Мікросхеми для однофазних лічильників електроенергії

Розглядаються мікросхеми ADE7760 та ADE7761 фірми Analog Devices для однофазних лічильників електроенергії з вимірюванням струму у фазному та нейтральному проводах. Крім того, наведено опис додаткових заходів, реалізованих у ADE7761, щодо забезпечення працездатності лічильників при відключеному нейтральному проводі.

В. Голуб

Загальні відомості про мікросхеми Analog Devices для лічильників електроенергії

Мікросхеми (ІМС), що випускаються фірмою Analog Devices для лічильників електроенергії, неодноразово розглядалися та докладно описувалися на сторінках ЕКіС та інших видань . У 2003 році фірмою Analog Devices були розроблені нові ІМС ADE7760 та ADE7761, які є розвитком випускуваної ІМС ADE7751 . Зазначені ІМС призначені для вимірювання активної потужності, споживаної навантаженням однофазного електричного кола. Особливістю всіх трьох мікросхем є те, що струм навантаження контрольованого кола вимірюється двома датчиками — у фазному та нейтральному проводах. Але для розрахунку потужності використовується струм одного з них. Вибір визначається тим, який із двох струмів є більшим. Перемикання датчиків здійснюється автоматично при зменшенні одного зі струмів відносно іншого на 12,5 % для ADE7751 та 6,25 % для нових мікросхем ADE7760/1. Вимірювання струмів у двох проводах є вимушеним заходом, викликаним можливими спробами споживачів «обійти» лічильник електроенергії.

Робота лічильника при відсутності нейтрального проводу

Іншою важливою особливістю, що дозволяє боротися проти порушників, є забезпечення нормальної роботи лічильника при відсутності нейтрального проводу (наприклад, при його навмисному відключенні). Це завдання виконується в мікросхемі ADE7761, яка, у свою чергу, є розвитком ІМС ADE7760. Передбачається, що ІМС типу ADE7761 набудуть широкого застосування в лічильниках електроенергії.

Мікросхема ADE7760.

На рис. 1 наведено структурну схему ІМС ADE7760 , а на рис. 2, а — схему підключення датчиків струму до ІМС. Оскільки між фазним та нейтральним проводами прикладена фазна напруга мережі, використовуються датчики струму, що містять трансформатор струму та резистор, підключений до вторинної підвищувальної обмотки трансформатора (CT і Rb на рис. 2, а). З резистора знімається вихідна напруга датчика, пропорційна струму, споживаному навантаженням . Іншим датчиком (напруги мережі) може бути понижувальний трансформатор напруги або резистивний подільник. Між датчиками та входами мікросхеми ввімкнені пасивні ФНЧ, що складаються з Rf і Cf та виконують функції фільтрів, які передують АЦП (antialiasing filters). АЦП ввімкнені після вхідних підсилювачів (рис. 1).

Виводи V1A, V1N і V1B, V1N (рис. 1, 2) — диференціальні входи каналу вимірювання струму, V1N — спільний вивід обох входів. Виводи V2P, V2N — диференціальний вхід каналу вимірювання напруги. Відповідно до нумерації виводів канали іменуються так само, як перший і другий. Діапазони вхідних сигналів обох каналів — до ±660 мВ пікових значень (вимірювання можливе і при більших вхідних сигналах — до ±1 В, але з ненормованою похибкою).

Підключення до AGND та захист входів

При підключенні до входів ІМС датчиків струму та напруги необхідно забезпечувати «прив’язку» виводів V1N і V2N до спільного виводу AGND, як показано на рис. 2. При цьому допускається напруга між V1N і AGND, V2N і AGND, що не перевищує ±100 мВ. Крім того, входи ІМС мають захист від диференціальних і синфазних напруг, що не перевищують ±6 В.

ІМС може використовуватися в лічильниках, призначених для мереж змінного струму з частотою від 45 до 65 Гц, а також з іншою нормою точності — від 40 Гц до 1 кГц. Смуга пропускання зовнішніх ФНЧ на вході ІМС (рис. 2, а) повинна бути від 0 до 7 кГц (на рівні –3 дБ).

Підсилювачі та сигма-дельта АЦП

На входах каналів в ІМС використовуються підсилювачі, причому в першому каналі — з перемикним коефіцієнтом підсилення, який може дорівнювати 1 (при вхідному сигналі до ±660 мВ) або 16 (при вхідному сигналі до ±41 мВ — у 16 разів меншому). Перемикання здійснюється зовнішньою командою через логічний вхід PGA. Підсилювач другого каналу використовується лише як буферний з коефіцієнтом підсилення, що дорівнює 1. Наступними елементами каналів є сигма-дельта АЦП (ADC на рис. 1) . АЦП складаються з сигма-дельта модулятора другого порядку та цифрового фільтра. Модулятор працює в режимі передискретизації з частотою відліків 450 кГц. У фільтрі однорозрядний сигнал модулятора перетворюється на 24-розрядний цифровий сигнал. Перетворення супроводжується децимацією частоти відліків у чотири рази — до 112,5 кГц.

Цифрові сигнали, що відповідають струмам у обох, фазному та нейтральному, проводах, надходять на пристрій порівняння кодів («A<>B» на рис. 1), у якому здійснюється їх порівняння, вибір більшого з сигналів і подача його на вихід пристрою, якщо різниця досягне зазначених вище 6,25 %. При цьому з ІМС на зовнішній вивід (FAULT на рис. 1) надходить сигнал логічного рівня «1», що індикує наявність різниці 6,25 %. На рис. 2, б показано схему автоматичного перемикання датчиків струму з формуванням сигналу FAULT.

На виході пристрою «A<>B» увімкнений цифровий ФВЧ (HPF на рис. 1), який усуває похибку, обумовлену постійними складовими, що виникають, зокрема, через дрейф вихідних напруг вхідних підсилювачів. Зазначений ФВЧ зазвичай використовується у всіх ІМС фірми Analog Devices, призначених для лічильників електроенергії. Але в ІМС ADE7751, наприклад, ФВЧ може бути відключений, а в розглянутій ІМС ADE7760 він не комутується. Відповідно, ІМС ADE7760 вимірює активну потужність, обумовлену основною (50 або 60 Гц) та вищими гармонічними складовими, і не враховує постійні складові, причому не лише струму, а й напруги контрольованого кола.

Цифрові сигнали першого та другого каналів, що відповідають споживаному струму та напрузі мережі, надходять на цифровий перемножувач, у якому формується сигнал, пропорційний активній потужності, що включає, крім того, змінні складові комбінаційних частот. Останні придушуються в цифровому ФНЧ (LPF на рис. 1), і сигнал подається на пристрій (Digital-to-Frequency Converter), у якому перетворюється на два види імпульсних сигналів з частотною модуляцією. Один із них — дві послідовності імпульсів F1 і F2, що надходять на однойменні виводи ІМС зі зсувом у часі та призначені для живлення крокового двигуна електромеханічного індикатора. Зазначений індикатор одночасно є інтегратором частоти слідування імпульсів F1,2, пропорційної споживаній потужності. Результат інтегрування — показання індикатора, пропорційні спожитій електроенергії. Можливі чотири діапазони частот F1,2, максимальні значення яких наведені в таблиці. Вибір діапазону визначається двобітною командою, що подається на виводи S0 і S1 (рис. 1).

Інший вид імпульсного сигналу — це послідовність імпульсів CF (на однойменному виводі мікросхеми, рис. 1). Можливі три діапазони частот FCF, що задаються кодом на виводі SCF (залежно від коду на виводах S0 і S1). Імпульси CF мають вищу частоту слідування та призначені для дистанційної передачі даних про вимірювану потужність, а також для калібрування мікросхеми. Зазначимо, що завдяки підвищеній частоті FCF у сигналі можуть враховуватися швидші зміни струму навантаження (порівняно з послідовністю F1, F2). На відміну від ІМС ADE7751, в ІМС ADE7760 додатково передбачений більш високочастотний діапазон FCF, верхня частота якого дорівнює 5,57 кГц (див. таблицю).

Як і ADE7751, ІМС ADE7760 містить ланцюг тригерного типу, що керує живленням ІМС (Power Supply Monitor), і джерело опорної напруги 2,4 В. Живлення відключається, якщо його напруга знижується до 4 В (±5 %). Зазначений ланцюг має властивості гістерезису та фільтрації, у зв’язку з чим живлення ІМС є стійким до впливу шумової перешкоди. До виводу REFIN/OUT може бути підключене зовнішнє опорне джерело з низьким вихідним опором. При його підключенні внутрішнє джерело блокується завдяки резистору 4 кОм, увімкненому послідовно з його виходом (рис. 1). Крім того, з виводу REFIN/OUT можна знімати напругу внутрішнього джерела та використовувати її для зовнішніх кіл.

ІМС ADE7760 додатково містить, на відміну від ІМС ADE7751, внутрішній генератор тактової частоти, причому її номінальне значення дорівнює 450 кГц. Між виводами RCLKIN і DGND вмикається резистор, що визначає частоту генератора. Частоті 450 кГц відповідає опір резистора 6,2 кОм, причому залежність частоти від величини опору є достатньо точною. Тому, а також у зв’язку з тим, що частоти F1,2 і FCF пропорційні тактовій частоті, резистор повинен бути високоточним і стабільним.

Звичайний режим для ІМС ADE7760 — це вимірювання додатної активної, тобто споживаної, потужності. Але трапляються випадки, коли, наприклад, електродвигун навантаження переходить у режим генератора, і «споживана» потужність стає від’ємною. ІМС ADE7760 також буде її вимірювати, але при цьому на виводі REVP замість «0» з’явиться логічний рівень «1» сигналу індикації.

Параметри ІМС ADE7760 разом із параметрами ADE7751 (для порівняння) наведені в таблиці.

Мікросхема ADE7761.

ІМС ADE7761 є розвитком ADE7760. ІМС ADE7761 доповнена вельми суттєвим нововведенням. В ІМС забезпечується вимірювання потужності навіть у разі порушення цілісності нейтрального проводу (режим Missing Neutral). При цьому імітується канал вимірювання напруги та забезпечується живлення ІМС від струмонесучого проводу, тобто штучно дублюються ланцюги, пов’язані з нейтральним проводом. Структурну схему ADE7761 наведено на рис. 3.

Додатковими пристроями ADE7761 є:

• детектор відсутності сигналу на виході каналу вимірювання напруги (Missing Neutral Detection на рис. 3). При порушенні ланцюга нейтрального проводу сигнал на виході АЦП зазначеного каналу буде відсутній, а з виходу детектора надійде команда на вмикання каналу імітації. Канал імітації буде увімкнений, якщо пікове значення напруги на вході каналу вимірювання знизиться до ±59,4 мВ, що становить 9 % від номінальної напруги ±660 мВ; канал імітації сигналу напруги, що містить формувач «прямокутного коливання» стабільної амплітуди (Zero Crossing Detection на рис. 3),
• ланцюг калібрування та перемикач на виході каналу. «Прямокутне коливання» являє собою два періодично комутовані значення цифрового коду. Фронти «коливання» формуються в точках перетину «нуля» вихідним сигналом каналу вимірювання струму. Частота «коливання» визначається, відповідно, частотою мережі, а рівень не залежить від величини вимірюваного струму.

Ланцюг калібрування в ІМС ADE7761

Ланцюг калібрування містить: АЦП, аналогічний іншим АЦП мікросхеми та керований від спільного генератора тактової частоти, формувач коду постійного множника калібрування (Missing Neutral Gain Adjust на рис. 3) та перемножувач. Калібрування здійснюється при встановленні на виводі MISCAL, до якого підключений АЦП ланцюга калібрування, постійної напруги потрібного рівня. Максимальний рівень напруги калібрування дорівнює +660 мВ.

Входи перемножувача підключені до виходів формувачів «прямокутного коливання» та коду постійного множника. У перемножувачі здійснюється множення комутованих кодів сформованого «коливання» на код постійного множника. У результаті на його виході — послідовність комутованих кодів, різниця значень яких (розмах «коливання») пропорційна напрузі калібрування та при цьому відповідає напрузі контрольованої мережі або її номінальному (максимальному) значенню. Далі сформоване (імітоване) «коливання» надходить через перемикач, керований детектором «відсутності реального сигналу напруги», у ланцюг обчислення потужності.

Формування живлення при відсутності нейтрального проводу

Окрім імітації каналу вимірювання напруги, в ІМС ADE7761 забезпечується формування напруги живлення, якщо нейтральний провід відключений. Використовується додатковий трансформатор струму (спеціально для живлення ІМС) з двома первинними «обмотками», утвореними фазним і нейтральним проводами. Якщо ланцюг нейтрального проводу не має пошкодження, потоки в осерді, створювані двома струмами, компенсуються, і на навантаженні трансформатора відсутня напруга. Якщо в нейтральному проводі струм відсутній, напруга, що виникає на виході трансформатора, подається на додаткове джерело живлення, яке є його навантаженням. Обидва джерела живлення, основне та додаткове, мають спільний вихід з одним і тим самим накопичувальним конденсатором C18, як показано на рис. 4.

Отже, в ІМС ADE7761 реалізується максимальний захист від порушників, які намагаються «обійти» лічильник. У ній, по-перше, як і в ІМС ADE7751 та ADE7760, забезпечується вимірювання струму в автоматично вибраному фазному або нейтральному проводі і, по-друге, забезпечується виконання лічильником своїх функцій при порушенні цілісності ланцюга нейтрального проводу.

Параметри ІМС ADE7761 наведені в таблиці. Оскільки ІМС ADE7761 є новою, а її Data Sheet — попереднім, можливі уточнення її параметрів.

Схема вмикання ІМС ADE7761 у складі лічильника електроенергії

На рис. 4 наведено схему вмикання ІМС ADE7761 у складі лічильника електроенергії . Показано два вимірювальні трансформатори струму CT1 і CT2, підключені до фазного та нейтрального проводів контрольованої мережі. Їх вторинні обмотки підключені до виводів K1 і K2 друкованої плати лічильника. Резистивний датчик напруги (CALHIGH) підключений до мережі через фільтр, що складається з дроселя Z1 та конденсатора (останній на схемі не показаний). Джерело живлення лічильника містить два випрямлячі, один з яких через зазначений фільтр підключений, як зазвичай, до обох проводів мережі (через виводи K3 і K4), а другий — до трансформатора струму CT3 з двома первинними обмотками (через виводи K10 і K11). Діод D3 забезпечує запирання першого пристрою, якщо його вихідна напруга стане нижчою за напругу другого. У свою чергу, діодний випрямний міст додатково виконує ту саму функцію, якщо перший пристрій функціонує нормально. На виході джерела живлення, після накопичувального конденсатора C18, увімкнений стабілізатор напруги ADP3330 фірми Analog Devices .

Виводи F1 і F2 ІМС підключені до електромеханічного індикатора з кроковим двигуном, а вивід CF — до оптрона PS2501 з транзисторним виходом. До виводів FAULT і REVP підключені світлодіоди HLMPD150, що індикують наявність на них рівня «1». Світлодіод того ж типу увімкнений послідовно з діодним входом PS2501 для індикації сигналу на виводі CF. Лічильник містить перемикачі PGA, J11, J12 і J13, через які на виводи PGA, S0, S1 і SCF можуть подаватися напруги з рівнем «1» для керування ІМС. Потенціометр, підключений до виводів REF і MISCAL, призначений для калібрування каналу імітації ІМС.

Параметри мікросхем для однофазних лічильників з вимірюванням струму у фазному та нейтральному проводах

Додаткову інформацію про ІМС для лічильників електроенергії можна отримати в офісі НПФ VD MAIS, що є авторизованим дистриб’ютором фірми Analog Devices в Україні, а також на її Web-сайті за адресою: www.vdmais.kiev.ua.