Lumel PP84 - przetwornik mocy czynnej - wnętrze i naprawa

Przetwornik mocy czynnej jest urządzeniem przemysłowym który dokonuje pomiaru mocy czynnej pobranej i przekształca na sygnał analogowy. Ze względu na różnorodność zapotrzebowania i zakresów pomiarowych, produkowane są w zasadzie pod konkretne zamówienie. W tym przypadku jest dokonywany pomiar półpośredni trójfazowy, wykorzystując przekładniki prądowe 600/5 A, co odpowiada zakresowi wyjściowemu 0…400 kW. Wyjściem przetwornika jest pętla prądowa 4…20 mA.

Przetwornik był zamontowany w stacji transformatorowej, dokonywał pomiaru tylko jednym torem pomiarowym i służył jako podgląd mocy pobieranej przez zakład. Pracował non stop od 1997 roku i przestał działać około roku temu. Wobec oblicza drastycznej podwyżki cen energii elektrycznej zaszła konieczność przywrócenia działania pomiaru celem przeanalizowania oszczędności które mogłaby wnieść zmiana taryfy.

Zacznijmy od otwarcia obudowy. Listwy zaciskowe są przykręcone do obudowy wkrętami metrycznymi, zabezpieczonymi przed wypadnięciem. Dodatkowo przedni panel jest zamknięty zatrzaskami z boków obudowy. Wyjęcie elektroniki nie było łatwe, przez przyklejenie się lakieru elektroizolacyjnego którym pokryte są płytki. Przykleja się krawędź płytki która jest wsunięta w rowki wewnątrz obudowy. Niestety jest konieczne rozwiązanie siłowe celem wyjęcia elektroniki z obudowy.


Po wyjęciu widzimy elektronikę składającą się z trzech płytek połączonych kołkami.


Górna płytka odpowiada za pomiar napięcia. Dolna płytka odpowiada za pomiar prądu oraz mnożenie i sumowanie sygnałów analogowych. Płytka środkowa zawiera zasilacz oraz przetwornik sygnału analogowego (pętla prądowa 4…20 mA).

Płytka napięciowa zawiera przekładniki napięciowe. Uzwojenia pierwotne o rezystancji 135 Ω są połączone przez dwa rezystory 56 kΩ, co sprawia że napięcie na uzwojeniu pierwotnym jest bardzo niskie (ok. 3 V), a napięcie na uzwojeniu wtórnym praktycznie jest niemierzalne. Po otwarciu drugiego zapasowego przetwornika okazało się, że transformatory mają przekładnię 1:1. Układy pomiarowe składają się z popularnych wzmacniaczy operacyjnych TL061, TL062 i TL082.


Płytka prądowa zawiera przekładniki prądowe, których uzwojenie pierwotne zrealizowano poprzez przełożeniu przewodu przez rdzeń. Układ pomiarowy składa się z wzmacniaczy operacyjnych TL081 i TL082. Na płytce znajdują się dwa wielobrotowe rezystory nastawcze służące do skalibrowania i uzyskania równych odczytów z trzech torów.


Środkowa płytka zawiera transformator sieciowy o napięciu wtórnym 2×18 V, co po wyprostowaniu daje bardzo wysokie jak na potrzeby napięcie wynoszące 2×28 V. Transformator nie posiada zabezpieczeń w postaci bezpieczników lub warystorów. Napięcie wtórne jest stabilizowane do napięcia ±12 V przez stabilizatory 7812 i 7912. Na płytce znajdziemy też precyzyjne źródło napięcia –5 V — LM336Z-5.0 w układzie przetwornika pętli prądowej. W tym celu zastosowano precyzyjny wzmacniacz operacyjny LT1013. Poza tym na płytce znajdziemy tranzystory BC337 i BD140 oraz wieloobrotowe rezystory nastawcze służące do kalibracji wyjścia prądowego. Napięcie +28V służy jako zasilanie wyjścia prądowego, jest ono konieczne w razie wystąpienia dużej rezystancji obciążenia pętli prądowej.


Izolację galwaniczną wyjścia pętli prądowej zapewnia transformator i przekładniki napięciowe oraz prądowe.

Przetwornik został zastąpiony nowym, ale postanowiłem zabrać go do domu i sprawdzić co się zepsuło i czy można naprawić. Pierwsze co zrobiłem to sprawdziłem napięcia zasilające. Pomiar wykazał zaniżone napięcie ±10 V, pomiar miernikiem na napięciu przemiennym nie był możliwy (test tętnienia), więc włączyłem oscyloskop i zobaczyłem przebieg opadający do zera przy przejściu napięcia sieciowego przez zero. Oczywiście, jak można było się domyśleć, po tylu latach wyschły kondensatory elektrolityczne. Kondensatorów przed stabilizatorami nie można było zmierzyć przez znaczną upływność, natomiast kondensatory za stabilizatorami miały pojemność ok. 100–200 nF. Bliskość stabilizatorów i transformatora skraca żywotność kondensatorów. Zostały wymienione na nowe i napięcia zasilające osiągnęły prawidłową wartość.


No ale jak sprawdzić w domu czy przetwornik działa poprawnie? Po pierwsze do wyjścia podłączamy miliamperomierz. Po drugie podłączamy układ pomiarowy jak przy pomiarze bezpośrednim. Trzeba pamiętać, że maksymalny prąd jaki powinien przepływać przez obciążenie testowe nie powinien przekraczać 5 A. Schody pojawiają się przy przeliczeniu zakresu pomiarowego bez przekładników i przeliczeniu go na wartość pętli 4…20 mA. Przekładnik 600/5 to mnożnik ×120, więc zakres pomiarowy bez przekładników to 0…3333 W. Mierząc jedną fazę (5 A) osiągniemy tylko 1/3 zakresu, czyli 1111 W. Pętla prądowa to 4 mA „zera” i 16 mA pełnego zakresu. Więc każdy miliamper powyżej 4 mA to w przybliżeniu 208 W mocy czynnej. Potrzebne jest więc spore obciążenie aby uzyskać wyraźną różnicę we wskazaniu miliamperomierza. Sprawdziłem przetwornik używając opalarki 750/1300 W. Żeby było ciekawiej, połączyłem szeregowo wszystkie tory prądowe i połączyłem równolegle wszystkie tory napięciowe — dzięki temu odczyt był mnożony razy trzy. Sprawdziłem także co się stanie w przypadku odwrócenia kierunku przepływu prądu. Oczywiście nie będzie on dodawany, tylko odejmowany (co widać na złączu pomiędzy płytką prądową a przetwornikiem), natomiast sygnał analogowy nie stanie się ujemny (tzn. mniejszy niż 4 mA).


Poprzez wymianę kondensatorów elektrolitycznych naprawiłem oba przetworniki zainstalowane na zakładzie (zasilanie sieciowe i rezerwowe). Pomiar jednotorowy został zmieniony na pomiar jednej fazy przez trzy tory (szeregowe połączenie obwodu prądowego i równoległe połączenie obwodu napięciowego), ponieważ sygnał wyjściowy miał za mały zakres (4–5.5 mA), co za tym idzie mniejszą dokładność. Nowy przetwornik mocy czynnej został zdemontowany i przekazany do drugiego oddziału firmy.