Человечество все больше стремиться к использованию возобновляемых источников энергии и пытается отказаться от источников на основе углерода. Увеличение количества солнечных, ветровых, водных (приливы/отливы, волновая энергетика) источников энергии привело к необходимости использования высокоточного метода измерения тока. Решение требуется по нескольким причинам: обеспечить точный биллинг, иметь улучшенный уровень контроля в различных частях энергосистемы и, возможно, самое главное, обеспечить максимальную эффективность распределенной энергосистемы.
Существует несколько способов измерения тока. Однако, наиболее подходящим для приложений возобновляемых источников энергии выглядит обычный амперметр, использующий шунтирующие резисторы (шунты) для работы с большими токами.
Потребность в возобновляемых источниках энергии
Возобновляемая энергетика давно уже не новинка. В течение многих десятилетий гидроэлектростанции были популярны в некоторых районах. Но для стран, пытающихся отказаться от углеродной энергетики, широкомасштабное использование солнечной энергии и энергии ветра было основным направлением развития альтернативной энергетики.
Напряжение, генерируемое возобновляемыми источниками энергии, отличается от обычных (традиционных) источников таких как ТЭС, ГЭС и атомные электростанции. Это связано с тем, что возобновляемые источники генерируют постоянный ток, который требует преобразования в переменный для передачи на дальние расстояние, и обратного преобразования в постоянный ток в случае необходимости (например, хранение электрической энергии). Стандартные источники электроэнергии по своей природе генерирует переменное напряжение, которое можно легко подавать в электрическую сеть с использованием трансформаторов и подстанции.
Возобновляемая энергия проходит более сложный путь, прежде чем попасть в энергосистему. Фотоэлектрические панели генерируют чистую энергию постоянного тока, которая должна использовать инвертор для преобразования в переменный ток для подачи в электрическую сеть. Некоторые ветряные турбины также генерируют постоянный ток, особенно небольшие установки, которые видны вблизи домов, ферм и промышленных объектов.
В больших ветровых установках турбины могут производить энергию переменного тока. Однако подключение их к сети общего пользования требует синхронизации напряжение и частоты с сетью. Но в некоторых случаях этого можно избежать. Напряжение и частота выходной мощности коррелируют с частотой вращения ветряной турбины, которая зависит от скорости ветра.
Одним из решений является использование редуктора для синхронизации скорости турбины с частотой сети. Недостатком является то, что это добавляет сложности в систему, а также увеличивает стоимость и вес ветроустановки. В большинстве случаев предпочтительнее преобразовывать выход турбины в постоянный ток, а затем использовать инвертор для преобразования его обратно в переменный ток с правильной частотой и напряжением сети.
Для синхронизации и большей точности работы системы альтернативной энергии необходимо измерения тока, как на стороне постоянного напряжения, так и на стороне переменного. Для измерений переменного тока используются трансформаторы тока, которые помимо измерения обеспечивают и дополнительное преимущество гальванической изоляции от измеряемой цепи. Но трансформаторы тока не могут использоваться для измерения в цепи постоянного напряжения.
Существуют некоторые инструменты, основанные на датчиках тока Холла, которые могут измерять ток переменный и постоянный, а также обеспечивают гальваническую развязку. Основная проблема с этим типом измерения – точность. Обычно невозможно получить требуемую точность 0,1% (или выше) с помощью датчиков Холла.
Третий вариант — использовать амперметры с точными шунтирующими резисторами. Этот тип измерения не обеспечивает гальваническую развязку, поэтому к такому типу измерения необходимо относиться особенно внимательно.
Как работает шунтирующий резистор в амперметре
Работа амперметра с шунтом довольно проста. В прошлом этот способ измерения широко использовался для измерения тока. Основные принципы измерения с помощью данной методики преподаются практически во всех курсах по электротехнике. Резисторы используются для «шунтирования» больших токов. Этот метод позволяет измерять значительно большие токи, чем это возможно при использовании обычных амперметров. Резистор с очень малым сопротивлением расположен последовательно с нагрузкой, что создает на нем небольшое падение напряжения, которое измеряется с помощью вольтметра. Затем ток рассчитывается с помощью закона Ома. Схема работы данной системе приведена ниже:
Это основной принцип работы измерительного прибора. Конечно, современные ампер-шунты немного сложнее. Шунтирующий резистор работает в паре с вольтметром для обеспечения максимального отклонение стрелки прибора при максимальном токе шунта. Падение напряжения на шунте имеют строго фиксированные значения: 50, 75 или 100 мВ. В типичном примере резистор, который будет измерять ток до 100 А с падением напряжения 100 мВ, будет иметь значение сопротивления 1 мОм (0,001 Ом). Для более высоких токов потребуется меньшее сопротивление резистора с более низким падением напряжения.
При таком низком сопротивлении оно должно быть определено точно и заранее, а любые другие элементы в системе, которые могут вызвать ошибки, должны быть устранены. Одним из способов снижения потенциально ошибочных измерений является использование четырехконтактного резистора для обеспечения раздельного соединения цепи нагрузки от измерительных терминалов.
Многие материалы, используемые для изготовления резисторов, чувствительны к изменению температуры. При измерении с точностью 0,1% материал резистора должен иметь низкий температурный коэффициент сопротивления (англ. TCR). Например, сплав манганина может использоваться для шунтирующих резисторов амперметров, поскольку его температурный коэффициент сопротивления стабилен в температурном диапазоне от -40 до + 60ºC.
Шунты амперметра часто вынуждены рассеивать много энергии, поскольку они предназначены для работы с полным током сети. Конструкция амперметра с шунтом должна учитывать мощность рассеивания, используя методы проводимости и конвекции для рассеивания тепла.
Как сделать лучший выбор
При выборе шунта для данной системы необходимо учитывать ряд факторов, независимо от того, приобрели ли вы готовый резистор или изготавливаете свой. Как уже упоминалось ранее, сопротивление должно быть стабильным во всем температурном диапазоне, в котором будет работать система. Максимальная рабочая температура для резистора обычно составляет 80 ° C, при нормальной рабочей температуре от 40 до 60 ° C.
Максимальная рабочая температура поддерживается ниже 80 ° C, поскольку температура выше этой точки вызывает дрейф сопротивление и нарушает точность измерения. Если температура элемента сопротивления поднимается выше 140 ° C, это вызовет процесс «отжига», постоянно изменяя сопротивление. Чтобы свести к минимуму вероятность этого, правильная установка и ориентация шунта жизненно важна. Если элемент установлен вертикально, он даст доступ к максимальному количеству воздуха для конвекции. Но даже этого может быть недостаточно, и для схемы может потребоваться принудительное воздушное или водяное охлаждение (рисунок ниже):
В общем, шунты работают примерно на 66% от их расчетного максимального тока. Исключением могут быть шунты, предназначенные для измерения прерывистых или импульсных токов. В этих случаях можно допускать более высокие токи, не беспокоясь о том, что резистор будет перегреваться. Следовательно, рабочий цикл становится важным этапом при выборе шунтирующего резистора. Потребность в охлаждения и тип охлаждения могут быть рассчитаны на основе сочетания температуры окружающей среды, рабочего цикла (кратковременный, продолжительный и так далее) и максимально допустимой температуры.
Конечно, как и любой другой тип измерительного оборудования, амперметр с шунтом требует регулярной повторной калибровки и повторной сертификации для обеспечения достаточной точности измерения, чтобы удовлетворить потребности системы, в которую он внедрен. Многие компании ежегодно выполняют эти действия.
Выводы
Амперметры с шунтами уже давно являются популярным инструментом для измерения тока. Другие измерительные технологии заменили амперметры с шунтирующими резисторами в некоторых приложениях, но альтернативная энергетика вновь возродила данную технологию. При покупке или подборе амперметра для традиционных или специфических измерений следует проявлять осторожность, чтобы измеряющие резисторы (шунты) точно соответствовали потребностям системы. Этот процесс можно упростить, работая с опытным производителем, который поможет вам преодолеть любые подводные камни.
