מדי חשמל הם דבר שבשגרה, אבל האם תהיתם פעם כיצד "הציוד הסטנדרטי" המשמש לכיול אותם עובר את ה"בדיקה-" שלו? במיוחד עם האימוץ הנרחב של תחנות טעינת-על ברמת מגה-וואט עבור רכבי אנרגיה חדשים, כיצד ניתן להשיג-כיול הספק מלא של מד חשמל, הצורך 1000 קילוואט-שעה לשעה?
האם כיול מוני חשמל מבוצע תמיד על סמך עומס בפועל? בתחום מדידת החשמל, אנו משתמשים בחוכמה בטכנולוגיית "עומס וירטואלי" כדי לפתור בעיה זו.
האם כל כיול מוני החשמל מתבצע בעומס אמיתי?
מסקנה: לא בהכרח.
בעוד שבאופן עקרוני, הנהיגה של עומס אמיתי עם מד החשמל היא שיטת הבדיקה האינטואיטיבית ביותר, בפועל, במיוחד בתרחישים עם דרישות מתח גבוה, זרם גבוה או דיוק גבוה, "שיטת העומס הווירטואלי" היא הגישה המרכזית.
עבור מד החשמל של ערימת טעינת הבזק של UBS Electronics מגוואט (1000V/1000A) שהוזכר לעיל, אם מבוצע כיול עומס אמיתי:
- הספק: P=U*I=1000V*1000A=1,000,000W=1MW
-
צריכת אנרגיה: ריצה בעומס מלא למשך שעה אכן צורכת 1000 קוט"ש חשמל ודורשת מערכת קירור גדולה.
זה מאוד לא חסכוני וקשה ליישום במעבדה או בכיול בשטח. לכן, עבור מדי מתח AC ו-DC כאחד, "שיטת אימות העומס הווירטואלי" (הידועה גם כ"שיטת המונה הסטנדרטית" או "שיטת אספקת החשמל") היא האמצעי המרכזי לפתרון הבעיה של אימות הספק גבוה-.
מבחן עומס אמיתי לעומת מבחן עומס וירטואלי: מה ההבדלים?
ניתן להשוות את שתי השיטות ל"שקילה":
- מבחן עומס אמיתי: זה שווה ערך לשימוש במשקל סטנדרטי במשקל ידוע (העומס הפיזי בפועל) כדי ללחוץ על המשקל (מד חשמל) כדי לראות אם המשקל מדויק.
- מבחן עומס וירטואלי: זה שווה ערך לסימולציה של אות עומס "מזויף" דרך מעגלים, האומר למד החשמל ש"נצרך חשמל כרגע", אבל במציאות, לא כל כך הרבה חשמל נצרך.
שיטת אימות עומס בפועל
שיטה זו משתמשת ברכיבים פיזיים ממשיים (כגון נגדים, משרנים וקבלים) כעומס:
1. עקרון: מד אנרגיה סטנדרטי ומד האנרגיה הנבדק מחוברים בסדרה באותו מעגל עומס בפועל, מה שמאפשר להם לפעול תחת אותם מתח וזרם. לאחר מכן משווים ההבדלים בקריאות שלהם.
2. תרחישי יישום: משמש בעיקר לאימות-פשוטה באתר, בדיקה של מדי אנרגיה ישנים מסוג אינדוקציה- או במעבדות קטנות חסרות ספקי כוח ניתנים לתכנות-בדיוק גבוה.
שיטת אימות עומס וירטואלי
זוהי השיטה המרכזית לאימות מדי חשמל מודרניים, במיוחד עבור מדי חשמל אלקטרוניים ו-DC:
1. עקרון: ניצול מקור כוח הניתן לתכנות, מתח וזרם מסופקים באופן עצמאי. לולאות המתח והזרם נפרדות פיזית (ללולאת המתח יש זרם נמוך במיוחד, וללולאת הזרם יש מתח נמוך במיוחד). מעגלים אלקטרוניים מדויקים מדמים תנאי הפעלה שונים הנדרשים לפעולה רגילה של מד החשמל (כגון גורמי הספק שונים ויחסי זרם שונים).
2. תרחישי יישומים: כמעט כל המעבדה אימות ביצועים מלאים-, בדיקת מפעל ודיוק- גבוה ב-כיול האתר.
השוואה-מעמיקה בין היתרונות והחסרונות של שתי שיטות האימות
לשם השוואה ברורה, נערכה הטבלה הבאה:
| מימד השוואה | אמת-שיטת כיול עומס | שיטת כיול טעינה{{0} וירטואלית |
|---|---|---|
| צריכת אנרגיה | גבוה במיוחד. דורש המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה תרמית או מכנית, שהיא אינטנסיבית- וגורמת לייצור חום חמור. | נמוך במיוחד. צורך רק את הכוח הזעיר של המכשיר עצמו,- יעיל באנרגיה וידידותי לסביבה-. |
| גודל ציוד | מגושם וכבד. זרם גבוה דורש בנק עומסים עצום (בדומה לתנור חשמלי ענק). | קומפקטי וקל משקל. מורכב בעיקר מרכיבים אלקטרוניים, קל להפוך לצורה ניידת. |
| בדיקת דיוק | נמוך יחסית. מושפע מאוד מהזדקנות רכיבי העומס ומסחפת הטמפרטורה, קשה להתאמה. | גבוה במיוחד. דיוק בר השגה של 0.05% ומעלה עם ליניאריות טובה. |
| כיסוי טווח | מוּגבָּל. קשה לדמות במדויק זרמים קטנים (למשל זרם התחלה) או עומסי יתר קיצוניים. | טווח מלא-. מכסה בקלות את כל הטווח מזרם התחלה (0.4% Ib) ועד לזרם המרבי. |
| בְּטִיחוּת | נמוך יחסית. סיכון גבוה של חימום וקצר חשמלי תחת זרם גבוה, מהווים סכנות בטיחותיות. | גבוה יחסית. מעגלי בקרה וכוח מבודדים עם מנגנוני הגנה מלאים. |
יתרונות הליבה מוסברים:
מדוע שיטת הטעינה הווירטואלית מדויקת יותר?
בשיטת העומס האמיתי, אם לסליל הנוכחי יש התנגדות, תתרחש נפילת מתח שתגרום לשינוי במתח על פני סליל המתח, ובכך תכניס "טעויות נוספות". בשיטת העומס הווירטואלי, לולאות המתח והזרם אינן תלויות ואינן מפריעות זו לזו, ולכן אין שגיאה נוספת כזו, ותוצאות המדידה קרובות יותר לערך האמיתי התיאורטי.
מדוע שיטת הטעינה הווירטואלית יכולה למדוד הספק ברמת מגוואט-?
התקן כיול העומס הוירטואלי (מקור סטנדרטי) משתמש פנימי בטרנזיסטורים- בהספק גבוה או במודולי IGBT כדי להפוך את הספק DC לצורת גל AC הנדרשת, או לבצע ישירות בקרת DC מדויקת. בניגוד לשיטת העומס האמיתי, היא אינה צריכה לפזר 1MW של אנרגיה חשמלית כחום; במקום זאת, באמצעות בקרת-לולאה סגורה, הוא יכול לדמות את המאפיינים החשמליים של 1MW עם כמות קטנה של אנרגיה חשמלית בלבד.
תַקצִיר
נחזור לשאלה הראשונית: האם כל אימותי מוני החשמל מבוססים על עומס בפועל?
לא. למעט אימותים או בדיקות פשוטות ספציפיות באתר- על מונים ישנים יותר, מדידת חשמל מודרנית (במיוחד -מתח גבוה, -מודי טעינת-על זרם זרם גבוה) כמעט 100% משתמשת בשיטת אימות העומס הווירטואלי.
בעוד ששיטת העומס בפועל היא "מציאותית", היא מוגבלת על ידי צריכת אנרגיה, גודל ודיוק, והופסקה בהדרגה או משמשת רק כשיטה עזר.
שיטת העומס הוירטואלי משתמשת בטכנולוגיה אלקטרונית מתקדמת כדי להשיג "מנוע קטן שמושך עומס גדול", מה שמבטיח את הדיוק של התקנים המטרולוגיים הלאומיים תוך פתרון בעיית צריכת האנרגיה של אימות ערימת טעינת-על ברמת מגה-וואט-.
בפעם הבאה שתראה את מד החשמל הקטן הזה בתחנת טעינה, דע שמאחוריו מסתתר "מבחן מאמץ קיצוני" המדמה את כל תנאי ההפעלה באמצעות ציוד אלקטרוני-היי-טק.