Микросхемы для однофазных счетчиков электроэнергии

Рассматриваются микросхемы ADE7760 и ADE7761 фирмы Analog Devices для однофазных счетчи­ков электроэнергии с измерением тока в фазном и нейтральном проводах. Кроме того, дано описание до­полнительных мер, принятых в ADE7761 по обеспечению работоспособности счетчиков при отключенном нейтральном проводе.

В. Голуб

Микросхемы (ИМС), выпускаемые фирмой Analog Devices для счетчиков электроэнергии, неоднократно рассматривались и подробно описаны на страницах ЭКиС и других изданий [1-3]. В 2003 году фирмой Analog Devices разработаны новые ИМС ADE7760 и ADE7761, являющиеся развитием выпускаемой ИМС ADE7751 [4, 5]. Указанные ИМС предназначены для измерения активной мощности, потребляемой на­грузкой однофазной электрической цепи. Особенно­стью всех трех микросхем является то, что ток нагруз­ки контролируемой цепи измеряется двумя датчика­ми — в фазном и нейтральном проводах. Но для расче­та мощности используется ток одного из них. Выбор определяется тем, какой из двух токов больше. Пере­ключение датчиков осуществляется автоматически при уменьшении одного из токов по отношению к дру­гому на 12.5 % для ADE7751 и 6.25 % для новых мик­росхем ADE7760/1. Измерение токов в двух проводах является вынужденной мерой, вызванной возможны­ми попытками потребителей «обойти» счетчик элект­роэнергии.

Другой важной особенностью, позволяющей бо­роться против нарушителей, является обеспечение нормальной работы счет­чика при отсутствии нейтрального провода (напри­мер, при его умышленном отключении). Эта задача выполняется в микросхе­ме ADE7761, которая, в свою очередь, является развитием ИМС ADE7760. Предполагается, что ИМС типа ADE7761 получат ши­рокое применение в счет­чиках электроэнергии.

Микросхема ADE7760. На рис. 1 приве­дена структурная схема ИМС ADE7760 [4, 5], а на рис. 2, а — схема подключе­ния датчиков тока к ИМС. Поскольку между фазным и нейтральным проводами приложено фазное напряжение сети, используются датчики тока, содержащие трансформатор тока и ре­зистор, подключенный ко вторичной повышающей об­мотке трансформатора (CT и R_b на рис 2, а). С резис­тора снимается выходное напряжение датчика, про­порциональное току, потребляемому нагрузкой [3]. Другим датчиком (напряжения сети) может быть пони­жающий трансформатор напряжения или резистив­ный делитель. Между датчиками и входами микросхе­мы включены пассивные ФНЧ, состоящие из R_f и C_f и выполняющие функции фильтров, предшествующих АЦП (antialiasing filters). АЦП включены после входных усилителей (рис.1).

Выводы VIA, V1N и V1B, V1N (рис. 1,2) — диффе­ренциальные входы канала измерения тока, V1N — общий вывод обоих входов. Выводы V2P, V2N — диф­ференциальный вход канала измерения напряжения. В соответствии с нумерацией выводов каналы имену­ются так же, как первый и второй. Диапазоны входных сигналов обоих каналов — до ±660 мВ пиковых значе­ний (измерение возможно и при больших входных сигналах — до ±1 В, но с ненормируемой погрешно­стью). При подключении ко входу ИМС датчиков тока и напряжения необходимо обеспечивать «привязку» выводов V1N и V2N к общему выводу AGND, как пока­зано на рис. 2. При этом допускается напряжение между V1N и AGND, V2N и AGND, не превышающее ±100 мВ. Кроме того, входы ИМС имеют защиту от дифференциальных и синфазных напряжений, не превышающих ±6 В.

Рис. 1. Структурная схема ИМС ADE7760

ИМС может использоваться в счетчиках, предназ­наченных для сетей переменного тока с частотой от 45 до 65 Гц, а также с другой нормой по точности — от 40 Гц до 1 кГц. Полоса пропускания внешних ФНЧ на входе ИМС (рис. 2, а) должна быть от 0 до 7 кГц (на уровне -3 дБ).

На входах каналов в ИМС используются усилители, причем в первом канале — с переключаемым коэффи­циентом передачи, который может быть равным 1 (при входном сигнале до ±660 мВ) или 16 (при вход­ном сигнале до ±41 мВ — в 16 раз меньшем). Переклю­чение осуществляется внешней командой через логи­ческий вход PGA. Усилитель второго канала использу­ется только как буферный с коэффициентом переда­чи, равным 1. Следующими элементами каналов явля­ются сигма-дельта АЦП (ADC на рис. 1) [7]. АЦП со­стоят из сигма-дельта модулятора второго порядка и цифрового фильтра. Модулятор работает в режи­ме передискретизации с частотой отсчетов 450 кГц. В фильтре одноразрядный сигнал модулятора преоб­разуется в 24-разрядный цифровой сигнал. Преобра­зование сопровождается децимацией частоты отсче­тов в четыре раза — до 112.5 кГц.

Цифровые сигналы, соответствующие то­кам в обоих, фазном и нейтральном, проводах, поступают на устройство сравнения кодов («A<>B» на рис. 1), в котором осуществляется их сравнение, выбор большего из сигналов и подача его на выход устройства, если разность достигнет указанных выше 6.25 %. При этом из ИМС на внешний вывод (FAULT на рис. 1) по­ступит сигнал логического уровня «1», индици­рующий наличие разности 6.25 %. На рис. 2, б показана схема цепи автоматического пере­ключения датчиков тока с выдачей сигнала FAULT.

На выходе устройства «A<>B» включен циф­ровой ФВЧ (HPF на рис. 1), исключающий по­грешность, обусловленную постоянными со­ставляющими, возникающими, в частности, из- за дрейфа выходных напряжений входных уси­лителей. Указанный ФВЧ используется обычно во всех ИМС фирмы Analog Devices, предназна­ченных для счетчиков электроэнергии. Но в ИМС ADE7751, например, ФВЧ может быть от­ключен, а в рассматриваемой ИМС ADE7760 он не коммутируется. Соответственно, ИМС ADE7760 измеряет активную мощность, обусловленную основной (50 или 60 Гц) и высшими гармо­ническими составляющими, и не учитывает постоян­ные составляющие, причем не только тока, но и на­пряжения контролируемой цепи.

Цифровые сигналы первого и второго каналов, со­ответствующие потребляемому току и напряжению сети, поступают на цифровой перемножитель, в кото­ром формируется сигнал, пропорциональный актив­ной мощности, включающий, кроме того, переменные составляющие комбинационных частот. Последние подавляются в цифровом ФНЧ (LPF на рис. 1), и сиг­нал подается на устройство (Digital-to-Frequency Con­verter), в котором преобразуется в два вида импульс­ных сигналов с частотной модуляцией. Один из них — две последовательности импульсов F₁ и F₂, поступаю­щих на одноименные выводы ИМС со сдвигом во вре­мени и предназначенных для питания шагового двига­теля электромеханического индикатора. Указанный индикатор является одновременно интегратором час­тоты следования импульсов F_1,2, пропорциональной потребляемой мощности. Результат интегрирования — показания индикатора, пропорциональные потребля­емой электроэнергии. Возможны четыре диапазона частот F_1,2, максимальные значения которых приведе­ны в таблице. Выбор диапазона определяется двух­битовой командой, подаваемой на выводы S0 и S1 (рис. 1).

Рис. 2. Схемы цепей подключения двух датчиков тока к ИМС ADE7760/1 (а) и автоматического их переключения с выдачей сигнала FAULT (б)

Другой вид импульсного сигнала — это последова­тельность импульсов CF (на одноименном выводе микросхемы, рис. 1). Возможны три диапазона частот F_CF, задаваемые кодом на выводе SCF (в зависимости от кода на выводах S0 и S1). Импульсы CF имеют бо­лее высокую частоту следования и предназначены для дистанционной передачи данных об измеряемой мощности, а также для калибровки микросхемы. От­метим, что благодаря повышенной частоте F_CF в сиг­нале могут учитываться более быстрые изменения то­ка нагрузки (по сравнению с последовательностью F1, F2). В отличие от ИМС ADE7751, в ИМС ADE7760 до­полнительно предусмотрен более высокочастотный диапазон F_CF, верхняя частота которого равна 5.57 кГц (см. таблицу).

Как и ADE7751, ИМС ADE7760 содержит цепь триг­герного типа, управляющую питанием ИМС (Power Supply Monitor), и источник опорного напряжения 2.4 В. Питание отключается, если его напряжение снижает­ся до 4 В (±5 %). Указанная цепь обладает свойствами гистерезиса и фильтрации, в связи с чем питание ИМС устойчиво при воздействии на цепь шумовой по­мехи. К выводу «REF_IN/OUT» может быть подключен внешний опорный источник с низким выходным со­противлением. При его подключении внутренний ис­точник блокируется благодаря резистору 4 кОм, включенному последовательно с его выходом (рис. 1). Кроме того, с вывода «REF_IN/OUT» можно снимать на­пряжение внутреннего источника и использовать его для внешних цепей.

ИМС ADE7760 дополнительно содержит, в отличие от ИМС ADE7751, внутренний генератор тактовой час­тоты, причем номинальное ее значение равно 450 кГц. Между выводами «RCLKIN» и «DGND» включается ре­зистор, определяющий частоту генератора. Частоте 450 кГц соответствует сопротивление резистора 6.2 кОм, причем зависимость частоты от величины сопротивления достаточно точная. Поэтому и в связи с тем, что частоты F_{1, 2} и F_CF пропорциональны такто­вой частоте, резистор должен быть высокоточным и стабильным.

Обычный режим для ИМС ADE7760 — это измерение по­ложительной активной, т. е. потребляемой, мощности. Но бывают случаи, когда, напри­мер, электродвигатель на­грузки переходит в режим ге­нератора, и «потребляемая» мощность становится отри­цательной. ИМС ADE7760 также будет ее измерять, но при этом на выводе «REVP» вместо «0» появится логичес­кий уровень «1» сигнала ин­дикации.

Параметры ИМС ADE7760, вместе с параметрами ADE7751 (для сравнения), приведены в таблице.

Микросхема ADE7761. ИМС ADE7761 [4] являет­ся развитием ADE7760. ИМС ADE7761 дополнена весьма существенным новшеством. В ИМС обеспечи­вается измерение мощности даже в случае наруше­ния целостности нейтрального провода (режим «Miss­ing Neutral»). При этом имитируется канал измерения напряжения и обеспечивается питание ИМС от токо­несущего провода, т. е. искусственно дублируются цепи, связанные с нейтральным проводом. Структур­ная схема ADE7761 приведена на рис. 3.

Дополнительными устройствами ADE7761 являют­ся:

• детектор отсутствия сигнала на выходе канала из­мерения напряжения («MissingNeutralDetection» на рис. 3). При нарушении цепи нейтрального про­вода сигнал на выходе АЦП указанного канала бу­дет отсутствовать, а с выхода детектора поступит команда на включение канала имитации. Канал имитации будет включен, если пиковое значение напряжения на входе канала измерения снизится до ±59.4 мВ, что составляет 9 % от номинального напряжения ±660 мВ;
• канал имитации сигнала напряжения, содержащий формирователь «прямоугольного колебания» ста­бильной амплитуды («ZeroCrossingDetection» на рис. 3), цепь калибровки и переключатель на выхо­де канала. «Прямоугольное колебание» представля­ет собой два периодически коммутируемых значе­ния цифрового кода. Фронты «колебания» форми­руются в точках пересечения «нуля» выходным сиг­налом канала измерения тока. Частота «колебания» определяется, соответственно, частотой сети, а уровень не зависит от величины измеряемого тока.

Рис. 3. Структурная схема ИМС ADE7761

Цепь калибровки содержит: АЦП, аналогичный другим АЦП микросхемы и управляемый от общего генератора тактовой частоты, формирователь кода постоянного множителя калибровки («Missing Neutral Gain Adjust» на рис. 3) и перемножитель. Калибровка осуществляется при установке на выводе «MISCAL», к которому подключен АЦП цепи калибровки, постоян­ного напряжения требуемого уровня. Максимальный уровень напряжения калибровки равен +660 мВ.

Входы перемножителя подключены к выходам формирователей «прямоугольного колебания» и кода постоянного множителя. В перемножителе осуще­ствляется умножение коммутируемых кодов форми­руемого «колебания» на код постоянного множителя. В результате, на его выходе — последовательность коммутируемых кодов, разность значений которых (размах «колебания») пропорциональна напряжению калибровки и при этом соответствует напряжению контролируемой сети или его номинальному (макси­мальному) значению. Далее формируемое (имитиру­емое) «колебание» поступает через переключатель, управляемый детектором «отсутствия реального сиг­нала напряжения», в цепь вычисления мощности.

Помимо имитации канала измерения напряжения, в ИМС ADE7761 обеспечивается формирование на­пряжения питания, если нейтральный провод отключен. Используется дополни­тельный трансформатор тока (специально для питания ИМС) с двумя первичными «обмотками», образованными фазным и нейтральным про­водами. Если цепь нейтраль­ного провода не имеет по­вреждения, потоки в сердеч­нике, создаваемые двумя то­ками, компенсируются, и на нагрузке трансформатора от­сутствует напряжение. Если в нейтральном проводе ток от­сутствует, напряжение, воз­никающее на выходе транс­форматора, подается на до­полнительный источник пита­ния, являющийся его нагруз­кой. Оба источника питания, основной и дополнительный, имеют общий выход с одним и тем же накопительным кон­денсатором C18, как показа­но на рис. 4.

Итак, в ИМС ADE7761 осу­ществляется максимальная защита от нарушителей, пы­тающихся «обойти» счетчик. В ней, во-первых, как и в ИМС ADE7751 и ADE7760, обеспечивается измерение тока в автоматически выбирае­мом фазном или нейтральном проводе и, во-вторых, обеспечивается выполнение счетчиком своих функ­ций при нарушении целостности цепи нейтрального провода.

Параметры ИМС ADE7761 приведены в таблице. Поскольку ИМС ADE7761 является новой, а ее Data Sheet [4] — предварительной, возможны уточнения ее параметров.

Рис. 4. Схема включения ADE7761 в составе счетчика электроэнергии

На рис. 4 приведена схема включения ИМС ADE7761 в составе счетчика электроэнергии [8]. Пока­заны два измерительных трансформатора тока CT1 и CT2, подключенных к фазному и нейтральному прово­дам контролируемой сети. Их вторичные обмотки под­ключены к выводам K1 и K2 печатной платы счетчика. Резистивный датчик напряжения (CALHIGH) подключен к сети через фильтр, состоящий из дросселя Z1 и кон­денсатора (последний на схеме не показан). Источник питания счетчика содержит два выпрямительных уст­ройства, одно из которых через указанный фильтр под­ключено, как обычно, к обоим проводам сети (через выводы K3 и K4), а второе — к трансформатору тока CT3 с двумя первичными обмотками (через выводы K10 и K11). Диод D3 обеспечивает запирание первого устройства, если его выходное напряжение станет ниже напряжения второго. В свою очередь, диодный выпря­мительный мост дополнительно выполняет ту же функ­цию, если первое устройство функционирует нормаль­но. На выходе источника питания, после накопительно­го конденсатора C18, включен стабилизатор напряже­ния ADP3330 фирмы Analog Devices [9].

Выводы F1 и F2 ИМС подключены к электромеха­ническому индикатору с шаговым двигателем, а вы­вод CF — к оптрону PS2501 с транзисторным выходом. К выводам FAULT и REVP подключены светодиоды HLMPD150, индицирующие наличие на них уровня «1». Светодиод того же типа включен последовательно с диодным входом PS2501 для индикации сигнала на выводе CF. Счетчик содержит включатели PGA, J11, J12 и J13, через которые на выводы PGA, S0, S1 и SCF могут быть поданы напряжения с уровнем «1» для уп­равления ИМС. Потенциометр, подключенный к выво­дам REF и MISCAL, предназначен для калибровки ка­нала имитации ИМС.

Параметры микросхем для однофазных счетчиков с измерением тока в фазном и нейтральном проводах

Дополнительную информацию об ИМС для счет­чиков электроэнергии можно получить в офисе НПФ VD MAIS, являющейся авторизованным дистрибьюто­ром фирмы Analog Devices в Украине, а также на ее Web-сайте по адресу: www.vdmais.kiev.ua