Повсеместное распространение электронных счетчиков энергии в течение последних нескольких лет связывают, прежде всего, с развитием микроконтроллерных технологий и, как следствие, появлением новых семейств высокопроизводительных контроллеров с расширенной периферией и сверхнизкой ценой.

Современные микроконтроллеры позволяют строить цифровые решения в области измерения электроэнергии. Они сравнимы с традиционными электромеханическими счетчиками по цене, но отличаются от них повышенной точностью, соответствием международной спецификации IEC 1036 класса 1 и возможностью реализации дополнительных функций. К последним относятся измерение действующих значений напряжения и тока, вывод информации на дисплей, сохранение измерений в энергонезависимой памяти данных и т.д.

Компания Microchip Technology Inc., ведущий мировой производитель микроконтроллеров и интерфейсных микросхем, предлагает инженерам и специалистам квалифицированную техническую поддержку и законченные решения в области дизайна счетчиков энергии, отвечающие современным требованиям рынка (рис. 1). Это микросхемы измерения электроэнергии (MCP3905A, MCP3905L, MCP3906A, MCP3909), PIC микроконтроллеры и контроллеры DSP dsPIC для построения счетчиков, энергонезависимая память EEPROM, интерфейсные микросхемы для передачи данных в сеть или на сервер, а также готовый дизайн трехфазного счетчика на основе микросхемы MCP3909 и контроллера PIC18F2520.

Рис. 1. Обобщенная схема счетчиков электроэнергии

Микросхемы измерения энергии Microchip семейства MCP3905A/05L/06A предназначены для применения в бытовых и промышленных счетчиках электроэнергии. Семейство микросхем с литерой «А» является продолжением семейства MCP3905/06 и отличается улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости. MCP3905L имеет уменьшенную длительность импульса выхода телеметрии и драйверов механического отсчетного устройства. Это позволяет значительно снизить собственное потребление счетчика.

В таблице 1 приведены микросхемы измерения электроэнергии, запущенные Microchip в массовое производство за последний год.

Таблица 1. Микросхемы MCP390x для построения счетчиков электроэнергии

Основные особенности микросхем МСР390х

• соответствие спецификации IEC 62053;
• выход для прямого подключения механического отсчетного устройства;
• высокочастотный выход частоты, пропорциональной мгновенному значению потребляемой мощности;
• программируемые усилители с фиксированным коэффициентом на каждом канале, предназначенные для использования с низкоомными токовыми шунтами;
• два 16-битных дельта-сигма АЦП (каналы напряжения и тока);
• типовая ошибка измерения - 0,1%.

Структурная схема микросхем измерения электроэнергии MCP390x приведена на рис. 2:

Рис. 2. Структурная схема MCP3905A/L/06A

Микросхема MCP3909 имеет интерфейс SPI, через который доступны результаты преобразований по каналам напряжения и тока, что позволяет измерять RMS напряжения, активную и полную мощность.

Микросхемы MCP390x соответствуют международной спецификации IEC 62053, имеют частотный выход, пропорциональный значению средней мощности F_OTU0 и F_OUT1, высокочастотный выход частоты HF_OUT, пропорциональной мгновенному значению потребляемой мощности (рис. 3):

Рис. 3. Диаграмма низкочастотного и высокочастотного выходов MCP390x

MCP3905L имеют уменьшенную длительность импульса выхода калибровочной частоты и механического отсчетного устройства для проектирования счетчиков малой мощности.

MCP390x содержат два 16-битных дельта-сигма АЦП (каналы напряжения и тока) со встроенным источником опорного напряжения на 2,4 В и сверхнизким температурным коэффициентом <15 ppm/°C, встроенный блок DSP для вычисления активной мощности, модуль сброса POR (Power-on reset) для удержания микросхемы в сброшенном состоянии на малых напряжениях.

Оба входных канала напряжения и тока (CH0, CH1) имеют на входе усилители с задаваемым коэффициентом усиления PGA и два 16-битных дельта-сигма АЦП, преобразующих входной сигнал в цифровой, пропорциональный значению MCLK/4.

Рекомендации по выбору коэффициента усиления PGA в зависимости от типа используемого шунта, его номинала и требований к потреблению приводятся в документации на микросхемы и в примерах применения (AN994, AN939).

Активная мощность представляет собой постоянную составляющую сигнала мгновенной мощности. Таким образом, значение активной мощности получается фильтрацией ФНЧ мгновенного сигнала.

Преобразователь цифрового сигнала в импульсы преобразует активную мощность в импульсы на своем выходе с частотой, пропорциональной среднему значению действительной мощности. Таким образом, полученный низкочастотный сигнал на выходах F_OUT0 и F_OUT1 можно использовать для непосредственного подключения механического отсчетного устройства. Каждый импульс соответствует фиксированному количеству потребленной активной мощности. Эта пропорциональность устанавливается логическими уровнями на входах F2, F1, F0.

Выход HF_OUT - высокочастотный выход, пропорциональный мгновенному значению потребляемой мощности.

Частота на выходе Fout может быть найдена из выражения (1),

               (1)

где: V0 - среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH0;

V1 - среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH1;

G - коэффициент усиления PGA канал CH0 (канал тока);

Fc - частотная константа;

Vref - опорное напряжение.

При этом если на входе мы измеряем постоянное напряжение, постоянное и действующее значение будут одинаковы. Если же входной сигнал синусоидальный, активное значение будет вычисляться как V/sqrt(2). Константа Fc зависит от настроек выходов F_OUT1 и F_OUT2.

Высокочастотный выход HFout имеет меньший период интегрирования. Сигнал на этом выходе определяется из уравнения (2),

    (2)

где:

V0 - среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH0;

V1 - среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH1;

G - коэффициент усиления PGA канал CH0 (канал тока);

НFc - частотная константа;

Vref - опорное напряжение.

Константа HFc зависит от настроек выходов F_OUT1 и F_OUT2.

Аналоговые входы MCP390x могут подключаться непосредственно к преобразователям напряжения и тока (токовым шунтам и трансформаторам). Каждый канал имеет встроенную защиту и допускает подачу напряжения ±6 В.

Оба входных канала полностью дифференциальные для эффективного подавления шумов. Абсолютное значение напряжение на каждом из входов во время измерения должно быть в пределах ±1 В, чтобы обеспечить необходимую точность измерений. Синфазные сигналы должны быть подтянуты ко входу AGND.

Каждый из каналов содержит PGA для измерения малых сигналов без дополнительной обработки. Максимальное дифференциальное напряжение канала CH0 ±470 мВ/Кус. Задание коэффициента усиление осуществляется логическими уровнями на входах G0, G1.

Помимо отдельных микросхем измерения энергии компания Microchip предлагает разработчикам и производителям счетчиков готовый дизайн 3-фазного счетчика на основе микросхемы измерения энергии МСР3909 и контроллера PIC18F2520 (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид трехфазного счетчика на основе микросхемы МСР3909 и контроллера PIC18F2520

Основные особенности готового дизайна

• Полностью функциональный 3-фазный счетчик;
• Импульсный выход, пропорциональной активной энергии, выход активной мощности, действующего значения тока и напряжения;
• 62 выходных регистров с последовательным доступом, накапливающие значения измеренной мощности во Flash-памяти;
• 54 калибровочных регистра, обеспечивающие сдвиг, корректировку коэффициента усиления, фазы, МЗР и регистрацию во Flash-память;
• Высокоточный встроенный в МСР3909 16-битный АЦП, 128 выборок за цикл;
• Простые для понимания команды записи калибровочных регистров в EEPROM;
• 64-разрядный регистр для накопления активной энергии;
• Одноточечная калибровка нелинейности для токового трансформатора;
• Многоточечная калибровка (поддержка в скором будущем);
• Измеренное значение активной мощности доступно по USB-шине в реальном масштабе времени;
• Автоматизированная калибровка с помощью программной утилиты;
• Соответствие стандарту IEC;
• Работа под ОС Windows^®2000, Windows^®XP.

Рис. 5. Функциональная схема 3-фазного счетчика

В заключение стоит отметить, что компания Microchip, предлагает разработчикам и инженерам, занимающимся проблемами автоматизированного измерения как готовые дешевые схемы измерения энергии МСР390х, отвечающие международным стандартам IEC для дизайна простейших счетчиков, так и контроллеры PIC для построения более сложных счетчиков энергии, с индикацией, многотарифных счетчиков, счетчиков с записью данных в EEPROM и т.д.

Подробная информация о имеющихся решениях в области построения счетчиков, примеры кода программ, готовый дизайн 3-фазного счетчика, рекомендуемые контроллеры PIC и DSP-контроллеры dsPIC доступны на сайте Microchip по прямой ссылке: www.microchip.com/meter.

Центр Технической поддержки Microchip в России проводит семинары по новинкам, осуществляет поддержку и консультацию разработчиков, в том числе, и в области энергометрии.

По вопросам технической консультации, получения образцов микросхем под разработку, Вы можете обратиться к специалистам Технического Центра по телефонам +7 (812) 325-5115 или электронной почте: sale@gamma.spb.ru.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка -
e-mail: analog.vesti@compel.ru