Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2012
Prasad Dhond, Texas Instruments
Введение
Бытовые системы технического учета электроэнергии, такие как интеллектуальные сетевые розетки и электросчетчики, позволяют пользователям следить за потребляемой мощностью и контролировать ее расход. Подобные системы помогают оптимизировать потребление энергии и в серверных залах IT отделов крупных компаний. При проектировании средств технического учета важную роль в определении общей стоимости и сложности системы играет выбор датчиков, аналоговых элементов предварительной обработки (AFE – Analog Front End) и микроконтроллеров (МК). Удачный выбор упростит разработку и снизит стоимость изделия в массовом производстве. При этом основными требованиями приложений являются надежность измерения и вывод информации о расходе электроэнергии. Ниже обсуждаются особенности микросхем MSP430AFE2xx [1] и преимущества их использования в приложениях измерения энергии. Хотя микросхемы могут с успехом применяться и в коммерческих приборах учета коммунальных служб, в контексте этой статьи будут рассматриваться только технические средства учета для бытовых нужд и серверных залов.
 |
|
| Рисунок 1. | Оценочный набор MSP430 Energy Watchdog [2] в виде розетки. |
Функции счетчика электроэнергии
Приборы технического учета могут выпускаться в форме «интеллектуальных» сетевых розеток (Рисунок 1), или могут быть интегрированы в различное оборудование (Рисунок 2) или сервер. В любом случае, счетчик технического учета выполняет следующие функции:
- В реальном времени измеряет электроэнергию, расходуемую оборудованием.
- Предоставляет пользователю отчет о расходе электроэнергии. Это делается либо с помощью ЖК дисплея самого счетчика, либо посылкой информации на удаленный терминал по радиоканалу WiFi или ZigBee, либо с помощью средств проводных коммуникаций, таких, как COM порт или PLC (Power Line Communication – передача по силовой сети).
- В некоторых случаях счетчик технического учета способен регулировать потребляемую мощность. Например, отключать оборудование в часы пиковой нагрузки или обеспечивать удаленное управление и мониторинг.
 |
|
| Рисунок 2. | Блок-схема системы учета электроэнергии. |
Элементы схемы измерения электроэнергии
Для построения системы измерения расхода электроэнергии нужны датчики тока и напряжения, AFE для усиления и постобработки сигналов датчиков, а также МК для выполнения расчетов. Результаты вычислений могут отображаться на ЖК-индикаторе или, как показано на Рисунке 2, по последовательной шине отправляться на другое устройство, предназначенное для беспроводной передачи данных.
Мощность – это произведение мгновенных значений тока и напряжения. В формуле ниже показано, что расход активной электроэнергии равен сумме накопленных мгновенных значений мощности, выраженной в кВт×час:
где
VSAMP – выборка напряжения,
ISAMP – выборка тока,
N – количество выборок.
При измерении расхода электроэнергии, в первую очередь, датчиками напряжения и тока измеряют сетевое напряжение и ток нагрузки, соответственно.
Выбор датчиков тока и напряжения
В счетчиках технического учета в качестве датчика напряжения может использоваться простой резистивный делитель. Сопротивления резисторов выбираются таким образом, чтобы «привести» напряжение сети (обычно 230 В или 120 В) к входному диапазону напряжений аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Схема резистивного делителя, показанная на Рисунке 3, может использоваться для снижения напряжения сети 230 В до 350 мВ с.к.з. При этом амплитудное значение напряжения на входе АЦП будет равно 495 мВ [3]. Для каждого типа резисторов указывается допустимое напряжение, превышение которого может стать причиной поверхностного разряда по корпусу. Поэтому при использовании стандартных резисторов вместо одного резистора сопротивлением 1 МОм последовательно включают три (R1, R2 и R3). Как альтернативу делителю можно использовать трансформатор напряжения, который наряду с преобразованием уровней обеспечивает гальваническую развязку от сети питания. Но трансформаторы намного дороже дискретных резисторов.
 |
|
| Рисунок 3. | Схема датчика напряжения для микросхемы MSP430AFE2xx. |
Выбор датчика тока зависит от вида входящей сети. В США такое бытовое оборудование, как холодильники и стиральные машины, питается от однофазной сети с напряжением 120 В, а мощное оборудование, к которому относятся, в частности, сушилки для одежды и электрические плиты, питается от сети с расщепленной фазой напряжением 240 В. В однофазных приложениях для измерения тока можно использовать падение напряжения на низкоомном шунтирующем резисторе, включенном в цепь нейтрали (Рисунок 4). Величина сопротивления шунта зависит от диапазона токов нагрузки, коэффициента усиления операционного усилителя (ОУ) перед АЦП и мощностью, рассеиваемой на резисторе. Шунтирующие резисторы удобны для применения и недороги, но не обеспечивают электрической изоляции от сети. Для сети 240 В с расщепленной фазой, к которой подключаются сушилки и плиты, нужно использовать трансформаторы тока в каждой фазе. Трансформаторы тока обеспечивают необходимую электрическую изоляцию, но стоят намного дороже шунтов.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема датчика тока для микросхемы MSP430AFE2xx. |
Прежде чем сигналы с датчиков поступят на АЦП, они должны пройти через пассивную согласующую схему, содержащую фильтр для устранения широкополосного шума и наводок, которые могут исказить результаты измерений. Для однофазных устройств, таких, как холодильники, нужны два АЦП, по одному для измерения напряжения и тока. Для сушилок и кухонных плит потребуются четыре АЦП, измеряющие два тока и два напряжения. Для получения точных результатов должны использоваться АЦП с разрешением от 16 до 24 бит с одновременной выборкой по всем каналам.
Измерение расхода электроэнергии
Вычисление потребляемой мощности производится по каждой выборке тока и напряжения, полученной от АЦП. Как видно из приведенных ниже формул, для подсчета активной, реактивной и полной энергии потребуется МК с математическими библиотеками, содержащими, в частности, функции извлечения квадратного корня, возведения в квадрат и деления.
где
VSAMP – выборка напряжения,
ISAMP – выборка тока,
N – количество выборок.
Как только результаты измерений были пересчитаны, значение текущего потребления электроэнергии можно вывести на ЖКИ самого счетчика или отправить на удаленный терминал. МК могут иметь встроенный драйвер ЖКИ или подключаться к модулю беспроводной связи по последовательному интерфейсу. Если используются неизолированные датчики, такие как токовые шунты и делители напряжения, или если AFE и МК гальванически cвязаны c сетью, очень важно изолировать любые соединения с другими устройствами и системами, поскольку уровни рабочих напряжений могут существенно отличаться. Для этого подойдут оптопары или цифровые изоляторы с емкостным барьером.
Система учета электроэнергии на маломощных компонентах может питаться от простых емкостных источников. Однако емкостные источники маломощны и не могут отдавать ток в количестве, достаточном для питания радиочастотных трансиверов. Для питания модулей WiFi и ZigBee дополнительно понадобится источник с постоянным напряжением и мощностью, необходимой модулям при передаче информации. Это может трансформаторный или импульсный источник питания.
Калибровка
Вследствие отклонения характеристик компонентов и датчиков от номинальных значений показания различных счетчиков могут не совпадать. Коммерческие счетчики электроэнергии имеют строгий класс точности, что требует обязательной калибровки каждого счетчика из-за разброса параметров элементов. Однако к бытовым приборам технического учета, таким как интеллектуальные розетки и бытовые электросчетчики, предъявляются менее жесткие требования, так как результаты измерений индикативны и не используются для финансовых расчетов. Калибровочные константы могут быть определены еще при разработке устройства и записаны в Flash память каждого МК, исключив, таким образом, необходимость калибровки каждого прибора на этапе производства. Считается, что такой подход может обеспечить точность лучше 3%. Этого вполне достаточно для большинства приложений счетчиков технического учета, а значит, на калибровке при производстве приборов можно существенно сэкономить.
Микросхема измерителя энергии MSP430AFE2xx
В корпус микросхемы MSP430AFE2xx (Рисунок 5) интегрированы несколько 24-битных сигма-дельта АЦП, ОУ с программируемым коэффициентом усиления и 16-разрядный МК. Функционал устройства дополняется библиотекой программ MSP430 MCU Energy Library [4] для расчетов расхода электроэнергии.
 |
|
| Рисунок 5. | Особенности внутренней структуры микросхемы измерителя мощности MSP430AFE2xx. |
Используя микросхему измерителя мощности MSP430AFE2xx разработчики получают следующие возможности и преимущества:
Высокий уровень интеграции
MSP430AFE2xx содержит необходимые для измерения потребляемой мощности АЦП и МК. Это дает возможность создавать недорогие и компактные счетчики технического учета с минимальным количеством компонентов. При необходимости, помимо обслуживания измерений, встроенный МК может использоваться для выполнения других несложных приложений.
Несколько 24-битных сигма-дельта АЦП
Каждый их трех АЦП имеет дифференциальный вход с допустимым диапазоном напряжений ±500 мВ, так что сигналы с датчика тока могут подаваться непосредственно на АЦП без предварительного сдвига уровней. А способность АЦП выдерживать отрицательное напряжение до –1 В позволяет и сигнал с делителя напряжения также подавать прямо на входы.
MSP430AFE2xx содержат до трех сигма-дельта АЦП с разрешением 24 разряда. Эти АЦП в широком диапазоне токов нагрузки могут обеспечить класс точности не ниже 0.1, достаточный для приборов коммерческого учета. Возможность одновременной выборки всеми АЦП устраняет задержку между измерением тока и напряжения, возникающую при последовательной выборке, что делает ненужной программную компенсацию задержки.
Низкое энергопотребление
MSP430AFE2xx – микросхемы с низким энергопотреблением, что важно для дешевых устройств с емкостными источниками питания.
Готовая библиотека подпрограмм
В библиотеку MSP430 MCU Energy Library включен готовый исходный код от TI для вычисления расхода электроэнергии.
Основное преимущество решений на базе MSP430AFE2xx заключается в его гибкости, предоставляющей разработчику системы инструменты программного конфигурирования микросхемы под нужды конкретного приложения. Например, можно реализовать нестандартный коммуникационный протокол передачи данных о потребленной электроэнергии на ПК или удаленный терминал. Еще одно преимущество программно-конфигурируемой измерительной микросхемы – это отсутствие необходимости калибровки при производстве счетчиков электроэнергии.
Последовательные интерфейсы и порты ввода/вывода
Микросхема MSP430AFE2xx позволяет отправлять данные о расходе электроэнергии по стандартным последовательным интерфейсам, таким, как UART или SPI. Входы/выходы общего назначения дополнительно могут использоваться для подключения ЖКИ, управления светодиодами и кнопочного ввода информации.
Выводы
Недорогие компоненты для измерения расхода электроэнергии играют важную роль в распространении интеллектуальных розеток, бытовых счетчиков и серверов. Микросхема MSP430AFE2xx в одном корпусе содержит все ключевые элементы для измерения потребляемой мощности. Она включает ОУ с программируемыми коэффициентами усиления, АЦП и МК с последовательными интерфейсами для взаимодействия с другими устройствами. К MSP430AFE2xx могут подключаться недорогие первичные датчики, такие как резисторные шунты и делители напряжения, что позволяет обходиться минимальным количеством внешних пассивных компонентов. Ультранизкое энергопотребление микроконтроллеров семейства MSP430 дает возможность использовать для питания MSP430AFE2xx емкостные источники. Поскольку микросхема конфигурируется программно, появляется возможность работать с нестандартными коммуникационными протоколами. Наконец, единожды откалибровав счетчик при разработке, калибровочные коэффициенты можно просто записывать в MSP430AFE2xx во время производства. Это обеспечит точность учета электроэнергии не хуже 3% и в целом снизит расходы на массовый выпуск счетчиков.
Ссылки
