Circuitele integrate din familia AD775x, folosite pentru măsurarea energiei electrice, admit ca intrări tensiunea şi curentul din reţeaua electrică locală şi le convertesc prin intermediul unor convertoare A/D în semnale digitale. Un procesor de semnale digitale dedicat (DSP) prelucrează aceste două semnale, rezultatul obţinut fiind proporţional cu puterea instantanee.
Condiţiile impuse la intrare, modul în care se realizează filtrarea, procesarea ulterioară precum şi alte caracteristici, sunt specifice fiecărui tip de integrat din familia AD775x, obţinând astfel soluţii compatibile sistemului, acolo unde sunt aplicate.
De exemplu, integratul AD7750 (figura 1), filtrează printr-un filtru trece-jos semnalul obţinut la ieşirea din DSP, apoi realizează o conversie în frecvenţă pentru a genera la două din terminalele de ieşire pulsuri proporţionale cu puterea reală instantanee şi în plus, o ieşire de înaltă frecvenţă convenabilă pentru procesul de calibrare şi testare.
Utilizatorii energiei electrice ca şi majoritatea întreprinderilor industriale, s-au familiarizat din ce în ce mai mult cu echipamentele electronice performante. Se preconizează o creştere rapidă a ratei de înlocuire a mult utilizatelor contoare electromecanice cu dispozitive de măsură electronice, datorată pe de o parte procesului de descentralizare în anumite ţări, iar pe de altă parte cererii pieţei. Atât producătorii de energie electrică cât şi consumatorii pot obţine beneficii semnificative utilizând dispozitive de măsurare electronice.
Un contor tipic converteşte semnalele analogice admise la intrare – tensiune, curent – în semnale digitale, iar în urma proceselor de prelucrare a acestora, la ieşire se poate obţine energia reală instantanee, energia reactivă sau energia activă.
Serviciile către utilizatori sunt substanţial îmbunătăţite prin citirea automată şi de la distanţă a consumurilor precum şi administrarea eficace a acestora. În afară de note de plată mult mai credibile şi uşor de verificat, consumatorii beneficiază de siguranţă crescută în sistemul de distribuţie al energiei – căderile de tensiune pot fi detectate, identificate şi corectate mult mai repede.
Contoarele electronice pot măsura energia cu precizie mare independent de defazajul fazelor sau de distorsiunea semnalelor datorată unor încărcări neliniare.
Contoarele electromecanice nu pot măsura precis energia dacă în reţeaua de distribuţie sunt realizate scheme de reglare a încărcărilor pe o anumită fază, în schimb, dispozitivele electronice sunt robuste şi precise chiar şi în aceste condiţii. Deşi contoarele electronice sunt superioare contoarelor electromecanice din punct de vedere al funcţionalităţii şi al performanţelor, preţul de cost nu este accesibil pentru majoritatea consumatorilor.
Pătrunderea în acest domeniu a unor companii, precum Analog Devices, cu o excelentă reputaţie în aprovizionarea cu circuite integrate a unor unităţi din domenii de vârf – aerospaţial, militar – garantează realizarea unor produse electronice cu fiabilitate mare şi preţuri scăzute, mult aşteptate de marii consumatori.
Recunoscând faptul că preţul unui contor constituie un factor important în acceptarea acestuia pe piaţă, firma Analog Device sprijină constructorii de contoare să întâmpine cererea tot mai mare de produse performante.
Principala preocupare a companiilor de furnizare şi distribuţie a energiei electrice este dezvoltarea de noi facilităţi cum ar fi citirea automată a contoarelor, carduri de plată şi mai ales măsurarea precisă şi sigură a energiei active şi a energiei reactive.
Folosirea echipamentelor electronice asigură reducerea investiţiilor, creşte precizia măsurării şi calitatea produsului obţinând astfel beneficii superioare utilizării contoarelor tradiţionale.
Procesoare de semnale digitale (DSP) şi microcontrolere
În primele încercări de realizare a echipamentelor electronice de măsurare a energiei electrice, puterea se determina prin multiplicarea semnalelor analogice – tensiune, curent – dar rezultatele obţinute nu au fost pe măsura aşteptărilor.
La dispozitivele electronice, caracteristici importante precum stabilitatea, liniaritatea şi mai ales precizia de măsurare au fost substanţial îmbunătăţite prin determinarea şi corectarea rapidă a erorilor (inerente calculelor digitale). Utilizarea acestor facilităţi a fost factorul primordial în noua eră a industriei telecomunicaţiilor, iar acum au deschis drumul către domeniul măsurării energiei electrice.
Produsele care includ procesoare de semnale digitale transformă semnalele analogice (tensiune, curent) în semnale digitale prin intermediul unor convertoare A/D integrate.
Procesarea semnalelor digitale permite efectuarea unor calcule precise şi constante în timp fără a fi influenţate de variaţiile mediului ambiant.
Cu toate că procesoarele de semnale digitale programabile sunt departe de a fi disponibile la preţuri reduse, cea mai bună soluţie în realizarea unor dispozitive de măsură fiabile, implică utilizarea unui DSP dedicat având convertorul A/D integrat şi a unui microcontroler – care execută toate acţiunile programate şi efectuează calcule simple necesare afişării. Procesorul converteşte semnalele analogice în semnale digitale, eşantionează şi calculează continuu puterea instantanee şi puterea medie.
De exemplu, pe parcursul ultimilor ani, diferiţi proiectanţi au realizat contoare folosind microprocesoare pe 4 biţi la frecvenţa de 4MHz.
Astfel de microcontrolere pot fi utilizate numai în anumite configuraţii şi sunt folosite pentru efectuarea unor anumite funcţii cum ar fi: demodularea şi cifrarea datelor, determinarea perioadelor de facturare şi administrarea eficientă a distribuţiei de energie (detectarea căderilor de tensiune, deconectare de la distanţă, scheme de optimizare a consumurilor pe o anumită fază).
Microprocesoarele permit consumatorilor să-şi aleagă nivelul dorit de servicii, iar compania de distribuţie a energiei poate configura de la distanţă contorul.
Produse standard
Creşterea familiei de produse standard proiectate pentru măsurarea energiei nu numai că elimină investiţiile mari asociate producţiei contoarelor electromecanice, dar reduce semnificativ numărul de componente necesare realizării de aplicaţii specifice. Produsele standard încorporează componente ce oferă soluţii pentru rezolvarea unor probleme comune ale diferiţilor consumatori, la preţuri accesibile.
Precizia de măsurare, echipamentele şi programele necesare, costurile de dezvoltare, timpul necesar pătrunderii pe piaţă şi uşurinţa implementării în sistem sunt principalii factori luaţi în considerare de constructorii de contoare electronice atunci când urmăresc optimizarea preţurilor de cost efective ale sistemelor de măsurare. Alte soluţii cum ar fi afişoarele cu LED-uri sau cristale lichide necesită circuite de comandă suplimentare.
În tabelul de mai jos este prezentată familia de procesoare de semnale digitale ale firmei Analog Devices (alegerea unui procesor din această familie depinde de tipul de sistem în care acesta este implementat).
AD7750, primul din această familie, este proiectat pentru comanda directă a unui numărător cu motor pas cu pas care determină energia prin integrarea puterii. Din punct de vedere al preţului de cost, numărătorul cu motor pas cu pas este accesibil, deci se poate construi un contor ieftin prin această metodă. Dacă apar căderi de tensiune, contorul se opreşte. O altă soluţie cum ar fi afişarea pe LED-uri sau LCD, necesită circuite electronice de numărare pe mai multe etaje, cu memorarea ultimei valori înregistrate.
Următoarea serie de produse are interfaţă serială pentru comunicaţia bidirecţională cu un microprocesor. Preţul de cost al acestei serii este în primul rând influenţat de preţul sursei de alimentare de preţul transformatorului de curent şi al oscilatorului şi a circuitului de calibrare externă.
O colaborare strânsă între constructori şi utilizatori a condus la realizarea de dispozitive integrate de calitate superioară, multifuncţionale şi la preţuri accesibile. AD7750 conţine 2 convertoare A/D de 16 biţi şi un procesor de semnale pentru determinarea energiei electrice. Cu excepţia circuitului de intrare în convertorul A/D şi a circuitului de referinţă, toate celelalte semnale sunt procesate digital.
Această abordare permite obţinerea unei precizii de măsurare superioare şi stabilitate în timp independent de condiţiile de exploatare.
Convertoarele A/D funcţionează la o rată de supraeşantionare de 900kHz.
Canalul de curent are un domeniu de intrare larg, amplificare programabilă, facilitând conectarea directă la diferite tipuri de traductoare tensiune-curent care uzual au tensiunea de ieşire mică.
Puterea reală este calculată din semnalul de putere instantanee obţinut din procesarea semnalelor de tensiune şi curent. Filtrul trece-sus este introdus pe canalul de curent, după convertorul A/D pentru a elimina orice influenţă a componentei de curent continuu. Filtrul trece-jos reduce armonicele frecvenţei de linie şi extrage puterea reală.
Această metodă de calcul a puterii reale este foarte precisă, nu generează erori chiar dacă formele de undă ale semnalelor de tensiune şi curent nu sunt sinusiodale şi nu depinde de factorul de putere. Procesarea semnalelor digitale (multiplicare, filtrare) asigură stabilitate mare cu temperatura şi în timp.
Integratul conţine de asemenea, două convertoare D/F (digital/frecvenţă) care generează la două terminale de ieşire frecvenţă joasă, iar la un al treilea terminal pulsuri de înaltă frecvenţă.
Domeniul de ieşire în frecvenţă poate fi selectat de producător, acestă facilitate permiţând utilizarea acestuia în construcţia diferitelor contoare.
Semnalul obţinut la ieşirea de joasă frecvenţă este proporţional cu puterea medie reală, iar semnalul obţinut la ieşirea de frecvenţă mare este proporţional cu puterea reală instantanee.
AD7751 este un integrat folosit în dispozitivele de măsurare a energiei electrice din sistemele monofazate.
Măsurătorile efectuate cu astfel de dispozitive sunt foarte precise deoarece AD7751 are integrată o schemă de detectare a erorilor ce pot apare în sistem. Dacă apar avarii sau căderi de tensiune în sistem, utilizatorul poate depista rapid locul unde s-au produs şi deci acestea pot fi remediate rapid, energia contorizată fiind energia reală consumată.
AD7755 este similar integratului AD7751, în plus acesta poate fi folosit şi în sistemele trifazate.
Ing. Dan Ioan Negru
e-mail: d.negru@topex.ro
Traducere după “Analog Dialog”
Top 9+ ELECTRONICS SYSTEMS
Tel: 01/232.04.24 Fax: 01/232.31.56
Figura 1
Contor electronic
AD7751 este un circuit integrat folosit la realizarea dispozitivelor de măsură a energiei electrice.
Acesta are trei canale de intrare, două de curent şi unul de tensiune, pe fiecare canal existând convertoare A/D corespunzătoare.
Procesarea semnalelor se realizează în domeniul digital obţinându-se puterea reală. Pentru a determina şi afişa energia în kWh se utilizează un numărător cu motor pas cu pas.
Îeşirea de înaltă frecvenţă furnizează puterea reală instantane, această ieşire se utilizează în operaţia de calibrare a dispozitivului şi permite de asemenea, comunicarea cu un microprocesor.
Mod de prezentare: capsule 24-DIP, şi 24-SSOP.
Condiţii de lucru: -45°C …+85°C