Электронный счетчик электроэнергии трехфазный: Трехфазные электросчетчики | Счетчики электроэнергии трехфазные 400В
Содержание
Трехфазные электросчетчики | Счетчики электроэнергии трехфазные 400В
Для учета потребленной электрической энергии в трехфазных сетях переменного тока, могут применяться приборы учета различных исполнений, принципов действия и функционала метрологической части.
Трёхфазные приборы учета массово выпускаются двух типов:
— электромеханические счетчики; Выпускаются в вариантах учета потребления в 3 проводных и 4 проводных сетях переменного тока. Включение в сеть прямого типа или через трансформатор тока, или трансформаторы тока и напряжения. Оснащены импульсным выходом, ряд моделей учета потребления активной и реактивной мощностей могут быть оснащены оптическим портом или RS-485 интерфейсом связи.
— электронные, или цифровые счетчики электроэнергии.
Цифровые трехфазные счетчики электрической энергии производятся в следующих исполнениях:
— прибор учета активной мощности прямого или трансформаторного включения;
— прибор учета реактивной и активной мощностей прямого или трансформаторного включения;
— прибор двунаправленного учета реактивной мощности, в исполнениях прямого или трансформаторного включения;
— многотарифный прибор учета прямого или трансформаторного включения;
— многотарифный прибор расширенного функционала.
В бытовом секторе применяются счетчики активной мощности, так как за реактивную мощность, вбрасываемую оборудованием в сеть, платит только коммерческий потребитель.
Могут применяться как приборы электромеханического типа так и цифровые приборы в случае необходимости подключения потребителя в систему автоматизированного сбора и коммерческого учета электроэнергии или сокращенно АСКУЭ. Для оптимизации затрат на электроэнергию бытовой потребитель может установить многотарифный прибор, и спланировать максимальное потребление электрической энергии на период действия наиболее дешевого тарифа.
Приборы расширенного функционала помимо тарифного учета, ведение журнала срезов потребленной электроэнергии согласно предварительно заданным временным интервалам срезов, возможности подключения в систему АСКУЭ по различным интерфейсам связи, управлением реле отключения потребителя, индикации неправильного включения, и попыток хищения, дают возможность доступа к следующим функциям:
— контроль частоты, напряжения сети, Cos фи;
— возможность использовать трансформаторы с разным коэффициентом трансформации;
— контроль качества сети на присутствие гармоник;
— возможность гибкой настройки прибора согласно требованиям энергокомпании и специфики конкретной точки учета.
Рынок трёхфазных приборов учета позволяет бытовому или коммерческому потребителю выбрать, согласно своих финансовых возможностей и технических потребностей, наиболее оптимальный прибор учета. Прибор может быть использован для коммерческого учета при условии наличия модели в государственном реестре, и соответствию требованиям энергокомпании с которой заключен договор на поставку электроэнергии.
устройство, принцип работы, установка, подключение
Передача электрической энергии от линий к потребителям может осуществляться как по однофазной схеме, так и трехфазной. Последний вариант применяется для промышленных предприятий, а в последнее время стал особо популярным и среди бытовых потребителей. Для учета израсходованной электрической энергии в таких цепях применяется трехфазный счетчик электроэнергии. В данной статье мы рассмотрим, что представляет собой данный вид прибора учета электроэнергии, и отличительные особенности в его эксплуатации.
Устройство и принцип работы
На практике применяются различные трехфазные счетчики электроэнергии, отличающиеся принципом действия:
- Индукционные – представляют собой набор обмоток тока и напряжения для каждого из фазных проводников, которые приводят в движение алюминиевый диск, вращающийся от воздействия электромагнитных полей.
- Электронные – осуществляют измерение и подсчет данных без использования подвижных элементов. Основой реализации электронных трехфазных электросчетчиков является система преобразования аналогового сигнала в цифровой.
- Гибридные – представляют собой переходной этап от индукционных моделей с механическими вращающимися частями к электронным.
Каждый тип счетчика обладает своими конструктивными особенностями, поэтому в качестве примера рассмотрим обобщенную модель электронного трехфазного прибора учета, как наиболее перспективного.
Рис. 1. Устройство трехфазного счетчика электроэнергии
Конструктивно такой счетчик электроэнергии состоит из:
- Датчиков тока и напряжения, которые предназначены для измерения электрических величин в электрической цепи.
- Электронного преобразователя – осуществляет вычисление мощности и по всем фазным потребителям. Может быть представлен несколькими отдельными модулями.
- Микроконтроллера – предназначен для приема счетных импульсов и преобразования сигнала в другие виды.
- Дисплея – предназначен для отображения величины мощности и других параметров электрической цепи.
- Блок памяти – присутствует в электронных моделях, позволяет хранить и извлекать нужную информацию о расходах электроэнергии.
- Блок зажимов – может разделяться на силовые и слаботочные. Первые из них предназначены для включения в трехфазную линию, а вторые для передачи данных по линиям связи.
Принцип действия трехфазного счетчика электроэнергии заключается в измерении силы тока и разности потенциалов для каждого из фазных проводников посредством датчиков тока и напряжения. Затем и ток, и напряжения по каждому фазному выводу проходит этап перемножения в электронном блоке, у индукционных счетчиков электроэнергии эта процедура осуществлялась посредством воздействия полей обмоток на алюминиевый диск. От электронного блока за вычисленную единицу мощности формируется счетный импульс и передается на микроконтроллер. В зависимости от количества поданных импульсов микроконтроллер вычисляет количество потребленных киловатт-часов.
Микроконтроллер представляет собой логическую единицу трехфазного счетчика электрической энергии. Он подает команду на дисплей о смене данных по мере транзита мощности через датчики. Вместе с тем микроконтроллер трехфазного электросчетчика может извлекать из блока памяти информацию об израсходованной мощности за определенный период или в определенном тарифе, что особенно актуально для многотарифных счетчиков электроэнергии. Также микроконтроллер может транслировать информацию по каналам связи через систему АСКУЭ на удаленный диспетчерский пункт.
Отличия от однофазного электросчетчика
Рис. 2. Отличие трехфазного от однофазного электросчетчика
Несмотря на идентичность процессов в обоих типах счетчиков электроэнергии, между ними существует ряд отличий. Трехфазный счетчик электроэнергии отличается от однофазных моделей следующими факторами. Однофазный электросчетчик предназначен для установки в двухпроводные цепи с номинальным напряжением 230В. В то время, как трехфазные счетчики электроэнергии используются в трех и четырехпроводных цепях с номинальным напряжением 230 / 400В.
Однофазные модели характеризуются относительно малой мощностью подключаемого оборудования – порядка 10 кВт. В сравнении с трехфазными счетчиками электроэнергии, мощность которых практически не ограничена, но будет отличаться способ подключения (прямой, косвенный или полукосвенный).
Плюсы и минусы
В сравнении с однофазными моделями трехфазные счетчики электрической энергии обладают рядом весомых преимуществ:
- Позволяют подключить мощное трехфазное оборудование;
- При трехфазном питании существенно снижается нагрузка на линию в сравнении с однофазным для одного и того же значения мощности;
- Современные электронные модели оснащаются функцией разделения дневного и ночного тарифа, что позволяет экономить денежные средства;
- Посредством трехфазного счетчика электрической энергии можно с таким же успехом подключать однофазную нагрузку.
- Позволяют контролировать расход электроэнергии, как в трехфазном режиме, так и отдельно для каждой фазной линии.
К недостаткам трехфазных счетчиков электроэнергии следует отнести более сложную схему подключения и разделение на несколько принципиально отличных вариантов. Поэтому в данном вопросе следует обращаться за помощью к профессиональным электрикам. Также одним из недостатков является использование более высокого номинала напряжения, что создает дополнительную угрозу жизни и здоровью человека, предъявляет более жесткие требования к изоляции линий, цепей, электрооборудования.
Нюансы установки и схема подключения
Все трехфазные счетчики электроэнергии условно подразделяются на устанавливаемые в помещении или за его пределами. Поэтому в соответствии с п.5.9 ГОСТ 31818.11-2012 степень защиты подбирается не менее IP51 для помещения и не менее IP54 для наружной установки.
Высота расположения подбирается таким образом, чтобы съем показаний не создавал лишних трудностей. В соответствии с п.1.5.29 ПУЭ счетчик электрической энергии должен располагаться на высоте от пола в пределах 0,8 – 1,7м.
Кабель подключения от линии не должен иметь скруток паек и других мест, создающих возможность безучетного потребления электроэнергии.
Для трехфазных моделей могут применяться различные схемы подключения, рассмотрим более детально каждую из них. Наиболее простым вариантом являет схема прямого включения:
Рис. 3. Схема прямого подключения трехфазного электросчетчика
Этот вариант применятся для относительно небольшой нагрузки, которую трехфазный счетчик электрической энергии может пропускать напрямую через собственные цепи. Поэтому фазные проводники вводного кабеля L1, L2, L3 и нейтральный проводник N подсоединяются к соответствующим зажимам, и далее подводятся к нагрузке. Защитный проводник PE используется лишь для заземления корпуса электроприборов.
Рис. 4. Схема полукосвенного подключения трехфазного электросчетчика
Схема полукосвенного подключения трехфазного электросчетчика применяется в цепях с большой нагрузкой, но низким напряжением. В отличии от предыдущего варианта, датчики тока подключаются через специальные понижающие трансформаторы ТТ1, ТТ2, ТТ3, а датчики напряжения подключаются к цепи напрямую. В таких схемах актуально использовать испытательную коробку для проведения плановых работ.
Рис. 5. Схема косвенного подключения трехфазного электросчетчика
Косвенное подключение актуально для линий высокого напряжения электростанций и подстанций, где и датчики тока трехфазного прибора учета электроэнергии, и датчики напряжения подключаются через понижающие трансформаторы тока ТТ1, ТТ2, ТТ3 и трансформаторы напряжения TN1, TN2, TN3 соответственно.
Критерии выбора
При подключении потребителя к линиям электроснабжения важно правильно подобрать трехфазный счетчик электроэнергии. Для этого используют следующие критерии выбора:
- Допустимые величины тока и напряжения, на которые рассчитан прибор учета электрической энергии.
Рис. 6. Допустимые величины тока и напряжения электросчетчика
- Способ подключения (прямой, полукосвенный или косвенный) – выбирается в зависимости от параметров цепи.
- Допустимый температурный диапазон – определяет возможные рабочие пределы, которые необходимо сопоставить с пиковыми значениями температуры в вашем регионе.
- Тип трехфазного прибора учета электрической энергии – желательно использовать электронные модели, так как индукционные и гибридные уже устарели и автоматически выводятся энергоснабжающими компаниями.
- Наличие заводских пломб, поверки и сертификата соответствия.
Рис. 7. Наличе пломб и сертификата соответствия на элетросчетчике
- Способ крепления – на DIN рейку, винтовым соединением или дюбелями.
- Наличие системы автоматической передачи данных – актуально для линий, на которых применяется АСКУЭ.
Как снимать показания?
Если счетчик электроэнергии автоматически передает данные, то снимать показания вам не нужно. Так как они попадают на сервер поставщика электроэнергии автоматически, а с внедрением интеллектуальных систем, вы можете отслеживать показания через интернет приложение.
Если такая функция в вашем счетчике электроэнергии отсутствует, то вам на дисплее необходимо определить показания мощности, как правило, в кВт*ч. Для этого выпишите цифровое значение до запятой, десятые в расчете израсходованной мощности по электросчетчику не учитываются.
Как снять показания электросчетчика
Затем вычтите из полученных данных оплаченный объем электроэнергии за прошлый месяц – это и будет нужная вам величина.
Если вы используете двухтарифный счетчик электроэнергии, то съем показаний будет отличаться. Более детальную информацию об этом вы можете почерпнуть в соответствующей статье: https://www.asutpp.ru/dvuhtarifnyy-schetchik-elektroenergii.html
Нюансы эксплуатации
В ходе эксплуатации важно обеспечивать равномерную загрузку фазных проводников в линии, чтобы избежать перекоса. Поэтому распределение однофазных электроприборов для трехфазного счетчика следует заранее рассчитать.
Заметьте, в ходе эксплуатации все электронные модели крайне чувствительны к перепадам напряжения и превышению токовой нагрузки. Поэтому такой трехфазный счетчик необходимо защитить от повреждений токами короткого замыкания, для чего со стороны линии и со стороны подключаемых электрических приборов устанавливается защитная аппаратура.
Важно не допускать воздействия неблагоприятных атмосферных, погодных и других факторов на счетчик электроэнергии, так как это может привести к его выходу со строя или другим нарушениям работоспособности.
Типовые часто задаваемые вопросы от читателей
Как подключить 3-х фазный электросчетчик Энергомера СЕ307 R33.043?
Вот схема подключения установленного у вас электросчетчика:
https://www.asutpp.ru/wp-content/uploads/2020/12/shema-vklyucheniya-elektroschetchika.jpg
Прошу заметить, все схемы подключения обязательно сверяйте с паспортом, установленного у вас прибора учета электроэнергии. Все дело в том, что это материалы официального производителя «Энергомера». Если у вас установлено, все-таки, оборудование другой фирмы, могут быть некоторые отличия, поэтому лучше перепроверьте.
Также обратите внимание, узел учета электрической энергии находится на балансе управляющей компании, поэтому самостоятельно вы не имеете права менять способ подключения или вносить какие-то коррективы.
Лучше обратитесь в электроснабжающую организацию с соответствующим заявлением об обнаруженных проблемах в работе узла учета электроэнергии и просьбой принять соответствующие меры. Это их работа, за которую они отвечают, так что лучше не подвергайте себя риску получить штрафные санкции.
Список использованной литературы
- В.А. Рощин «Схемы включения счетчиков электрической энергии: производственно-практическое пособие» 2007
- В.И. Мозоль «Сбыт электроэнергии» 2016
- В. Г. Родионов «Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего» 2010
- В. Лебедев «Микропроцессорные счетчики электроэнергии» 2017
Трехфазный счетчик электроэнергии
– Приложение
Трехфазные счетчики Accuenergy обеспечивают более точное, эффективное и универсальное решение для учета всех трех фаз.
Трехфазный учет электроэнергии
Трехфазная электроэнергия — это распространенный метод подачи и распределения электроэнергии, при котором по трем проводникам передается переменный ток одинаковой частоты и силы тока с более экономичной и эффективной скоростью, чем стандартные однофазные системы. Эти системы преимущественно используются в приложениях, в которых требуется большая мощность. Измерение 3-фазных систем требует 3-фазного счетчика для контроля каждой из отдельных горячих ветвей; многофункциональные измерители мощности, такие как серия Acuvim II, способны точно контролировать мощность и энергию в этих цепях.
Решения для 3-фазной энергетики
Трехфазные системы могут быть как 3-фазными, 4-проводными, так и 3-фазными, 3-проводными. Счетчики серии Acuvim II обеспечивают гибкость работы с однофазными и трехфазными системами и могут принимать входное напряжение 3-фазных 4-проводных и 3-фазных систем треугольником до 690 В переменного тока L-L напрямую без каких-либо дополнительных аппаратных конфигураций. Кроме того, серия предварительно подключенных панелей AcuPanel может быть настроена таким образом, чтобы включать счетчики серии Acuvim II, работающие с одно- и трехфазными приложениями; с прямым входом и конфигурацией, адаптированной к требованиям вашей схемы.
По любым вопросам обращайтесь.
Рекомендуемые трехфазные измерительные решения
Acuvim II
3-фазный многофункциональный измеритель мощности отслеживает параметры в режиме реального времени с точностью ANSI C12.2 0,2 с 0,2%, может использоваться в различных проектах мониторинга и приложениях с несколькими настраиваемые параметры.
Acuvim IIR
Следующий шаг в 3-этапном измерении подкрепляется многомесячной регистрацией исторических данных, которые можно хранить в счетчике и извлекать для последующего анализа напрямую или дистанционно.
Acuvim IIW
Узкоспециализированный трехфазный счетчик с такими инструментами контроля качества электроэнергии, как захват формы сигнала, регистрация событий и т. д. Счетчик Acuvim IIW идеально подходит для проектов и приложений гранулярного трехфазного измерения.
AcuPanel 9100
Серия AcuPanel 9100 представляет собой предварительно смонтированную и сконфигурированную панель, которая позволяет пользователям создавать решение plug-n’play для работы непосредственно с приложением трехфазного измерения.
Применения для измерения трехфазной мощности
3-фазные энергетические системы обычно используются в промышленных, коммерческих и институциональных приложениях с более высоким потреблением энергии или повышенным использованием. Промышленные трехфазные системы выигрывают от точности, эффективности и универсальности счетчиков электроэнергии серии Acuvim II, которые могут быть адаптированы для различных конфигураций проводки и обладают гибкостью компонентов, что позволяет интегрировать их в большое количество проектов и строительных планов.
Измерители мощности Acuvim IIR обычно предпочитают в приложениях PUE (эффективность использования энергии), измеряя и записывая эффективность мощности трехфазного оборудования на заводах, в центрах обработки данных, на предприятиях автоматизации и т. д. Этот эффективный счетчик отслеживает данные в режиме реального времени и может регистрировать исторические данные для выявления тенденций и анализа.
Для более сложных исследований защиты оборудования и качества электроэнергии Acuvim IIW обеспечивает усовершенствованный трехфазный измеритель мощности, который анализирует форму отдельной волны напряжения, захватывает до 100 групп форм сигналов напряжения и тока и сохраняет до 50 000 событий качества электроэнергии.
Для получения дополнительной информации о приложении перейдите по ссылкам ниже.
Преимущества 3-фазных систем электропитания
- Меньшие первоначальные затраты на установку
- Более эффективное использование материалов (примерно на 25 % меньше при одинаковой подаваемой мощности)
- Большие возможности системы
- Мощность — это постоянная постоянная
- меньший размер оборудования для равных оценок
- Увеличенная гибкость конфигураций
Применение
Управление зданиями / установкой
Применение
Панельная метоминг
Тенденции в трехфазном измерении электроэнергии: новая инновационная изолированная архитектура АЦП позволяет использовать трехфазные счетчики электроэнергии с шунтами
по
Петре Минчунеску, доктор философии.
Скачать PDF
Кратко об идее
Традиционные трехфазные счетчики электроэнергии используют трансформаторы тока (ТТ) для измерения фазного и нулевого токов. Одним из преимуществ трансформаторов тока является присущая им электрическая изоляция, которую они обеспечивают между линией электропередачи, работающей при напряжении в сотни вольт, и заземлением счетчика, обычно подключенным к нейтрали. Трансформаторы тока обеспечивают хорошую линейность и могут измерять широкий диапазон токов за счет регулировки коэффициента трансформации и нагрузочных резисторов. Однако они также имеют некоторые недостатки для использования в счетчиках электроэнергии. Во-первых, магнитопровод ТТ может насыщаться внешними постоянными магнитными полями. Среднему домовладельцу теперь легко получить чрезвычайно мощные магниты постоянного тока из редкоземельных металлов и применить их для взлома счетчиков. Во-вторых, трансформаторы тока также могут насыщаться силовым электронным оборудованием, таким как инверторы прямого подключения для распределенной солнечной генерации, которые создают в линии постоянный ток. Производители могут противодействовать этим двум эффектам за счет экранирования и использования трансформаторов тока, устойчивых к постоянному току; однако это увеличивает стоимость, и некоторые предполагают, что для каждого такого ТТ можно найти постоянный магнит для его взлома. В-третьих, трансформаторы тока вносят фазовую задержку измерения, которая зависит от частоты линейных токов. Если интерес представляет только основная составляющая линейного тока, эту задержку относительно легко компенсировать. Однако измерение содержания гармоник становится все более важным, и очень трудно компенсировать задержки основной гармоники и всех гармоник вместе взятых.
Другие датчики тока используются реже в трехфазных счетчиках, включая датчики di/dt, такие как катушки Роговского или датчики на эффекте Холла. Хотя они могут обеспечить преимущества в некоторых приложениях, они сопряжены со своими проблемами. Например, пояса Роговского обладают отличной линейностью и могут воспринимать очень большие токи, но их сложнее изготовить и сложнее добиться хорошей помехоустойчивости, необходимой для точных измерений малых токов. С точки зрения несанкционированного доступа они также могут быть восприимчивы к переменным магнитным полям. Датчики Холла требуют активной компенсации смещения по температуре и по своей природе чувствительны к магнитным полям.
Шунты и трехфазный учет энергии
Использование резистивных шунтов в однофазных счетчиках быстро растет в последние годы, что обусловлено стоимостью, магнитной невосприимчивостью и размерами. Во многих случаях эти однофазные счетчики привязаны к линейному напряжению и, таким образом, не требуют дополнительной изоляции. В трехфазных счетчиках необходимо решить проблему создания изолирующего барьера между каждым шунтом и сердечником счетчика. Проблемы с нагревом также становятся проблемой, обычно ограничивая использование шунтов счетчиками с максимальным током 120 А или меньше.
Сначала рассмотрим фазу А трехфазной системы и ее нагрузку. Представьте, что шунт используется для измерения фазного тока (рис. 1).
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing -pages/technical-articles/trends-in-three-phase-energy-metering/figure1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’&amp ;amp;gt;
Рис. 1. Определение тока и напряжения фазы А при измерении тока фазы с помощью шунта.
Это точно однофазная конфигурация счетчика электроэнергии: шунт размещен в линии электропередач, а делитель напряжения измеряет напряжение между фазой и нейтралью. Напряжения на шунте и делителе напряжения воспринимаются аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Земля — это полюс шунта, общий с делителем напряжения. Однофазные счетчики в основном используются в жилых помещениях, и их максимальный ток обычно ниже 120 А. Этот предел и низкая стоимость делают шунты наиболее часто используемыми датчиками тока в однофазном учете энергии.
При повторении этой схемы на всех трех фазах каждый АЦП имеет свою землю (рис. 2).
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles /trends-in-three-phase-energy-metering/figure2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’>
Рис. 2. Измерение трехфазного тока и напряжения при измерении фазных токов с помощью шунтов.
Поскольку микроконтроллер (MCU), который управляет всеми ими, находится на одном потенциале с нейтральной линией, для обеспечения работы связи между АЦП и MCU необходимо изолировать каналы данных. Затем каждый АЦП должен иметь собственный изолированный источник питания (рис. 3).
<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/trends -in-three-phase-energy-metering/figure3.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’>
Рис. 3. Трехфазный счетчик с шунтами, отдельными источниками питания и изолированной связью.
Эта архитектура измерителя уже используется: двухканальные АЦП последовательно передают информацию в микроконтроллер через изолирующий барьер с помощью оптронов или трансформаторов на микросхемах. Изолированные источники питания строятся с использованием автономных компонентов или изолированных преобразователей постоянного тока, в которых используются трансформаторы масштаба микросхемы.
В идеале все фазные токи и напряжения должны измеряться одновременно, чтобы можно было использовать их мгновенные значения для комплексного трехфазного анализа. Но показания АЦП на каждой фазе полностью независимы от остальных, поскольку синхронизация АЦП отсутствует. Это первое ограничение этой архитектуры. Счетчики энергии, в которых используются трансформаторы тока или катушки Роговского, не имеют такой проблемы, поскольку они могут использовать измерительный аналоговый интерфейс (AFE), который одновременно считывает все фазные токи и напряжения.
Еще одной проблемой этой архитектуры является большое количество компонентов: микроконтроллер, три АЦП, три многоканальных изолятора данных и четыре блока питания. У счетчиков, использующих ТТ, такой проблемы нет, так как на печатной плате обычно есть MCU, измерительный AFE и один источник питания.
Тогда как можно создать счетчик, обладающий преимуществами шунтов, с наименьшим количеством компонентов для этой архитектуры (т. е. один микроконтроллер, один блок питания и три АЦП) и одновременно измерять все фазные токи и напряжения?
Архитектура изолированного АЦП
Ответом на эту проблему является создание микросхемы, объединяющей по крайней мере два АЦП, один изолированный преобразователь постоянного тока и изоляцию данных, а также технологию, позволяющую АЦП, принадлежащим разным микросхемам, одновременно производить выборку данных (рис. 4). Источник питания VDD микроконтроллера также питает эту микросхему. Изолированный преобразователь постоянного тока, использующий технологию трансформатора в масштабе микросхемы, обеспечивает изолированное питание для первого каскада АЦП. Один АЦП измеряет напряжение на шунте, а второй измеряет напряжение между фазой и нейтралью с помощью делителя напряжения. Земля, определяемая одним из полюсов шунта, является землей изолированной стороны микросхемы. АЦП являются сигма-дельта, и только первый каскад размещен на изолированной стороне микросхемы. Поток битов, выходящий из первой ступени, проходит через микросхемные преобразователи, составляющие изолированные каналы передачи данных. Биты принимаются на неизолированной стороне микросхемы, фильтруются, помещаются в 24-битные слова и передаются на последовательный порт SPI.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/trends-in-three-phase -energy-metering/figure4.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’>
Рис. 4. Новая архитектура АЦП, включающая двухканальные АЦП, изоляцию данных и один изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный.
Технология преобразователя в масштабе микросхемы является наиболее важным компонентом этой новой архитектуры АЦП: запатентованная Analog Devices i Ответвитель Цифровые изоляторы ® обладают большей надежностью по сравнению с оптопарами, меньшими размерами, меньшим энергопотреблением, более высокой скоростью связи и большей точностью синхронизации. Но этого недостаточно. Изолированные сигма-дельта модуляторы уже давно присутствуют на рынке, в них используются либо оптопары, либо трансформаторы в масштабе микросхемы. Наиболее важным вкладом технологии трансформаторов в масштабе чипа является сопутствующий изолированный преобразователь постоянного тока iso Power ® , который может быть интегрирован с АЦП, цифровым блоком и изолированными каналами данных в одном и том же поверхностном монтаже. низкопрофильный пакет.
Поскольку сердечником трансформаторов является воздух, цифровые изоляторы i и изолированный преобразователь постоянного тока iso Power не подвержены влиянию постоянных магнитов, что делает эту сторону счетчика электроэнергии полностью невосприимчивой. к постоянному магнитному тамперу. Трансформаторы также очень устойчивы к переменным магнитным полям. Площадь катушек настолько мала, что для воздействия на поведение катушки iso Power потребовалось бы создать магнитное поле 10 кГц силой 2,8 Тл. Другими словами, нужно было бы создать ток частотой 10 кГц в 69кА через провод и отнесите этот провод на 5 мм от микросхемы, чтобы повлиять на поведение преобразователей шкалы микросхемы.
Информация передается через изолирующий барьер с помощью импульсов ШИМ очень высокой частоты. Это создает высокочастотные токи, которые распространяются по печатной плате, вызывая краевое и дипольное излучение. Нагрузка изолированного преобразователя постоянного тока состоит только из первого каскада сигма-дельта АЦП, и ее величина хорошо известна. Таким образом, катушки рассчитаны на известную нагрузку, что снижает излучение, обычно связанное с преобразователями постоянного тока, и устраняет необходимость в четырехслойных печатных платах. Производители счетчиков электроэнергии могут использовать двухслойные печатные платы и соответствовать требуемому стандарту CISPR 22 класса B при использовании ИС с такой архитектурой.
Чтобы максимально упростить интерфейс с MCU, цифровой блок микросхемы выполняет фильтрацию битового потока, поступающего с первого каскада, и формирует 24-битные выходные данные АЦП через простой последовательный порт SPI подчиненного устройства. Поскольку счетчик энергии имеет один изолированный АЦП на каждой фазе, остается проблема получения когерентных выходных сигналов АЦП. Первый каскад АЦП может выполнять выборку в один и тот же момент на всех фазах, если они работают с одним и тем же тактовым сигналом. Этого легко добиться, если сигнал CLKIN, показанный на рис. 4, генерируется MCU. Альтернативой является использование одного кристалла для создания тактового сигнала для одного чипа и использование буферизованного сигнала CLKOUT для тактирования всех остальных изолированных АЦП. Все изолированные АЦП управляются таким образом, чтобы их выходные сигналы АЦП генерировались в один и тот же момент. Теперь счетчик энергии может выполнять точный и всесторонний трехфазный анализ, используя шунты для измерения тока.
На рис. 5 представлен трехфазный счетчик с тремя изолированными АЦП. Измеритель имеет только один источник питания, который питает MCU и изолированные АЦП. MCU использует интерфейс SPI для считывания выходных сигналов АЦП с каждой микросхемы.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/trends-in-three-phase -energy-metering/figure5.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 5’>
Рис. 5. Трехфазный счетчик с новыми изолированными АЦП.
Предыдущее описание предполагает использование внешнего MCU для выполнения метрологических расчетов. Для производителей счетчиков, предпочитающих решение, включающее в себя метрологию, есть возможность соединить изолированные АЦП с ИС, выполняющей все метрологические расчеты, как показано на рис. 6.
<img src=’https://www.analog. com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/trends-in-three-phase-energy -metering/figure6.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 6’>
Рис. 6. Трехфазный счетчик с новыми изолированными АЦП и метрологической ИС.
Новые продукты на основе этой архитектуры
Эта архитектура уже используется в новом семействе продуктов Analog Devices: ADE7913, ADE7912, ADE7933 и ADE7932. На рис. 7 представлена блок-схема ADE7913. Он очень похож на рис. 4, но имеет дополнительный канал АЦП, который воспринимает вспомогательное напряжение, мультиплексированное с датчиком температуры. Вспомогательное напряжение может быть напряжением на выключателе, а датчик температуры может использоваться для коррекции колебаний температуры шунта. АДЭ7912 представляет собой вариант без измерения вспомогательного напряжения, но с датчиком температуры.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/trends-in-three-phase-energy-metering /figure7. png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 7’>
Рис. 7. Новый изолированный АЦП ADE7913 на основе этой архитектуры.
ADE7933 и ADE7932 заменяют интерфейс SPI интерфейсом битового потока и в остальном повторяют характеристики ADE79.13 и ADE7912 соответственно. Это изолированные АЦП, представленные на рисунке 6. Метрологическая ИС на рисунке реализована как ADE7978.
Заключение
Представлена новая изолированная архитектура АЦП. Он содержит изолированный преобразователь постоянного тока iso Power, который использует блок питания MCU для питания первого каскада многоканального сигма-дельта АЦП через изолирующий барьер. Битовые потоки, выходящие из АЦП, проходят через изоляторы данных ответвителей и и принимаются цифровым блоком. Этот блок фильтрует их и создает 24-битные выходные данные АЦП, которые можно считывать с помощью простого интерфейса SPI. Один АЦП может измерять ток, проходящий через шунт, второй может измерять напряжение между фазой и нейтралью с помощью делителя напряжения, а третий может измерять вспомогательное напряжение или датчик температуры.