www.siplace.ru

Оборудование для SMD линии

dialsmt.ru

SMT оборудование.
Сделано в России

www.compensation.ru

Оборудование для компенсации реактивной мощности и щитовое оборудование

www.contaclip.ru

Электротехническая продукция. Измерительные приборы

www.dialelectrolux.ru

Электронные компоненты

бесплатный номер для регионов

+7 (495) 995-20-20

сделать заказ, задать вопрос

sales@dialcomponent.ru

отправить письмо

Новости

Поздравляем с открытием ЧМ 2018!

Подробнее

Поздравляем с Днем великой Победы!

Подробнее

Календарь событий

Март 2014

Статьи

Микросхемы для счетчиков

Современные предприятия, как поставщики, так и потребители электроэнергии с целью повышения экономической эффективности и снижения затрат на электроснабжение повышают свои требования к системам учёта. Причём более детальный мониторинг интересует даже те компании, где потребление электроэнергии сравнительно невысокое и исчисляется киловатт-часами. Так же больше информации хотят иметь энергетические компании в секторе розничного рынка. В этой связи повышаются требования к устройствам учёта электрической мощности. Помимо необходимости полного перехода от электромеханических, к более точным электронным счётчикам, перед разработчиками стоит задача наделить новые устройства множеством дополнительных функций.

Многотарифный учёт, измерение реактивной мощности, мониторинг качества электросети, возможность централизованного сбора данных, контроль несанкционированного подключения (краж энергии) вот неполный перечень функций, которые требуются от современных электросчётчиков.

В данной статье мы рассмотрим типовые решения, предлагаемые STMicrielectronics для применения в разработке счётчиком как недорого и среднего класса, так и высококлассных счётчиков с обширным функционалом.

Флагманом в портфолио ST устройств для электроучёта является STPM01. Это инновационный ASSP(Application Specific Standard Product) –специализированное стандартное устройство, основное назначение которого, стать ядром различных систем учёта электроэнергии. Его гибкость позволяет реализовать множество решений. От недорогих автономных счётчиков до высококлассных устройств с передачей данных в централизованные системы учёта.  Технология производства КМОП позволила добиться отличных точностных характеристик. Микросхема позволяет измерять активную, реактивную и полную потребляемую мощность используя такие датчики, как катушка Роговского, шунт или трансформатор тока. STPM01 может быть применено в качестве единственного кристалла в однофазном счётчике - автономное включение и как периферийное устройство в одно- или трёхфазном счётчике на базе микроконтроллера. Функциональная блок-схема микросхемы STPM01 представлена на рисунке 1.  Микросхема состоит из двух частей: цифровой и аналоговой.

В аналоговой части находятся:

  • Датчик напряжения подключается в усилителю с КУ равным 4  и автоматической компенсацией напряжения смещения.
  • Два мультиплексированных токовых канала позволяют детектировать утечку тока (хищение электроэнергии). Оба канала используют программируемый КУ и поддерживают в качестве датчиков токовый трансформатор, шунт или катушку Роговского.
  • Два Сигма-Дельта АЦП.
  • Вспомогательные блоки токового измерительного тракта, которые включаются в зависимости от подключённого сенсора.
  • Программируемый блок фазовой компенсации, работающий в диапазоне до 0,576 градусов.

В цифровой части находятся:

  • Блок цифровой обработки сигнала (DSP), который выполняет вычисление активной, реактивной и полной мощности, среднеквадратичные и мгновенные значения тока и напряжения, а так же частоты в линии.
  • Блок однократно программируемой памяти, к которой подключён DSP, и хранит конфигурационные и калибровочные данные.
  • Блок SPI-интерфейса, который позволяет программировать счётчик и считывать регистры данных.
  • Программируемые выводы, которые могут управлять шаговым двигателем или формировать импульсные сигналы, пропорциональные активной мощности.

Так же в этом устройстве находятся встроенные линейные регуляторы напряжения, которые позволяют уменьшить количество внешних компонентов и соответственно цены всего изделия. Источником тактового сигнала может быть кварцевый резонатор, внутренняя RC-цепочка, или внешняя схема тактирования.

DSP блок вычисляет перечисленные данные, получая сигнал, приходящий из аналогового блока. Результаты вычислений доступны через импульсный выход или через SPI интерфейс.

STPM01 содержит запатентованный инновационный алгоритм, благодаря которому сигналы измеряемой энергии не содержат никаких помех. Это позволяет производить мониторинг линии нейтрали, увеличить точность получаемых мгновенных значений, детектировать кражу электроэнергии без внесения погрешности в результаты измерений и уменьшить время калибровки счётчика.

STPM01 дополнен линейкой микросхем, которая дает максимальную гибкость в разработке. Семейство STPM1x  основано на той же технологии что и STPM01 и имеет туже точность, но некоторые функции убраны для снижения стоимости конечного изделия. Микросхемы этого семейства могут  быть запрограммированы через последовательный SPI порт, но регистры данных, такие как реактивная энергия, полная энергия, среднеквадратичное значение и мгновенные значения напряжения и тока недоступны. Информация о потребляемой энергии выдаётся в виде последовательности импульсов, частота которых зависит от потребляемой мощности. Устройства в семейства STPM1x различаются схемой тактирования: внутренний RC-генератор либо внешний кварц, и наличием мониторинга линии нейтрали, для обнаружения утечки тока( т.е. кражи  электричества ). Основные свойства и отличия между микросхемами семейства отображены в таблице на рисунке 2

Классы счётчиков. Особенности и отличия.

Счётчики по набору сервисных функций и сложности делятся на следующие классы:

  • Однофазные:
    • Счётчики без применения специализированных микросхем:
      • Счётчики на базе микроконтроллера общего применения.
    • Счётчики с применением специализированных микросхем:
      • Счётчики на базе одной спец. микросхемы - преобразователе измерительных данных;
      • Счётчик с дополнительными функциями: спец. микросхема + микроконтроллер;
      • Счётчик с функцией централизованного сбора данных: спец. микросхема + микроконтроллер + интерфейсная логика;
  • Трёхфазные:
    • Счётчики на базе нескольким специализированных микросхем.

В однофазных счётчиках, основанных на  микроконтроллере, который через соответствующие схемы аналоговых окончаний получает сигналы с датчиков напряжения и тока, не используется ни одной специализированной микросхемы. Микроконтроллер выполняет все измерения и вычисления, производит аналого-цифровое преобразование сигналов с каналов тока и напряжения, применяя цифровую обработку сигнала, и управляя всеми функциями, включая управление ЖК дисплеем, часами реального времени и внешней памятью. Это решение очень недорогое и гибкое. Блок-схема представлена на Рисунке 3.

Главные функции такого счётчика – измерение активной мощности, среднеквадратичных значений напряжения и тока, хранение калибровочных данных, управление ЖК модулем, управление мощным светодиодом. Счётчик поддерживает трансформатор тока и имеет внешнюю EEPROM для хранения параметров калибровки, и накопления данных о киловатт-часах. Счётчик может сигнализировать с помощью дисплея о случаях несанкционированных подключений в целях кражи энергии и сохранить информацию об этом в EEPROM. Он имеет емкостной источник питания, и удовлетворяет требованиям IEC61036 по точности для счётчиков первого класса. Подробное описание этого типового проекта можно найти на сайте ST, документ AN2288 – Single-phase energy meter with tamper detection based on ST7FLITE2x.

На Рисунке 4 вы можете увидеть реальный пример разработки STEVAL-IPE007V1. В дополнение к уже упомянутым свойствам, она имеет интерфейс с компьютером для измерения и калибровки. В разработке применены микроконтроллер ST72Lite20, ключ HCF4066, регулятор напряжения L78L05, операционный усилитель TS1854, часы реального времени M41T94, и микросхема EEPROM памяти M9510.

В самом распространённом типе счётчиков электроэнергии используются специализированные стандартные микросхемы для измерения активной энергии. Блок-схема такого устройства представлена на рисунке 5. Специализированная стандартная  микросхема подключена к датчикам напряжения и тока напрямую, и  имеет на борту полноценное аналоговое окончание, АЦП и аппаратный процессор цифровой обработки сигнала для выполнения подсчёта активной энергии. STPM1x могут поддерживать все типы датчиков тока, резистивные шунтов, и токовые трансформаторы и катушку Роговского. Так же можно сохранить данные, которые используются для калибровки аналогового блока. Импульсный выход с программируемой частотой используется для управления дисплеем на основе шагового двигателя. Устройство так же имеет выводы для управления светодиодами для индикации измеренной мощности, детектирования отсутствия нагрузки, определения краж энергии и обратного направления тока.

На рисунке 6 представлены примеры типовых разработок, которые ST предлагает в качестве оценочных устройств на базе микросхемы STPM.

  • STEVAL-IPE002V1 для счётчиков с двумя трансформаторами тока;
  • STEVAL-IPE003V1 для счётчиков с одним токовым трансформатором и одним шунтом;
  • STEVAL-PIE004V1 для счётчиков с одним шунтом;

В этих устройствах использованы специализированные микросхемы из семейства STPM1x.

В более сложных счётчиках на базе специализированной микросхемы применяется микроконтроллер, для управления часами реального времени, EEPROM, ЖК-дисплеем и реализации дополнительных свойств. Примерная блок-схема представлена на рисунке 7. Эта типовая разработка счётчика среднего ценового диапазона использует специализированную микросхему STPM01. Она работает с токовыми датчиками, шунтами, токовыми трансформаторами или катушкой Роговского и выполняет все вычисления потребляемой мощности. Благодаря наличию микроконтроллера возможно управление более сложным набором данных и отображение информации на ЖК-дисплее.

Благодаря STPM01 обеспечивается:

  • измерение активной, реактивной и полной энергии.
  • измерение среднеквадратичных и мгновенных значений напряжения, тока и частоты в линии.
  • Детектирование отсутствия нагрузки, обратного направления тока и краже энергии в линии.
  • Хранение калибровочных параметров.

Заметьте, однако, что детектирование отсутствия нагрузки, обратного направления тока и утечки не работает при применении в качестве датчика резистивного шунта.

C помощью часов реального времени легко реализовать различные функции, такие как регистрация максимального потребление в день или в месяц. А также реализовать многотарифный учёт.

Это может  использоваться микроконтроллером для совершения подходящего действия. Например, при детектировании хищения, микроконтроллер может сохранить состояние измерительных данных, время и дату события во внешнюю память, и отобразить сообщение об ошибке на ЖК-дисплее. На рисунке 8 показано фото типового проекта счётчика среднего ценового диапазона STEVAL-IPE001V1. Он состоит из двух модулей: управления и измерения, которые соединены между собой через гибкий шлейф. Измерительный модуль включает в себя 2 трансформатора тока. Управляющий модуль можно также подключить к другим модулям (STEVAL-IPE003V1 и STEVALIPE004V1) Они основаны на шунте + трансформаторе тока и на шунте соответственно. В качестве измерительных микросхем этих устройствах используются микросхемы семейства STPMxx. Микроконтроллер ST72F321, часы реального времени M41ST87 и EEPROM M95256

К счётчикам высокого класса отнесём устройства со свойствами, которые мы уже обсуждали для счётчиков недорогого и среднего класса. На рисунке 9 показана типовая блок-схема подобного счётчика. Здесь добавляются полезные функции, такие как передача данных через силовую линию и интерфейсы, такие как IrDa, JTAG и RS232. Эти счётчики работают с  резервными источниками питания с отметкой времени и сохранением данных при отключениях основного напряжения. Эта система также содержит импульсный источник питания для поддержки дополнительных требований AMR(автоматического считывания данных).

На рисунке 10 показано фото типового проекта STEVAL-IPE006V2 от STMicroelectronics. Этот счётчик использует:

  • два токовых трансформатора;
  • STPM01;
  • микроконтроллер uPSP33xx;
  • модем для силовой линии ST7538;
  • часы реального времени M41ST87;
  • микросхему памяти EEPROM M24512;
  • регулятор напряжения LF33;
  • микросхему интерфейса RS232 – ST232;
  • автономный импульсный преобразователь L6590.

На рисунке 11 показан типовой проект трехфазного счётчика. Он основан на трёх STPM01, которые выполняют подсчёт потребляемой мощности для каждой фазы отдельно. Микроконтроллер выделен для чтения данных  из измерительных микросхем, подсчёта общего потребления энергии, реализации функции дистанционного сбора данных, управления ЖК-дисплеем, часами реального времени, и функциями памяти. Активная, реактивная и полная мощность, мгновенные и среднеквадратичные значения величины напряжения на линии и тока известны для каждой фазы. Частота импульсного выхода с частотой пропорциональной полному потреблению энергии и реализация функций многотарифного учёта обеспечивается часами реального времени высокой точности с программной компенсацией. Счётчик имеет изолированный порт RS485, JTAG и IrDa порты и питается от импульсного источника, обеспечивая компактность всего устройства.

На рисунке 12 показано фото типового проекта трёхфазного счётчика . В этом проекте используются следующие компоненты:

  • STPM01;
  • 32-разрядный ARM контроллер - STR712;
  • часы реального времени - M41ST87;
  • интерфейсная микросхема RS485 - ST485;
  • память EEPROM M24C16;
  • маломощный автономный импульсный источник питания VIPer12;
  • низковольтный КМОП трансивер 8 разрядной шины  74LCX245;
  • регулятор напряжения с малым напряжением падения  LD117.

STPM01 может также применяться в других приложениях, где разработчикам необходимо добавить функции измерения энергии в свои проекты для мониторинга энергопотребления и соответствия стандартам энергопотребления. Например, потребительская бытовая техника, промышленное освещение, распределители мощности и импульсное оборудование.

Этот материал написан на базе материалов расположенных на сайте STMicroelectronics -  www.st.com/metering.