Recenze a návrh moderních elektroměrů / Habr

V poslední době nahradily indukční elektroměry elektronické měřiče. U těchto čítačů je počítací mechanismus poháněn nikoli pomocí napěťových a proudových cívek, ale pomocí specializované elektroniky. Kromě toho může být prostředkem pro počítání a zobrazování naměřených hodnot mikrokontrolér, respektive digitální displej. To vše umožnilo snížit celkové rozměry zařízení a snížit jejich náklady.

Složení téměř jakéhokoli elektronického měřiče zahrnuje jeden nebo více specializovaných počítačových mikroobvodů, které provádějí hlavní funkce převodu a měření. Vstup takového mikroobvodu přijímá informace o síle napětí a proudu z odpovídajících senzorů v analogové formě. Uvnitř čipu jsou tyto informace určitým způsobem digitalizovány a převedeny. V důsledku toho jsou na výstupu mikroobvodu generovány pulzní signály, jejichž frekvence je úměrná aktuální spotřebě energie zátěže připojené k elektroměru. Impulzy jsou přiváděny do počítacího mechanismu, kterým je elektromagnet, sladěný s ozubenými koly na kolech s čísly. V případě dražších měřičů s digitálním displejem se používá přídavný mikrokontrolér. Přes určité rozhraní se připojuje ke zmíněnému mikroobvodu a k digitálnímu displeji, akumuluje výsledek měření elektřiny do energeticky nezávislé paměti a poskytuje i další funkce zařízení.

Podívejme se na několik podobných modelů mikroobvodů a čítačů, na které jsem narazil.

Obrázek níže ukazuje rozložený pohled na jeden z nejlevnějších a nejoblíbenějších jednofázových elektroměrů “NEVA 103”. Jak je vidět z obrázku, počítací zařízení je poměrně jednoduché. Hlavní deska se skládá ze specializovaného mikroobvodu, jeho tělové sady a sestavy stabilizátoru výkonu založené na předřadném kondenzátoru. Přídavná deska má LED indikující spotřebovanou zátěž. V tomto případě 3200 pulzů na 1 kWh. Je také možné odebírat impulsy ze zelené svorkovnice umístěné v horní části elektroměru. Počítací mechanismus se skládá ze sedmi koleček s čísly, převodovky a elektromagnetu. Zobrazuje vypočítanou elektřinu s přesností na desetiny kWh. Jak je z obrázku patrné, převodovka má převodový poměr 200:1. Podle mých poznámek to znamená “200 pulsů na 1 kWh”. To znamená, že 200 impulsů aplikovaných na elektromagnet přispěje k posunutí posledního červeného kolečka o 1 celou otáčku. Tento poměr je násobkem poměru pro LED indikátor, což není náhodné. Převodovka s elektromagnetem je umístěna v kovové skříni pod dvěma síty, aby byla chráněna před rušením vnějším magnetickým polem.

Tento model měřiče používá čip ADE7754. Podívejme se na jeho strukturu.

Piny 5 a 6 přijímají analogový signál z proudového bočníku, který je umístěn na první a druhé svorce elektroměru (na tomto místě je vidět poškození na fotografii). Piny 8 a 7 přijímají analogový signál úměrný síťovému napětí. Přes piny 16 a 15 je možné nastavit zesílení interního operačního zesilovače odpovědného za proud. Oba signály jsou pomocí ADC uzlů převedeny do digitální podoby a po určité korekci a filtraci jsou přiváděny do násobiče. Násobič tyto dva signály násobí, v důsledku čehož se na jeho výstupu podle fyzikálních zákonů získá informace o aktuální spotřebě energie. Tento signál je přiváděn do specializovaného převodníku, který generuje hotové impulsy do počítacího zařízení (piny 23 a 24) a do řídicí LED a počítacího výstupu (pin 22). Prostřednictvím kolíků 12, 13 a 14 se konfigurují násobiče frekvence a režimy výše uvedených impulzů.

Standardní montážní schéma prakticky představuje schéma příslušného elektroměru.

Společný záporný vodič je připojen k nule 220V. Fáze je přivedena na pin 8 přes odporový dělič, který slouží ke snížení úrovně měřeného napětí. Signál z bočníku je přiváděn na odpovídající vstupy mikroobvodu také přes odpory. V tomto obvodu, určeném pro testování, jsou konfigurační piny 12-14 připojeny k logické jednotce. V závislosti na modelu měřiče mohou mít různé konfigurace. Tato informace není pro tuto krátkou recenzi tak důležitá. LED indikátor je připojen k příslušnému pinu sériově spolu s optickou izolací, na jejíž druhé straně je připojena svorkovnice pro čtení počítacích informací (K7 a K8).

Ze stejné rodiny mikroobvodů existují podobné analogy pro třífázová měření. S největší pravděpodobností jsou zabudovány do levných třífázových měřičů. Jako příklad níže uvedený obrázek ukazuje strukturu jednoho z těchto mikroobvodů, konkrétně ADE7752.

Místo dvou uzlů ADC je jich zde použito 6: 2 pro každou fázi. Záporné vstupy napěťového operačního zesilovače jsou spojeny dohromady a vystupují na kolík 13 (nula). Každá ze tří fází je připojena k vlastnímu kladnému vstupu operačního zesilovače (piny 14, 15, 16). Signály z proudových bočníků pro každou fázi jsou zapojeny analogicky jako v předchozím příkladu. Pro každou ze tří fází je pomocí tří násobičů přidělen signál charakterizující aktuální výkon. Tyto signály kromě filtrů procházejí dalšími uzly, které se aktivují přes pin 17 a slouží k umožnění činnosti matematického modulu. Tyto tři signály se pak sečtou, čímž se získá celková spotřeba energie pro všechny fáze. V závislosti na binární konfiguraci pinu 17 sčítačka sečte buď absolutní hodnoty tří signálů, nebo jejich absolutní hodnoty. To je nezbytné pro určité jemnosti měření elektřiny, jejichž podrobnosti zde nejsou diskutovány. Tento signál je přiveden do převodníku, podobně jako v předchozím příkladu s jednofázovým elektroměrem. Jeho rozhraní je také téměř stejné.

Stojí za zmínku, že výše popsané mikroobvody se používají k měření činné energie. Dražší měřiče jsou schopny měřit činnou i jalovou energii. Vezměme si například čip ADE7754. Jak je vidět z obrázku níže, jeho struktura je mnohem složitější než struktura mikroobvodů z předchozích příkladů.

Mikroobvod měří činnou a jalovou třífázovou elektřinu, má SPI rozhraní pro připojení mikrokontroléru a CF výstup (pin 1) pro externí registraci činné elektřiny. Všechny ostatní informace z čipu čte mikrokontrolér přes rozhraní. Prostřednictvím něj se provádí konfigurace mikroobvodu, zejména instalace mnoha konstant odrážených v blokovém schématu. Výsledkem je, že tento mikroobvod, na rozdíl od předchozích dvou příkladů, není autonomní a k sestavení čítače založeného na tomto mikroobvodu je vyžadován mikrokontrolér. V blokovém schématu je možné vizuálně sledovat uzly odpovědné samostatně za měření činné a jalové energie. Zde je vše mnohem složitější než v předchozích dvou příkladech.

Jako příklad zvažte další zajímavé zařízení: třífázový měřič “Energomer TsE6803V R32”. Jak můžete vidět z fotografie níže, tento čítač ještě nebyl použit. Dostal jsem ho v nezapečetěné podobě s drobným mechanickým poškozením na vnější straně. Díky tomu všemu byl plně funkční.

Jak vidíte, při pohledu na základní desku se zařízení skládá ze tří stejných uzlů (vpravo), napájecích obvodů a mikrokontroléru. Na spodní straně hlavní desky jsou tři stejné moduly na samostatných deskách, jeden pro každý uzel. Tyto moduly jsou mikroobvody AD71056 s minimální požadovanou úpravou. Tento mikroobvod je jednofázový elektroměr.

Moduly jsou připájeny vertikálně k základní desce. K těmto modulům připojují kroucené vodiče proudové bočníky.

Za pár hodin se mi podařilo zkopírovat elektrický obvod zařízení. Podívejme se na to podrobněji.

Vpravo v obecném schématu je schéma jednofázového modulu, který byl zmíněn výše. Čip D1 tohoto modulu AD71056 má podobný účel jako čip ADE7755, který byl popsán dříve. Čtvrtý kontakt modulu přijímá 5V napájení, třetí – napěťový signál. Z druhého kontaktu se odebírají informace ve formě impulsů o příkonu přes CF výstup čipu D1. Signál z proudových bočníků přichází přes kontakty X1 a X2. Konfigurační vstupy SCF čipu, S1 a S0 v tomto případě jsou umístěny na pinech 8-10 a jsou konfigurovány v “0,1,1”.

Každý ze tří takových modulů obsluhuje každou fázi. Signál pro měření napětí je přiváděn do modulu řetězcem čtyř rezistorů a je odebírán z nulové svorky („N“). V tomto případě stojí za to věnovat pozornost tomu, že společný vodič pro každý modul je fáze, která mu odpovídá. Společný vodič celého obvodu je však připojen k nulové svorce. Toto složité řešení pro napájení každého uzlu obvodu je popsáno níže.

Každá ze tří fází jde do zenerových diod VD4, VD5 a VD6, dále do předřadných RC obvodů R1C1, R2C2 a R3C3, poté do zenerových diod VD1, VD2 a VD3, které jsou svými anodami spojeny s nulou. Z prvních tří zenerových diod se odebere napájecí napětí pro každý modul U3, U2 a U1, usměrněno diodami VD10, VD11 a VD12. Čipové regulátory D1-D3 slouží k získání napájecího napětí 5V. Ze zenerových diod VD1-VD3 je odstraněno napájecí napětí obecného obvodu, usměrněno diodami VD7-VD9, shromážděnými v jednom bodě a přiváděno do regulátoru D4, ze kterého je odstraněno 5V.

Obecné schéma je mikrokontrolér (MK) D5 PIC16F720. Slouží samozřejmě ke sběru a zpracování informací o aktuální spotřebě energie přicházejících z každého modulu ve formě impulsů. Tyto signály přicházejí z modulů U3, U2 a U1 na MK piny RA2, RA4 a RA5 přes optické izolace V1, V2 a V3. Výsledkem je, že na pinech RC1 a RC2 generuje MK impulsy pro mechanické počítací zařízení M1. Je podobný zařízení diskutovanému dříve a má také poměr 200:1. Odpor cívky je vysoký a je asi 500 ohmů, což umožňuje připojení přímo k MK bez dalších tranzistorových obvodů. Na pinu RC0 generuje MK impulsy pro LED indikátor HL2 a pro externí impulsní výstup na konektoru XT1. Ten je realizován prostřednictvím optického oddělení V4 a tranzistoru VT1. V tomto modelu elektroměru je poměr 400 pulzů na 1 kWh. V praxi bylo při testování tohoto měřiče (po malé opravě) zaznamenáno, že elektromagnetická cívka počítacího mechanismu odpaluje synchronně se zábleskem LED HL2, ale pokaždé (dvakrát tak často). To potvrzuje shodu poměrů 400:1 pro indikátor a 200:1 pro počítací mechanismus, jak již bylo zmíněno dříve.

Na levé straně desky je místo pro 10pinový konektor XS1, který slouží pro flashování, stejně jako pro rozhraní MK UART.

Třífázový měřič “Energomer TsE6803V R32” se tedy skládá ze tří jednofázových měřicích mikroobvodů a mikrokontroléru, který z nich zpracovává informace.

Na závěr stojí za zmínku, že existuje řada modelů čítačů, které jsou ve své funkčnosti mnohem složitější. Například měřiče s dálkovým ovládáním odečtů přes elektrické vedení, nebo i přes mobilní komunikační modul. V tomto článku jsem zvažoval pouze nejjednodušší modely a základní principy pro konstrukci jejich elektrických obvodů. Předem se omlouvám za možná nesprávnou terminologii v textu, protože jsem se snažil vyjádřit jednoduchým jazykem.

• elektroměr
• reverzní inženýrství
• pic16

• Výroba a vývoj elektroniky
• Reverzní inženýrství

Hlavním účelem tohoto zařízení je neustále měřit spotřebu řízeného úseku elektrického obvodu a zobrazovat jeho hodnotu ve formě vhodné pro člověka. Základ prvku využívá polovodičové elektronické součástky pracující na polovodičových nebo mikroprocesorových strukturách.

Taková zařízení se vyrábějí pro práci s proudovými obvody:

1. Konstantní hodnota;
2. Sinusový harmonický tvar.

Stejnosměrné elektroměry fungují pouze v průmyslových podnicích, které provozují výkonná zařízení s vysokým stálým příkonem (elektrifikovaná železniční doprava, elektrická vozidla. ). Nejsou používány pro domácí účely a jsou vyráběny v omezeném množství. Proto je v dalším materiálu tohoto článku nebudeme uvažovat, i když se princip jejich činnosti liší od modelů pracujících na střídavý proud, zejména v konstrukci proudových a napěťových snímačů.

Elektronické měřiče střídavého výkonu jsou vyráběny pro měření energie elektrických zařízení:

1. S jednofázovým napěťovým systémem;
2. V třífázových obvodech.

Konstrukce elektronického počítadla

Celá základna prvku je umístěna uvnitř pouzdra a je vybavena:

• svorkovnice pro připojení elektrických vodičů;
• LCD zobrazovací panel;
• ovládací prvky pro provoz a přenos informací ze zařízení;
• měřicí transformátory;
• deska plošných spojů s polovodičovými prvky;
• ochranný obal.

Funkčnost takového elektroměru je potvrzena:

• použitá značka ověřovatele potvrzující, že zařízení prošlo metrologickým ověřením na zkušebním stavu a posouzením jeho vlastností v rámci třídy přesnosti deklarované výrobcem;
• neporušená pečeť společnosti energetického dozoru odpovědná za správné připojení elektroměru k elektrickému obvodu.

Vnitřní pohled Deska takového zařízení je znázorněna na obrázku.

Nejsou zde žádné pohyblivé ani indukční mechanismy. A přítomnost tří vestavěných proudových transformátorů používaných jako senzory se stejným počtem jasně viditelných kanálů na desce plošných spojů naznačuje třífázový provoz tohoto zařízení.

Elektrické procesy zaznamenané elektronickým měřičem

Provoz vnitřních algoritmů třífázových nebo jednofázových konstrukcí probíhá podle stejných zákonů, s výjimkou, že ve 3fázovém složitějším zařízení existuje geometrický součet hodnot každého z tři složkové kanály.

Proto budeme primárně zvažovat principy fungování elektronického měřiče na příkladu jednofázového modelu. K tomu si připomeňme základní zákony elektrotechniky související s mocí.

Jeho plná hodnota je určena složkami:

• aktivní;
• reaktivní (součet indukčních a kapacitních zátěží).

Proud procházející společným obvodem jednofázové sítě je ve všech úsecích stejný a úbytek napětí na každém prvku závisí na typu odporu a jeho hodnotě. Při aktivním odporu se shoduje s vektorem procházejícího proudu ve směru a při jalovém odporu se odchyluje do strany. Navíc na indukčnosti vede proud v úhlu a na kapacitě zaostává.

Elektronické měřiče jsou schopny zohledňovat a zobrazovat celkový výkon a jeho činné a jalové hodnoty. K tomu se provádějí měření vektorů proudu s napětím přiváděným na jeho vstup. Na základě hodnoty úhlové odchylky mezi těmito vstupními veličinami je určen a vypočítán charakter zatížení a poskytnuty informace o všech jeho složkách.

V různých provedeních elektronických měřičů není sada funkcí stejná a může se výrazně lišit svým účelem. Tím se zásadně liší od svých indukčních protějšků, které fungují na základě interakce elektromagnetických polí a indukčních sil, které způsobují rotaci tenkého hliníkového disku. Konstrukčně jsou schopny měřit pouze činný nebo jalový výkon v jednofázovém nebo třífázovém obvodu a celkovou hodnotu je nutné vypočítat samostatně ručně.

Princip měření výkonu elektronickým měřičem

Schéma činnosti jednoduchého měřiče s výstupními převodníky znázorněno na obrázku.

K měření výkonu využívá jednoduché senzory:

• proud založený na konvenčním bočníku, kterým prochází fáze obvodu;
• napětí pracující podle známého dělicího obvodu.

Signál zachycovaný takovými snímači je malý a je zvyšován pomocí elektronických proudových a napěťových zesilovačů, načež dochází k analogově-digitálnímu zpracování pro další konverzi signálů a jejich násobení za účelem získání hodnoty úměrné hodnotě spotřeby energie.

Dále je digitalizovaný signál filtrován a odeslán do zařízení:

• indikace;
• integrace;
• přenos měření;
• další transformace.

Schéma provozu jednofázového elektronického elektroměru

V něm je měřicí CT připojen k přerušení fázového vodiče spotřebitele a VT je připojen k fázi a nule.

Signály z obou transformátorů nepotřebují zesílení a jsou odesílány vlastními kanály do jednotky ADC, která je převádí na digitální kód pro výkon a frekvenci. Další transformace provádí mikrokontrolér, který řídí:

• zobrazit;
• elektronické relé;
• RAM je paměťové zařízení s náhodným přístupem.

Funkční možnosti elektronických měřičů

Nízká chyba měření spotřeby, odhadovaná na třídu přesnosti 0,5 S nebo 02 S, umožňuje použití těchto zařízení pro komerční měření spotřebované elektřiny.

Konstrukce určená pro měření v třífázových obvodech mohou pracovat ve tří nebo čtyřvodičových elektrických obvodech.

Elektronický měřič může být přímo připojen k provoznímu zařízení nebo mít konstrukci, která umožňuje použití mezilehlých, např. vysokonapěťových přístrojových transformátorů. V druhém případě se zpravidla provádí automatický přepočet naměřených sekundárních veličin na primární hodnoty proudu, napětí a výkonu včetně činných a jalových složek.

Elektroměr zaznamenává směr celkového výkonu se všemi jeho součástmi v dopředném a zpětném směru a ukládá tyto informace s časovou referencí. V tomto případě může uživatel odečítat energii podle jejího přírůstku za určité časové období, například aktuální den, měsíc nebo rok vybraný z kalendáře, nebo akumulaci po určitou určenou dobu.

Zafixování hodnot činného a jalového výkonu na určitou dobu, například 3 nebo 30 minut, stejně jako rychlé vyvolání jeho maximálních hodnot v průběhu měsíce značně usnadňuje analýzu provozu energetických zařízení.

Kdykoli si můžete prohlédnout okamžité ukazatele činného a jalového odběru, efektivního proudu, napětí, frekvence v každé fázi.

Přítomnost funkce multitarifního měření energie pomocí několika kanálů přenosu informací rozšiřuje podmínky pro komerční využití. V tomto případě jsou tarify vytvářeny na konkrétní čas, například každou půlhodinu víkendu nebo všedního dne podle ročního období nebo měsíce v roce.

Pro pohodlí uživatele je na displeji zobrazeno provozní menu, mezi jehož položkami můžete procházet pomocí nedalekých ovládacích prvků.

Elektronický elektroměr umožňuje nejen číst informace přímo z displeje, ale také je prohlížet prostřednictvím vzdáleného počítače, stejně jako zadávat další data nebo je programovat přes optický port.

Informační bezpečnost

Montáž těsnění na pult se provádí ve dvou fázích:

1. na první úrovni je zakázán přístup do vnitřku tělesa zařízení technickou kontrolou závodu poté, co bylo měřidlo vyrobeno a prošlo státním ověřením;

2. na druhé úrovni plombování je přístup ke svorkám a připojeným vodičům zablokován zástupcem organizace zásobování energií nebo energetického dozoru.

Všechny události sejmutí a instalace krytu jsou vybaveny alarmem, jehož spuštění se zaznamenává do paměti událostí s odkazem na čas a datum.

Systém hesel poskytuje omezení přístupu uživatele k informacím a může obsahovat až pět omezení.

Úroveň nula zcela odstraňuje omezení a umožňuje prohlížet všechna data lokálně nebo vzdáleně, synchronizovat čas a upravovat hodnoty.

První úroveň dodatečné přístupové heslo je poskytnuto zaměstnancům instalační nebo provozní organizace systémů ASKUE pro nastavení zařízení a parametrů záznamu, které neovlivňují komerční vlastnosti.

Druhá úroveň Hlavní přístupové heslo přiděluje odpovědný pracovník energetického dozoru na měřidle, které prošlo seřízením a je plně připraveno k provozu.

Třetí úroveň základní přístup mají pracovníci energetického dozoru, kteří odebírají a instalují kryt z měřiče, aby získali přístup k jeho svorkám nebo prováděli dálkové operace přes optický port.

Čtvrtá úroveň poskytuje možnost instalace hardwarových klíčů na desku, odstranění všech nainstalovaných těsnění a možnost pracovat přes optický port pro zlepšení konfigurace a nahrazení kalibračních koeficientů.

Uvedený seznam schopností, které elektronický elektroměr má, je obecný a přehledný. Lze jej zobrazit jednotlivě a lišit se i u každého modelu stejného výrobce.