Счетчик электроэнергии схема принципиальная: Схема электрическая счетчика

Схема электрическая счетчика

Электрический счетчик, точнее — счетчик расхода электрической энергии является специальным прибором, предназначенным для учета потребляемой нагрузкой электрической энергии. По своей технической идее он представляет из себя комбинацию измерителя потребляемой электрической энергии с отображающим показания счетным механизмом. Различают электрические счетчики для измерения энергии постоянного или переменного тока. Счетчики электроэнергии переменного тока бывают однофазными и трехфазными. По принципу действия электрические счетчики могут быть индукционными и электронными.

Краткая история создания электрического счетчика

В 1885 году итальянцем Галилео Феррарисом (1847-1897) было сделано интересное наблюдение вращения сплошного ротора в виде металлического диска или цилиндра под воздействием двух не совпадающих по фазе полей переменного тока. Это открытие послужило отправной идеей для создания индукционного двигателя и одновременно открыло возможность разработки индукционного счетчика.

Первый счетчик такого типа был создан в 1889 году венгром Отто Титуцем Блати, который работал на заводе «Ганц» (Ganz) в Будапеште, Венгрия. Им был запатентована идея электрического счётчика для переменных токов (патент, выданный в Германии, № 52.793, патент, полученный в США, № 423.210).

В таком устройстве Блати смог получить внутреннее смещение фаз практически на 90°, что позволило счетчику отображать ватт-часы достаточно точно. В электросчетчике этой модели уже применялся тормозной постоянный магнит, обеспечивавший широкий диапазон измерений количества потребляемой энергии, а также был использован регистр циклометрического типа.

Дальнейшие годы ознаменовались многими усовершенствованиями, проявившимися в уменьшении веса и размеров прибора, расширении диапазона допустимых нагрузок, компенсации изменения величины коэффициента нагрузки, значений напряжения и температуры. Было существенно снижено трение в опорах вращающегося ротора счетчика с помощью замены шарикоподшипниками подпятников, позже применили двойные камни и магнитные подшипники. Значительно увеличился срок стабильной эксплуатации счетчика за счет повышения технических характеристик тормозной электромагнитной системы и неприменения масла в опорах ротора и счетном механизме. Значительно позже для промышленных потребителей был создан трехфазный индукционный счетчик, в котором применили комбинацию из двух или трех систем измерения, установленных на одном, двух или даже трех отдельных дисках.

Схема для подключения счетчика индукционного типа

Схема электрическая принципиальная счетчика индукционного типа в общем случае предельно проста и представляет собой две обмотки (тока и напряжения) и клеммную колодку, на которую выведены их контакты. Условная схема, по которой подключается однофазный электрический счетчик, в стандартном электрощите многоквартирных домов имеет следующий вид:

Здесь фазу «А» обозначает линия желтого цвета, фазу «В» — зеленого, фазу «С» – красного, нулевой провод «N» – линии синего цвета, проводник для заземления «PЕ» — линия желто-зеленого цвета. Пакетный выключатель в настоящее время часто заменяют более современным двухполюсным автоматом с защитой от перегрузки. Следует отметить, что между схемой подключения счетчика индукционного типа и аналогичной схемой подключения электронного счетчика принципиальных различий нет.

Условная схема для подключения электрического счетчика в трехфазной четырехпроводной сети напряжением 380 вольт имеет вид:

Здесь цветовые обозначения аналогичны предыдущей схеме подключения счетчика для однофазной сети.

Важно соблюдать прямой порядок чередования фаз трехфазной сети на колодке контактов счетчика. Определить его можно с помощью фазоуказателя или прибора ВАФ. В прямом порядке чередование фаз напряжений производится так: АВС, ВСА, САВ (если идти по часовой стрелке). В обратном порядке чередование фаз напряжений производится так: АСВ, СВА, ВАС. При этом создается дополнительная погрешность и возникает самоход ротора индукционного счетчика для активной энергии. В электрическом счетчике реактивной энергии обратный порядок чередования фаз нагрузки и напряжений приводит к вращению ротора в обратном направлении.

Схема электрических соединений однофазного индукционного электрического счетчика

На схеме линии красного цвета обозначают фазный провод и токовую катушку, а синего цвет — нулевой провод и катушку напряжения.

Схема электрических соединений трехфазного счетчика индукционного типа при прямом включении в четырехпроводной сети напряжения 380 вольт:

Здесь: фазу «А» обозначает желтый цвет, фазу «В» — зеленый, фазу «С» — красный, нулевой провод «N» — синим цвет; L1, L2, L3 – обозначают токовые катушки; L4, L5, L6 — обозначают катушки напряжения; 2, 5, 8 – контакты напряжения; 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 11 – контакты для подключения внешней электропроводки к трехфазному счетчику.

Принцип действия и устройство индукционного электросчетчика

Токовая обмотка, включенная последовательно с потребителем электроэнергии, имеет малое число витков, которые намотаны толстым проводом, соответствующим номинальному току данного счетчика. Это обеспечивает минимум ее сопротивления и внесения погрешности измерения тока.

Обмотка напряжения, включенная параллельно нагрузке, имеет большое количество витков (8000 — 12000), которые намотаны тонким проводом, что уменьшает потребляемый ток холостого хода счетчика. Когда к ней подключено переменное напряжение, а в токовой обмотке течет ток нагрузки, через алюминиевый диск, являющийся ротором, замыкаются электромагнитные поля, наводящие в нем так называемые вихревые токи. Эти токи взаимодействуют с электромагнитным полем и создают вращающий момент, приводящий в движение подвижный алюминиевый диск.

Постоянный магнит, создающий магнитный поток через диск счетчика, создает эффект тормозного (противодействующего) момента.

Неизменность скорости вращения диска достигается при балансе вращающего и тормозного усилий.

Количество оборотов ротора за час будет пропорциональным израсходованной энергии, что эквивалентно тому, что значение установившейся равномерной скорости вращения диска является пропорциональным потребляемой мощности, если вращающий момент, воздействующий на диск, адекватен мощности потребителя, к которому подключен счетчик.

Трение в кинематических парах механизма индукционного счетчика создает появление погрешностей в измерительных показаниях. Особенно значительно влияние трения на малых (до 5-10% от номинального значения) нагрузках для индукционного счетчика, когда величина отрицательной погрешности может составлять 12 — 15%. Для сокращения влияния сил трения в индукционном счетчике используют специальное устройство, которое называется компенсатор трения.

Существенный параметр счетчика электрической энергии переменного тока — порог чувствительности прибора, который подразумевает значение минимальной мощности, выраженной в процентах от номинального значения, при котором ротор счетчика начинает устойчиво вращаться. Другими словами, порог чувствительности – это минимальный расход электроэнергии, который счетчик в состоянии зафиксировать.

В соответствии с ГОСТом, значение порога чувствительности для индукционных счетчиков различных классов точности, должно составлять не больше 0,5 — 1,5%. Уровень чувствительности задается значением компенсирующего момента и момента торможения, который создается специальным противосамоходным устройством.

Принцип работы электронного счетчика

Индукционные счетчики расхода электрической энергии при всей их простоте и невысокой стоимости обладают рядом недостатков, в основе которых находится использование механических подвижных элементов, имеющих недостаточную стабильность параметров при долгосрочной эксплуатации прибора. Электронный счетчик электроэнергии лишен этих недостатков, имеет низкий порог чувствительности, более высокую точность измерения потребляемой энергии.

Правда, для построения электронного счётчика требуется применение узкоспециализированных интегральных микросхем (ИС), которые могут выполнять перемножение сигналов тока и напряжения, формировать полученную величину в виде, удобном для обработки микроконтроллером. Например, микросхемы, преобразующие активную мощность — в значение частоты следования импульсов. Общее число полученных импульсов, интегрируемых микроконтроллером, является прямо пропорциональным потребляемой электроэнергии.

Блок-схема электронного счетчика

Не менее важным для полноценной эксплуатации электронного счетчика является наличие всевозможных сервисных функций, таких как удаленный доступ к счётчику для дистанционного контроля показаний, определение дневного и ночного потребления энергии и многие другие. Применение цифрового дисплея позволяет пользователю программно задавать различные форматы вывода сведений, например, отображать на дисплее информацию о количестве потреблённой энергии за определенный интервал, задавать различные тарифы и тому подобное.

Для выполнения отдельных нестандартных функций, например, согласования уровней сигналов, потребуется применение дополнительных ИС. В настоящее время начат выпуск специализированных микросхем — преобразователей мощности в пропорциональную частоту — и специализированные микроконтроллерные устройства, имеющие подобный преобразователь на одном кристалле. Но, чаще всего, они слишком дорогостоящи для применения в коммунально-бытовых устройствах индукционных счётчиков. Поэтому многими мировыми производителями микроконтроллеров разрабатываются специализированные недорогие микросхемы, специально предназначенные для подобного применения.

Какой вид имеет схема электрическая принципиальная счетчика по простейшему цифровому варианту на наиболее недорогом (менее доллара) 8-разрядном микроконтроллере компании Motorola? В рассматриваемом решении осуществлены все минимально обязательные функции устройства. Оно основано на применении недорогой ИС, преобразующей мощность в частоту импульсов типа КР1095ПП1 и 8-разрядного микроконтроллерного устройства MC68HC05KJ1. При такой архитектуре счетчика микроконтроллеру необходимо суммировать получаемое число импульсов, отображать информацию на дисплее и осуществлять защиту устройства в различных нештатных режимах. Описываемый счётчик в действительности является цифровым функциональным аналогом имеющихся механических счётчиков, приспособленным для дальнейшего усовершенствования.

Схема электрическая принципиальная простейшего цифрового счетчика электроэнергии

Сигналы, эквивалентные значениям напряжения и тока в сети, получаются от датчиков и подаются на вход преобразователя. Микросхема осуществляет перемножение входных сигналов, формируя мгновенное значение потребляемой мощности. Это значение поступает на микроконтроллер, преобразуется в ватт-часы. По мере накопления данных изменяются показания счётчика на ЖКИ. Наличие частых сбоев напряжения электропитания устройства приводит к необходимости применения EEPROM для обеспечения сохранности показаний счётчика. Поскольку сбои напряжения питания являются наиболее распространенной нештатной ситуацией, подобная защита требуется в любом электронном счётчике.

Схема электрическая принципиальная счетчика (цифровой вычислитель) приведена ниже. Через разъём X1 присоединяется напряжение сети 220 В и электропотребитель. Датчики напряжения и тока формируют сигналы, поступающие на микросхему КР1095ПП1 преобразователя, имеющего оптронную развязку частотного выхода. Ядром счётчика является микроконтроллер MC68HC05KJ1 производства компании Motorola, производимый в 16-выводном корпусе (корпус DIP или SOIC) и оснащенный 1,2 Кбайтом ПЗУ и 64 байтом ОЗУ. Для сохранения накопленного количества потребленной энергии во время сбоев по питанию применяется EEPROM с малым объёмом памяти 24С00 (16 байт) от компании Microchip. Дисплеем служит 7-сегментный 8-разрядный ЖКИ, который управляется любым недорогостоящим микроконтроллером, обменивающимся с центральным микроконтроллером данными по протоколам SPI или I2C и подключенный через разъём Х2.

Заложенный алгоритм работы счетчика потребовал менее 1 Кбайт памяти и меньше половины из всех портов ввода/вывода на микроконтроллере MC68HC05KJ1. Его технических возможностей достаточно для того, чтобы дополнить счетчик некоторыми сервисными функциями, например, возможностью объединения счётчиков в локальную сеть через интерфейс RS-485. Эта возможность позволяет получать данные о потребленной энергии в сервисный центр и дистанционно отключать электричество, если потребителем не внесена оплата. Сетью, содержащей такие счётчики можно оснастить жилой многоквартирный дом. Все показания счетчиков по сети будут дистанционно поступать в диспетчерский пункт.

Практический интерес представляет применение семейства 8-разрядных микроконтроллеров с кристаллом, содержащим встроенную FLASH-память. Это позволяет его программировать прямо на собранной плате. Это также обеспечивает защищённость от взлома программного кода и удобство обновления ПО без выполнения монтажных работ.

Цифровой вычислитель для электронного счетчика электроэнергии

Более интересным представляется вариант электронного счётчика электроэнергии без применения внешней EEPROM и дорогостоящего внешнего энергонезависимого ОЗУ. В этом случае можно при возникновении аварийной ситуации фиксировать показания и другую служебную информацию во внутренней FLASH-памяти микроконтроллера. Это дополнительно обеспечивает требуемую конфиденциальность данных, что нельзя обеспечить, если применяется внешний кристалл, не защищённый от несанкционированного доступа посторонних лиц. Такой электронный счётчик электроэнергии с любым уровнем сложности и функциональности можно создать с применением микроконтроллера компании Motorola из семейства HC08 с FLASH-памятью, встроенной в основной кристалл.

Осуществление перехода на цифровые дистанционные автоматические средства учёта и контроля расхода электроэнергии является вопросом времени. Технические и потребительские достоинства таких систем являются очевидными. Стоимость их будет неизменно уменьшаться. И даже в случае применения простейшего микроконтроллера такой электронный счётчик электроэнергии обладает очевидными преимуществами: высокая надёжность вследствие полного отсутствия подвижных деталей; миниатюрность; возможность выпуска счетчика в корпусе с учётом особенностей интерьера в современных жилых домах; увеличение интервала поверок в несколько раз; высокая ремонтопригодность и предельная простота в обслуживании и эксплуатации. Даже небольшие дополнительные аппаратные и программные затраты в простейшем цифровом счётчике могут дополнить его рядом сервисных функций, принципиально отсутствующих у всех механических электросчетчиков, например, применение многотарифного начисления оплаты за потребляемую энергию, возможность реализации автоматизированного учёта и управления потреблением электроэнергии.

Обзор и устройство современных счётчиков электроэнергии / Хабр

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.

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 всём 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.

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.

Цепь счетчика энергии | Подробный проект с исходным кодом

— Реклама —

Электромеханические счетчики электроэнергии были стандартом для учета электроэнергии с момента начала выставления счетов. Но сейчас они постепенно заменяются электронными цифровыми счетчиками энергии. Здесь представлен простой счетчик энергии, использующий микросхему ADE7757 компании Analog Device для однофазных двухпроводных (фаза и нейтраль) систем, используемых в домашних хозяйствах. IC ADE7757 — недорогое однофазное решение для измерения электроэнергии.

Это решение можно использовать даже для отдельных приборов, чтобы узнать, сколько энергии они потребляют.

Рис. 1: Принципиальная схема счетчика электроэнергии

Его основные характеристики:
1. Может считывать до 999999 единиц (кВтч) с разрешением 0,01 единицы
2. Предназначен для нормального напряжения 230 В переменного тока и максимального сетевого тока 30 ампер.
3. Счетчик 100 импульсов/кВтч, т.е. для регистрации одной единицы потребуется 100 импульсов

— Реклама —

На рис. интегральный генератор ADE7757 (IC1), микроконтроллер AT89c52 (IC2), EEPROM AT24C02 (IC3), стабилизатор напряжения 5В 7805 (IC5), оптопара MCT2E (IC4) и ЖК-дисплей.

IC ADE7757

Это недорогое одночиповое решение для измерения электроэнергии. При работе микросхема взаимодействует с шунтирующим резистором (используемым в качестве датчика тока) и аналоговым напряжением переменного тока, измеряющим входы и выдающим потребляемую мощность, как описано ниже. Он имеет два аналоговых входных канала, обозначенных как V1 и V2 соответственно. Канал V1 (также называемый «токовым каналом») используется для измерения тока, а канал V2 (также называемый «каналом напряжения») используется для измерения напряжения. Дифференциальный выход токочувствительного резистора подключается между входами V1P и V1N, а дифференциальный выходной сигнал, пропорциональный напряжению сети переменного тока, полученный через резистивный делитель, подключается между контактами V2P и V2N.

IC ADE7757 имеет опорную схему и фиксированную функцию DSP для расчета активной мощности. Высокостабильный осциллятор, встроенный в чип, обеспечивает необходимые часы для чипа. Он предоставляет информацию о средней активной мощности на низкочастотных выходах F1 и F2. Счетчик рассчитан на 100 импульсов/кВтч, и импульсы могут быть подсчитаны любым счетчиком для расчета потребляемой мощности. Здесь для подсчета импульсов используется микроконтроллер AT89C52. ADE7757 обеспечивает высокочастотный выход на выводе калибровочной частоты (CF) (здесь это 3200 импульсов/кВтч), который выбирается через выводы S1 и S0, как показано жирным шрифтом в Таблице II. Этот высокочастотный выход обеспечивает мгновенную информацию о реальной мощности, которая используется для ускорения процесса калибровки. Функциональная блок-схема ADE7757 представлена ​​на рис. 2.9.0003

Электропитание микросхемы ADE7757 осуществляется непосредственно от сети с использованием сети конденсаторных делителей, состоящей из конденсаторов C13 и C14. Большая часть напряжения падает на C13 (полиэфирный конденсатор 0,47 мкФ, рассчитанный на 630 В), тогда как резистор R11 (470 Ом, 1 Вт) используется в качестве ограничителя тока. Выход на C14 ограничен 15 В постоянного тока, который служит входом для регулятора IC5. Регулируемые 5В подаются на IC1. Выход F1 микросхемы IC1 соединен с контактом порта P3.2 микроконтроллера IC2 через оптопару IC4, в то время как светодиод 1 показывает, что микросхема IC1 работает.

AT89C52

Это маломощный, высокопроизводительный 8-разрядный микроконтроллер CMOS со стандартными функциями: 8 кбайт флэш-памяти, 256 байт ОЗУ, 32 линии ввода-вывода, три 16-разрядных таймера/счетчика, шестивекторная двухуровневая архитектура прерываний, полнодуплексный последовательный порт, встроенный генератор и схема синхронизации.

Рис. 2: Функциональная блок-схема ADE7757Рис. 3: Дополнительный источник питания для схемы счетчика

Микроконтроллер IC2 принимает показания счетчика энергии через свой контакт 12 и сохраняет их в EEPROM IC3, и в то же время отображает их на ЖК-дисплее, что требует дополнительного регулируемого и изолированного питания 5 В (во избежание продление сети под напряжением на встречную секцию). Для этой цели использовалась обычная схема стабилизатора 5 В, включающая мостовой выпрямитель (BR1), сглаживающий конденсатор (C20) и регулятор IC 7805 (IC6). На рис. 3 показан дополнительный источник питания.

Контакты с 21 по 28 микроконтроллера IC2 подключены к контактам данных ЖК-дисплея с D0 по D7 соответственно. контакты 15, 16 и 17 микросхемы IC2 соединены с управляющими контактами RS, R/W и EN ЖК-дисплея соответственно. Сброс при включении питания обеспечивается комбинацией резистора R14 и конденсатора С16. Переключатель S1 используется для ручного сброса. Кристалл 12 МГц вместе с двумя конденсаторами емкостью 22 пФ обеспечивают базовую тактовую частоту микроконтроллера. Предустановка VR2 подключается к контакту 3 ЖК-дисплея для управления контрастностью.

Рис. 4: Односторонняя печатная плата счетчика электроэнергииРис. 5: Компоновка компонентов для печатной платы

Загрузите PDC и компоновку компонентов в формате PDF: Щелкните здесь

AT24C02

Это совместимое с шиной I2C 2-килобитное EEPROM, организованное как 256×8 бит, которое может хранить данные более десяти лет. Чтобы избежать потери последних настроек в случае сбоя питания, микроконтроллер может сохранять все данные пользователя в EEPROM. Память гарантирует, что микроконтроллер прочитает последние сохраненные данные из EEPROM при возобновлении питания. Используя линии SCL и SDA EEPROM, микроконтроллер может считывать/записывать данные из/в память AT24C02. Линии SCL и SDA микросхемы IC3 подключены к контактам 10 и 11 микроконтроллера IC2 соответственно.

Схема интеллектуального счетчика и блок-схема » Примечания по электронике

Блок-схема интеллектуального счетчика электроэнергии может использоваться для понимания его работы и проблем, связанных с конструкцией его электронной схемы.

Интеллектуальные счетчики Включает:
Технология интеллектуальных счетчиков
Схемотехника

Интеллектуальные счетчики энергии используются многими коммунальными предприятиями для снижения воздействия потребления энергии на окружающую среду. Они не только позволяют пользователям видеть, как используется их энергия, но также предоставляют жизненно важные данные коммунальным компаниям для организации системы «Smart Grid», которая развивается.

Счетчики старого образца используются уже много лет, они чрезвычайно точны и очень надежны в течение длительного периода времени. Однако новые интеллектуальные счетчики должны обеспечивать такой же уровень точности и долгосрочной надежности, а также предоставлять дополнительные возможности.

Эти требования предъявляют множество строгих требований к конструкции электронных схем интеллектуальных счетчиков, поскольку они должны работать точно, а также должны выдерживать суровые переходные процессы, которым они могут подвергаться, а также колебания температуры.

В дополнение к этому конструкция электронной схемы интеллектуального счетчика должна обеспечивать простоту настройки устройства и надежную связь с интеллектуальным энергомонитором или IHD «Внутренний дисплей», а также с сетью связи коммунальной компании.

Основная блок-схема и принцип работы интеллектуального счетчика

Блок-схема интеллектуального счетчика состоит из нескольких элементов с точки зрения его функциональности. В дополнение к этому также включен источник питания малой мощности, и к нему предъявляется ряд особых требований для обеспечения успешной работы всего интеллектуального счетчика.

Базовая блок-схема интеллектуального счетчика электроэнергии для потребления электроэнергии

Как видно из блок-схемы, в общей блок-схеме интеллектуального счетчика есть несколько элементов, которые необходимо учитывать при проектировании электронной схемы.

• Источник питания:  Эта часть интеллектуального счетчика обеспечивает питание схемы счетчика, а также обеспечивает резервное питание от батареи, а также защиту от переходных процессов и т. д.

• Возможности измерения:   В этом разделе блок-схемы интеллектуального счетчика энергии рассматриваются основные измерения используемой утилиты. Требуется надежность и точность. Обычно он выводит данные в цифровом формате и поэтому включает аналого-цифровой преобразователь.

• Обработка:   Любой счетчик, подобный этому, потребует обработки данных. Его необходимо отформатировать для отправки по каналам связи, а также для отображения на самом интеллектуальном счетчике.

• Связь:   Интеллектуальный счетчик должен передавать информацию поставщику коммунальных услуг для выставления счетов и управления их интеллектуальной сетью. Он также должен предоставлять информацию пользователю на интеллектуальном мониторе энергопотребления или на домашнем дисплее, IHD. Для этого можно использовать различные методы связи, включая сотовую связь, связь по линиям электропередач, Zigbee и т. д.

Различные области блок-схемы имеют отдельные функции и часто очень разные формы электронных схем.

Блок питания

Блок питания для интеллектуального счетчика энергии имеет некоторые интересные и сложные конструктивные ограничения.

В технологии электропитания будет использоваться технология импульсного режима. Это обеспечивает высочайший уровень эффективности и снижает потребляемый ток, вызванный интеллектуальными счетчиками, что является важной особенностью, когда их необходимо использовать многие миллионы.

Импульсный источник питания, SMPS, принимает линейный сигнал переменного тока и преобразует его в требуемое постоянное напряжение или напряжения, необходимые для управления всеми функциями счетчика. Обычно это будет 5 вольт или ниже.

SMPS также будет использоваться для обеспечения полной зарядки резервной батареи, если для этой цели используется перезаряжаемая батарея. Он также будет включать в себя электронный переключатель для переключения на резервное питание от батареи, если по какой-либо причине прервется подача переменного тока.

Другая основная функция в области источника питания измерителя заключается в защите схемы от любых переходных процессов в сети, которые могут возникнуть. Обратите внимание, что он не будет использоваться для защиты любого оборудования за пределами счетчика, например, оборудования, потребление которого контролируется интеллектуальным счетчиком.

Защита от переходных процессов обычно обеспечивается комбинацией входного дросселя и варисторов — электронных компонентов, поглощающих переходные процессы выше определенного напряжения. Для этого широко используются металлооксидные варисторы.

В дополнение к этому входной дроссель, а также дифференциальный фильтр высокого напряжения необходимы для обеспечения хороших характеристик ЭМС. Необходимо не только устранить любые помехи, которые могут быть созданы интеллектуальным счетчиком, до того, как они достигнут линии электропередачи, но также необходимо убедиться, что на работу счетчика не влияют никакие помехи, которые могут появиться на линии электропередачи. .

Датчики и измерения

Для интеллектуального счетчика схемы датчиков и измерений должны быть особенно точными. Они должны обеспечивать такой же уровень точности, как и ручные счетчики предыдущего поколения. . если не лучше.

Точность зависит от компонентов измерения уровня дохода.

Резисторы, используемые для измерения тока, и масштабирующие резисторы для измерения напряжения должны иметь очень жесткие допуски с низким температурным коэффициентом, чтобы измерения оставались точными в широком диапазоне температур.

Любые аналоговые данные должны быть преобразованы в цифровой формат, и, конечно же, для этого требуется аналого-цифровой преобразователь.

Обработка и контроль

Обычно система будет использовать микроконтроллер для обеспечения обработки для форматирования данных, их обработки и преобразования в требуемые форматы, необходимые для интерфейсов.

Несмотря на то, что в первую очередь требуется передача данных, интеллектуальные счетчики также имеют собственный дисплей для локальных показаний на случай, если это потребуется. Дисплей обычно представляет собой ЖК-дисплей с низким током, хотя эти дисплеи плохо работают при температуре ниже 0 ° C и в конечном итоге перестают работать, если становится слишком холодно.

Процессор также должен управлять отправкой и получением данных и команд через различные интерфейсы беспроводной связи.

Как правило, эти интерфейсы включают в себя беспроводную связь на большие расстояния с поставщиком коммунальных услуг, а также обязательную беспроводную связь на более короткие расстояния с интеллектуальным монитором энергопотребления или внутренним дисплеем, предоставляемым потребителю.

Как правило, в этом приложении используется микроконтроллер, поскольку потребности в обработке для интеллектуального счетчика обычно могут быть удовлетворены контроллером, а не микропроцессором, а потребление тока обычно меньше, а также это позволяет занимать меньшую площадь..

Интерфейсы беспроводной связи

Существует множество различных интерфейсов беспроводной связи, которые используются для связи с поставщиком коммунальных услуг и интеллектуальным энергомонитором в помещениях пользователей.

Существует множество различных интерфейсов беспроводной связи. К ним относятся:

• Широкополосный доступ по линии электропередач (BPL)
• Мобильная связь или сотовая связь. 2G GSM по-прежнему пользуется большим спросом, а с GPRS он обеспечивает недорогой и надежный метод доступа. 3G менее широко используется, и на самом деле во многих странах 3G прекращается даже раньше, чем 2G, поэтому стимулов для его использования еще меньше. Конечно, 4G, а теперь и 5G — тоже варианты.

Сетчатые радиочастотные сети

• , включая такие системы, как Zigbee, обеспечивают хороший вариант для локальной связи, тогда как такие системы, как LoRa или SigFox, являются вариантами для беспроводной связи на большие расстояния.

Какая бы система беспроводной связи ни была выбрана, необходимо учитывать общие требования к связи системы.

Интеллектуальные счетчики в настоящее время широко используются и используются уже много лет. Их дизайн постоянно развивается по мере изменения требований, развертывания новых возможностей беспроводной связи и других новых технологий.