|
| |
|
Слаботочка Книги Несинусоидальные напряжение и ток Рассматриваемый подход к вычислению активной мощности остается в силе, если формы сигналов напряжения и тока несинусоидальны. Все сигналы напряжения и тока на практике имеют некоторые гармонические составляющие. При помощи преобразования Фурье сигналы мгновенных значений напряжения и тока можно выразить в виде суммы гармонических составляющих: v(t) = Fq + л/2 2F/z sm(hcot-\-ah) (1) где: v(t) - мгновенное значение напряжения Vo - среднее значение напряжения Vh - среднеквадратичное значение гармоники номер h ah - значение фазы гармоники номер h i{t) = /о + л/2 . f; /. sin(/zco + p/z) где: - мгновенное значение тока Vo - среднее значение тока Vh - среднеквадратичное значение гармоники номер h p/z - значение фазы гармоники номер h С использованием уравнений 1 и 2, значение активной мощности может быть вычислено как сумма активной мощности основной частоты и активной мощности гармоник Pl = Vl X /1-С08ф1 Ф1 = ai - Р] PH=Vhx Ihcos(ph (ph = ah- p/z Как видно из уравнения 4, гармоническая составляющая активной мощности определяется всеми гармониками, при условии, что гармоника представлена и в сигнале тока, и в сигнале напряжения. Ранее было показано, что вычисление коэффициента мощности происходит корректно в случае чистой синусоиды; следовательно, активная мощность несинусоидального сигнала должна вычисляться также корректно, с учетом коэффициента мощности, так как этот сигнал состоит из ряда чистых синусоид. Обратите внимание, что ширина полосы входного сигнала составляет 14 кГц при частоте тактового сигнала 3,5795 МГц. АНАЛОГОВЫЕ ВХОДЫ Канал VI (Токовый канал) Выходной сигнал напряжения с преобразователя тока подается на данный вход ИС ADE7755. Канал VI имеет полностью дифференциальный вход напряжения. V1P -это положительный вход относительно V1N. Максимальный пиковый дифференциальный сигнал на входе канала Vl не должен превышать ±470 мВ (соответствует среднеквадратичному значению 330 мВ для чисто синусоидального сигнала), при этом будут обеспечены параметры, соответствующие техническому описанию. Обратите внимание, что канал VI имеет программируемый коэффициент усиления (PGA) с выбором коэффициента усиления из ряда 1, 2, 8 или 16 (см. таблицу 1). Эта особенность позволяет сделать интерфейс между ИС ADE7755 и преобразователем тока более простым. +470 мВ--  ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙг вход ±470 мВПИК v1n -О- СИНФАЗНЫЙ CMrHAnf+Vcc 100 мВ МАКС AGND Рис. 4. Максимальные уровни сигнала, канал V1, Кус=1 График на рис. 4 показывает максимальные уровни сигнала на входах V1P и V1N. Максимально допустимое дифференциальное напряжение составляет ±470 мВ, деленные на выбранный коэффициент усиления. Дифференциальный сигнал на входах должен подаваться относительно AGND. Максимально допустимый синфазный сигнал составляет ±100 мВ, как показано на рис. 4. Табл. L Установка коэффициента усиления в канале VI
Канал v2 (Канал напряжения) Данный аналоговый вход микросхемы ADE7755 используется для подачи сигнала от преобразователя напряжения сети. Канал V2 имеет полностью дифференциальный вход напряжения. Максимальный пиковый дифференциальный сигнал на входе канала V2 не должен превышать ±660 мВ. График на рис. 5 показывает максимально допустимые уровни сигнала на входе канала V2 ИС ADE7755. +660 мВ- - -660 мВ- -  дифференциальный вход ±660 мВ пик frjу2 V2P -О- синфазный сигнал ( 100 мВ макс )Vcc AGND Рис. 5. Максимальные уровни сигнала, канал V2 На канал V2 дифференциальный сигнал напряжения должен подаваться относительно земли (обычно AGND). Синфазный сигнал на входе канала V2 может достигать 100 мВ относительно AGND. Однако, наилучшего результата можно достичь, если синфазный сигнал на входе равен нулю. Типичная схема включения На рис. 6 показана типичная схема включения для канала VI. В этом примере в качестве преобразователя тока применен трансформатор тока (СТ). Обратите внимание, что синфазное напряжение на входе канала VI равно напряжению AGND и оно достигается путем подключения к земле средней точки двух шунтирующих резисторов Rb. Это обеспечивает противофазный аналоговый сигнал на VIP и V1N. Соотношение числа витков трансформатора тока (СТ) и номиналы шунтирующих резисторов Rb выбраны такими, чтобы получить максимальное дифференциальное напряжение ±470 мВ при единичном коэффициенте усиления и максимальной нагрузке.
 фаза нейтраль Рис. 6. Типичная схема включения канала V1 На рис. 7 показаны две типичных схемы включения для канала V2. В первом варианте используется трансформатор напряжения (РТ), благодаря чему достигается полная гальваническая развязка от сети. Во втором варианте ИС ADE7755 соединена с нейтральным проводом, и резистивный делитель обеспечивает сигнал напряжения, который пропорционален напряжению сети. Подбор соотношения Ra, Rb и VR - это также удобный путь для того, чтобы выполнить калибровку счетчика. ±660 мВ V2P -О- за нейтраль  Рис. 7. Типичные схемы включения канала V2 СХЕМА КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ Микросхема ADE7755 содержит встроенную схему контроля (монитор) напряжения источника питания. ИС ADE7755 постоянно отслеживает напряжение питания аналоговой части. Если напряжение питания падает ниже 4 В±5%, микросхема ADE7755 переходит в состояние сброса. Это необходимо, чтобы гарантировать корректный запуск прибора при включении и выключении питания. Схема контроля напряжения источника питания обладает гистерезисом и фильтрующими свойствами. Это обеспечивает низкую вероятность ложного срабатывания при работе с источником питания, имеющим шумы. На рис. 8 уровень срабатывания равен 4 В. Разброс этого уровня составляет около ±5%. Источник питания и развязка для этого прибора должны быть такими, чтобы пульсации на AVdd не выходили за пределы 5 В±5%, что необходимо для нормальной работы. SV 4V ВЬУТРЕННИЙ СИГНАЛ RESET сброс  ВРЕМЯ работа сброс ВРЕМЯ Рис. 8. Работа встроенной схемы контроля напряжения источника питания ADE7755 Фильтр высокой частоты и влияние смещения. Рис. 9 иллюстрирует эффект влияния напряжения смещения на результат подсчета активной мощности. Наличие напряжения смещение в каналах VI и V2 приведет к тому, что в результате перемножения сигналов появится постоянная составляющая. Так как постоянная составляющая выделяется фильтром низкой частоты, она будет регистрироваться как активная мощность. Если не осуществлена соответствующая фильтрация, постоянное смешение будет вносить погрешность в результат подсчета энергии. Эта проблема легко устраняется путем включения фильтра высокой частоты в канале VI (т.е. подачей на вход AC/DC напряжения высокого уровня). После удалении постоянной составляющей хотя бы из одного канала, компонент погрешности, обусловленный влиянием постоянного смещения, исчезнет после перемножения сигналов. Погрешность вида cos((jot) устраняется с помощью фильтра низкой частоты, а также во время преобразования цифрового сигнала в частоту (см. раздел Преобразование цифрового сигнала в частоту ). {Fcos(coO + Vos} X {/cos(coO +Ios} = Fx/ + Vos X hs + Vos X /cos(coO + los x Vcos(o}t) X cos(2(jo/) Vos X los Низкочастотный сигнал (включая погрешность) выделен с помощью ФНЧ для получения значения активной мощности  Частота, рад/с Рис. 9. Влияние напряжения смещения на результат подсчета активной мощности Высокочастотный фильтр в канале Vl вносит в сигнал фазовый сдвиг, который компенсируется в микросхеме. Эта компенсация фазы действует, когда высокочастотный фильтр включен и она отсутствует, если высокочастотный фильтр выключен. На рисунках 10 и 11 показана погрешность сдвига фаз между каналами, когда схема компенсации функционирует. В ИС ADE7755 компенсация фазы действует до частоты 1 кГц, как видно из рисунка. Она обеспечивает корректное вычисление активной мощности гармоник даже при малых значениях коэффициента мощности. -DOS -o.ia о 1М £M 300 4U0 SDO 600 00 ЙОО flOO lOOO ЧАСТОТА, ГЦ Рис. 10. Погрешность сдвига фазы между каналами (О Гц - 1 кГц)  55 60 ЧАСТОТА, ГЦ Рис. 11. Погрешность сдвига фазы между каналами (40 Гц-70 Гц) ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА В ЧАСТОТУ Как уже было сказано, на цифровом выходе низкочастотного фильтра после перемножения содержится информация об активной мощности. Однако, так как данный низкочастотный фильтр не обладает идеальной прямоугольной характеристикой, выходной сигнал также содержит подавленные составляющие на частоте сети и ее гармониках, т.е. cos(h cot), где h=l, 2, 3, и так далее. Амплитуда на выходе фильтра вычисляется с помощью уравнения \т\=. 1 +( 8.9 Гц) Таким образом, при частоте сети 50 Гц коэффициент ослабления компоненты с частотой 2со (100 Гц) составит приблизительно -22 dBs. Доминирующая гармоника будет иметь вид cos(2(jot), т.е. она будет находиться на удвоенной частоте сети, т.к. такую частоту имеет сигнал мгновенной мощности. На рис. 12 показано значение сигнала мгновенной активной мощности на выходе фильтра низкой частоты; в этом 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [15] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 |