Evoluţia dispozitivelor de măsurare a energiei de la contoarele electromecanice către cele cu circuite integrate asigură realizatorilor de sisteme energetice obţinerea unor caracteristici superioare în sistemele energetice printr-un management eficient al distribuţiei energiei.
La ora actuală, pe piaţa mondială sunt foarte solicitate contoarele de energie cu circuite integrate care au precizia de măsurare superioară celor electromecanice şi permit companiei utilizatoare citirea lor de la distanţă.
Acest articol descrie contorul electronic realizat pe baza integratului AD7755 ce poate fi utilizat în măsurarea energiei trifazate cu detectarea energiei de întrerupere şi posibilitatea realizării unor măsurători de siguranţă, acces automat de la distaţă, măsurări multiple.
AD7755 este un integrat folosit în măsurarea energiei monofazate cu precizie de până la 0,1%.
Acesta acceptă două intrări analogice diferenţiale care sunt convertite în domeniul digital printr-un convertor A/D. Semnalele digitale sunt multiplicate continuu de un procesor de semnal rezultatul fiind proporţional cu puterea instantanee.
Semnalul obţinut este filtrat printr-un filtru trece-jos, iar apoi este convertit în frecvenţă pentru a genera ieşirile la terminalele F1, F2 şi CF.
Ieşirile F1 şi F2 pot comanda un numărător electromecanic, care acceptă o frecvenţă maximă pe intrare între 0,5 şi 5Hz, în timp ce semnalul obţinut la terminalul CF este de frecvenţă ridicată şi este folosit pentru calibrare.
Frecvenţa pulsurilor la ieşire este proporţională cu puterea reală instantanee monitorizată.
Prin urmare, într-un anumit interval de timp, numărul total de pulsuri generate la ieşire este proporţional cu energia transferată către consumatori.
Un semnal logic invers polarizat arată dacă puterea instantanee măsurată devine negativă.
Frecvenţa la ieşirea CF este un şir de pulsuri, proporţional cu ieşirile F1 şi F2, în domeniile 21,76Hz, 43,52Hz şi 5,57kHz pentru intrările în ca.
AD7755 este interfaţa optimă pentru un microcontroler care efectuează calcule şi ia decizii.
Figura 2 ilustrează modul cum prin intermediul a trei integrate AD7755 (câte unul pentru fiecare fază) şi un microcontroler se poate realiza un contor de energie trifazată.
În acest sistem, microcontrolerul are rolul “creierului” administrând toate activităţile şi interacţiunile cu celelalte componente (circuitul integrat, sursa de alimentare, memoria EEPROM, afişajul, butoanele de acţionare), vizualizarea energiei sau puterii, calibrarea fazelor sau ştergerea afişajului.
Cerinţele de bază ale microcontrolerului sunt:
• Linii de intrare/ieşire suficiente pentru a comanda sistemul de afişare. Dacă se folosesc afişoare LCD este necesar un circuit de comandă a acestora. Dacă microcontrolerul nu are încorporat un astfel de circuit se pot folosi LED-uri comandate printr-un decodor 3 la 8;
• Întreruperi. Pentru a evita pierderea unor impulsuri sistemul poate fi configurat să declanşeze întreruperi în microcontroler. Dacă a fost semnalată o cădere de tensiune, sistemul care monitorizează prezenţa tensiunii de alimentare poate genera o întrerupere în microcontroler, realizându-se astfel măsurători de siguranţă;
• Interfaţă serială EEPROM. O interfaţă serială simplă se poate realiza folsind 2 sau 3 linii de intrare/ieşire. Lucrurile pot fi simplificate substanţial dacă microcontrolerul folosit are integrată o interfaţă serială.
• Timere. Este necesar să fie menţinute constante două intervale de timp. În primul rând, rata de acutalizare a afişoarelor trebuie setată la 2 secunde. De asemenea, dacă sunt folosite LED-uri, un timer trebuie să asigure frecvenţa de multiplexare a afişoarelor astfel încât să nu apară fenomenul de licărire.
Facilităţi suplimentare, cum ar fi înregistrarea automată de la distanţă a consumului de energie, se pot obţine folosind o a doua interfaţă serială pentru a comunica cu sistemul central; folosind un ceas extern sau intern se pot realiza măsurări multiple.
Configuraţia din figura 2 a fost realizată pentru a demonstra cum trei integrate AD7755 pot interfaţa un microcontroler. S-a utililizat un microcontroler Microchip PIC16C67, memorie EEPROM, afişare cu LED-uri cu 8 digiţi, transformatoare pentru senzorii de curent şi senzori de tensiune. Energia electrică este furnizată de o sursă de alimentare ce detectează pierderea de energie.
Codul microcontrolerului a fost scris în C şi a fost implementat în PIC16C67. S-a folosit un compilator particular care include un set de instrucţiuni pentru interfaţa dintre Microchip şi EEPROM. Aceasta memorează energia măsurată şi limitele calculate obţinute în secvenţa de calibrare.
Pentru afişare se folosesc LED-uri cu 8 cifre comandate printr-un decodor 3 la 8.
Sursa de alimentare foloseşte trei transformatoare, un redresor şi un regulator pentru a converti tensiunea alternativă în tensiune continuă alimentând contorul chiar în condiţiile în care pe una din faze nu este tensiune.
Deoarece cu acest contor se determină costul energiei consumate, cea mai importantă cerinţă este fiabilitatea şi nu un ultimul rând precizia.
Energia este măsurată foarte simplu – prin compararea pulsului limită. Prin această metodă, controlerul numără pulsurile înregistrate pe o fază până când valoarea totală atinge limita de calibrare. În acest moment valoarea citită este incrementată cu unitatea cea mai mică din domeniul afişajului (în acest caz 0,01kWh).
Frecvenţa maximă la ieşirea CF este 43,52Hz sau 156,672 pulsuri/h, valori obţinute pentru regimul lent de funcţionare.
Admiţând pentru linia de alimentare valori ale tensiunii de 220V şi curentului de 60A, sistemul poate fi calibrat astfel încât un număr de aproximativ 100 pulsuri la ieşirea CF să măsoare 0,01kWh. Calibrarea se realizează în regim de funcţionare la frecvenţe ridicate pentru care frecvenţa la ieşirea CF este de 128 ori mai mare (5,57 kHz). În timpul calibrării energia în sistem este prestabilită la o valoare constantă care depăşeşte cu 1/128 kWh intervalul de calibrare.
Datorită acestui factor de scalare, pulsurile numărate în timpul perioadei de calibrare este echivalent cu 1kWh. Admiţând că au fost numărate 10287 impulsuri în acest interval, afişorul va fi incrementat cu 0,01kWh la fiecare 102,87 pulsuri. Acest mod de numărare poate fi realizat în diverse feluri. De exemplu, în perioada necesară (se acumulează 1 kWh în 0,01 kWh paşi), 13 din aceşti paşi pot fi obţinuţi prin numărarea a câte 102 pulsuri pe fiecare pas, iar pentru parcurgerea celorlalţi 87 de paşi va fi necesară numărarea a 103 pulsuri pe pas.
O altă modalitate folosită este următoarea: se începe cu 102 pulsuri pe pas, se adaugă 8 pulsuri la fiecare al 10-lea pas şi apoi se mai adaugă încă 7 pulsuri la fiecare al 100-lea pas.
Frecvenţa mare setată pentru integratele AD7755 asigură rezultate optime în intervale de calibrare scurte (aprox.30s). Fiecare fază este calibrată independent deoarece în practică s-a observat apariţia frecventă a unor variaţii în sistem.
Concluzii
Un contor electronic realizat după modelul descris asigură utilizatorilor citirea energiei consumate cu precizie mare, are fiabilitate mare şi este mult mai ieftin decât contoarele electromecanice.
Implementate în întreaga reţea electrică, acest tip de contoare nu numai că asigură citirea cu precizie ridicată a consumurilor de energie, dar asigură şi un management eficient al energiei electrice.
Ing. Dan Negru
Traducere după “Analog Dialog” – magazin tehnic editat de Analog Device.
Pentru mai multe informaţii vă puteţi adresa la:
TOP 9+ ELECTRONIC SYSTEMS
Tel: 01/232.04.24 Fax: 01/232.31.56