Меню

Дополнительное питание счетчика электроэнергии



Импульсные источники питания ST для однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии

STMicroelectronics предлагает в качестве основы для построения импульсных источников питания для однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии высоковольтные интегральные преобразователи серий VIPer и ALTAIR. В статье рассмотрены преимущества и особенности каждого из этих решений.

Современные счетчики электроэнергии представляют собой сложные электронные устройства, имеющие в своем составе (помимо привычных датчиков тока и напряжения) многоканальный АЦП, процессор с функцией DSP, часы реального времени, дисплей, различные типы интерфейсов для калибровки и передачи данных АСКУЭ и так далее.

Помимо стандартных требований к точности измерений в широком диапазоне рабочих напряжений и токов, все чаще к счетчикам предъявляются требования по устойчивости к попыткам влияния на их показания извне (anti-tampering).

Компания STMicroelectronics предлагает полный спектр решений для построения счетчиков электроэнергии – микроконтроллеры, память, дискретные компоненты и микросхемы для создания источников питания.

Рассмотрим несколько способов реализации источников питания для счетчиков электроэнергии.

В целом источник питания для счетчика электроэнергии – это преобразователь с широким диапазоном входных напряжений, с выходной мощностью в единицы Ватт (разработчики счетчиков стараются минимизировать этот параметр), выполненный в достаточно ограниченном объеме и имеющий одно выходное напряжение.

В этих условиях оптимальным решением является однотактный преобразователь напряжения, построенный по схеме «ШИМ-контроллер + высоковольтный транзистор».

Именно по этому пути шли разработчики источников питания, и производители электронных компонентов предлагали им соответствующую элементную базу.

Описание одного из таких решений можно встретить в источнике [1].

Развитие микросхем для преобразователей напряжения, имеющих встроенный высоковольтный транзистор, позволило уменьшить стоимость и габариты источников питания, в том числе и для счетчиков электроэнергии.

Требования к однофазному источнику питания для электросчетчиков

При выборе топологии преобразователя питания для однофазного счетчика электроэнергии приходится учитывать следующие факторы:

Источник

Обзор и устройство современных счётчиков электроэнергии

За последнее время на смену индукционным счётчикам электроэнергии пришли электронные. В данных счётчиках счётный механизм приводится во вращение не с помощью катушек напряжения и тока, а с помощью специализированной электроники. Кроме того, средством счёта и отображения показаний может являться микроконтроллер и цифровой дисплей соответственно. Всё это позволило сократить габаритные размеры приборов, а также, снизить их стоимость.

В состав практически любого электронного счётчика входит одна или несколько специализированных вычислительных микросхем, выполняющие основные функции по преобразованию и измерению. На вход такой микросхемы поступает информация о напряжении и силе тока с соответствующих датчиков в аналоговом виде. Внутри микросхемы данная информация оцифровывается и преобразуется определённым образом. В результате, на выходе микросхемы формируются импульсные сигналы, частота которых пропорциональна текущей потребляемой мощности нагрузки, подключенной к счётчику. Импульсы поступают на счётный механизм, который представляет собой электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на колёсики с цифрами. В случае с более дорогостоящими счётчиками с цифровым дисплеем применяется дополнительный микроконтроллер. Он подключается к вышесказанной микросхеме и к цифровому дисплею по определённому интерфейсу, ведёт накопление результата измерения электроэнергии в энергонезависимую память, а также, обеспечивает дополнительный функционал прибора.

Рассмотрим несколько подобных микросхем и моделей счётчиков, которые мне попадались под руку.

Ниже на рисунке в разобранном виде изображён один из наиболее дешёвых и популярных однофазных счётчиков «НЕВА 103». Как видно из рисунка, устройство счётчика довольно простое. Основная плата состоит из специализированной микросхемы, её обвески и узла стабилизатора питания на основе балластового конденсатора. На дополнительной плате размещён светодиод, индицирующий потребляемую нагрузку. В данном случае – 3200 импульсов на 1 кВт*ч. Также есть возможность снимать импульсы с зелёного клеммника, расположенного вверху счётчика. Счётный механизм состоит из семи колёсиков с цифрами, редуктора и электромагнита. На нём отображается посчитанная электроэнергия с точностью до десятых кВт*ч. Как видно из рисунка, редуктор имеет передаточное отношение 200:1. По моим замечаниям, это означает «200 импульсов на 1 кВт*ч». То есть, 200 импульсов, поданных на электромагнит, поспособствуют прокрутке последнего красного колёсика на 1 полный оборот. Это соотношение кратно соотношению для светодиодного индикатора, что весьма не случайно. Редуктор с электромагнитом размещён в металлической коробке под двумя экранами с целью защиты от вмешательства внешним магнитным полем.

В данной модели счётчика применяется микросхема ADE7754. Рассмотрим её структуру.

На пины 5 и 6 поступает аналоговый сигнал с токового шунта, который расположен на первой и второй клеммах счётчика (на фотографии в этом месте видно повреждение). На пины 8 и 7 поступает аналоговый сигнал, пропорциональный напряжению в сети. Через пины 16 и 15 есть возможность устанавливать усиление внутреннего операционного усилителя, отвечающий за ток. Оба сигнала с помощью узлов АЦП преобразуются в цифровой вид и, проходя определённую коррекцию и фильтрацию, поступают на умножитель. Умножитель перемножает эти два сигнала, в результате чего, согласно законам физики, на его выходе получается информация о текущей потребляемой мощности. Данный сигнал поступает на специализированный преобразователь, который формирует готовые импульсы на счётное устройство (пины 23 и 24) и на контрольный светодиод и счётный выход (пин 22). Через пины 12, 13 и 14 конфигурируются частотные множители и режимы вышеперечисленных импульсов.

Читайте также:  Белковое питание при нагрузках

Стандартная схема обвески практически представляет собой схему рассматриваемого счётчика.

Общий минусовой провод соединён с нулём 220В. Фаза поступает на пин 8 через делитель на резисторах, служащий для снижения уровня измеряемого напряжения. Сигнал с шунта поступает на соответствующие входы микросхемы также через резисторы. В данной схеме, предназначенной для теста, конфигурационные пины 12-14 подключены к логической единице. В зависимости от модели счётчика, они могут иметь разную конфигурацию. В данном кратком обзоре эта информация не столь важна. Светодиодный индикатор подключен к соответствующему пину последовательно вместе с оптической развязкой, на другой стороне которой подключается клеммник для снятия счётной информации (К7 и К8).

Из этого же семейства микросхем существуют похожие аналоги для трёхфазных измерений. Вероятнее всего, они встраиваются в дешёвые трёхфазные счётчики. В качестве примера на рисунке ниже представлена структура одной из таких микросхем, а именно ADE7752.

Вместо двух узлов АЦП, здесь применено их 6: по 2 на каждую фазу. Минусовые входы ОУ напряжения объединены вместе и выводятся на пин 13 (ноль). Каждая из трёх фаз подключается к своему плюсовому входу ОУ (пины 14, 15, 16). Сигналы с токовых шунтов по каждой фазе подключаются по аналогии с предыдущим примером. По каждой из трёх фаз с помощью трёх умножителей выделяется сигнал, характеризующий текущую мощность. Эти сигналы, кроме фильтров, проходят через дополнительные узлы, которые активируются через пин 17 и служат для включения операции математического модуля. Затем эти три сигнала суммируются, получая, таким образом, суммарную потребляемую мощность по всем фазам. В зависимости от двоичной конфигурации пина 17, сумматор суммирует либо абсолютные значения трёх сигналов, либо их модули. Это необходимо для тех или иных тонкостей измерения электроэнергии, подробности которых здесь не рассматриваются. Данный сигнал поступает на преобразователь, аналогичный предыдущему примеру с однофазным измерителем. Его интерфейс также практически аналогичен.

Стоит отметить, что вышеописанные микросхемы служат для измерения активной энергии. Более дорогие счётчики способны измерять как активную, так и реактивную энергию. Рассмотрим, например, микросхему ADE7754. Как видно из рисунка ниже, её структура намного сложнее структуры микросхем из предыдущих примеров.

Микросхема измеряет активную и реактивную трёхфазную электроэнергию, имеет SPI интерфейс для подключения микроконтроллера и выход CF (пин 1) для внешней регистрации активной электроэнергии. Вся остальная информация с микросхемы считывается микроконтроллером через интерфейс. Через него же осуществляется конфигурация микросхемы, в частности, установка многочисленных констант, отражённых на структурной схеме. Как следствие, данная микросхема, в отличие от предыдущих двух примеров, не является автономной, и для построения счётчика на базе этой микросхемы требуется микроконтроллер. Можно зрительно в структурной схеме пронаблюдать узлы, отвечающие по отдельности за измерение активной и реактивной энергии. Здесь всё гораздо сложнее, чем в предыдущих двух примерах.

В качестве примера рассмотрим ещё один интересный прибор: трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32». Как видно из фотографии ниже, данный счётчик ещё не эксплуатировался. Он мне достался в неопломбированном виде с небольшими механическими повреждениями снаружи. При всё при этом он находился полностью в рабочем состоянии.

Как можно заметить, глядя на основную плату, прибор состоит из трёх одинаковых узлов (справа), цепей питания и микроконтроллера. С нижней стороны основной платы расположены три одинаковых модуля на отдельных платах по одному на каждый узел. Данные модули представляют собой микросхемы AD71056 с минимальной необходимой обвеской. Эта микросхема является однофазным измерителем электроэнергии.

Модули запаяны вертикально на основную плату. Витыми проводами к данным модулям подключаются токовые шунты.

Читайте также:  Дробное питание для жиросжигания

За пару часов удалось срисовать электрическую схему прибора. Рассмотрим её более детально.

Справа на общей схеме изображена схема однофазного модуля, о котором говорилось выше. Микросхема D1 этого модуля AD71056 по назначению похожа на микросхему ADE7755, которая рассматривалась ранее. На четвёртый контакт модуля поступает питание 5В, на третий – сигнал напряжения. Со второго контакта снимается информация в виде импульсов о потребляемой мощности через выход CF микросхемы D1. Сигнал с токовых шунтов поступает через контакты X1 и X2. Конфигурационные входы микросхемы SCF, S1 и S0 в данном случае расположены на пинах 8-10 и сконфигурированы в «0,1,1».

Каждый из трёх таких модулей обслуживает соответственно каждую фазу. Сигнал для измерения напряжения поступает на модуль через цепочку из четырёх резисторов и берётся с нулевой клеммы («N»). При этом стоит обратить внимание, что общим проводом для каждого модуля является соответствующая ему фаза. А вот, общий провод всей схемы соединён с нулевой клеммой. Данное хитрое решение по обеспечению питанием каждого узла схемы расписано ниже.

Каждая из трёх фаз поступает на стабилитроны VD4, VD5 и VD6 соответственно, затем на балластовые RC цепи R1C1, R2C2 и R3C3, затем – на стабилитроны VD1, VD2 и VD3, которые соединены своими анодами с нулём. С первых трёх стабилитронов снимается напряжение питания для каждого модуля U3, U2 и U1 соответственно, выпрямляется диодами VD10, VD11 и VD12. Микросхемы-регуляторы D1-D3 служат для получения напряжения питания 5В. Со стабилитронов VD1-VD3 снимается напряжение питания общей схемы, выпрямляется диодами VD7-VD9, собирается в одну точку и поступает на регулятор D4, откуда снимается 5В.

Общую схему составляет микроконтроллер (МК) D5 PIC16F720. Очевидно, он служит для сбора и обработки информации о текущей потребляемой мощности, поступающей с каждого модуля в виде импульсов. Эти сигналы поступают с модулей U3, U2 и U1 на пины МК RA2, RA4 и RA5 через оптические развязки V1, V2 и V3 соответственно. В результате на пинах RC1 и RC2 МК формирует импульсы для механического счётного устройства M1. Оно аналогично устройству, рассматриваемому ранее, и также имеет соотношение 200:1. Сопротивление катушки высокое и составляет порядка 500 Ом, что позволяет подключать её непосредственно к МК без дополнительных транзисторных цепей. На пине RC0 МК формирует импульсы для светодиодного индикатора HL2 и для внешнего импульсного выхода на разъёме XT1. Последний реализуется через оптическую развязку V4 и транзистор VT1. В данной модели счётчика соотношение составляет 400 импульсов на 1 кВт*ч. На практике при испытании данного счётчика (после небольшого ремонта) было замечено, что электромагнитная катушка счётного механизма срабатывает синхронно со вспышкой светодиода HL2, но через раз (в два раза реже). Это подтверждает соответствие соотношений 400:1 для индикатора и 200:1 для счётного механизма, о чём говорилось ранее.

Слева на плате расположено место для 10-пинового разъёма XS1, который служит для перепрошивки, а также, для UART интерфейса МК.

Таким образом, трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32» состоит из трёх однофазных измерительных микросхем и микроконтроллера, обрабатывающий информацию с них.

В заключение стоит отметить, что существует ряд моделей счётчиков куда более сложней по своей функциональности. К примеру, счётчики с удалённым контролем показаний по электролинии, или даже через модуль мобильной связи. В данной статье я рассмотрел только простейшие модели и основные принципы построения их электрических схем. Заранее приношу извинения за возможно неправильную терминологию в тексте, ибо я старался излагать простым языком.

Источник

Интеллектуальный счетчик электроэнергии

Как-бы то ни было печально, но и потребление электроэнергии иногда приходится ограничивать. Существующие сети часто не в состоянии выдержать возросший объем потребления электроэнергии. В итоге потребители, даже если они и являются исправными плательщиками, получают электроэнергию не надлежащего качества (пониженное напряжение, скачки напряжения) или вообще остаются без электричества. Поэтому наметилась тенденция установки счетчиков с различными дополнительными функциями (ограничения потребляемой мощности, многотарифные) и объединения приборов учета в автоматизированные системы учета и контроля. К сожалению, данные электросчетчики сравнительно дороги. В то же время практически все эксплуатируемые в настоящее время счетчики имеют, так называемый, телеметрический выход. Используя этот выход можно оснастить любой счетчик дополнительными блоками, выполняющими те или иные функции по учету и контролю электроэнергии.

Читайте также:  Гост технологические карты питание

На практическом примере рассмотрим блок, который подключается к телеметрическому выходу электросчетчика и позволяющий передавать текущие показания электросчетчика по протоколу MODBUS и отключать потребителей электроэнергии по потреблению заданного объема кВатт*часов.

Основой блока является микроконтроллер ATTiny2313. Связь между блоком и компьютером организована через микросхему MAX487, организующую канал стандарта RS-485. Более подробно про стандарт RS-485 я писал в своей статье «Контроллер температуры и влажности, счетчик импульсов с протоколом MODBUS». С помощью любой терминальной программы на компьютере производится установка адреса блока и передача параметров подключенного электросчетчика в микроконтроллер. Какие параметры и их формат можно увидеть в файле «Формат команд». Кнопка BUT1 предназначена для сброса параметров в значения по умолчанию. Практически она не нужна и предусмотрена на будущее. Пока же с её помощью можно сбросить адрес устройства в &hFF. Кнопка BUT2 имитирует телеметрический выход электросчетчика. Кстати, в большинстве современных счетчиков телеметрический выход представляет из себя транзистор оптопары. Поэтому надо подключать с соблюдением полярности — эмиттер оптопары на общий провод, коллектор — на вход PB6 микроконтроллера. К порту PA2 микроконтроллера подключена оптопара U3, через которую включена обмотка реле/пускателя для подключения нагрузки к электрической сети. Сам блок запитан от любого источника питания, обеспечивающего постоянное напряжение на выходе не менее 7 Вольт при токе не более 100 мА. Большинство китайских импульсных зарядок для сотовых телефонов соответствует этим требованиям. В блоке счета все параметры и подсчитанные значения сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера, что исключает пропадание данных при отключении устройства от электросети.

Общая схема соединений представлена ниже:

А вот и фото собранного устройства:

Электросчетчик типа DDS232, реле применено типа МКУ-48, блок питания размещен внутри синей коробочки, блок счета — маленькая платка в правом нижнем углу. Нагрузка представляет из себя лампу накаливания (для индикации) и розетку, куда подключается более мощная нагрузка (обогреватель, электрочайник) для проверки и настройки.При желании можно разместить блок питания, блок счета и малогабаритное реле с контактами на ток до 25 Ампер внутри электросчетчика. Понятно, что эту систему можно реализовать и для 3-х фазного подключения.

Печатная плата блока счета прилагается. Дополнительно на плате предусмотрены места для установки снаберов на 5.5 — 6.8 Вольт, предназначенных для защиты входов MAX487 от бросков напряжения. В то же время, судя по описаниям, микросхемы с буквой «Е» в конце обозначения имеют уже встроенную защиту. А других микросхем (т.е. без буквы «Е») я в продаже не встречал. В принципе схема не критична к номиналам деталей и позволяет изменять значения резисторов и конденсаторов в широких пределах.

Прошивка для микроконтроллера прилагается с ограничением до 254 кВатт*часов.

Для желающих промоделировать в Proteus прилагается файл в архиве. Правда, скорее всего, придется немного поправить схему (убрать реле, заменить оптопару светодиодом и прочее).

Порядок задания параметров:
1. Первоначально блок счета имеет адрес &hFF.
2. Запускаем любую терминальную программу, позволяющую работать с HEX-кодами.
3. Задаем новый адрес «02» и показания счетчика 5 кВатт командой FF 06 02 00 00 00 05 00
4. Передаем в микроконтроллер коэффициент пересчета 02 06 02 FF 10 00 00 00 (&h10 = 16 в десятичной системе).
6. При необходимости, передаем в микроконтроллер порог потребления 02 06 02 F0 00 05 00 00 (для примера ограничим в 5 кВатт)
7. При необходимости можно проверить, сколько киловатт*часов осталось до отключения: запрос — 02 06 02 F1 00 00 00 00, ответ 02 06 02 F1 05 00 00 00 00 — осталось 5 кВатт*часов

Все эти команды показаны ниже:

При программировании микроконтроллера необходимо выставить фьюзы: работа от внутреннего осциллятора на 8 МГц, деление на 8 — отключено, порт PA2 работает как порт ввода-вывода, а не как RESET (по умолчанию во фьюзах установлено, что работает как RESET).

В конце статьи остается только отметить, что таким образом можно разработать различные устройства, позволяющие «добавить мозгов» стандартным электросчетчикам вплоть до использования карточек предоплаты и возможности управления и передачи данных по каналам сотовой связи. Полёт фантазии здесь не ограничен.

Источник