Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Решения для счетчиков энергии Microchip

Решения для счетчиков энергии Microchip

В этой статье рассматриваются особенности микросхем измерения энергии MCP3905A, MCP3906A, MCP3906L, MCP3909, предлагаемых компанией Microchip для построения промышленных счетчиков энергии, а также особенности готового дизайна 3-фазно-го счетчика на основе МСР3909.

Повсеместное распространение электронных счетчиков энергии в течение последних нескольких лет связывают, прежде всего, с развитием микроконтроллерных технологий и, как следствие, появлением новых семейств высокопроизводительных контроллеров с расширенной периферией и сверхнизкой ценой.

Современные микроконтроллеры позволяют строить цифровые решения в области измерения электроэнергии. Они сравнимы с традиционными электромеханическими счетчиками по цене, но отличаются от них повышенной точностью, соответствием международной спецификации 1ЕС 1036 класса 1 и возможностью реализации дополнительных функций. К последним относятся измерение действующих значений напряжения и тока, вывод информации на дисплей, сохранение измерений в энергонезависимой памяти данных и т.д.

Компания Microchip Technology Inc., ведущий мировой производитель микроконтроллеров и интерфейсных микросхем, предлагает инженерам и специалистам квалифицированную техническую поддержку и законченные решения в области дизайна счетчиков энергии, отвечающие современным требованиям рынка (рис. 1). Это микросхемы измерения электроэнергии (MCP3905A, MCP3905L, MCP3906A, MCP3909), PIC микроконтроллеры и контроллеры DSP dsPIC для построения счетчиков, энергонезависимая память EEPROM, интерфейсные микросхемы для передачи данных в сеть или на сервер, а также готовый дизайн трехфазного счетчика на основе микросхемы MCP3909 и контроллера PIC18F2520.

Обобщенная схема счетчиков электроэнергии

Рис. 1. Обобщенная схема счетчиков электроэнергии

Микросхемы измерения энергии Microchip семейства MCP3905A/ 05L/06A предназначены для применения в бытовых и промышленных счетчиках электроэнергии. Семейство микросхем с литерой «А» является продолжением семейства MCP3905/06 и отличается улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости. MCP3905L имеет уменьшенную длительность импульса выхода телеметрии и драйверов механического отсчетного устройства. Это позволяет значительно снизить собственное потребление счетчика.

Основные особенности микросхем МСР390х

• соответствие спецификации IEC 62053;

• выход для прямого подключения механического отсчетного устройства;

• высокочастотный выход частоты, пропорциональной мгновенному значению потребляемой мощности;

• программируемые усилители с фиксированным коэффициентом на каждом канале, предназначенные для использования с низкоом-ными токовыми шунтами;

• два 16-битных дельта-сигма АЦП (каналы напряжения и тока);

• типовая ошибка измерения — 0,1%.

Структурная схема микросхем измерения электроэнергии MCP390x приведена на рис. 2:

Структурная схема MCP3905A/L/06A

Рис. 2. Структурная схема MCP3905A/L/06A

Микросхема MCP3909 имеет интерфейс SPI, через который доступны результаты преобразований по каналам напряжения и тока, что позволяет измерять RMS напряжения, активную и полную мощность.

Микросхемы MCP390x соответствуют международной спецификации IEC 62053, имеют частотный выход, пропорциональный значению средней мощности FOTU0 и FOUT1, высокочастотный выход частоты HFOUT, пропорциональной мгновенному значению потребляемой мощности (рис. 3):

Диаграмма низкочастотного и высокочастотного выходов MCP390x

Рис. 3. Диаграмма низкочастотного и высокочастотного выходов MCP390x

MCP3905L имеют уменьшенную длительность импульса выхода калибровочной частоты и механического отсчетного устройства для проектирования счетчиков малой мощности.

MCP390x содержат два 16-битных дельта-сигма АЦП (каналы напряжения и тока) со встроенным источником опорного напряжения на 2,4 В и сверхнизким температурным коэффициентом <15 ppm/°C, встроенный блок DSP для вычисления активной мощности, модуль сброса POR (Power-on reset) для удержания микросхемы в сброшенном состоянии на малых напряжениях.

Читайте так же:
Электронные счетчики электроэнергии врут

Оба входных канала напряжения и тока (CH0, CH1) имеют на входе усилители с задаваемым коэффициентом усиления PGA и два 16-битных дельта-сигма АЦП, преобразующих входной сигнал в цифровой, пропорциональный значению MCLK/4.

Рекомендации по выбору коэффициента усиления PGA в зависимости от типа используемого шунта, его номинала и требований к потреблению приводятся в документации на микросхемы и в примерах применения (AN994, AN939).

Активная мощность представляет собой постоянную составляющую сигнала мгновенной мощности. Таким образом, значение активной мощности получается фильтрацией ФНЧ мгновенного сигнала.

Преобразователь цифрового сигнала в импульсы преобразует активную мощность в импульсы на своем выходе с частотой, пропорциональной среднему значению действительной мощности. Таким образом, полученный низкочастотный сигнал на выходах FOUT0 и FOUT1 можно использовать для непосредственного подключения механического отсчетного устройства. Каждый импульс соответствует фиксированному количеству потребленной активной мощности. Эта пропорциональность устанавливается логическими уровнями на входах F2, F1, F0.

Выход HFOUT — высокочастотный выход, пропорциональный мгновенному значению потребляемой мощности.

Частота на выходе Fout может быть найдена из выражения (1),

где: V0 — среднеквадратичес-кое значение дифференциального напряжения канал CH0;

V1 — среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH1;

G — коэффициент усиления PGA канал CH0 (канал тока);

Fc — частотная константа;

Vref — опорное напряжение.

При этом если на входе мы измеряем постоянное напряжение, постоянное и действующее значение будут одинаковы. Если же входной сигнал синусоидальный, активное значение будет вычисляться как V/sqrt(2). Константа Fc зависит от настроек выходов F и F

Высокочастотный выход HFout имеет меньший период интегрирования. Сигнал на этом выходе определяется из уравнения (2),

v ref)

V0 — среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH0;

V1 — среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH1;

G — коэффициент усиления PGA канал CH0 (канал тока);

HFc — частотная константа;

Vref — опорное напряжение.

Константа HFc зависит от настроек выходов FOUT1 и FOUT2.

Аналоговые входы MCP390x могут подключаться непосредственно к преобразователям напряжения и тока (токовым шунтам и трансформаторам). Каждый канал имеет встроенную защиту и допускает подачу напряжения ±6 В.

Оба входных канала полностью дифференциальные для эффективного подавления шумов. Абсолютное значение напряжение на каждом из входов во время измерения должно быть в пределах ±1 В, чтобы обеспечить необходимую точность измерений. Синфазные сигналы должны быть подтянуты ко входу AGND.

Каждый из каналов содержит PGA для измерения малых сигналов без дополнительной обработки. Максимальное дифференциальное напряжение канала CH0 ±470 мВ/Кус. Задание коэффициента усиление осуществляется логическими уровнями на входах

Помимо отдельных микросхем измерения энергии компания Microchip предлагает разработчикам и производителям счетчиков готовый дизайн 3-фазного счетчика на основе микросхемы измерения энергии МСР3909 и контроллера PIC18F2520 (рис. 4).

внешний вид трехфазного счетчика на основе микросхемы МСР3909 и контроллера PiC18F2520

Рис. 4. внешний вид трехфазного счетчика на основе микросхемы МСР3909 и контроллера PiC18F2520

Основные особенности готового дизайна

• Полностью функциональный 3-фазный счетчик;

Читайте так же:
Со скольки до скольки считается ночное время по электросчетчику

• Импульсный выход, пропорциональной активной энергии, выход активной мощности, действующего значения тока и напряжения;

• 62 выходных регистров с последовательным доступом, накапливающие значения измеренной мощности во Flash-памяти;

• 54 калибровочных регистра, обеспечивающие сдвиг, корректировку коэффициента усиления, фазы, МЗР и регистрацию во Flash-память;

• Высокоточный встроенный в МСР3909 16-битный АЦП, 128 выборок за цикл;

• Простые для понимания команды записи калибровочных регистров в ЕЕРИОМ;

• 64-разрядный регистр для накопления активной энергии;

• Одноточечная калибровка нелинейности для токового трансформатора;

• Многоточечная калибровка (поддержка в скором будущем);

• Измеренное значение активной мощности доступно по USB-шине в реальном масштабе времени;

• Автоматизированная калибровка с помощью программной утилиты;

• Соответствие стандарту IEC;

• Работа под ОС Windows®2000, Windows®XP.

Функциональная схема 3-фазного счетчика

Рис. 5. Функциональная схема 3-фазного счетчика

В заключение стоит отметить, что компания Microchip, предлагает разработчикам и инженерам, занимающимся проблемами автоматизированного измерения как готовые дешевые схемы измерения энергии МСР390х, отвечающие международным стандартам IEC для дизайна простейших счетчиков, так и контроллеры PIC для построения более сложных счетчиков энергии, с индикацией, многотарифных счетчиков, счетчиков с записью данных в EEPROM и т.д.

Подробная информация о имеющихся решениях в области построения счетчиков, примеры кода программ, готовый дизайн 3-фаз-ного счетчика, рекомендуемые контроллеры PIC и DSP-контроллеры dsPIC доступны на сайте Microchip по прямой ссылке: www.microchip.com/meter.

Центр Технической поддержки Microchip в России проводит семинары по новинкам, осуществляет поддержку и консультацию разработчиков, в том числе, и в области энергометрии.

Технический учет электроэнергии с микросхемами Texas Instruments

Вебинар «Новые решения STMicroelectronics в области спутниковой навигации» (17.11.2021)

Бытовые системы технического учета электроэнергии, такие как интеллектуальные сетевые розетки и электросчетчики, позволяют пользователям следить за потребляемой мощностью и контролировать ее расход. Подобные системы помогают оптимизировать потребление энергии и в серверных залах IT отделов крупных компаний. При проектировании средств технического учета важную роль в определении общей стоимости и сложности системы играет выбор датчиков, аналоговых элементов предварительной обработки (AFE – Analog Front End) и микроконтроллеров (МК). Удачный выбор упростит разработку и снизит стоимость изделия в массовом производстве. При этом основными требованиями приложений являются надежность измерения и вывод информации о расходе электроэнергии. Ниже обсуждаются особенности микросхем MSP430AFE2xx [1] и преимущества их использования в приложениях измерения энергии. Хотя микросхемы могут с успехом применяться и в коммерческих приборах учета коммунальных служб, в контексте этой статьи будут рассматриваться только технические средства учета для бытовых нужд и серверных залов.

Технический учет электроэнергии с микросхемами Texas Instruments
Рисунок 1.Оценочный набор MSP430 Energy Watchdog [2] в виде розетки.

Функции счетчика электроэнергии

Приборы технического учета могут выпускаться в форме «интеллектуальных» сетевых розеток (Рисунок 1), или могут быть интегрированы в различное оборудование (Рисунок 2) или сервер. В любом случае, счетчик технического учета выполняет следующие функции:

  • В реальном времени измеряет электроэнергию, расходуемую оборудованием.
  • Предоставляет пользователю отчет о расходе электроэнергии. Это делается либо с помощью ЖК дисплея самого счетчика, либо посылкой информации на удаленный терминал по радиоканалу WiFi или ZigBee, либо с помощью средств проводных коммуникаций, таких, как COM порт или PLC (Power Line Communication – передача по силовой сети).
  • В некоторых случаях счетчик технического учета способен регулировать потребляемую мощность. Например, отключать оборудование в часы пиковой нагрузки или обеспечивать удаленное управление и мониторинг.
Читайте так же:
Счетчики электрической энергии трехфазные многофункциональные mk10

Элементы схемы измерения электроэнергии

Для построения системы измерения расхода электроэнергии нужны датчики тока и напряжения, AFE для усиления и постобработки сигналов датчиков, а также МК для выполнения расчетов. Результаты вычислений могут отображаться на ЖК-индикаторе или, как показано на Рисунке 2, по последовательной шине отправляться на другое устройство, предназначенное для беспроводной передачи данных.

Мощность – это произведение мгновенных значений тока и напряжения. В формуле ниже показано, что расход активной электроэнергии равен сумме накопленных мгновенных значений мощности, выраженной в кВт×час:

VSAMP – выборка напряжения,
ISAMP – выборка тока,
N – количество выборок.

При измерении расхода электроэнергии, в первую очередь, датчиками напряжения и тока измеряют сетевое напряжение и ток нагрузки, соответственно.

Выбор датчиков тока и напряжения

В счетчиках технического учета в качестве датчика напряжения может использоваться простой резистивный делитель. Сопротивления резисторов выбираются таким образом, чтобы «привести» напряжение сети (обычно 230 В или 120 В) к входному диапазону напряжений аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Схема резистивного делителя, показанная на Рисунке 3, может использоваться для снижения напряжения сети 230 В до 350 мВ с.к.з. При этом амплитудное значение напряжения на входе АЦП будет равно 495 мВ [3]. Для каждого типа резисторов указывается допустимое напряжение, превышение которого может стать причиной поверхностного разряда по корпусу. Поэтому при использовании стандартных резисторов вместо одного резистора сопротивлением 1 МОм последовательно включают три (R1, R2 и R3). Как альтернативу делителю можно использовать трансформатор напряжения, который наряду с преобразованием уровней обеспечивает гальваническую развязку от сети питания. Но трансформаторы намного дороже дискретных резисторов.

Рисунок 3. Схема датчика напряжения для микросхемы MSP430AFE2xx.

Выбор датчика тока зависит от вида входящей сети. В США такое бытовое оборудование, как холодильники и стиральные машины, питается от однофазной сети с напряжением 120 В, а мощное оборудование, к которому относятся, в частности, сушилки для одежды и электрические плиты, питается от сети с расщепленной фазой напряжением 240 В. В однофазных приложениях для измерения тока можно использовать падение напряжения на низкоомном шунтирующем резисторе, включенном в цепь нейтрали (Рисунок 4). Величина сопротивления шунта зависит от диапазона токов нагрузки, коэффициента усиления операционного усилителя (ОУ) перед АЦП и мощностью, рассеиваемой на резисторе. Шунтирующие резисторы удобны для применения и недороги, но не обеспечивают электрической изоляции от сети. Для сети 240 В с расщепленной фазой, к которой подключаются сушилки и плиты, нужно использовать трансформаторы тока в каждой фазе. Трансформаторы тока обеспечивают необходимую электрическую изоляцию, но стоят намного дороже шунтов.

Читайте так же:
Как определить показания счетчика электроэнергии трехфазного
Рисунок 4.Схема датчика тока для микросхемы MSP430AFE2xx.

Прежде чем сигналы с датчиков поступят на АЦП, они должны пройти через пассивную согласующую схему, содержащую фильтр для устранения широкополосного шума и наводок, которые могут исказить результаты измерений. Для однофазных устройств, таких, как холодильники, нужны два АЦП, по одному для измерения напряжения и тока. Для сушилок и кухонных плит потребуются четыре АЦП, измеряющие два тока и два напряжения. Для получения точных результатов должны использоваться АЦП с разрешением от 16 до 24 бит с одновременной выборкой по всем каналам.

Измерение расхода электроэнергии

Вычисление потребляемой мощности производится по каждой выборке тока и напряжения, полученной от АЦП. Как видно из приведенных ниже формул, для подсчета активной, реактивной и полной энергии потребуется МК с математическими библиотеками, содержащими, в частности, функции извлечения квадратного корня, возведения в квадрат и деления.

VSAMP – выборка напряжения,
ISAMP – выборка тока,
N – количество выборок.

Как только результаты измерений были пересчитаны, значение текущего потребления электроэнергии можно вывести на ЖКИ самого счетчика или отправить на удаленный терминал. МК могут иметь встроенный драйвер ЖКИ или подключаться к модулю беспроводной связи по последовательному интерфейсу. Если используются неизолированные датчики, такие как токовые шунты и делители напряжения, или если AFE и МК гальванически cвязаны c сетью, очень важно изолировать любые соединения с другими устройствами и системами, поскольку уровни рабочих напряжений могут существенно отличаться. Для этого подойдут оптопары или цифровые изоляторы с емкостным барьером.

Система учета электроэнергии на маломощных компонентах может питаться от простых емкостных источников. Однако емкостные источники маломощны и не могут отдавать ток в количестве, достаточном для питания радиочастотных трансиверов. Для питания модулей WiFi и ZigBee дополнительно понадобится источник с постоянным напряжением и мощностью, необходимой модулям при передаче информации. Это может трансформаторный или импульсный источник питания.

Калибровка

Вследствие отклонения характеристик компонентов и датчиков от номинальных значений показания различных счетчиков могут не совпадать. Коммерческие счетчики электроэнергии имеют строгий класс точности, что требует обязательной калибровки каждого счетчика из-за разброса параметров элементов. Однако к бытовым приборам технического учета, таким как интеллектуальные розетки и бытовые электросчетчики, предъявляются менее жесткие требования, так как результаты измерений индикативны и не используются для финансовых расчетов. Калибровочные константы могут быть определены еще при разработке устройства и записаны в Flash память каждого МК, исключив, таким образом, необходимость калибровки каждого прибора на этапе производства. Считается, что такой подход может обеспечить точность лучше 3%. Этого вполне достаточно для большинства приложений счетчиков технического учета, а значит, на калибровке при производстве приборов можно существенно сэкономить.

Микросхема измерителя энергии MSP430AFE2xx

В корпус микросхемы MSP430AFE2xx (Рисунок 5) интегрированы несколько 24-битных сигма-дельта АЦП, ОУ с программируемым коэффициентом усиления и 16-разрядный МК. Функционал устройства дополняется библиотекой программ MSP430 MCU Energy Library [4] для расчетов расхода электроэнергии.

Читайте так же:
Передать показания счетчика за электроэнергию альянс
Рисунок 5.Особенности внутренней структуры микросхемы измерителя мощности MSP430AFE2xx.

Используя микросхему измерителя мощности MSP430AFE2xx разработчики получают следующие возможности и преимущества:

Высокий уровень интеграции

MSP430AFE2xx содержит необходимые для измерения потребляемой мощности АЦП и МК. Это дает возможность создавать недорогие и компактные счетчики технического учета с минимальным количеством компонентов. При необходимости, помимо обслуживания измерений, встроенный МК может использоваться для выполнения других несложных приложений.

Несколько 24-битных сигма-дельта АЦП

Каждый их трех АЦП имеет дифференциальный вход с допустимым диапазоном напряжений ±500 мВ, так что сигналы с датчика тока могут подаваться непосредственно на АЦП без предварительного сдвига уровней. А способность АЦП выдерживать отрицательное напряжение до –1 В позволяет и сигнал с делителя напряжения также подавать прямо на входы.

MSP430AFE2xx содержат до трех сигма-дельта АЦП с разрешением 24 разряда. Эти АЦП в широком диапазоне токов нагрузки могут обеспечить класс точности не ниже 0.1, достаточный для приборов коммерческого учета. Возможность одновременной выборки всеми АЦП устраняет задержку между измерением тока и напряжения, возникающую при последовательной выборке, что делает ненужной программную компенсацию задержки.

Низкое энергопотребление

MSP430AFE2xx – микросхемы с низким энергопотреблением, что важно для дешевых устройств с емкостными источниками питания.

Готовая библиотека подпрограмм

В библиотеку MSP430 MCU Energy Library включен готовый исходный код от TI для вычисления расхода электроэнергии.

Основное преимущество решений на базе MSP430AFE2xx заключается в его гибкости, предоставляющей разработчику системы инструменты программного конфигурирования микросхемы под нужды конкретного приложения. Например, можно реализовать нестандартный коммуникационный протокол передачи данных о потребленной электроэнергии на ПК или удаленный терминал. Еще одно преимущество программно-конфигурируемой измерительной микросхемы – это отсутствие необходимости калибровки при производстве счетчиков электроэнергии.

Последовательные интерфейсы и порты ввода/вывода

Микросхема MSP430AFE2xx позволяет отправлять данные о расходе электроэнергии по стандартным последовательным интерфейсам, таким, как UART или SPI. Входы/выходы общего назначения дополнительно могут использоваться для подключения ЖКИ, управления светодиодами и кнопочного ввода информации.

Выводы

Недорогие компоненты для измерения расхода электроэнергии играют важную роль в распространении интеллектуальных розеток, бытовых счетчиков и серверов. Микросхема MSP430AFE2xx в одном корпусе содержит все ключевые элементы для измерения потребляемой мощности. Она включает ОУ с программируемыми коэффициентами усиления, АЦП и МК с последовательными интерфейсами для взаимодействия с другими устройствами. К MSP430AFE2xx могут подключаться недорогие первичные датчики, такие как резисторные шунты и делители напряжения, что позволяет обходиться минимальным количеством внешних пассивных компонентов. Ультранизкое энергопотребление микроконтроллеров семейства MSP430 дает возможность использовать для питания MSP430AFE2xx емкостные источники. Поскольку микросхема конфигурируется программно, появляется возможность работать с нестандартными коммуникационными протоколами. Наконец, единожды откалибровав счетчик при разработке, калибровочные коэффициенты можно просто записывать в MSP430AFE2xx во время производства. Это обеспечит точность учета электроэнергии не хуже 3% и в целом снизит расходы на массовый выпуск счетчиков.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector