Анализатор параметров однофазной электрической сети

Рыночные условия нашей страны ставят вопрос об экономном использовании всех видов энергии, в том числе и электрической. Для любого развивающегося предприятия возникает необходимость точного измерения параметров энергопотребления и его прогнозирование. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения определяет ГОСТ 13109-97, который указывает допустимые отклонения от номинальных значений напряжений, частоты, нелинейных искажений и других показателей. Предприятия связи, производители аппаратуры связи и электропитающих устройств для связи руководствуются ГОСТ 5237-83.

На практике фактические значения показателей качества электроэнергии отличаются от нормированных. Напряжение снижается от номинального на 10-25% или превышает номинальное на 10-17%, частота снижается до 49,3 Гц, нелинейные искажения достигают 18%, особенно при питании от дизель-генераторов. Завышение напряжения приводит к переплате за потребленную лишнюю электроэнергию: при Uсети=(1,1 - 1,17)Uном переплата составляет 21-29%. Номинальное эффективное значение напряжения при несинусоидальности его формы обеспечивается за счет завышения амплитуды, к чему чувствительны современные устройства вторичного питания. Электроэнергия – тоже товар и потребитель вправе требовать его качества, не платить за навязываемые излишки. Для того чтобы знать качество этого товара, его показатели нужно контролировать.

В последнее время наблюдается переход от традиционных средств учета и измерения (счетчики электроэнергии, ваттметры, варметры, амперметры, вольтметры и т. д.) к многофункциональным квантующим средствам измерений, способным одновременно и в реальном масштабе времени анализировать десятки электрических величин и параметров энергетических сетей, характеризующих процессы производства, распределения и потребления электрической энергии. С учетом поставленных проблем, вашему вниманию представлена разработка анализатора однофазной сети – портативного многофункционального цифрового прибора для измерения и расчета основных параметров однофазной сети переменного тока: действующих значений напряжения и тока, частоты сети, активной, реактивной и полной мощности и коэффициента мощности.

Основные технические характеристики прибора:

• •    номинальная частота сети 50 ± 2,5 Гц;

• •    номинальное действующее напряжение 220 В;

• •    номинальный действующий ток 5 А;

• •    максимальное действующее напряжение 253 В;

• •    максимальный действующий ток 30 А;

• •    диапазон измерения полной мощности от 0 до 7590 ВА;

• •    диапазон измерения коэффициента мощности от 0 до 1;

• •    основная приведенная погрешность не более 3 %.

Важным требованием является отсутствие необходимости в специальной подготовке персонала для работы с прибором, обеспечение максимального удобства при измерениях.

Структурная схема прибора изображена на рисунке 1.

Нагрузка

Сеть

220 В

Рис.1. Структурная схема анализатора однофазной сети

Основные узлы разработанного прибора - датчики тока и напряжения, измеряющая микросхема, микроконтроллер и жидкокристаллический индикатор.

В основу измерительной части прибора выбрана интегральная микросхема ADE7753 фирмы Analog Devices [1] - прецизионный электросчетчик с последовательным интерфейсом и импульсным выходом. ADE7753 содержит два сигма-дельта АЦП второго порядка, ИОН, температурный датчик и все схемы обработки сигналов, необходимые для измерения активной/реактивной/допустимой мощности и пикового значения напряжения и тока. Все полученные значения сохраняются во внутренних регистрах микросхемы. ADE7753 может работать с различными типами датчиков тока, включая низкоомные шунты и трансформаторы тока. Кроме того, встроенный цифровой интегратор позволяет работать с дифференцирующими токовыми датчиками типа катушек индуктивности Роговского. Этот непосредственный интерфейс устраняет необходимость применения аналогового интегратора, позволяя обеспечить долгосрочную стабильность параметров и точное согласование фазы между каналами измерения напряжения и тока. В зависимости от типа используемого токового датчика интегратор может быть подключен или отключен. На основе данных, полученных от измеряющей микросхемы, можно рассчитывать коэффициент мощности и производить анализ энергетических процессов, происходящих в сети.

За все вычислительные операции отвечает AVR-микроконтроллер ATtiny2313 фирмы Atmel [2]. ATtiny2313 является 8-разрядным CMOS микроконтроллером с низким энергопотреблением, основанным на усовершенствованной AVR RISC архитектуре. Благодаря выполнению высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, ATtiny2313 достигает производительности, приближающейся к уровню 1 MIPS на МГц, и обеспечивает разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью.

ATtiny2313 имеет 2 Кбайт Flash-памяти программ с поддержкой внутрисистемного программирования, 32 рабочих регистра общего назначения, 128 байт статического ОЗУ, 128 байт EEPROM, 15 линий I/O общего назначения, универсальные таймеры/счетчики с режимами сравнения, внутренние и внешние прерывания, программируемый UART последовательного типа, программируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором и программируемый последовательный порт SPI для загрузки программ в Flash память, а также два программно-выбираемых режима экономии энергопотребления.

В качестве индикатора для отображения информации был выбран четырехстрочный цифробуквенный жидкокристаллический модуль MT–20S4M российской фирмы МЭЛТ, состоящий из БИС контроллера управления и ЖК-панели [3].

Сигналы, пропорциональные значениям напряжения и тока в сети, поступают через датчики тока и напряжения на входы микросхемы-преобразователя ADE7753. После оцифровки все дальнейшие преобразования сигнала, такие как перемножение и фильтрация, происходят с сигналом в цифровом виде. Такой подход обеспечивает высокую стабильность и точность при предельных значениях параметров окружающей среды в течение длительного времени. Микроконтроллер читает содержимое внутренних регистров микросхемы ADE7753 по SPI-интерфейсу и обрабатывает полученную информацию для получения значений семи основных параметров электроэнергии, которые выводятся на жидкокристаллический индикатор.

А (В, С)

N

A N

Рис. 2. Схема подключения прибора к однофазной электрической сети

В качестве датчика выбраны токоизмерительные клещи КЭИ-м, которые предназначены для измерения постоянного, переменного и импульсного токов без разрыва силовой цепи. Представляют собой накидной датчик, работающий с внешним источником питания. Состоят из корпуса, разъемного магнитопровода, в зазоре которого закреплен специальный датчик Холла, печатной платы с электронной схемой обработки сигнала [4]. В качестве датчика переменного напряжения выбран датчик ДНТ-02 – это измерительный преобразователь напряжения, предназначенный для измерения переменного напряжения с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля [5].

Измеритель выводит на ЖК-индикатор значения измеряемых параметров с периодичностью в 1 секунду. Этот временной интервал получаем путем соответствующей настройки внутренних прерываний от таймера/счетчика микроконтроллера. При проведении измерений с помощью токоизмерительных клещей и измерительных щупов (рис. 2) на ЖКИ выводятся все семь параметров сети. Расположение информации на индикаторе представлено на рисунке 3.

Строка 1	Км=0,50
Строка 2	U=253,0В P=3795,0Вт
Строка 3	I=30,0А Q=6573,1ВАр
Строка 4	f=50,0Гц S=7590,0ВА

Рис. 3. Расположение информации на ЖКИ

При запуске прибора выполняются команды инициализации, обеспечивающие необходимую начальную настройку всех его узлов. Далее в цикле выполняются действия по определению параметров сети. В начале цикла происходит вычисление действующего значения напряжения U. Для этого микроконтроллер обращается к 24-разрядному регистру VRMS микросхемы ADE7753. Если содержимое этого регистра равно 0, то это говорит о том, что измерительные щупы не подключены к сети или отсутствует напряжение и что возможно вычисление только тока, если подключены клещи. Если содержимое регистра отлично от 0, то это содержимое записывается в три временных регистра. Далее содержимое временных регистров умножается на коэффициент 0,000183, что необходимо для перевода напряжения в вольты. Затем получившееся значение переводится в двоично-десятичный код и сохраняется в ОЗУ микроконтроллера.

Аналогичным образом находятся действующее значение тока I, активная мощность P, частота сети f и реактивная мощность Q. Затем находится полная мощность S, для чего извлекаются из ОЗУ сохраненные значения U и I и перемножаются между собой. Получившееся значение переводится в двоично-десятичный код и сохраняется в ОЗУ.

Последним находится коэффициент мощности. Из ОЗУ извлекаются сохраненные значения P и S, P делится на S, получившееся значение переводится в двоично-десятичный код и выводится на ЖКИ. Следом выводятся значения U, P, I, Q, f, S.

Область применения разработанного однофазного измерителя коэффициента мощности - энергоаудит, монтажные и пусконаладочные работы, оценка качества потребляемой электрической энергии.