IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Данная статья посвящена техническим аспектам связанным с повышением качества электроэнергии в однофазных сетях путем компенсации реактивной мощности.

Рациональная компенсация реактивной мощности приводит к снижению потерь мощности из-за перетоков реактивной мощности, обеспечению надлежащего качества потребляемой электроэнергии за счет регулирования и стабилизации уровня напряжений в электросетях, достижению высоких технико-экономических показателей работы электроустановок.

С этой целью в центре производится разработка контроллера на основе интегральной микросхемы ADE7953. В статье рассмотрены вопросы построения структуры устройства контроллера и преимущества использования ИМС счетчика электроэнергии ADE7953 в проектируемом устройстве.

Основной составной частью устройства является измерительная микросхема, производимая фирмой Analog Devices ADE7953, предназначенная для применения в коммерческих и промышленных высокоинтеллектуальных счетчиках электроэнергии. Эти счетчики позволяют с высокой степенью точности измерять количество потребленной электроэнергии и обладают большим набором средств удаленного считывания результатов измерений. [1]

Контроллер на основе ИМС ADE7953 замеряет активную, реактивную и полную энергию, форму волны, среднеквадратичные значения тока и напряжения. Имеет дополнительный вход для измерения тока нейтрали. Ошибка менее 0.1% в измерениях активной и реактивной энергии при динамическом диапазоне 3000:1. Ошибка менее 0.2% в измерениях мгновенных среднеквадратичных значениях тока при динамическом диапазоне 1000:1. Измерение полной энергии и показаний мгновенных значений мощности. Функционирование в диапазоне 1.23 кГц. Гибкое усиление каскада с помощью программируемого усилителя PGA. Имеет встроенные интеграторы для подключения катушки Роговского. Поддержка интерфейсов SPI, I2C, и UART

ИМС ADE7953 - высокоточный однофазный счетчик электрической энергии. Счетчик позволяет измерять значения линейного напряжения и тока, вычисляет активную, реактивную и полную энергию, а также мгновенные среднеквадратичные значения напряжения и тока. В счетчике имеются три высокоточных Σ-Δ АЦП. Второй входной канал одновременно замеряет значения тока нейтрали, позволяет обнаружить искажения и ведет учет тока нейтрали. Дополнительный канал включает в себя полный путь сигнала, что делает возможным полный диапазон измерений. Каждый входной канал поддерживает независимое гибкое усиление каскада, что позволяет использовать счетчик со многими сенсорами тока, такими как трансформаторы тока и шунтирующие резисторы с низким номиналом. Два встроенных интегратора позволяют подключать катушки Роговского. ADE7953 предоставляет доступ ко встроенным регистрам счетчика посредством различных интерфейсов: SPI, I2C и UART. Два настраиваемых вывода выдают импульсные выходные сигналы, пропорциональные активной, реактивной и полной энергии, а также среднеквадратичному току и напряжению. Полная информация о качестве электроэнергии, такая как перегрузка по току, перегрузка по напряжению, обнаружение пиков и падений напряжения, доступна через внешний вывод прерывания IRQ. Также имеются функции обнаружения отсутствия активной, реактивной и полной энергий, выполняемые независимо друг от друга, чтобы исключить эффект "самохода". Имеются отдельные выводы обнаружения изменения знака мощности (REVP), пересечения нулевого значения напряжения (ZX) и тока (ZX_I) . ADE7953 работает от напряжения источника питания 3.3 В и поставляется в корпусе с 28 выводами. [4]

Рис.1. Функциональная схема ИМС ADE7953

Разрабатываемое устройство предназначено для контроля показателей качества электроэнергии однофазной сети 220 В 50 Гц и управления коэффициентом мощности через беспроводной интерфейс. Под контролем показателей качества электроэнергии подразумеваются следующие показатели качества: отклонение частоты, размах изменения напряжения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициент мощности нагрузки. [2]

Важнейшими показателями качества электроэнергии и эффективной работы электрооборудования являются коэффициент мощности нагрузки. Для нормальной работы электрооборудования, разрабатываемое устройство должно поддерживать коэффициент мощности на уровне 0,85 – 0,95. Также разработанный контроллер обеспечивает передачу информации о качестве электроэнергии по последовательным интерфейсам UART и SPI. [3]. Кроме того данный контроллер позволяет обеспечивать передачу информации на персональный компьютер.

Компенсация постоянно изменяющейся величины реактивной мощности возможно регулированием мощности конденсаторной батареи путем подключения или отключения ее секций.

При разработке данного контроллера были учтены множество факторов, одним из которых является архитектура системы и способ реализации основных метрологических функций - при помощи специализированных аппаратных средств или в универсальном цифровом сигнальном процессоре или микроконтроллере. Подход с использованием двух микросхем – микросхемы аналогового входного интерфейса (AFE, analog front end) и внешнего микроконтроллера. Аналоговый входной интерфейс представляет собой комбинацию аналого-цифровых преобразователей и специализированного аппаратного блока, выполняющего метрологические функции.

В данном устройстве все процессы управляются микроконтроллером, также им осуществляется все необходимые вычисления. Микроконтроллеры друг от друга отличаются архитектурой, производительностью, способами организации внешней шины, наличием тех или иных интерфейсов. Многие микроконтроллеры имеют встроенный в кристалл АЦП, ЦАП.

Микроконтроллер ATmega169 является первым низкопотребляющим членом семейства AVR, который содержит встроенный контроллер ЖКИ. AVR ядро объединяет богатый набор команд и 32 рабочих регистра, которые могут быть напрямую подключены к АЛУ, что позволяет выполнять действия с двумя регистрами одновременно одной командой. Вычислительное ядро построено по Гарвардской архитектуре с разделенными памятью и шинами программы и данных. Процессор имеет одноуровневый конвейер, позволяющий при выполнении команды выбирать следующую. Такая архитектура вычислительного ядра позволяет выполнять команды в каждом цикле.

Микропроцессор содержит: 16 кбайт программной Flash памяти; 512 байт EEPROM памяти; 1 кбайт SRAM; 53 линии портов ввода-вывода общего назначения; 32 рабочих регистра общего назначения; JTAG интерфейс; встроенные автоматы отладки и программирования; законченный контроллер ЖКИ с преобразователем напряжения; 3 гибких, независимых таймера/счетчика; последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового состояния.

Структурная схема контроллера приведена на рис.2.

Рис.2. Структурная схема контроллера

Работа контроллера происходит следующим образом.

Из блока питания поступают необходимые уровни напряжения на все функциональные узлы.

ИМС ADE7953 считывает данные с аналоговых датчиков тока. Считанные данные обрабатываются по определенному алгоритму и вычисляются значения показателей качества электроэнергии и хранятся в регистрах счетчика. Каждый регистр соответствует определенному показателю качества электроэнергии.

Микропроцессор LPC2368 считывает с регистров счетчика, через определенные промежутки времени в соответствии с выбранным режимом, необходимые данные и передает их на персональный компьютер через интерфейс UART.

Интерфейс USB обеспечивает связь с ПК, для хранения, отображения и дальнейшей их обработки.

В автономном режиме информация с регистров счетчика ADE7953 по интерфейсу SPI поступает на микроконтроллер ATMEGA169 .

Параллельно информация отображается на ЖКИ. Информация, управляющая работой секций конденсаторной батарей передается по радиоканалу, посредством беспроводного передатчика информации.

Контроллер вместе с сопровождающим программным обеспечением является полнофункциональным инструментом, обеспечивающим измерение параметров однофазной сети и управление коэффициентом мощности. В состав программного обеспечения входят пакет LabVIEW компании National Instruments и пакеты программ для микроконтроллеров LPC2368 и ATMEGA169. Возможности системы LabVIEW позволяют использовать ее для визуализации результатов измерения параметров однофазной сети на персональном компьютере.

Внешний вид контроллера представлен на рис.3.

Рис.3. Внешний вид контроллера

Выводы:

В статье изложены вопросы оценки количества и качества электрической энергии с использованием контроллера, описана структура контроллера. Контроллер характеризуется:

- наличием пакета LabVIEW компании National Instruments, который позволяет визуализировать изучение внутренней структуры и возможностей измерительной микросхемы ADE7953, производимой фирмой AnalogDevices;

-наличием пакета программ для микроконтроллера LPC2368, который позволяет обрабатывать и выводить данные о количестве и качестве электрической энергии в однофазных электрических сетях на экран персонального компьютера;

- наличием доступа к встроенным регистрам ИМС ADE7953 посредством либо UART, либо SPI интерфейсов.

- возможностью управления коэффициентом мощности.

Список использованной литературы:

1. Проектирование однофазного многофункционального счетчика энергопотребления на основе микросхем семейства ADE71xx/ADE75xx. Руководство по применению.AN-916. Analog Devices.

2. Семиляк А.И., Мирзабеков М.М., Нуров Д.Р. Анализатор количества и качества электроэнергии. Вестник ДГТУ, Технические науки, № 4, 2013, стр.20-25

3. 3.Evaluation Board User Guide UG-194

4. Single Phase, Multifunction Metering IC with Neutral Current Measurement ADE7953 // http://www.analog.com/

Код для цитирования: Скопировать