Stabilita frekvence elektrické sítě

Před několika lety jsem předělával staré digitronové stopky na hodiny. V původních stopkách se řídící frekvence brala z frekvence sítě. I přes to, že frekvence sítě by měla být stabilní, rozhodl jsem se původní obvod nahradit krystalovým oscilátorem.

Nyní se chystám na další předělávku stopek… avšak v tomto případě bych rád využil původní obvod, který synchronizuje běh stopek se síťovou frekvencí. V dnešní době by měla být frekvence na tolik stabilní, že by s přesností hodin neměl být problém (až na výjimky). Pro zajímavost jsem se tedy rozhodl změřit stabilitu síťové frekvence, která by měla být v ideálním případě přesně 50 Hz. Mohu doporučit další článek, který se zabývá měřením frekvence sítě.

Původně jsem měl v úmyslu vytvořit čítač, který by počítal počet period síťové frekvence, synchronizoval se s modulem reálného času (nebo s GPS), vypočítával frekvenci, posílal to do počítače, případně ukládal na SD kartu. Ne neřešitelný, avšak reálný problém je docílit nějaké rozumné přesnosti čítání. Přece jenom, pokud se použijí „nekalibrované“ součástky, může být do výpočtu vložena nechtěná chyba. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl použít sériově vyrobený čítač (měřič frekvence), ze kterého se načítají do počítače data. Ty lze pak zpracovat třeba jednoduše v Excelu… Hotové zařízení by mělo být řádově přesnější, než nějaký bastl s Arduinem.

Ve výsledném zapojení jsem použil přístroj Rigol DG1022Z, což je dvoukanálový generátor funkcí a jednokanálový čítač/měřič frekvence. Přístroj komunikuje přes VISA protokol (přes USB) s aplikací v počítači. Síťové napětí je přivedeno na transformátor 230/9 V, sníženo odporovým děličem a poté sondou Chauvin Arnoux HX0210 přivedeno na vstup čítače. Ten měří frekvenci na 5 desetinných míst s časovou základnou 10,73 s. Frekvence je v 10s intervalu přenášena do počítače, kde je z dat vytvořena tabulka. Ta se následně zpracuje v Excelu. Toť po technické stránce vše.

Aby data byla alespoň nějak relevantní, je potřeba načítat poměrně dlouhý časový interval. Frekvence sítě se mění s celkovým zatížením sítě – ta se liší jak v jednotlivých dnech (pracovní dny, víkendy) tak i v jednotlivých hodinách. Ideální je tedy načítat souvisle alespoň týden – to při 10s intervalu načítání dělá 60480 záznamů.Původní plán byl tedy načítat celý týden. Frekvence sítě se v jednotlivých (pracovních) dnech příliš neliší, takže výsledná data jsou ze dvou dnů (úterý 17. 3. 2020 a středa 18. 3. 2020) – měřeno 24 hodin v 10s intervalu.

Ještě jsem chtěl data porovnat se zatížením sítě, ale bohužel jsem nenašel na stránkách Čepsu nějaké rozumné grafy. Mají pouze na hlavní straně takový nějaký graf za posledních 12 hodin.

Soubor s daty si můžete stáhnout. Jedná se o soubor dat oddělených středníkem (*.csv). V prvním sloupci je datum a čas měření, v druhém sloupci je frekvence. Data jsou celkem ze třech dnů (16., 17., a 18. 3. 2020), ale bohužel ne vždy kompletně z jednoho celého dne. Lze z nich však složit celých souvislých 24 hodin.

Níže uvedené výpočty budou založena na těchto naměřených datech. V dlouhodobém měřítku může být odchylka frekvence jiná!

Celkově je zaznamenáno 8640 záznamů s průměrnou frekvencí 50,00046 Hz. Frekvence sítě je tedy v tomto období o 0,00092 % vyšší než 50 Hz. V ideálním případě by během dne mělo být v síti 24 (hodin) * 60 ( minut) * 60 (sekund) * 50 (frekvence) = 4320000 period sinusového signálu. Při výše zmíněné frekvenci je to ‭4320039,744‬ period signálu. Pokud by byly hodiny řízeny frekvencí sítě (50 Hz), tak by se za 24 hodin předběhly 0,79488 sekundy. Za týden je to tedy cca 5,56 sekundy.

Souhrn:

• Měřící přístroj: Rigol DG1022Z
• Datum záznamu: 17. a 18. března 2020 (průběh celých 24 hodin)
• Vzorek dat: 8640 záznamů (24 hodin v 10s intervalu)
• Průměrná naměřená frekvence: 50,00046 Hz
• Procentuální odchylka od ideální frekvence: +0,00092 %
• Odchylka hodin za 24 hod.: +0,79488 sekundy

Jak lze vidět, řízení hodin pomocí síťové frekvence je možné s poměrně obstojnou přesností a lze tím i nahradit krystal. Samozřejmě, v dnešní době existují i přesnější obvody, které jsou např. teplotně kompenzované. Na podobném obvodu DS3231 jsou založeny moje Arduino hodiny. Výhoda těchto obvodů je navíc nezávislost na síťovém napájení (frekvenci) a záloze hodin i při výpadku napájení.