|
| |
|
Слаботочка Книги к СЧЕТЧИКУ или ШАГОВОМУ ДВИГАТЕЛЮ W ОКБ 100 - -CIS ИМПУЛЬСОВКВТЧ 3200 [МПУЛЬСОВКВТ ч  в качестве перемычек использую г с * резисторъ( сопротиапением О Ом Рис. 2. Схема простого однофазного счетчика электроэнергии на основе AD7755 УРАВНЕНИЯ ис ad7755 выдает на выходе сигнал с частотой, которая пропорциональна усредненной во времени величине произведения двух входных сигналов. Входные сигналы напряжения подаются на входы v1 и v2. Подробно работа микросхемы ad7755 рассмотрена в техническом описании (data sheet) на ис ad7755 в разделе Теоретические аспекты работы ис ad7755 . Также в этом техническом описании приведено уравнение, определяющее частоту на выходах f1 и f2 (выходах управления электромеханическим счетчиком) в зависимости от величины среднеквадратического значения сигнала на входах v1 и v2. Это уравнение для удобства приведено ниже и оно будет использоваться при определении параметров делителя на входе v2 и при калибровке счетчика. s.06 X VI x V2 x Кус x Fi.4 Частота--- ko.ii. Счетчик, показанный на рис. 1, разработан для работы при напряжении сети равном 220 В и при максимальном токе imax равном 40 л. Однако при правильном выборе параметров делителей на входах каналов v1 и v2 счетчик сможет работать при любом напряжении сети и любом максимальном токе. Возможность выбора одного из четырех различных частотных режимов работы ис ad7755 позволяет разработать однотипные счетчики (управляющие напрямую электромеханическим счетным устройством), рассчитанные на максимальный ток imakc ДО 120 А. Выбранное значение базового тока (lb) для этого счетчика составляет 5 А; диапазон тока, при котором обеспечивается заданная точность, составляет от 2%1ь до imax, что соответствует динамическому диапазону 400:1 (100 МА...40 А). Электромеханический счетчик (кВтч) рассчитан на постоянную счетчика 100 импульсов/кВтч, то есть каждому потребленному кВтч соответствует 100 импульсов на выходе микросхемы ad7755. В стандарте iec1036, раздел 4.2.11, описаны требования к электромагнитному счетчику: каждый разряд счетчика отображает десять цифр, в индикаторе имеется 5 разрядов, отображающих десятки тысяч, тысячи, сотни, десятки и единицы кВтч, плюс один разряд, отображающий десятые доли киловатт-часа. Постоянная счетчика (для калибровки и тестирования) равна 3200 импульсов/кВтч.  Л ш и V Рис. 2. Внешний вид конструкции счетчика электроэнергии на И С AD7755 Источник опорного напряжения для AD7755 В cxeivie, показанной на рис. 1, предполагается использование внешнего, необязательного источника опорного напряжения. Внутренний И.О.Н. в iviHKpocxeivie AD7755 обладает TeivinepaTypHbiivi KO300Hi4HeHTOivi напряжения с THnH4Hbiivi 3Ha4eHHeivi 30 рртГС. Однако, это значение не гарантировано для ИС категории А, у которых оно lVloжeт доходить до 80 рртГС. При значении TeivinepaTypnoro коэффи14иента напряжения 80 рртГС погрешность iviHKpocxeivibi AD7755 при TeivinepaType -20...+60°С lVloжeт достигать 0,65%, если калибровка была сделана при 25°С. Выбор шунта Величина сопротивления шунта (350 ivikOivi) выбрана из соображения 1\/1акси1\/1иза14ии дина1\/1ического диапазона канала V1 (токового канала). Однако, существует несколько других важных аспектов при выборе шунта для счетчика электроэнергии. Первый: lvlиниlvlизal4ия pacceивaelVloй lVloщнocти на шунте. MaкcиlVlaльный рабочий ток для данной конструк14ии составляет 40 А, следовательно, lvlaкcиlvlaльнaя lVloщнocть, pacceивaelvlaя на шунте, равна (40 А)-350 ivikOivi = 560 iviBt. Стандарт IEC1036 допускает значение lVlaкcиlVlaльнoй pacceивaelVloй lVloщнocти до 2 Вт (включая энергию, пoтpeбляelVlyю hcto4hhkoivi питания). Во-вторых, при большой pacceивaelVloй IVIOЩHOCTИ IVIOryT возникнуть ПpoблelVIЫ с OTBOДOIVI тепла. Хотя шунт изготовлен из ivianrannna -сплава с hh3khivi TeivinepaTypnbiivi кoэффиl4иeнтolVl сопротивления - высокая TeivinepaTypa все же lVloжeт привести кзнaчиlVloй погрешности при большой пoтpeбляelVloй lVloщнocти. Третий аспект - вoзlVloжнocть счетчика противостоять nonbiTKaivi в1\/1ешаться в работу счетчика за1\/1ыкание1\/114епи фазы. При очень 1\/1алой величине сопротивления шунта эффект внешнего закорачивания этого шунта будет lvlиниlvlaлbныlvl. Следовательно, шунт всегда должен HivieTb нaиlvleньшee вoзlVloжнoe сопротивление, но он должен обеспечивать достаточный диапазон сигнала на входе канала V1 (среднеквадратическое значение 0...20 iviB при коэффи14иенте усиления paBHOivi 16). Если шунт будет HivieTb cлишкolVl низкое сопротивление, будет нeвoзlVloжнo обеспечить требования по точности стандарта IEC1036 при небольших нагрузках. Величина сопротивления шунта 350 ivikOivi представляется приемлимым компромиссом для данной конструкции Вычисление параметров для данной конструкции Напряжение сети: 220 В Imax = 40 А (lb = 5 А) Постоянная счетчика (выходы F1, F2) = 100 импульсов/кВтч Постоянная счетчика (калибровочный выход) = 3200 импульсов/кВтч Сопротивление шунта = 350 мкОм 100 импульсов/ч = 100/3600 сек = 0,027777 Гц Калибровка счетчика проводится при lb (5 А) Мощность при токе lb = 5 А: 220 В-5 А = 1,1 кВт Частота на выходах F1 и F2 при токе lb = 5 А: 1,1 0,027777 Гц = 0,0305555 Гц Напряжение, снимаемое с шунта (VI) при токе lb: 5 А-350 мкОм = 1,75 мВ Для того чтобы выбрать частоту Fi 4 в уравнении 1 смотрите техническое описание ИС AD7755 (data sheet), раздел Выбор частоты при проектировании счетчика электроэнергии . По таблицам V и VI в техническом описании ИС AD7755 видно, что оптимальное значение частоты для счетчика при 1мах= 40 А составляет 3,4 Гц (F2). Выбор частоты осуществляется путем установления сигналов на логических входах SO и SI в соответствии с таблицей II в техническом описании ИС AD7755. Частота на высокочастотном выходе CF (постоянная счетчика) выбирается с помощью логического входа SCF. Существует два возможных варианта: 64F1 (6400 импульсов/кВтч) или 32-F1 (3200 импульсов/кВтч). В данной конструкции выбран вариант3200 импульсов/кВтч путем подачи на вход SCF напряжения логического нуля. При постоянной счетчика равной 3200 импульсов/кВтч и максимальном токе40 А, максимальная частота на выходе CF будет составлять 7,82 Гц. Во многих калибровочных стендах, которые используются для поверки счетчиков электроэнергии, до сих пор используется оптическая технология. Это ограничивает максимальную частоту, при которой происходит надежное считывание, значением около 10 Гц. Единственное неизвестное, оставшееся в уравнении 1 - это уровень сигнала на входе канала V2 (канала напряжения). Из уравнения 1 на предыдущей странице: 8.06x1.75/we х\/2х16 ч3.4Гм -2- 0.030555 Гц = V2 = 248.9 мВ среднек&адратич Таким образом, при калибровке счетчика напряжение сети должно быть ослаблено делителем до 248,9 мВ. КАЛИБРОВКА СЧЕТЧИКА В предыдущем разделе говорилось, что в процессе калибровки необходимо добиться, чтобы напряжение на входе V2 составляло 248.9 мВ. Напряжение сети ослабляется при помощи простого резистивного делителя как показано на рис. 3. Схема делителя должна обеспечивать возможность калибровки в пределах как минимум ±30%, чтобы перекрыть разброс сопротивления шунта и разброс встроенного в ИС AD7755 источника опорного напряжения (который составляет 8% - см. техническое описание AD7755). К тому же топология схемы делителя такова, что обеспечивается совпадение фаз сигналов каналов VI и V2 даже когда производится калибровка делителя (см. раздел Совпадение фазы в каналах счетчика ). Z4e.9raV  R&+Re +.............+ R15+R16 R4 Рис. 3. Схема делителя напряжения Как видно из рисунка 3, частота, соответствующая уровню -3 dB, в этой схеме определяется номиналами резистора R4 и конденсатора С4. Даже когда все перемычки замкнуты, сопротивление резисторов R15 (330 кОм) и R16 (330 кОм) все же гораздо больше, чем R4 (1 кОм). Таким образом, изменение сопротивления цепочки резисторов R5...R14 будет иметь незначительное влияние на частоту, соответствующую уровню -3 dB. Схема, показанная на рис. 3, позволяет ослабить сигнал сетевого напряжения и регулировать его в пределах от 175 мВ до 333 мВ с шагом 154 мкВ (что соответствует разрешению 10 бит). Это достигается путем использования цепочки резисторов R5...R14, сопротивление каждого из которых в два раза меньше предыдущего. Это позволяет точно откалибровать счетчик. используя алгоритм последовательного приближения. Начиная с Л, последовательно устанавливаются перемычки в порядке возрастания номера, т.е. Л, J2, J3 и т.д. Если частота калибровки на выходе CF превысит частоту 0,9777 Гц, т.е. 32-100 импульсов/час, когда какая-либо из перемычек будет припаяна, необходимо отпаять ее обратно. Все перемычки должны быть проверены, до последней - ЛО. Обратите внимание, что в качестве перемычек используются резисторы сопротивлением О Ом, которые припаиваются на специально предусмотренные места. Такой подход предпочтительнее, нежели использование подстроечного резистора, так как временная стабильность последнего и стабильность в зависимости от условий окружающей среды недостаточны. Так как передаточная функция микросхемы AD7755 обладает очень высокой линейностью, то калибровка в одной точке при токе lb и коэффициенте мощности, равном единице, -это все что требуется для калибровки счетчика. Если все детали должным образом были предусмотрены на стадии проектирования, калибровка при низких значениях коэффициента мощности (PF = 0.5) не нужна. В следующем разделе обсуждаются аспекты сдвига фаз для корректного подсчета потребляемой мощности при низких значениях коэффициента мощности. СОВПАДЕНИЕ ФАЗЫ В КАНАЛАХ СЧЕТЧИКА Микросхема AD7755 обеспечивает совпадение фаз в диапазоне частот 40 Гц - 1 кГц. Корректное соотношение фаз очень важно в устройствах измерения мощности, так как любое нарушение соотношения фаз между каналами приводит к значительной погрешности измерения при низких значениях коэффициента мощности. Это хорошо иллюстрирует следующий пример. На рис. 4 показаны формы напряжения и тока при индуктивной нагрузке. В данном примере ток отстает от напряжения на 60° (коэффициент мощности PF = -0,5). Предположим, что ток и напряжение чисто синусоидальные; тогда мощность равна Vrmslrmscos(60°). Индекс rms здесь и далее означает среднеквадратичное значение. Однако, если имеется погрешность сдвига фазы (фе) за счет внешних цепей, например, антиалайзингового фильтра, то итоговая погрешность будет составлять [C0S(6°) - C0S(6° + фе)]/С05(б°)-1 00% (2) См. примечание 3 к таблице I. Здесь б представляет собой фазовый угол между напряжением и током, а фе - внешняя погрешность сдвига фазы. При погрешности сдвига фазы равной, например, 0,2° и при коэффициенте мощности PF = 0,5 (60°), итоговая погрешность составит 0,6%. Как показывает этот пример, даже очень небольшая фазовая погрешность приводит к значимой погрешности измерения при низком значении коэффициента мощности. 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 |