spotreby elektrickej energie. V zásade rozlišujeme rôzne situácie, či už podľa veľkosti odberu alebo účelu spotreby, alebo druhu elektrorozvodnej siete. Každá konkrétna situácia má špecifické vlastnosti a preto vyžaduje špecifické zariadenie i postup na monitorovanie. Moja práca sa zaoberá rozborom možných situácií ktoré môžu nastať v praxi a ich riešením. Kľúčové slová: energia, účinník, štvrťhodinové maximum, merací systém, poruchy elektrickej siete a rušenie. 5

7 Abstract Recently is our daily life has become dependent on the quantity of electric and electronic devices. With their increasing amount the demand for electric energy is also rising. Like by other goods we also expect, that electric energy will have, despite its specific properties, high quality level. The energy quality is negatively effected by many impacts (extension of different sorts of signals of electric distribution, using of thyristor-management ui. frequency convectors). They can be further a reason of function change, actually a dropout of some devices. With the operation of wiring the losses on the wiring are related, whose intensity is affected by a amount of relocating idle energy. Therefore for the gross energy balance is important, mainly at higher energy import to observe this component as well. To achieve the highest efficiency of electric energy transfer is essential to observe the production recovery and the electric energy consumption. Concerning the listed facts the requirement to observe consumptions - monitoring condition and analysis of electric energy demand is more arising. Basically we separate different situations, whether already according to the import demand or purpose of consumption, or sort of electricity distribution. Every individual situation has specific properties and therefore requires specific equipment and monitoring progress. My work is dealing with analysis of possible situations, which can occur in practice and about their solutions. Key words: energy, power factor, quarter hour maximum, measurement system, perturbation of electric power network and solution. 6

8 OBSAH ÚVOD PREHĽAD O SÚČASNOM STAVE RIEŠENEJ PROBLEMATIKY Energia Formy a druhy energie Opis výroby elektrickej energie Meranie Základné pojmy Meracie metódy Klasifikácia chýb Merací systém Meranie elektrických veličín Meranie elektrického napätia Meranie prúdu Meranie výkonu Meranie práce elektrického prúdu Prístroje na meranie spotreby elektrickej energie Ampérhodinové elektromery na jednosmerný prúd Watthodinové elektromery na jednosmerný prúd Elektromery elektromechanické ma meranie striedavého prúdu Elektromery elektronické Analyzátory elektrickej siete Záznam, spracovanie, vyhodnotenie a archivácia údajov CIEĽ PRÁCE METODIKA PRÁCE VLASTNÁ PRÁCA Sledovanie spotreby elektrickej energie v domácnosti za účelom racionalizácie Meranie čiastkového odberu v prevádzke a identifikácia porúch Fakturovanie spotreby a riadenie odberu v podniku Monitorovanie spotreby stroj - zariadenie Sledovanie bilancie spotreby stroja zariadenia v rôznych prevádzkových režimoch Sledovanie spotreby stroj zariadenie za účelom fakturovania spotreby Identifikovanie príčiny poruchy stroja zariadenia Energetický uzol ZÁVER POUŽITÁ LITERATÚRA

9 Zoznam použitých označení OZNAČENIE VELIČINA JEDNOTKA S Zdanlivý výkon V.A P Činný výkon W Q Jalový výkon Var U Napätie V I Prúd A cosφ Účinník - W Elektrická práca J Φ m Magnetický tok Wb ω Uhlová rýchlosť rad.s -1 φ Fázový posun R Odpor Ω Φ U Magnetický tok napäťovej Wb cievky Φ I Magnetický tok prúdovej cievky Wb 8

10 ÚVOD V súčasnosti je bežné, že moderné automobily, počas jazdy ukazujú na displeji aktuálnu spotrebu paliva. Ak si šofér myslí, že je príliš vysoká, má naporúdzi jednoduché riešenie zmenší tlak na plynový pedál. Predstavte si, že by ste takéto zariadenie mali doma pri elektromere. Oznamovalo by vám okamžitú spotrebu elektrickej energie, a to dokonca vyčíslenú v eurách. Konať by ste mohli ihneď pozhasínať svetlá tam, kde nie sú treba, vypnúť elektrické spotrebiče, ktoré v danej chvíli nepotrebujete a vzápätí sa potešiť pohľadom na displej, pretože práve ste niečo v peňaženke ušetrili. Utópia? Vôbec nie. Na svete je už moderná meracia infraštruktúra, ktorá dovoľuje zavedenie automatického systému pre riadenie dodávok elektrickej energie a umožňuje podrobne sledovať jej spotrebu u spotrebiteľa i dodávateľa. Predmetom mojej bakalárskej práce bolo navrhnúť technické a metodické riešenie sledovania odberu elektrickej energie na zvolených úrovniach a stavoch. 9

11 1 PREHĽAD O SÚČASNOM STAVE RIEŠENEJ PROBLEMATIKY 1.1 Energia Formy a druhy energie Formy energie Energia ako vlastnosť hmoty a kvantitatívna miera pohybu vyjadruje schopnosť hmotných systémov vykonávať prácu na základe vnútorných zmien. Energia neexistuje oddelene od hmoty a prejavuje sa iba spolu s inými vlastnosťami hmotných systémov. Podľa toho, na aký hmotný systém je energia viazaná, rozlišujeme jednotlivé formy energie. Ten istý druh energie však môže byť viazaný na viacero nositeľov (na viacero hmotných systémov, tuhá, kvapalná, plynná látka, pole, elementárna častica a pod.). Forma energie závisí od nositeľa a druhu energie. Vzájomný vzťah môžeme vyjadriť rovnicou: druh energie + nositeľ' energie = forma energie Energetické zdroje sú také formy energie, ktoré sa využívajú, alebo môžu byť využiteľné v hospodárstve. Z energetických zdrojov získavame užitočné formy energie premenami podľa zákonov zachovania hmoty a zachovania energie. Ľubovoľný druh energie môžeme klasifikovať buď ako energiu kinetickú (energia pohybujúcich sa hmotných systémov), alebo ako energiu potenciálnu (polohová energia hmotných systémov vo fyzikálnom poli), prípadne ako zložitú kombináciu kinetickej a potenciálnej energie rôznych druhov (foriem) energie. Druhy energie Jednotlivé druhy energie podľa fyzikálnej podstaty môžeme rozdeliť na: jadrovú energiu, chemickú energiu, tepelnú energiu, gravitačnú energiu, mechanickú energiu, elektromagnetickú energiu, tlakovú energiu, elektrostatickú energiu, magnetickú energiu a elektrickú energiu. Jadrová energia - energia väzieb nukleónov v jadre atómov, ktorá sa uvoľňuje v rôznych formách pri štiepení ťažkých jadier (štiepna jadrová energia), alebo pri syntéze jadier ľahkých kovov (energia fúzie, fúzna energia). Fúzna energia získaná pri teplotách 10

12 niekoľko miliónov kelvinov sa nazýva termojadrová energia. Na označenie jadrovej energie sa často používa fyzikálne nepresný názov atómová energia. Chemická energia - energia systému dvoch alebo viacerých chemicky reagujúcich látok, uvoľňuje sa ako dôsledok prestavby elektrónových obalov atómov a molekúl. Tepelná energia - časť energie tepelného pohybu častíc látok, ktorá sa uvoľňuje pri rozdiele teplôt medzi danou látkou a látkami v jej okolí. Gravitačná energia - potenciálna energia ultraslabej interakcie všetkých hmotných systémov, je priamo úmerná hmotnosti systémov. Praktický význam v pozemských podmienkach má energia látok, ktorú nadobúdajú prekonávaním zemskej príťažlivosti. Mechanická energia - je kinetická energia voľne sa pohybujúcich telies alebo jednotlivých častíc. Elektromagnetická energia (fotónová energia) - je energia pohybu častíc elektromagnetického poľa. Tlaková energia - potenciálna energia mechanicky stlačených látok, uvoľňuje sa pri znížení tlaku najčastejšie vo forme mechanickej energie. Elektrostatická energia - je potenciálna energia vzájomného pôsobenia elektrických nábojov, ktorú elektricky nabité látky nadobúdajú prekonávaním síl elektrického poľa. Magnetická energia - je potenciálna energia interakcie magnetických nábojov resp. energia, ktorú nadobúda hmotný systém pri prekonávaní síl magnetického poľa (zdrojom tohto poľa môže byť permanentný magnet alebo elektrický prúd. Elektrická energia - je energia elektrického prúdu (usmerneného pohybu elektrických nábojov) vo všetkých formách. Prednosti elektrickej energie je jej výroba napríklad alternátorom. Ďalšou výhodou je jej transport jednoduchými vodičmi. Strata prenosom je relatívne malá. Elektrická energia sa dá jednoducho transformovať na iné formy energie Opis výroby elektrickej energie Elektrická energia pre energetickú sieť sa vyrába v elektrárňach, v generátoroch poháňaných parnou alebo vodnou turbínou, tzv. alternátoroch. Pre niekoľko výhod (výroba točivého magnetického poľa, úspora vodičov, menšie straty, dve možné 11

13 napätia), alternátor vyrába súčasne tri tzv. fázové napätia, ktoré sú takmer harmonické, majú normálny kmitočet 50 Hz a sú navzájom fázovo posunuté o 120. Tieto napätia tvoria trojfázovú sústavu. Základom činnosti alternátorov je Faradayom objavený jav elektromagnetickej indukcie. Sú to teda indukčné stroje. Hlavnú úlohu plní ich magnetický obvod, v ktorom sa vytvárajú indukované napätia (trojfázové napätie) podľa Faradayovho zákona: dφ ε = dt Obr.1. Alternátor Alternátor má dve hlavné časti: stator a rotor. Stator sa skladá z plášťa, ktorý býva pevne priskrutkovaný o nosnú plošinu, lebo musí odolávať veľkému momentu sily, prenášanému magnetickým poľom od rotora a z magnetického obvodu. Magnetický obvod statora je zložený z tenkých izolovaných plechov, podobne ako magnetické jadro transformátora, lebo magnetické pole v ňom bude striedavé. Plechy majú tvar prstenca s úzkymi drážkami pre vloženie vinutia. Magnetický obvod statora má tri póly, ktoré obvykle nevystupujú explicitne zo statora, ale tvorí ich jedna tretina vnútorného obvodu, v drážkach ktorej je uložené vinutie fázovej cievky. Napätie do nej indukované predstavuje fázové napätie. Jednotlivé póly, resp. ich vinutia na obr.1 sú označené L 1, L 2, L 3. Konce fázových cievok sú vyvedené na svorkovnicu stroja a tam sú prepojené do hviezdy. 12

14 U 1 U 3 U 1 U 3 0 U 2 Obr. 2. Zapojenie do hviezdy U 2 Pre cievky sa používa zjednodušená značka. Stred hviezdy - uzol sa uzemňuje. Rotor alternátora je vlastne silný elektromagnet, uložený na oceľovej osi vnútri statora. Jeho magnetický obvod je zložený z tenkých železných plechov a budiace vinutie je uložené v drážkach podobne ako v statore. Vinutie je napájané jednosmerným prúdom z dynama, umiestneného na spoločnej osi, nazývaného budič. Medzi rotorom a statorom je len malá, asi 1 mm široká vzduchová medzera, aby magnetický obvod mal malý magnetický odpor. Indukované napätie vo fázových cievkach statora vzniká pri otáčaní rotora. Magnetické toky, ktoré rotor vytvára cez indukčné cievky L 1, L 2, L 3 statora, musia mať pri rovnomerných otáčkach harmonický priebeh, inak by indukované napätie a prúd neboli harmonické. To je popri výhodných mechanických vlastnostiach pravá príčina uvedeného tvaru "pólov" rotora a statora. Malé odchýlky od harmonického priebehu, spôsobené konečnou šírkou drážok, spôsobujú vznik vyšších harmonických zložiek a nemajú zásadný význam. Ak turbína otáča rotor otáčkami za minútu, indukuje sa do cievok L 1, L 2, L 3 napätie s kmitočtom f = 50 Hz. Magnetický tok dosahuje maximum najprv cez cievku L 1 obr.1, pri pootočení rotora o 120 cez cievku L 2 a potom cez cievku L 3. Ak by sme si všímali priebeh každého toku osobitne, dostali by sme výrazy: 13

15 Φ Φ Φ X Y Z = Φ = Φ = Φ = Φ = Φ = Φ cosω. t 2 cos( ω. t π ) 3 4 cos( ω. t π ) 3 Napätia by sme mohli odviesť šiestimi vodičmi, ale zapojenie do hviezdy je rentabilnejšie. Spoločný vodič, ktorý vychádza z uzla, sa nazýva nulový vodič a spravidla je uzemnený. Vodiče pripojené na svorkovnici ku koncom cievok sa nazývajú fázové vodiče a napätia U 1, U 2, U 3, merané oproti 0, sa nazývajú fázové napätia. V bežných generátoroch v elektrárni mávajú asi V, v spotrebiteľskej sieti, po transformácii, majú obvykle efektívnu hodnotu 220 V. m m m 1.2 Meranie Základné pojmy Definícia merania Meraním rozumieme súhrn operácií, ktorých výsledkom je hodnota veličiny. Hodnota veličiny je určená ako násobok jednotky alebo referenčnej hodnoty (meranie porovnanie meranej veličiny s jej jednotkou - Maxwell). Okrem určenia veľkosti veličiny sa však dnes meranie zaoberá rozličnými výpočtami chýb, korekcie, štatistikou a tiež vhodnou prezentáciou výsledkov merania. Meraná veličina Meraná veličina je z pravidla určitá fyzikálna veličina, ktorá poskytuje potrebnú informáciu o sledovanom procese, javu alebo objektu. Z hľadiska metódy merania je treba rozlišovať spojité a nespojite merané veličiny. Pri meraní musíme poznať druh meranej veličiny. Z dôvodu stále väčších požiadaviek na rýchlosť a objem merania je meranie fyzikálnych veličín v dnešnej technickej praxi podmienené zmenou meranej veličiny na elektrické veličiny. Elektrické veličiny sa pritom delia na aktívne a pasívne. Aktívne elektrické veličiny sú napätie, prúd, výkon, energia, náboj a z nich odvodené veličiny. Pasívne elektrické veličiny sú odpor, indukčnosť a kapacita. 14

16 1.2.2 Meracie metódy Meracia metóda je vlastne spôsob, akým je možno merať fyzikálne veličiny. Voľba meracej metódy závisí na povahe meranej veličiny (veľkosť, druh,...), na požiadavke na presnosť, na meracích prostriedkoch, ktoré sú k dispozícii. Meracie metódy možno roztriediť podľa niekoľkých hľadísk: Podľa spôsobu získania výsledku: priame - výsledkom merania je priamo hodnota meranej veličiny (pásmo, rovnoramenné váhy, voltmeter...). nepriame - veľkosť hľadanej veličiny sa určí výpočtom z nameraných veličín, s ktorými je zviazaná známymi fyzikálnymi vzťahmi, alebo prevodom cez charakteristiku Podľa spôsobu merania: absolútne - merajú sa veličiny, ktoré vystupujú v definícii meranej veličiny môže byt priame i nepriame. porovnávacie (relatívne, komparačné) porovnávanie meranej veličiny so známou hodnotou Klasifikácia chýb Pri vyhodnocovaní výsledkov merania je dôležité eliminovať všetky chyby. Presnosť merania sa vyjadruje veľkosťou chyby. Výsledok merania bez uvedenia chyby nemá veľký význam. Chyby merania možno rozdeliť z rôznych hľadísk: 1. Podľa pravdepodobnosti výskytu: systematické náhodné 2. Podľa spôsobu vyjadrenia: absolútna chyba relatívna chyba 3. Podľa miesta vzniku: chyba metódy (zanedbanie spotreby meracieho prístroja) prístrojové (korekčná krivka) chyba odčítania (paralaxa, interpolácia) 4. Podľa závislosti chýb na veľkosti meranej veličiny: aditívne 15

17 multiplikačné Merací systém Merací systém je ucelená množina technických prostriedkov určených na meranie konkrétnej veličiny. Každý merací systém je možné rozčleniť na rad samostatných členov (blokov). Sú to v podstate určíte prevodníky, ktoré postupne transformujú pôvodnú hodnotu meranej veličiny na konečný tvar vhodný pre človeka, resp. stroj. Meracie systémy, ale aj ich časti, posudzujeme podľa ich statických a dynamických vlastností. Merací prístroj Merací prístroj je zariadenie určené na meranie hodnoty nejakej fyzikálnej veličiny. Čiže, merací prístroj je zariadenie, resp. meradlo, ktoré slúži na prevod meranej fyzikálnej veličiny na údaj. V súčasnosti je už štandardom, že sa meraná veličina transformuje na elektrický signál. Keďže sa pri meraní fyzikálnych veličín skoro výhradne mení meraná veličina na elektrickú, je potrebné venovať sa meraniu a spracovaniu elektrických veličín. 1.3 Meranie elektrických veličín Meranie elektrického napätia Na meranie napätia používame voltmeter. Do obvodu sa zapája paralelne na dve miesta, medzi ktorými sa bude merať napätie. Na obr. 3 je schematicky naznačene zapojenie voltmetra pri meraní svorkového napätia motora. V tomto prípade sa musí voltmeter pripojiť k svorkám motora. Voltmeter zapojený do obvodu nemá mať na obvod vplyv, preto musí mať malú prúdovú spotrebu, tzn. veľký vnútorný odpor avšak voltmetre s veľkým vnútorným odporom majú malý riadiaci moment a preto sú menej spoľahlivé. Preto vždy volíme pri meraní napätia voltmeter s takým vnútorným odporom, aký si dané meranie vyžaduje. Všetky sústavy nevyhovujú požiadavkám malej prúdovej spotreby. Požiadavkám veľkého vnútorného odporu vyhovujú voltmetre sústavy magnetoelektrickej a elektrostatickej. Ostatné sústavy týmto požiadavkám nevyhovujú, čo sa prejavuje pri meraní malých striedavých napätiach. (KREJČÍ, V. 1972) 16

18 Ri U Rx V Obr.3. Zapojenie voltmetra na meranie napätia Meranie napätia elektromechanickými voltmetrami Všetky tieto prístroje merajú napätie nepriamo z veľkosti prúdu prechádzajúceho systémom. Požadovaná veľkosť prúdu pre systém sa vhodne upraví sériovým rezistorom s veľkým odporom, alebo meracím transformátorom. Uveďme prehľad vlastností elektromechanických voltmetrov. Magnetoelektrický voltmeter patrí k najpresnejším meracím prístrojom s elektromechanickým systémom s dosiahnuteľnou triedou presnosti až 0,1. Majú spravidla menovitý prúd pre plnú výchylku okolo 1 ma s rozpätím od 10 µa do 10mA. Rozsah magnetoelektrického voltmetra sa mení predraďovaním rezistorov. Najmenšie merateľné napätie týmito prístrojmi (galvanometre) je rádovo 10-7 V, najväčšie asi 1 kv. Magnetoelektrické prístroje s usmerňovačom umožňujú merať striedavo napätie vo frekvenčnom rozsahu asi od 20 Hz do 20 khz v triede s presnosťou 1 alebo horšie. Najmenší rozsah (okolo 1 V) je daný vlastnosťami usmerňovacích ventilov v priamom smere. S meracím transformátorom s prevodom na väčšie napätie môže byť najmenší rozsah až 0,1 V. Magnetoelektrické prístroje v zapojení s usmerňovačom merajú strednú hodnotu, sú však bežne kalibrované v efektívnych hodnotách harmonického priebehu. Magnetoelektrické voltmetre s termoelektrickým článkom merajú efektívnu hodnotu bez ohľadu na časový priebeh meranej veličiny v podstatne väčšom frekvenčnom rozsahu než prístroje s usmerňovačom. Elektromagnetické voltmetre sa väčšinou používajú na menej presné meranie, ako informačné alebo panelové prístroje. Merajú jednosmerné aj striedavé napätie (efektívnu hodnotu). Majú nelineárnu stupnicu, ich priebeh je však možné v zvolenej časti linearizovať úpravou systému. 17

19 Oproti magnetoelektrickým prístrojom majú tieto voltmetre väčšiu spotrebu a ich údaj je, pokiaľ nie sú tienené, ľahko ovplyvniteľné vonkajším magnetickým polom. Elektrodynamické voltmetre dnes slúžia ako presné laboratórne prístroje s triedou presnosti až 0,1 vo frekvenčnom rozsahu asi 40 Hz až 5 khz. Ich výhodou je, že sa dajú kalibrovať jednosmerným napätím. (Túto vlastnosť však majú elektromagnetické prístroje vyrábané v súčasnosti tiež). Vlastná spotreba elektrodynamických voltmetrov je značná (66,6 Ω/1 V alebo 333,3 Ω/1 V). Ferodynamické voltmetre sa ešte používajú ako rozvádzačové prístroje odolné voči vibráciám, otrasom a nárazom, v triedach presnosti 1,5 až 2,5 a s rozsahom 120 V až 400 kv (s meracím transformátorom), v úzkom frekvenčnom pásme technických frekvencií 40 až 60 Hz. Vzhľadom k hysterézii magnetického obvodu sa nedajú tieto prístroje používať pre jednosmerné meranie. Meranie napätia elektronickými prístrojmi Elektronickým prístrojom nazývame analógový merací prístroj, ktorý okrem elektromechanického prístroja spravidla magnetoelektrického a pasívnych súčiniteľov obsahuje ešte aktívne elektronické súčiastky, zapojené obvykle ako zosilňovače elektrického signálu. Takéto prístroje sa často používajú k meraniu napätia a nazývajú sa elektronické voltmetre. Ich výhodou je veľká citlivosť, široké frekvenčné spektrum, relatívne malá chyba merania, veľká vstupná impedancia, malá spotreba (vstupný prúd rádovo až A), ďalej možnosť odfiltrovania cudzích rušivých napätí (selektívnych voltmetrov). Podľa požitých aktívnych elektronických prvkov to môžu byť elektrónkové, alebo tranzistorové zosilňovače, ktoré môžu byť zostavené z diskrétnych súčiastok, alebo integrovaných obvodov. Rozsah merania súčasných elektronických voltmetrov sa pohybuje od desatín mikrovoltov do sto voltov a dá sa ďalej rozšíriť použitím meracích predzosilňovačov (pre malé napätie), alebo presnými deličmi pre vyššie napätie. Elektronické voltmetre delíme podľa druhu meraného napätia na jednosmerné a striedavé. Striedavé elektronické voltmetre delíme ďalej na nízkofrekvenčné a vysoko frekvenčné. Podľa hodnoty striedavého napätia, ktoré tieto prístroje merajú, rozoznávame prístroje pre meranie strednej, efektívnej a maximálnej hodnoty. 18

20 Obr.4. Principiálna schéma selektívneho elektronického voltmetra Selektívne elektronické voltmetre majú medzi striedavým meracím zosilňovačom SZ a usmerňovač U zaradený pásmoví filter PF obr.4. Výchylka odčítacieho prístroja OP je potom primeraná strednej hodnote základného alebo vybraného harmonického meraného napätia. Stupnica prístroja môže byť kalibrovaná v efektívnych hodnotách. Číslicové voltmetre Vyznačujú sa veľkou presnosťou a číslicovým znázornením výsledku merania, najčastejšie v desiatkovej sústave. Tieto prístroje umožňujú veľmi rýchle merania s možnosťou záznamu v číslicovom tvare pre ďalšie spracovanie a automatizáciu merania. Celková chyba sa pohybuje v stotinách až v desaťtisícinách percenta. (FAJT, V. 1987) Meranie prúdu Elektrický prúd je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje množstvo elektrického náboja, ktorý prejde vodičom za jednotku času. Na priame meranie prúdu používame ampérmeter. Ampérmeter je v sérií s časťou prúdového obvodu, v ktorej sa meria prúd. Preto obvod v jednom mieste rozpojíme a zapojíme tam ampérmeter, ako je vidieť na obr. 5. Pri meraní veľmi vysokých prúdov sa používajú prúdové transformátory, dôležité je aby bola sekundárna cievka v skrate. 19

21 Ri A U Rx Obr.5. Zapojenie ampérmetra do obvodu V obvodoch s vysokofrekvenčným prúdom sa nemôže ampérmeter zapojiť do ľubovoľného miesta, a to preto, že meracím ústrojenstvom ampérmetra s jeho kovovým krytom, ktorý býva uzemnený, tvorí kondenzátor, ktorý je pre prúd paralelným vodičom, takže ampérmetrom nepotečie celý prúd, ktorý sa má merať. Ak má byť meranie správne, musí sa tento prúd obmedziť na najmenšiu mieru tým, že sa ampérmeter zapojí do takého miesta obvodu, aby malo meracie ústrojenstvo ampérmetra malý potenciálny rozdiel vzhľadom ku krytu a tým sa obmedzil kapacitný prúd prístroja. (KREJČÍ, V. 1972) Meranie prúdu elektromechanickými prístrojmi Pohybový moment týchto prístrojov (s výnimkou elektrostatických prístrojov ) je odvodený od veľkosti prúdu prechádzajúceho systémom. Preto použitie elektromechanických prístrojov na meranie prúdu nespôsobujú obvykle žiadne problémy. Pretože však samotným systémom nemôže prechádzať zvlášť pri meraní veľmi veľkých prúdov celý meraný prúd, využívajú sa k úprave veľkosti prúdu bočníky, paralelne pripojené k prístrojom. Rozsah elektromechanických prístrojov sa dá upraviť meracími transformátormi. Rozsah meraných prúdov je veľmi široký od A až 10 4 A. Pre okrajové hodnoty tohto rozsahu sa požívajú špeciálne metódy uvedené ďalej. Magnetoelektrické ampérmetre patria k najpresnejším a najcitlivejším elektromechanickým prístrojom na meranie jednosmerného prúdu. Dosiahnuteľná trieda presnosti je 0,1 rovnako ako u magnetoelekrických voltmetrov. Vyrábajú sa rozvádzačové, prenosné, laboratórne, jednorozsahové aj viac rozsahové, často kombinované s voltmetrami (tzv. univerzálne prístroje) takmer vo všetkých triedach presnosti.. Vlastná spotreba týchto prístrojov vrátane zabudovaných 20

22 bočníkov sa pohybuje od mikrowattov až po niekoľko wattov. Pri meraní prúdu radovo 10 4 A pomocou vnútorného bočníku môže byť vlastná spotreba bočníka rádovo v jednotkách kilowattov. Magnetoelektrické ampérmetre s usmerňovačom sa vyrábajú ako viac rozsahové prenosné prístroje, u ktorých je rovnaký usmerňovač použitý v kombinácií s bočníkmi, predradnými rezistormi a magnetoelektrickým systémom na meranie prúdu aj napätia. Výhodou magnetoelektrických ampérmetrov s usmerňovačom je ich veľká citlivosť. Najnižšia spodná hranica rozsahu môže byť až 0,1 ma na striedavom rozsahu a na jednosmernom ešte nižšia. Najväčší striedaví prúd u týchto prístrojov nebýva spravidla väčší ako 10 A. Trieda presnosti magnetoelektrických prístrojov s usmerňovačom nie je obvykle lepšia než 0,5. Spotreba ampérmetrov bez bočníkov (miliampérmetrov) je rádovo 10-3 W. Pokiaľ sa použije bočník, môže vlastná spotreba stúpnuť aj na 10 W. Na bočníku býva napätie 1 až 2 V. Frekvenčný rozsah ampérmetrov s usmerňovacom sa pohybuje medzi 20 Hz až 20 khz. Podobne ako magnetoelektrické voltmetre majú aj ampérmetre s usmerňovačom tú základnú nevýhodu, že merajú strednú hodnotu striedavého prúdu. Elektrodynamické ampérmetre slúžia podobne ako voltmetre prevažne ku kalibračným účelom. Vyrábajú sa len ako laboratórne prístroje v triedach presnosti 0,5 0,2 a 0,1 s frekvenčným rozsahom od 40 Hz do 10 khz. Merajú jednosmerné a striedavé prúdy aj s neharmonickým priebehom. Prúdové rozsahy elektrodynamických ampérmetrov sú od 1 ma do 10 A. Na meranie len striedavých prúdov môže byť do prístroja zabudovaný merací transformátor s rozsahom do 50 A. Ferodynamické ampérmetre majú veľký pohybový moment, a preto sa požívajú ako rozvádzačové, alebo zapisovacie prístroje s triedou presnosti od 1 do 2,5 pri priemyslových frekvenciách 40 až 60 Hz. Ako laboratórne ampérmetre môžu mať triedu presnosti 0,5 aj lepšie, ale pre úzky frekvenčný rozsah 10 až 60 Hz, alebo 400 až 500 Hz. Úzke frekvenčné pásmo je možné zvoliť v rozsahu od 10 do 1500 Hz. K meraniu jednosmerných prúdov sa tieto prístroje nepoužívajú, pretože sa silno uplatňuje vplyv hysterézie magnetického obvodu. Elektromagnetickými ampérmetrami sa merajú efektívne hodnoty ľubovoľného časového priebehu. Rozvádzačové ampérmetre triedy presnosti 1 až 2,5 nahradili všetky ampérmetre iných systémov- dôvodom je veľká preťažiteľnosť a nízka cena. 21

23 Terajšie možnosti dovoľujú vyrobiť ampérmetre s elektromagnetickým systémom v triede presnosti 0,1 s frekvenčným rozsahom porovnateľným s elektrodynamickým prístrojom, ktorý meria jednosmerný aj striedavý prúd pri zachovaní triedy presnosti. Meranie prúdu elektronickými a číslicovými prístrojmi Meranie prúdu elektronickými a číslicovými prístrojmi je založené na meraní úbytku napätia na etalovom rezistore. Ide teda o metódu, pri ktorej je úbytok napätia určovaný elektronickým voltmetrom. Prúd sa môže merať až do A. Vstupný odpor prístroja je pri tomto rozsahu asi 1MΩ. (FAJT, V. 1987) Meranie výkonu Základné pojmy Okamžitá hodnota výkonu je p=u i Uvažujeme najskôr harmonické napätie u a prúd i. Platí: u=u m cos(ωt+α) i=i m cos(ωt+β) kde u m a i m sú maximálne hodnoty, α a β fázové posuny, ω= 2πf uhlová frekvencia. Fázory prúdu a napätia sú U= U e j(ωt+α) I= I e j(ωt+β) Fázor výkonu (komplexný výkon) harmonického prúdu a napätia je S=U I*= U e j(ωt+α) I e -j((ωt+β =Uicosφ+jUIsinφ=P+jQ kde I* je komplexne združená hodnota prúdu, U efektívna hodnota napätia, I efektívna hodnota prúdu, φ=α-β, P činný výkon, Q jalový výkon. 22

24 Pre zdanlivý výkon platí 2 2 S = S = UI = P + Q ( VA) Účinníkom nazývame cos ϕ = P UI Meranie výkonu jednosmerného prúdu Výkon jednosmerného prúdu je P=UI, kde U je napätie záťaže R a I je prúd záťaže R. Výkon je možné merať pomocou magnetoelektrického voltmetra V a ampérmetra A (obr.6). I I R A I V a) U V R U R I I R A b) U I V V U A R U R Obr.6. Merania výkonu jednosmerného prúdu pomocou voltmetra a ampérmetra V prípade zapojenia podľa obr. 6a je výkon záťaže daný vzťahom: kde U R je údaj voltmetra, I prúd ampérmetra, R V P = U vnútorný odpor voltmetra. Pri zapojení podľa obr. 6b je výkon záťaže R I R = U R U I R 2 R V 23

25 P = U R I R = U U A I A = UI R R A I 2 R kde U je údaj voltmetra. I prúd ampérmetra s vnútorným odporom R A. Na meranie výkonu jednosmerného prúdu je vhodnejšie použiť elektrodynamický wattmeter, ktorý meria priamo výkon. Na rozdiel od predchádzajúcej nepriamej metódy pomocou dvoch prístrojov, bude chyba merania menšia. Veľmi presne sa výkon jednosmerného prúdu môže merať jednosmerným kompenzátorom. Napätie na záťaži R sa meria priamo alebo deličom napätia. Prúd záťaže sa určí z úbytku napätia na etalone elektrického odporu R N. Podľa obr. 6. bude výkon záťaže R: U P = UI = U R (FAJT, V. 1987) Meranie výkonu striedavého prúdu A. Meranie výkonu jednofázového prúdu Predpokladáme harmonický časový priebeh prúdu. Z teoretickej elektrotechniky je známe, že v obvodoch striedavého prúdu rozlišujeme výkon zdanlivý a jeho zložky činnú a jalovú: N N ϕ S Q S = UI P = UI cos ϕ Q = UI sin ϕ P 1. Meranie zdanlivého výkonu. Na zistenie zdanlivého výkonu všeobecnej záťaže (kapacitný alebo induktívny charakter) je možno použiť rovnaké zapojenie, ako pri meraní výkonu jednosmerného prúdu voltampérovou metódou. Meracie prístroje však musia merať striedavé veličiny. Zdanlivý výkon záťaže je daný jednoducho súčinom hodnôt nameraných voltmetrom a ampérmetrom: S = U V I A Pomer nameraných hodnôt súčasne poskytuje absolútnu hodnotu impedancie meranej záťaže: U Z = I V A 24

26 Pri použití tejto metódy je treba zvlášť dbať na výber meracích prístrojov, lebo korekcia výsledku na spotrebu meracích prístrojov by bola komplikovaná (fázové posuny). 2. Meranie činného výkonu Strednú hodnotu výkonu, čiže činný výkon, merajú priamo elektrodynamické wattmetre. Wattmetre sa pri meraní činného výkonu striedavého prúdu zapájajú rovnako ako pri meraní výkonu jednosmerného prúdu. Prúdové rozsahy bežných wattmetrov bývajú do 10 A a napäťové do 600V. Na meranie väčších hodnôt veličín sa používajú meracie transformátory. 3. Meranie jalového výkonu Výraz pre jalový výkon možno upraviť aj na výraz s cosínusom: Q = UI sin ϕ = UI cos (90 - ϕ) ; Var Z uvedeného výrazu vyplýva, že jalový výkon možno merať elektrodynamickým systémom, ak posunieme napätie na napäťovej cievke o 90. Praktickým riešením je napr. Hummelovo zapojenie: W u ~ Z X Obr. 7. Merač jalového výkonu B. Meranie výkonu trojfázových záťaží Výber a zapojenie meracích prístrojov bude závisieť od toho, ktorý výkon chceme merať (zdanlivý, činný, jalový). Ďalej sa budeme venovať meraniu činného výkonu v trojfázovej sústave. Spôsob merania a určenie celkového výkonu bude závisieť od toho, či má rozvodná sústava nulový vodič a od súmernosti záťaže. Spôsob zapojenia záťaže (hviezda, trojuholník) meranie neovplyvňuje. Pre názornosť budeme na meranie činného výkonu používať jednofázové elektrodynamické wattmetre, ktoré budú z hľadiska zapojenia ekvivalentné trojfázovým. Trojfázové wattmetre sú vlastne tri jednofázové, ktoré majú spoločnú hriadeľ a ručičku. Na hriadeli sa vykonáva mechanický súčet momentov od troch systémov, čiže troch výkonov. 25

27 1. Súmerná záťaž, nulový vodič Postačuje merať výkon jednej fáze a výsledok vynásobiť tromi. L 1 W L 2 L 3 3 fáz Z N Obr. 8. Meranie výkonu trojfázovej súmernej štvorvodičovej sústavy P3 f = 3P1 f 2. Nesúmerná záťaž, nulový vodič L 1 W 1 L 2 L 3 N W 2 W 3 3 fáz Z Obr. 9. Meranie výkonu trojfázovej nesúmernej štvorvodičovej sústavy P f = P1 P2 P3 3. Súmerná záťaž, bez nulového vodiča Nulový bod sa vytvorí spojením napäťovej cievky wattmetra a dvoch pomocných odporov do hviezdy. 26

28 L 1 W L 2 L 3 3 fáz Z R 2 R 3 umelý nulový bod Obr. 10. Meranie výkonu trojfázovej súmernej trojvodičovej sústavy Odpory v umelej hviezde musia spĺňať podmienku a celkový výkon potom môžeme vyjadriť: 4. Nesúmerná záťaž, bez nulového vodiča R W = R 2 = R 3 P3 f = 3P 1 Ak máme 3 rovnaké wattmetre, môžeme umelý nulový bod vytvoriť aj spojením ich napäťových cievok do hviezdy. L 1 W 1 L 2 L 3 W 2 W 3 3 fáz Z Obr. 11. Meranie výkonu trojfázovej nesúmernej trojvodičovej sústavy Tak ako pri sieti s nulovým vodičom dostaneme aj tu celkový výkon ako súčet výkonov, ktoré ukazujú všetky tri wattmetre P f = P1 P2 P3 Výkon trojfázovej záťaže vo všetkých uvedených situáciách možno zmerať univerzálnou metódou Áronovou. Áronova metóda používa na meranie trojfázového výkonu dva wattmetre (niekedy sa aj označuje ako metóda dvoch wattmetrov). 27

29 L 1 L 2 L 3 W 1 W 2 3 fáz Z Obr. 12. Áronova metóda Hodnoty, ktoré ukazujú jednotlivé wattmetre, však nemajú praktický význam. Metóda poskytuje iba celkový trojfázový výkon záťaže. P f + 3 = P1 P Meranie práce elektrického prúdu Elektrická práca (energia) zodpovedá v obecnom prípade časovému integrálu elektrického výkonu- viď obr. 13. P[W] W T = 0 Pdt t[s] Obr.13. Časová integrála elektrického výkonu Ak sa zaťaženie nemení, môžeme prácu elektrického prúdu určiť ako súčin výkonu a času: W = P t 28

30 1.4 Prístroje na meranie spotreby elektrickej energie Elektrickú energiu (prácu) meriame elektromermi. Elektromery možno kategorizovať: A. Podľa druhu prúdu, pre ktorý sú elektromery určené: 1. elektromery na jednosmerný prúd. 2. elektromery na striedavý prúd. Elektromery na jednosmerný prúd rozdeľujeme podľa meranej veličiny na elektromery: a. ampérhodinové (ampérové), b. watthodinové (wattové). Elektromery na striedavý prúd rozdeľujeme na: a. elektromery na meranie činnej energie, ktoré merajú činnú prácu, b. elektromery na meranie jalovej energie, ktorými sa meria jalová práca, c. elektromery zdanlivej energie na meranie zdanlivej práce. B. Podľa princípu: 1. Analógové 2. Číslicové Ampérhodinové elektromery na jednosmerný prúd Ampérhodinové elektromery nemerajú prácu, ale množstvo prejdenej elektrickej energie za určitú dobu t. Pre množstvo energie Q (náboj) platí: Q = I. t kde I je prechádzajúci prúd, ktorého práca sa meria. Za predpokladu, že napätie U je v sieti stále, je náboj za dobu t úmerný celkovej práci za túto dobu a platí teda: A U. Q = U. I. t Podľa toho na akom princípe je založená činnosť elektromeru, rozoznávame elektrolytické a magnetoelektrické. Elektrolytický elektromer Využívajú pri meraní chemické účinky elektrického prúdu. Podľa prvého Faradayovho zákona je množstvo vylúčenej látky elektrickým prúdom úmerné náboju a za predpokladu stáleho napätia aj elektrickej energii. Elektrolytické elektromery obr. l4. môžu byť ortuťové alebo vodíkové. Elektrolytický elektromer ortuťový sa skladá zo 29

31 sklenenej banky, rozdelenej šikmou stenou S na dve časti. V hornej polovici nádoby je ortuť, ktorá tvorí anódu A, v spodnej polovici je uhlíková kužeľová katóda K. Elektrolytom je roztok jodidu ortuťnatodraselného. Pri prechode jednosmerného prúdu sa na katóde vylučuje ortuť, ktorá kvapká do trubičky, vyúsťujúcej zo dna nádobky. Pozdĺž trubičky je stupnica v kilowatthodinách, takže výška stĺpca ortuti udáva veľkosť meranej elektrickej energie. Po prečítaní stavu elektromeru sa jeho preklopením vracia ortuť trubičkou T naspäť do hornej polovičky nádobky. Vlastný elektromer je pripojený paralelne k bočníku B, takže pri menovitom prúde prechádza elektromerom prúd iba 20mA. Jeho výhodou je, že i pri malom zaťažení registruje elektrickú prácu s rovnakou presnosťou ako pri menovitom prúde. Ďalšou výhodou je nemennosť údajov s časom, takmer žiadna údržba a neobmedzená životnosť. Jeho jedinou nevýhodou je, že po vrátení ortuti naspäť nad prepážku už nie je možné kontrolovať správnosť odčítania stavu elektromeru. Tento elektromer sa používa iba v ťažkých prevádzkach. Obr. 14. Ampérhodinový elektromer elektrolytický Magnetoelektrický elektromer Magnetoelektrický elektromer je v podstate malý motorček s trvalým magnetom obr. 15. Jeho kotvičku tvoria tri ploché cievky uložené v dutom hliníkovom kotúčiku K. 30

32 Ich konce sú vyvedené ku komutátoru s tromi lamelami. Na komutátor dosadajú dve kefy, ktorými sa privádza prúd do cievok kotvičky. Tá sa nachádza v medzere dvoch trvalých magnetov M. Ak prechádza cievkami kotvičky prúd, vytvára točivý moment (sústavy) Ms, ktorého veľkosť je (podľa silového zákona) úmerná prúdu prechádzajúceho cievkami kotvičky. Keďže je vinutie kotvičky pripojené paralelne k bočníku, je jej prúd priamo úmerný prúdu, ktorého práca sa meria, a tak platí: Ms I Keďže sú otáčky úmerné točivému momentu a tak i prúdu, je počet otáčok za čas t úmerný náboju Q=I t a za predpokladu stáleho napätia v sieti i spotrebovanej práci A. Stačí teda voliť vhodný prevod medzi kotúčikom a číselníkom, tak aby hodnoty na číselníku boli priamo v kilowatthodinách. Trvalé magnety v hliníkovom kotúčiku indikujú pri jeho otáčaní vírivé prúdy, ktoré pohyb pribrzďujú. Kotvička je ťažká a má teda veľké trenie. Preto sa privádza cez odpor Rp do kotvičky pomocný stály prúd, ktorý spôsobuje moment uľahčujúci rozbeh, takže sa elektromer rozbieha i pri malom zaťažení. Mostíkom m na bočníku sa nastavuje jeho vhodný odpor. Ampérhodinové elektromery sa zapájajú do obvodu sériovo ako ampérmetre, aby nimi pretekal celý prúd obvodu. Tieto elektrometre sa používajú hlavne na kontrolu stavu nabitia a vybitia akumulátorových batérií. Obr. 15. Ampérhodinový elektromer magnetoelektrický Watthodinové elektromery na jednosmerný prúd Watthodinové elektromery na jednosmerný prúd sú výhradne sústavy elektrodynamickej. V magnetickom poli dvoch pevných cievok C 1, C 2 zapojených do 31

33 série sa nachádza kotvička K s tromi cievkami pripojenými ku komutátoru. Na komutátor dosadajú dve kefy, ktorými sa privádza do cievok kotvičky prúd. Kotvička sa pripája ako napäťová cievka wattmetru, v sérii s ňou je predradník Rp a pomocná cievka C p k uľahčeniu rozbehu. Prúd prechádzajúci kotvičkou býva 14 až 18mA, vlastná spotreba býva 10 až 16W. Vyrábajú sa pre všetky normalizované napätia do 650V a prúdy do 300A, s bočníkom do 6000A. Bočníky majú úbytok napätia 200mV pri menovitom prúde. Obr. 16. Watthodinový elektromer na jednosmerný prúd Elektromery elektromechanické ma meranie striedavého prúdu Elektromery na meranie činnej energie Vyrábajú sa výhradne s indukčnou sústavou. Na obr. 17. je zjednodušene nakreslené usporiadanie jednofázového indukčného elektromeru. Jeho meracie ústrojenstvo sa skladá z nasledujúcich častí: z napäťového jadra 1 s derivačnou cievkou (veľký počet závitov tenkého drôtu) a prúdového jadra 2 s dvoma prúdovými cievkami. Počet závitov a priemer drôtu prúdových cievok závisí na prúde, pre ktorý je elektromer stavaný. Obe jadrá sú zložené z transformátorových plechov. V medzere medzi oboma jadrami je otočne uložený hliníkový kotúč, z ktorého hriadeľa sa pomocou závitovkového prevodu prenáša točivý pohyb na počítací strojček. Prevod medzi kotúčikom a počítacím strojčekom sa volí taký, aby násobiteľ K elektromeru bolo jednoduché číslo (aby udával spotrebovanú prácu priamo v kilowatthodinách). Dvojice 32

34 jadier s cievkou napäťovou a cievkami prúdovými vytvára magnetické pole, postupujúce po obvode kotúča. Tým sa v hliníkovom kotúči indukujú vírivé prúdy, ktoré spôsobujú točivý moment, ktorým sa kotúč roztáča. Ak má elektromer správne merať elektrickú energiu, musí byť jeho okamžitý moment úmerný okamžitému výkonu, ktorý elektromerom prechádza. Točivý hnací moment indukčného meracieho prístroja je úmerný súčinu magnetických tokov Φ U a Φ I, spôsobených prúdmi v napäťovej cievke a v prúdových cievkach, kmitočtu f a sínusu uhlu Ψ fázového posunu medzi tokmi Φ U a Φ I. Platí teda: M=k f Φ U Φ I sin Ψ kde k je konštanta úmernosti. Ak má byť okamžitý hnací moment úmerný okamžitému výkonu, musí byť magnetický tok Φ U úmerný napätiu, magnetický tok Φ I úmerný prúdu a uhol Ψ musí byť doplnkovým uhlom uhlu φ fázového posunu medzi napätím a prúdom (Ψ=90 - φ). Táto podmienka bude platiť, keď bude magnetický tok Φ V oneskorený za napätím o ¼ kmitu a teda ak je prúd v napäťovej cievke oneskorený o ¼ kmitu za napätím Obr. 17. Elektromer na meranie činnej energie V skutočnosti nie sú následkom strát v jadrách a úbytku napätia v napäťovej cievke uvedené podmienky dodržované. Správny napäťový posun medzi oboma tokmi sa dosiahne nastavením vhodnej indukčnosti napäťovej cievky (vhodného rozptylového toku). Jemné doregulovanie sa robí napr. zmenou odporu závitu nakrátko na prúdovom alebo napäťovom jadre je to naznačené závitmi nakrátko 4 (fázová regulácia). 33

35 Ak má elektromer správne registrovať meranú energiu, musí byt' brzdený. K tomuto účelu slúži brzdiaci magnet M. Magnet je zo zliatiny Alnico upravený tak, aby sa v jeho magnetickom poli nachádzal hliníkový kotúč. Brzdiaci magnet je možné natáčať mikrometrickou skrutkou a tým sa dá meniť brzdiaci moment (mení sa polomer brzdiacej sily magnetu), tzv. regulácia pri veľkom zaťažení. Rozbeh elektromeru a chod pri malom zaťažení sťažuje trenie. Vplyv trenia a záporných chýb spôsobených premennou permeabilitou feromagnetických obvodov sa kompenzuje prídavným momentom spôsobeným nesúmernosťou toku napäťového jadra. Nesúmernosť toku sa dosahuje natočením feromagnetického jazýčka 5 upevneného na protipóle, ktorý leží medzi pólmi prúdového jadra. Vplyv teploty okolia je kompenzovaný doštičkou zo špeciálnej zliatiny, upevnenej na telese magnetu. (KREJČÍ. V. 1972) Elektromery na meranie jalovej energie Tieto elektromery slúžia na meranie jalovej práce. Pre elektrárne je najvýhodnejšie, keď sa odoberá elektrická energia s veľkým účinníkom, lebo pri odbere s malým účinníkom sa nedajú generátory a transformátory plne využiť. Napríklad pri rovnakých stratách v strojoch aj v rozvodnom vedení môže elektráreň vyrobiť a preniesť pri účiniku 0,5 len štvrtinovú energiu než pri účiniku 1. Z toho vyplýva, že elektrárne so zhoršujúcim sa účiníkom narastajú náklady na výrobu elektrickej energie a preto núti zvlášť veľkých odberateľov úpravou sadzieb podľa účiníku, aby energiu odoberali s dobrým účiníkom. Podkladom pre účtovanie podľa účiníkových sadzieb je spotrebovaná jalová práca, ktorá sa meria s elektromermi na meranie jalovej energie. Ak má elektromer merať jalovú spotrebu, musí byť jeho točivý moment úmerný jalovému príkonu UI.sinφ. To bude vtedy keď Ψ, o ktorý sú proti sebe posunuté magnetické toky napäťové a prúdové cievky, rovná sa uhlu fázového posuvu φ (Ψ=φ). Táto podmienka bude splnená akonáhle pri nulovom fázovom posune prúdu (cosφ=1) bude uhol, ktoré zvierajú oba magnetické toky, rovný 0 alebo 180. Potom pre točivý moment sústavy bude platiť vzťah : alebo M M S S = kfφ = kfφ U U Φ Φ I I sin(0 Φ) = kfui sin ϕ sin(180 ϕ) = kfui sinϕ 34

36 Zmenšením uhlu Ψ na 0 sa dosahuje jednak zmenšením rozptylového toku napäťového jadra a predradením odporov R, R napäťovej cievke, jednak paralelným priradením odporu B k prúdovej cievke meracieho ústrojenstva, ako vidíme na obr.15. Zámenou prívodov k napäťovej alebo prúdovej cievke sa potom dosiahne obráteniu fáze, teda uhlu Ψ=180. Nulového, fázového posuvu magnetických tokov (Ψ=0 ) je treba použiť u elektromeru na meranie jalovej energie, ktorý má merať jalovú prácu pri kapacitnom zaťažení, 180 fázového posuvu tokov sa používa pre elektromery na meranie jalovej energie, ktoré merajú jalovú prácu pri indukčnom zaťažení. R R B Obr.18. Úprava jednofázového elektromeru na meranie jalovej energie Jalovú prácu trojfázového prúdu môžeme tiež merať trojfázovými elektromermi, u ktorých je magnetický tok jadra meracieho ústrojenstva zameškaný o 90 alebo o 60 za združeným nepätím. U trojfázového elektromera sa musí vhodne upraviť prevod medzi číselníkom a hriadeľom meracieho ústrojenstva, alebo brzdiaci moment. Takto upravený elektromer sa hodí k meraniu jalovej práce pri indukčnom zaťažení. Na meranie jalovej práce pri kapacitnom zaťažení sa musí zameniť prívod buď u napäťových, alebo prúdových cievkach, inak by točivý moment pôsobil v opačnom zmysle. Trojfázový elektromer činnej energie s troma meracími ústrojenstvami s posunom 90 sa zapojuje podľa obr

37 X Y Z 0 Obr. 19. Zapojenie elektromerov s troma meracími ústrojenstvami s posunom o 90 na meranie jalovej energie Elektromery na meranie zdanlivej energie Vo veľkých elektrárňach sa okrem činnej a jalovej práce meria aj práca zdanlivá. Zdanlivá energia sa meria elektromermi, ktoré sa rozdeľujú do dvoch skupín: 1. Elektromery, ktoré merajú zdanlivú prácu v určitých medziach fázového posunu, do tejto skupiny patria zvlášť upravené elektromery činnej energie. 2. Elektromery, ktoré merajú zdanlivú prácu pri všetkých fázových posunoch od 0 do 90. Sú to špeciálne elektromery. Presný elektromer na meranie zdanlivej energie je elektromer s guľovým prevodom. Zakladá sa na poznatku, že zdanlivý výkon S je daný geometrickým súčtom výkonu činného P a jalového Q: 2 S = P + Elektromer zdanlivej energie sa teda skladá z dvoch elektromerov (činnej a jalovej energie). Spoločný číselník oboch elektromerov sa poháňa guľovým prevodom, ktorým sa dosiahne geometrický súčet otočiek oboch elektromerov, takže údaj na číselníku odpovedá zdanlivej práci. Guľový prevod (obr. 17) je upravený tak, že hliníková guľa je poháňaná dvoma kolieskami (č od elektromeru činnej energie a j od elektromeru jalovej energie) ktoré sú proti sebe umiestnené kolmo. Ak bude zaťaženie čisto len činné, bude guľu roztáčať len elektromer činnej energie, takže sa bude otáčať v smere zložky P. Pri jalovom zaťažení bude guľu roztáčať len elektromer jalovej energie v smere zložky Q. Pri všeobecnom zaťažení budú guľu roztáčať oba Q 2 36

38 elektromery súčasne. Guľa sa bude otáčať vo smere výslednice S oboch pohybov. Voľne umiestnené koliesko z sa postaví do tohto smeru a prenáša výsledný pohyb gule na počítací strojček. Tento elektromer maria presne zdanlivú energiu v trojfázovej sústave trojvodičovej aj štvorvodičovej pri ľubovoľnom zaťažení fáz. Obr. 20. Princíp guľového prevodu elektromeru na meranie zdanlivej energie (KREJČÍ, V. 1972) Elektromery elektronické Principiálna bloková schéma elektronických elektromerov je na obr. 21. P x je prevodník činného výkonu na veličinu x, ktorou môže byť frekvencia, prúd, napätie a pod. Veličina x sa integruje v integrátore a zobrazuje na indikačnom panely (IP). u i P x x t xdt 0 IP Obr. 21. Bloková schéma elektronického elektromeru Meranie spotreby teda nevychádza z počtu otáčok rotora (kotúča) indukčného motorčeka, ale z počtu impulzov elektronického wattmetra a konštanta elektromera sa udáva v impulzoch na 1kWh. Tieto prístroje majú v porovnaní s analógovými niekoľko ďalších funkcií: 37

39 meranie maximálnej spotreby, viac sadzbové a viac kvadrantné meranie, ukladanie časového diagramu do pamäti, komunikácia s počítačom, dátová komunikácia po rozvodnej sieti a ďalšie. Na nasledujúcom obrázku je bloková schéma bežných systémov plniacich uvedené funkcie. L 1, L 2, L 3 prispôsobovancí člen u u i prevodník prúdu na napätie násobič f u i prevodník prúdu na kmitočet µc mikropočítač Počítadlo EEPROM Obr. 22. Bloková schéma elektronického impulzného elektromera 38

40 Prispôsobovacie členy pre vytvorenie činných a jalových zložiek- sieťové napätie a odoberané prúdy sú transformované na hodnoty vhodné k elektronickému spracovaniu. Prevodník prúdu na napätie- prevodník vytvára napäťový signál priamo úmerný prúdu. Násobič je zosilňovač vytvárajúci prúdový signál úmerný súčinu vstupných napäťových signálov, ktoré reprezentujú napätie a celkový prúdový odber, vytvára prúdový signál úmerný činnému výkonu. Prevodník prúdu na kmitočet- prevodník generuje impulzné signály, ktorých kmitočty sú úmerné činnému a jalovému výkonu odoberaných cez elektromer. Údaj počítadla odobranej elektrickej energie je potom úmerný počtom impulzov v súlade konštantou elektromera napr. 500imp./kWh. Mikropočítač realizuje výpočty spotreba a riadi prepínanie režimov elektromera. Inštalácia mechanického počítadla je stanovená predpisom (rovnako ako napríklad u výherných hracích automatov alebo registračných pokladní) kvôli bezpečnosti uchovania informácie pri vyúčtovaní a to i v prípade porucha elektromera. EEPROM je pamäť uchovávajúca vyhodnotené dáta za stanovené obdobie, ktoré môžu byť predané po vedení napríklad do počítača dodávateľa elektrickej energie. Meranie elektrickej energie sa vykonáva hlavne z dôvodu fakturácie odberu elektrickej energie. Cenu elektrickej energie ovplyvňujú jednotlivé položky, ktoré majú rôznu váhu v závislosti na odberovom diagrame. Pri vyhodnocovaní nákupu elektrickej energie nie je možné počítať s cenníkovou cenou len za 1 kw spotrebovanej v dobe vysokej tarify. Úplný pohľad nám dá priemerná cena 1 kwh za fakturačné obdobie. Táto priemerná cena môže byť rôzna pri rovnakom množstve odobranej elektrickej energie (kwh). Podľa množstva odoberanej elektrickej energie sú odberatelia zaradení do rôznych tarifných pásmach. Pri vyšších odberoch k základnej platbe za množstvo kilowatthodín pribúdajú platby za rôzne položky. Vysvetlenie pojmov jednotlivých položiek: 1. Technické maximum (kwh)- je hodnota 1/4-hodinového elektrického výkonu (výkon kumulovaný v jednej 1/4-hodine), ktorú smie odberateľ na najviac odobrať zo zariadenia dodávateľa. Nad rámec technického maxima je obojstranne potvrdená v kúpnej zmluve na dobu najmenej jedného roka. 39

41 2. Dohodnuté maximum [kw] je hodnota maximálneho 1/4-hodinového elektrického výkonu, ktorú si odberateľ dohodne s dodávateľom na daný mesiac. Pri jeho prekročení sa platí prirážka. 3. Namerané maximum [kw] je hodnota maximálneho 1/4-hodinového elektrického výkonu, ktorá je nameraná v danom mesiaci. 4. Nízka tarifa (NT) je stanovená v celkovej minimálnej dĺžke 8 hodín denne v dobách nízkeho zaťaženia. (Nočná sadzba je v dobe od 22:00 do 06:00 hod.). Pre odberateľov kategórie B (odberatelia zo siete VN) oznamuje dodávateľ časové vymedzenie NT vopred. Pre odberateľov kategórie C (odberatelia zo siete NN) časové vymedzenie vopred neoznamuje. Pri rozdelení pásma NT do viac časových úsekov (maximálne 3) nesmie byť žiaden z týchto úsekov kratší než 1 hodinu. 5. Vysoká tarifa (VT) je stanovená denne mimo dobu NT. Pri fakturácií sa ešte pripočítavajú prirážky: za prekročenie alebo neodoberanie elektrickej energie (kwh) v zmluvnom období, za odber elektrickej energie s iným účinníkom ako je stanovený (0,95-1), za spätné pôsobenie do siete (prekompenzovanie). ( Moderné elektromery uvedené položky dokážu sledovať a naviac komunikovať s riadiacim systémom zabezpečujúcim dodržanie požadovaných resp. dohodnutých hodnôt a tak optimalizovať odber elektrickej energie. Ďalšiu optimalizáciu možno dosiahnuť ešte podrobnejšou analýzou odberových miest, ktorú možno vykonať pomocou sieťových analyzátorov Analyzátory elektrickej siete Vo všetkých odvetviach hospodárstva, ktoré sú závislé na elektrických a elektronických zariadeniach, hrá kvalita elektrickej energie dôležitú rolu pri zachovaní konzistencie a produktivity. Preto na testovanie kvality elektrickej energie pre vyhľadávanie porúch, preventívnu údržbu a dlhodobý záznam v priemyslových a rozvodových aplikáciách sa používajú analyzátory elektrickej siete. Analyzátory sú prístroje na rýchle a efektívne meranie, monitorovanie a diagnostiku elektrických sietí, ktoré môžu pracovať vo viacerých režimoch. 40

42 Analyzátory sa dajú rozdeliť do dvoch skupín. 1. Analyzátory pevne inštalované, ktoré slúžia k monitoringu elektrickej energie vo významných uzloch. Význam takýchto analyzátorov spočíva v možnosti synchronizovaného záznamu veličín vo všetkých sledovaných miestach. Podľa zaznamenaných hodnôt sme schopní vyhodnotiť šírenie rôznych javov v sieti, zistiť ich vzájomný vplyv a optimalizovať súslednosť jednotlivých procesov. Výsledkom takejto analýzy môže byť optimalizácia tejto súslednosti a posun celej prevádzky do nižšej odberovej kategórie. 2. Analyzátory takzvané prenosné čiže ručné. Výhodou týchto analyzátorov je predovšetkým možnosť jednoduchého použitia a inštalácie. Sú navrhnuté pre okamžité merania aktuálnych stavov a umožňujú dlhodobé záznamy. Čo majú ale spoločné je spôsob vyhodnotenia a záznam nameraných údajov. Drahšie a lepšie vybavené analyzátory (napr. analyzátory rady ELSPEC) vytvárajú nepretržitý záznam všetkých napätí a prúdov zo vzorkovanou rýchlosťou až 1024 vzorkou na jednu periódu meraného signálu. Vďaka tomu je schopný zachytiť aj krátke prechodné deje. Namerané dáta sú ukladané na pamäťovú kartu alebo je vybavený ethernetovým rozhraním s vlastnou IP adresou. Potom sa dá jednoducho naň pripojiť cez prehliadač z akéhokoľvek miesta v sieti, ovládať ho, sťahovať a prehliadať dáta. Podľa zobrazenia meranej veličiny existujú analyzátory na tie, ktoré dokážu poskytovať okamžitú hodnotu (jednotlivé vzorky) obr. 23 a na tie, ktoré zobrazujú len globálne výsledky obr. 24. Presnosť analyzátorov sa pohybuje okolo 0,5%. Obr. 23. Obr

43 Merané veličiny: Napätie: fázové a združené napätie minimálne a maximálne napätie vo fáze vyššie harmonické vo fázach Prúd: fázový a nulový vodič stredná hodnota vo fázach maximálna stredná hodnota vo fázach sumárny prúd vyššie harmonické vo fázach Celkový výkon: činný, jalový, zdanlivý výkon každej fázy - činný, jalový, zdanlivý výkon stredná hodnota maximálna stredná hodnota Účinník celkový: v každej fáze Frekvencia Prevádzkové hodiny Ďalej analyzátor podľa typu dokáže merať nárazové prúdy motorov, meria zníženie a prevýšenie medzi dvoma cyklami až do niekoľko dní, napätie, prúd a harmonické, v sieti až do 51 harmonické, skalkuluje výkon a výkonový faktor na vyvážených 3-fázových záťažiach z jednofázového merania, nevyváženie a flicker (mihotanie svetla), harmonické a vyššie harmonické. Zahrňuje funkciu INRUSH na meranie rozbehových prúdov a mnoho iných funkcií. 42

44 Obr. 25. Zapojenie analyzátora do 3 fázovej siete Vyššie harmonické frekvencie (spravidla nepárne) majú rôzne zdroje pôvodu (napríklad trojfázové usmerňovače, digitálne riadené zdroje) a ich celkový vplyv sa vyjadruje veličinami THD. THD sa určuje v % a vzorec na výpočet je : THD = V V3 + V V1 V 2 Obr. 26. Analýza časového priebehu a zobrazenie hodnoty THD 43

45 1.5 Záznam, spracovanie, vyhodnotenie a archivácia údajov Časy, keď pracovník elektrární chodil z domu do domu a odčítal množstvo spotrebovanej energie z každého jedného elektromeru, sa už stávajú minulosťou. S vývojom komunikačnej a IT techniky sa tieto ručné odpočty najmä v hustejšie osídlených oblastiach nahrádzajú metódou automatizovaného odčítania a v pokročilejšom prípade sa namerané dáta prenášajú prostredníctvom komunikačného spojenia priamo do dátového centra distribútora. U jednoduchých elektromerov sa údaje len odčítali z počítadla, ale u elektronických sa údaje zaznamenávajú do dataloggerov kde sa ukladajú všetky vzorky. Vzorkovanie údajov v domácnostiach je veľmi riedke aby sa nezaťažovala pamäť. Špičkové analyzátory majú už mikroprocesory, ktoré vzorky aj vyhodnocujú. Ďalej sa tieto prístroje líšia veľkosťou vnútornej pamäte alebo ukladaním dát na flash disky. Komunikácie s PC sa realizuje optickým rozhraním, RS 232, RS 485 alebo modernejšie aj USB. 44

46 2 CIEĽ PRÁCE Získať prehľad o formách a premenách rôznych druhov energií, osvojiť si základné fyzikálne pojmy. Zoznámiť sa so spôsobmi výroby elektrickej energie, jej prenosom a premenami na iné formy energií. Rozšíriť vedomosti v oblasti merania elektrických veličín, zvlášť zisťovania množstva a kvality spotrebovanej elektrickej energie. Zistiť aktuálny stav a kategorizovať odbery elektrickej energie v našej elektroenergetickej rozvodnej sieti. Naučiť sa používať progresívne spôsoby získavania, prenosu, spracovania, vyhodnotenia a archivácie nameraných hodnôt. Na základe získaných vedomostí navrhnnúť technické a metodické riešenie sledovania odberu elektrickej energie na zvolených úrovniach a stavoch. 45

47 3 METODIKA PRÁCE Zoznámiť sa so základnými pojmami v oblasti energetiky a získať prehľad z problematiky výroby, prenosu a spotreby elektrickej energie. Naštudovať spôsoby merania elektrických veličín. Zistiť aktuálny stav meracích systémov na meranie základných elektrických veličín. Zoznámiť sa so spôsobmi fakturovania odberu elektrickej energie. Analyzovať možné situácie v zaťažovacích sústavách. Navrhnúť spôsob monitorovania resp. analýzy zvolených reálnych situácií odberu elektrickej energie. 46

48 4 VLASTNÁ PRÁCA Dopyt po elektrickej energií neustále prudko rastie, zdroje sa ale stále míňajú. Preto sa v súčasnosti taký veľký význam prikladá práve šetreniu. Mnoho ľudí si myslí, že práve ich sa tento problém netýka, takýto postoj ale nie je správny. Ak sa totiž dodržiava niekoľko správnych zásad, znížená spotreba sa takisto pozitívne odrazí aj na našej peňaženke. Okrem sledovania spotreby elektrickej energie je dôležité sledovať poruchy elektrickej siete a následne ich kompenzovať. Elektrické siete sa stávajú viac a viac zaťaženými rušením vyšších harmonických, ktoré ruší elektrický napájací zdroj objektu a zvyšuje spotrebu elektrickej energie. Vyriešenie tohto problému znamená skutočné úspory investícií, nákladov spojených s údržbou a zlepšenie kvality dostupnej energie. Cieľom mojej bakalárskej práce bola voľba, odporučenie metódy a meracieho systému pre rôzne druhy odberov elektrickej energie. Kategórie odberov elektrickej energie, pre ktoré budem navrhovať technické a metodické riešenie sú: Podľa množstva: Stroj, zariadenie Podľa účelu: Domácnosť Prevádzka Podnik Energetický uzol Fakturovanie spotreby Riadenie odberu (cos ϕ, štvrťhodinové maximum) Identifikovanie príčiny poruchy resp. zníženia kvality prevádzky v odbernom mieste Vývoj, výskum Sledovanie spotreby elektrickej energie za účelom racionalizácie V praxi sa stretávame s rôznymi kombináciami týchto dvoch skupín. Ďalej uvádzam niektoré typické situácie z hľadiska monitorovania spotreby elektrickej energie. Riešenie týchto situácií obsahuje voľbu prístrojového vybavenia, parametrov a spôsobov merania. 47

49 4.1 Sledovanie spotreby elektrickej energie v domácnosti za účelom racionalizácie Elektrická energia tvorí značnú časť réžie v domácnosti. Po vykurovaní je na druhom mieste. Úspory v spotrebe elektrickej energie možno dosiahnuť jej racionálnym využívaním. Jedna z ciest k racionálnemu využívaniu energií je dôsledné sledovanie stavu ich odberu monitorovanie. Merania, ktoré môžu viesť k úsporám spotreby elektrickej energie v domácnosti: a) vyhodnotenie aktuálnej spotreby jednotlivých spotrebičov spotrebiče môžu mať zvýšenú spotrebu v dôsledku zjavného zníženia kvality (poškodenie izolácie, opotrebenie, nepriliehajúce dvierka...) Riešenie: Ide o meranie činnej, väčšinou jednofázovej energie. Pre uspokojujúcu bilanciu je však potrebné merať s dostatočnou presnosťou, odporúčam triedu presnosti aspoň 1%. Bežné hypermarketové merače energie teda nevyhovujú, ich trieda presnosti je niekoľkonásobne nižšia (až 10%). Na daný účel odporúčam teda použiť priemyselný kalibrovaný elektromer. Ponuka prístrojov tohto druhu je na dnešnom trhu široká. Na Slovensku patria k najrozšírenejším elektromery firmy Schrack. Pre daný účel teda postačuje napr. jednofázový elektronický impulzný elektromer MGEIZ (obr. 27.) Charakteristické údaje: Šírka 1 TE Montáž na DIN lištu Impulzný výstup S0 (DIN 43864) Mechanický číselník Certifikát MID podľa smernice 2004/22/ES a certifikát SMÚ 48

50 Obr. 27. Jednofázový elektronický impulzný elektromer MGEIZ Technické údaje: Napätie 230 V AC Prúd (max.) 5 (25) A Frekvencia 50 Hz Prevedenie: spĺňa EN / EN 62053, CE Presnosť CL. 1 (IEC 1036) Rozhranie S0 Váha impulzu RA = 0,5 Wh / imp. Dĺžka impulzu 30 ms Konštanta (LED) 0,5 Wh / Imp. = RL Zobrazenie 5-miestny číselník a jedno desatinné miesto pre kwh Vlastná spotreba 0,5 W Napäťový rozsah 195 V až 253 V Prevádzkový / hraničný prúd 0,025 A až 25 A Rozbehový prúd pri cosφ = 1 22 ma Zohľadnenie harmonických do 7 khz Impulzný výstup konštanty 2000 Imp/kWh Zobrazenie mechanický číselník Rozsah teplôt -20 C až +55 C Rozmery DIN (1 TE=18 mm) Hmotnosť cca 0,1 kg Vzhľadom na výrazne väčšiu cenu presnejších elektromerov je táto metóda zaujímavá len v prípade väčšieho množstva meraní. Ďalšia možnosť je využitie služieb firiem vykonávajúcich opísané merania. 49

51 b) sledovanie celkovej spotreby domácnosti Podnetom k racionalizačným krokom v domácnosti môže byť sledovanie globálnej spotreby, ktorú zaznamenávajú elektromery inštalované elektrorozvodnými závodmi v rozvádzačoch odberných miest. Podrobnejšie informácie a aktuálny stav odberu elektrickej energie je však dnes už možno sledovať a v reálnom čase ovplyvňovať cenovo prístupnými meracími prístrojmi. Reprezentantom tejto skupiny meracích prístrojov je napríklad merač elektrickej energie ECO-EYE Elite. Eco- eye sú merače celkovej spotreby elektrickej energie v domácnosti (firme). Sú zložené z vysielacej jednotky (vysielač + senzory) a prijímacej jednotky (displeja). Využívajú bezdrôtový prenos (v ideálnych podmienkach dosah až 50m), takže si môžete displej umiestniť kdekoľvek v dome. Možno pridať ľubovoľné množstvo prídavných displejov, ktoré si môžete rozmiestniť do viacerých miestností. Displej zobrazuje všetky hodnoty podľa aktuálnej spotreby (meranie prebieha každé 4 sekundy) a to kw, náklady za hodinu, deň, týždeň, mesiac a rok a vyprodukované množstvo oxidu uhličitého (v kg) pri aktuálnej spotrebe. Cenu za 1kWh si každý nastaví podľa svojej tarify. Do konca roka 2010 by mal byť v ČR a SR dostupný modul pre pripojenie k PC s názvom Wi-eye, ktorý zabezpečí vyhodnocovanie a ukladanie nameraných dát v počítači. Obr. 28. Eco- eye Elite trojfázový 50

52 Spoločné špecifikácie Eco- eye Elite: zobrazenie spotreby v kw zobrazenie nákladov v Sk podľa momentálnej spotreby (za deň, týždeň, mesiac alebo rok) zobrazenie vyprodukovaných emisií CO2 história všetkých zobrazovaných hodnôt záznam skutočných nákladov od zvoleného okamihu meranie každé 4 sekundy bezdrôtový prenos - dosah až 50 m, frekvencia 433 MHz (30 kanálov) napájanie: 2x AA batérie (výdrž batérií minimálne 6 mesiacov) max meraný prúd na senzor je 75A rozsah napätia V Podľa EÚ by do desiatich rokov mala byť inteligentnými meračmi spotreby elektrickej energie vybavená každá domácnosť. Toto riešenie, ktoré ponúkam má takéto výhody: jednoduchá montáž viac zobrazovačov pre jedno meracie miesto bezdrôtový prenos údajov do zobrazovača meranie celkového príkonu trojfázových pripojení Nevýhody: presnosť merania je nízka- ide o informatívne meranie spotreby elektrickej energie Obr. 29. Inštalácia v bytovom rozvádzači (trojfázový obvod) 51

53 Z ponuky si môžeme vybrať jednofázový alebo trojfázový merač. Cena jednofázového merača sa pohybuje okolo 70,00 a cena trojfázového 99,00. c) energetická bilancia spotrebičov rovnakého druhu Vzhľadom na malú presnosť dostupných komerčných meračov výkonu a spotreby elektrickej energie, možno tieto prístroje použiť hlavne na relatívne merania. Meranie odberu elektrickej energie teda môže pomôcť pri výbere zariadení rovnakého druhu (elektrická rúra, práčka, chladnička...). Vyhotovenie je jednoduché, praktické a na trhu je pestrá ponuka. Na ilustráciu uvádzam EnergyCheck3000. Obr. 30. Merač Energy Check 3000 Po zapojení merača medzi zásuvku a vidlicu elektrospotrebiča môžeme zmerať: aktuálnu spotrebu náklad vo zvolenej tarife celkovú dobu merania celkový čas aktivity aktuálny výkon najnižší výkon počas merania najvyšší výkon počas merania 52

54 4.2 Meranie čiastkového odberu v prevádzke a identifikácia porúch Na úrovni prevádzky sa môžme stretnúť s možnosťou vývoja a výskumu (napr. laboratórium), záleží nám na fakturovaní spotreby a prípadnom identifikovaní príčiny poruchy. V prevádzke postačuje merať činnú energiu, na meranie ktorej postačuje stacionárny elektromer. Na úrovni prevádzky sa nemusí riadiť odber (dispečing je v rámci podniku). Na fakturovanie spotreby postačuje elektromer Křžík E3S xxt ( technické údaje v kapitole Sledovanie bilancie spotreby stroja zariadenia v rôznych prevádzkových režimoch). Elektromer by sa mal zapájať do siete polopriamo (prúdové transformátory). V súčasnosti sa v priemyselnej výrobe vyskytuje množstvo nelineárnych záťaží a záťaží pracujúcich v impulznom režime, čo je príčinou deformácie harmonického napätia i prúdu ba až výrazných nárastov alebo poklesov v rámci periódy. Riadiace obvody niektorých strojov potom tieto zmeny vnímajú, čo následne vedie k vyradeniu činnosti stroja. Identifikáciu týchto stavov možno vykonať len kvalitnými analyzátormi. K špičkovým zariadeniam tohto druhu sú analyzátory od firmy ELSPEC. Najvýhodnejším na daný účel sa javí ELSPEC G3500. ELSPEC G3500 BLACKBOX je Je schopný určiť kľúčové príčiny všetkých problémov s kvalitou energie. Benefity Elspec G3500 Blackbox: Obr. 31. Elspec G3500 žiadne prahové hodnoty, žiadne zmeškané udalosti, zachytáva cyklus hodnoty RMS, frekvencie, harmonické zložky a trendy, vzorkovací kmitočet pri napätí až 512 vzorkov za cyklus. Prúd až 512 vzorkov za cyklus, vstavaná batéria s kapacitou až 2 hodiny bez napájania, 53

55 Plug and Play: Automatické nastavenie zo samoidentifikačnou sondou, dodávaný software: PQSCADA a sowtfare na riešenie výkonovej analýzy s automatickou generáciou reportov, štandardné testovanie zhody IEC V prípade, že by mohla vzniknúť situácia rekuperácie energie do siete (brzdenie veľkých zotrvačníkov) je potrebné použiť 4 kvadrantný elektromer. 4.3 Fakturovanie spotreby a riadenie odberu v podniku V prípade veľkoodberu pribúdajú ďalšie platby oproti odberu v domácnostiach. A preto je potrebné sledovať ďalšie položky. Tie sa dajú sledovať na základe nameraných hodnôt. Pre dosiahnutie rovnomerného odberu je potrebné zabezpečiť reguláciu spotreby. Analýza spotreby elektrickej energie v podnikoch musí vychádzať z nameraných hodnôt štvrťhodinových výkonov počas dňa, t.j. z denného diagramu zaťaženia. Z týchto hodnôt sú pre reguláciu spotreby elektrickej energie dôležité hodnoty maximálnych dosiahnutých štvrťhodinových výkonov spolu s časovým údajom ich výskytu. Analýzou diagramu zaťaženia možno zistiť, v ktorých časových úsekoch hrozí prekročenie stanoveného maxima. Vhodným analyzátorom je možné ušetriť nezanedbateľné množstvo financií za elektrinu v podniku. Podniky patria medzi odberateľov elektrickej energie kategórie B (X2), ktorí sú pripojení na sieť vysokého napätia od 1 kv do 52 kv. Spotrebitelia energie v tejto kategórii platia za výkon meraný v štvrťhodinových časových intervaloch, za spotrebovanú energiu, za prenos energie a za systémové služby. Časový priebeh spotreby energie počas dňa môže byť ľubovoľný, ale jej celkové množstvo nesmie prekročiť rezervovanú hodnotu. Táto hodnota je zmluvne dohodnutá, rovnako ako technické maximum výkonu v cenníku tarifného produktu AdaptPower Západoslovenskej energetiky, a.s. (jeden z cenníkov platný v SR od ). Riešenie: V podniku je nutné okrem merania činnej energie merať aj jalový výkon spolu aj zo sledovaním štvrťhodinového maxima aby sme sa vyhli sankciám zo strany dodávateľa elektrickej energie. 54

56 Týmto podmienkam vyhovuje viacfázový statický elektromer AMT B0x-MR4. Charakteristika: Viacfázové statické elektromery typového radu AMT B0x-MR4 sú určené na meranie činnej a jalovej elektrickej energie v podružných elektrických rozvodoch s napätím maximálne do 500 V a prúdom maximálne do 10 A v priamom zapojení alebo do 150 A v polopriamom zapojení. Elektromery uvedeného sériového radu sú zabudované v puzdre na DIN lištu, čím spĺňajú podmienku ľahkej inštalácie do rozvodových skríň. Na svorkovnici elektromerov je vyvedený parametrizovateľný impulzový výstup, umožňujúci použitie elektromerov v informačných a regulačných sústavách. Konštrukcia elektromerov je postavená na báze špeciálneho meracieho obvodu so vstupnými napäťovými a prúdovými prevodníkmi. Napäťové prevodníky sú tvorené napäťovými deličmi v každej fáze, s ochranou proti prepätiam a napäťovým špičkám. Prúdové prevodníky obsahujú tri prúdové transformátory s lineárnym prevodom prúdu. Skúšobné výstupy pre činnú a jalovú energiu sú realizované dvomi červenými LED. Elektromery s LCD poskytujú štvorkvadrantné vyhodnocovanie nameranej elektrickej energie, meranie základných veličín činnej a jalovej energie v každej fáze na základe výpočtu s následným zobrazovaním: zdanlivej energie vypočítanej aritmetickým spôsobom, pomocou efektívnych hodnôt napätia a prúdu zodpovedajúcich fáz; efektívnych hodnôt striedavých signálov, prúdov a napätí v každej fáze; frekvencie alebo periódy napätia vybratej fázy meranej elektrickej siete; sledovanej kvality elektrickej siete t.j. monitorovaním fáz meranej elektrickej siete (elektromery s prídavnými funkciami typu Q): - prerušenie fázy; - pokles napätia fázy pod zadanú úroveň za stanovený počet polperiód napätia fázy meranej elektrickej siete; - detekcia nadprúdov vo fázach, presahujúcich zadanú hodnotu; - detekcia špičkových prúdov za stanovený počet polperiód napätia fázy meranej elektrickej siete. 55

57 Obr. 32. Elektromer AMP B03-MR4TT Technické údaje: Trieda (presnosť) B (1) - činná energia 2 - jalová energia Referenčné napätie [V] 3 x 230/400 Nábehový prúd Ist [A] 0,01 Minimálny prúd Imin [A] 0,05 Prechodový prúd Itr [A] 0,25 Referenčný prúd Iref [A] 5 Maximálny prúd Imax [A] 10 Referenčná frekvencia [Hz] 50 alebo 60 Vlastná spotreba - napäťový obvod [VA/W] 1 VA/ 0,7W Vlastná spotreba - prúdový(é) obvod(y) [VA] 0,1 Konštanta impulzov [imp/kwh] - pre skúšobný výstup programovateľné podľa vyhotovenia max pre impulzový výstup parametrizovateľné max Typ a zaťažiteľnosť impulzového výstupu - pasívny tranzistorový výstup 40 V/ 20 ma Dĺžka výstupného impulzu [ms] 80 Hmotnosť [kg] 0,4 Obr. 33. Trojfázové, polopriame meranie 56

58 Polopriame meranie je meranie za pomoci prúdových transformátorov ako je znázornené v predchádzajúcej schéme. Ako riadiaci systém, ktorý by sledoval štvrťhodinové maximá by som odporučil regulačný systém 1/4 hodinového maxima HMP 64. HMP 64 Regulačný systém 1/4 hodinového maxima a hodinovej regulácie Prístroj je určený k monitorovaniu a regulácii elektrickej energie, poprípade ďalších energií (plyn, teplo, voda a pod.) Regulácia sa vykonáva podľa aktuálneho výkonu, nastavenej regulačnej krivky a naprogramovaných funkcií. Prístroj má 4 vstupy, ktoré sa využívajú na pripojenie hlavného elektromeru a vstup pre indikáciu prebiehajúcej štvrťhodiny. Výstupy sú tvorené 6. prepínacími kontaktmi relé 8A/250V~. Na regulátor je možné pripojiť PC v kancelárii energetika. Pomocou ovládacieho softwaru je možná obojsmerná komunikácia s regulátorom (nastavovanie regulátora, archivácia dát, monitoring...) Schéma zapojenia: (schéma sa môže meniť v závislosti od požiadaviek zákazníka.) Obr. 34. Schéma zapojenia regulačného systému HMP 64 57

59 4.4 Monitorovanie spotreby stroj - zariadenie Sledovanie bilancie spotreby stroja zariadenia v rôznych prevádzkových režimoch Ak potrebujeme zistiť ekonomickú bilanciu výrobnej technológií alebo jej časti, je nevyhnutné určiť finančné vstupy a výstupy. Medzi vstup prakticky vždy patri spotreba elektrickej energie. Ak chcem zistiť spotrebu elektrickej energie v rôznych prevádzkových režimoch stroja zariadenia, musím si uvedomiť v akom prevádzkovom stave sa stroj - zariadenie nachádza ( pod akým je zaťažením) pretože má inú spotrebu pri plnom zaťažení a inú pri menšom. Ďalej je dôležite si uvedomiť, že stroj zariadenie pracuje prerušovane. Spotrebu v každom prevádzkovom stave možno zistiť statickým elektromerom. Na ilustráciu uvádzam Křžík E3S xxt. Trojfázové elektronické elektromery typového radu E3S xxt sa používajú na priame a nepriame meranie činnej elektrickej energie v trojfázových sústavách napätia s frekvenciou 50 Hz alebo 60Hz. Môžu sa použiť ako základné prvky automatizovaného sledovania a regulovania energie. Do siete sa zapájajú priamo. Merací systém elektronických elektromerov spĺňa požiadavky na meranie v triede presnosti 1,0 alebo 2,0 podľa STN EN a STN EN Elektromery sú vybavené obvodom vysielania impulzov, ktorých frekvencia je úmerná výkonu a tým aj spotrebovanej energii, čo rozširuje ich použitie aj pri koncentrácii a spracovaní údajov o nameranej elektrickej energii. Elektromery merajú elektrickú energiu bez ohľadu na smer toku prúdu. Pomocou LED diódy indikujú obrátený sled fáz a výpadok napätia. Technické údaje: Menovité napätie - priame zapojenie 3 x 230/400 V Základný prúd, priame meranie A Maximálny prúd 100A Spotreba napäťového obvodu maximálne 7,5 VA/0,4 W Spotreba prúdového obvodu 0,04 VA Počet sadzieb maximum 2 Skúšobný výstup impulzná konštanta štandardne imp/kwh Výstup na vysielanie impulzov: - dĺžka trvania impulzu 80 ms 58

60 - impulzná konšt. vysielania 400 imp/kwh (250 imp/kwh) Metóda: Spôsob odčítania je taký, že sa z číselníka odpíšu hodnoty, spustí sa proces, zastaví a následne sa odčítajú hodnoty. Proces je podobný ako keď zamestnanec elektrární odčítava spotrebovanú energiu v domácnostiach Sledovanie spotreby stroj zariadenie za účelom fakturovania spotreby V tomto prípade chceme zistiť spotrebu elektrickej energie stroja- zariadenia, ktorý sa prenajíma za účelom fakturácie. Z danej situácie vyplýva, že jalová energia nebude fakturovaná, preto použijeme vyššie uvedený statický elektromer Křžík E3S xxt. Odlišnosť voči predchádzajúcej situácií spočíva v spojitom meraní (celoročne) a v ucelení merania (fakturácia) Identifikovanie príčiny poruchy stroja zariadenia Pri identifikovaní poruchy stroja je nevyhnutné zistiť čas, veľkosť a tvar vzniknutej kolízie v sieti, ktorá spôsobila výpadok stroja alebo prevádzky. Pre takéto meranie použijeme analyzátor, ktorý musí zobrazovať celý časový priebeh, aby sme vedeli zistiť kedy vznikla porucha, akú mala veľkosť a tvar. Tieto požiadavky spĺňa napríklad trojfázový analyzátor elektrických sietí A 8335 Qualistar Plus. Funkcie analyzátora: Trieda presnosti A (0,1 %) Vyšší počet meracích kanálov pre meranie prúdov (meranie aj na strednom vodiči) Funkcia INRUSH na meranie rozbehových prúdov Vyššia kapacita pamäti Podpora českého jazyka (firmware) Nový typ prevodníkov prúdu MA193 MiniFLEX (Ø 70 mm/dĺžka 250 mm) Pracovné režimy: Základný režim merania TRMS I a U (AC+DC) až do 6500 A / 2000 V Režim harmonickej analýzy až do 50-tej harmonickej Režim výkonovej analýzy s meraním činného, zdanlivého a jalového výkonu, energie a cos φ 59

61 Režim sledovania prechodných dejov Režim záznamu na dlhodobé sledovanie zvolených parametrov siete Režim ALARM hlásenia poruchy, pri prekročení nastavených medzných hodnôt Obr. 35. Trojfázový analyzátor elektrických sietí A 8335 Qualistar Plus 4.5 Energetický uzol Pri meraní množstva dodávanej elektrickej energie z energetického uzla do príslušného rozvodu je nevyhnutné použiť nepriame meranie pomocou prúdových a napäťových transformátorov z dôvodu vysokých napätí a prúdov. Napäťové a prúdové transformátory sa volia podľa maximálnych predpokladaných odberov. Nevyhnutné je tiež meranie kvality energie, hlavne cosφ. Ako ilustráciu uvádzam elektromer značky Schrack typu DIZ. Prístroj typu DIZ je digitálnym jedno alebo dvojtarifným elektromerom určeným na meranie kladnej a zápornej činnej energie v 2- vodičových, 3- a 4-vodičových sieťach. Na prepínanie medzi tarifami slúži externý ovládací vstup. Elektromery typu DIZ sú určené hlavne pre dátovú registráciu spotrebovanej energie v priemyselnej technike a správe budov, pre konštrukciu spínacích zariadení a pre oblasť zásobovania elektrickou energiou. Technické údaje: Napätie - 4-vodičový elektromer 3x230/400 V, 3x58/100 V, 3x63/110 V, 3x290/500 V - 3-vodičový elektromer 3x400 V, 3x100 V, 3x110 V, 3x500 V - 2-vodičový elektromer 1x230 V, 1x58 V, 1x63 V, 1x100 V, 1x110 V Prúd - 5(65) A; 5II1 A, 1 A Frekvencia - 50 Hz, 60 Hz; (162/3 Hz)1 60