В. Голуб

Электронные счетчики электроэнергии

В статье описываются современные электронные (статические) счётчики электроэнергии и компоненты для них. В зависимости от построения и используемых компонентов, счётчики измеряют: активную, реактивную и полную мощности; энергию, соответствующую указанным мощностям; параметры напряжения сети и тока нагрузки. Электронные счётчики обеспечивают высокую точность измерений в соответствии с международными (IEC) и межгосударственными (ГОСТ) стандартами и выполняют ряд дополнительных функций. В счётчиках используются современные достижения микроэлектроники и цифровые методы обработки сигналов.

На смену электромеханическим счётчикам индукционного типа, широко используемым в сетях переменного тока, приходят электронные (статические) счётчики, которые строятся на основе достижений микроэлектроники и смежных областей [1-3]. Новые счётчики компактны, надёжны, обеспечивают более высокую точность измерений (классы точности 0,2 S и 0,5 S) и, кроме того, обладают дополнительными функциями. Счётчики способны работать в широком диапазоне частот, начиная от 0 Гц, то есть не только в цепях переменного (разных частот), но и постоянного тока.

Основной составной частью счётчиков являются измерительные микросхемы, производимые фирмами Analog Devices [4-8], SAMES [4,9] и другими. Analog Devices выпускает микросхемы (ИС) серии AD775x/ADE775x. Наряду с выпуском, фирма совершенствует существующие и разрабатывает новые ИС, обладающие дополнительными функциями, повышенными точностью и экономичностью. Можно считать, что происходит процесс становления современных счётчиков электроэнергии. Расширенная серия фирмы Analog Devices, с учётом новых ИС, - это AD775x/ADE775x/ADE773x. Отметим, что серия AD77xx, в составе которой ИС AD775x, представляет собой микросхемы АЦП, то есть ИС счётчиков "произошли" от используемых в них АЦП. Для отличия в обозначения ИС счётчиков впоследствии была добавлена буква "E" (energy): ADE775x/ADE773x.

В статье рассмотрены вопросы измерения и вычисления мощности и энергии, особенности применения датчиков тока и напряжения, рассмотрены измерительные микросхемы и другие компоненты.

Основные соотношения

Полная (кажущаяся, apparent) мощность, развиваемая в нагрузке двухпроводной цепи переменного тока, равна

P = UI/2 = U_эффI_эфф(ВА), (1)

где U и I - амплитуды напряжения и тока, а и - их эффективные значения. Полная мощность является геометрической суммой двух составляющих — активной и реактивной мощностей, равных соответственно

P_a = Pcos(Вт); (2)

P_r = Psin(ВАр), (3)

где - фазовый сдвиг между напряжением и током. Мощность P_a развивается на активной части нагрузки, потребляющей энергию, а P_r - на реактивной (индуктивной или емкостной). При наличии реактивной мощности угол сдвига фаз может быть в пределах -90° < < 90°, где отрицательные значения соответствуют емкостному характеру нагрузки, а положительные - индуктивному.

В некоторых случаях ток нагрузки становится отрицательным, а нагрузка, соответственно, перестаёт быть нагрузкой и становится источником. Примером может быть электродвигатель, который при определённых условиях его использования работает как электрогенератор. Для "отрицательных нагрузок" угол сдвига фаз находится в пределах 90° < < 270°, где 270° соответствует углу -90°. "Отрицательное потребление" также может быть измерено при помощи ИС.

При перемножении функций напряжения u(t) = Ucost и тока i(t) = Icos(t – ) получают функцию активной мощности

p_a(t) = P_a + Pcos(2t – ), (4)

содержащую функции P_a (2) и переменной составляющей удвоенной частоты. Подобно мгновенным напряжению u(t) и току i(t), мощность p_a(t) называют мгновенной (instantaneous), тогда как P_a является средней (average) активной мощностью.

В соответствии с выражением (4), для определения P_a в измерительных ИС производят перемножение функций, представляемых в виде электрических сигналов датчиков, после чего производят низкочастотную фильтрацию, подавляющую переменную составляющую. Затем производят интегрирование и получают значение потребляемой энергии (в ватт-часах). Интегратором может служить внешне подключаемый к ИС электромеханический индикатор, содержащий шаговый двигатель. Двигатель питается импульсами с выхода ИС, частота следования которых пропорциональна P_a.

Для измерения реактивной мощности вводят дополнительный фазовый сдвиг 90° между функциями напряжения и тока. В остальном измерение реактивной мощности аналогично измерению активной: перемножают функции напряжения и тока (с указанным сдвигом 90°) и получают функцию реактивной мощности (её мгновенных значений) p_r(t), аналогичную p_a(t) (4); затем функцию p_r(t) фильтруют и получают величину, пропорциональную P_r (3) - средней реактивной мощности.

Для трёхфазных нагрузок в четырёхпроводной сети (с нейтральным проводом) мощность определяется суммой её составляющих в трёх фазах - "A", "B", "C". Каждая из составляющих определяется при перемножении: u_A(t)i_A(t), u_B(t)i_B(t) и u_C(t)i_C(t). Для трёхфазной трёхпроводной сети (без нейтрального провода) мощность может быть определена как сумма двух составляющих в следующем сочетании напряжений и токов: u_AC(t)i_A(t) и u_BC(t)i_B(t), где u_AC(t), u_BC(t) - линейные напряжения, а i_A(t) и i_B(t) - фазные токи.

Электронные счетчики с частотным выходом и электромеханическим индикатором

В простейшем случае счётчики используются для измерения активной мощности и потребляемой электроэнергии, являющейся интегралом от активной мощности. На рис. 1 приведена схема такого счётчика, предназначенного для однофазной цепи (как части многофазной сети переменного тока). За основу для описания взяты счётчики фирмы Analog Devices [5-8].

Рисунок 1. Структурная схема счётчика электроэнергии с выходными преобразователями F1/F2 и CF (знаками "+" и "–" показана фазировка входных цепей)

В составе счётчика:

• датчики напряжения "Дат. U" и тока "Дат. I", измеряющие напряжение сети и ток нагрузки;
• измерительная микросхема, в которой производится усиление и аналого-цифровое преобразование сигналов датчиков, их перемножение и фильтрация (в цифровом виде). Полученный сигнал, пропорциональный измеряемой мощности, преобразуется в выходной сигнал, удобный для использования;
• устройства, обеспечивающие интегрирование, дальнейшее преобразование, индикацию и передачу результатов измерений.

Простейшими датчиками напряжения и тока являются прецизионные резистивные датчики - делитель напряжения (Дат. U) и токовый шунт (Дат. I). Делитель - с высокоомным входом и низкоомным выходом. Для счётчика, например, ADE7755 [7] рекомендуется делитель с входным резистором 760 кОм, выходным 500 Ом и потенциометром 500 Ом (для точной настройки), включенным между ними. Выходное напряжение выставляется равным 218 мВ при напряжении сети 220 В. Для той же цепи с током нагрузки 5 А рекомендуется шунт с R_ш = 400 мкОм и, соответственно, с напряжением на нём 2 мВ.

Делитель включен между двумя проводами контролируемой цепи, а шунт — в цепь фазного провода (рис. 1). Указанное включение шунта снижает возможность несанкционированного потребления электроэнергии мимо счётчика. Включение датчиков имеет две особенности. Место включения шунта является причиной того, что общий провод счётчика подключен к фазному проводу. Соответственно, электрическая часть счётчика находится под высоким напряжением сети, и её располагают в корпусе, обеспечивающем изоляцию от внешней среды. Выходные цепи также изолированы, но об этом сказано ниже.

Вторая особенность связана с подключением шунта — со стороны нагрузки, как показано на рис. 1, или со стороны сети по отношению к общему проводу счётчика. В первом случае, датчик напряжения подключен к контролируемой цепи до датчика тока, и последний не учитывает его потребление. Возможно подключение датчика тока со стороны сети (выше линии общего провода на рис. 1). В этом случае потребление датчика напряжения будет учитываться, но потери мощности в шунте будут без учёта. Это общий вопрос для любых измерителей мощности (ваттметров, индукционных и электронных счётчиков и так далее). Выбор схемы включения зависит, в частности, от того, какой датчик сколько потребляет. Обычно потребление датчиками, а также падение напряжения на датчике тока (например, указанные выше 2 мВ) незначительны, и поэтому в [6-8] можно встретить как одно, так и другое включение. Отметим, что для приведённых выше данных резистивных датчиков максимальная потребляемая ими мощность составляет 10 мВт (Дат. I) и 63,5 мВт (Дат. U).

При подключении датчиков следует также обращать внимание на фазировку их выходных сигналов. На рис. 1 фазировка условно показана при помощи символов "+" и "–". Оба сигнала датчиков (рис. 1), имея одинаковую фазировку "–" (по отношению к фазному напряжению с "+"), после перемножения приводят к положительному значению функции P_a. Усилители, применённые на входе микросхемы, имеют дифференциальные входы, что обеспечивает возможность изменения фазировки входных сигналов усилителей.

К сказанному добавим, что для того чтобы счётчик учитывал потребление своего вторичного источника питания, его следует подключать со стороны контролируемой счётчиком нагрузки.

Между датчиками и входами усилителей ИС включаются фильтрующие RC-цепи (anti-aliasing filters), обеспечивающие низкочастотную фильтрацию, которая предшествует аналого-цифровому преобразованию в ИС. ИС имеют, как правило, два входа для сигналов обоих датчиков - U_U и U_I, причём входы, как уже сказано, - дифференциальные. Входными устройствами являются усилители с программируемыми коэффициентами усиления. Затем используются сигма-дельта АЦП [10], обеспечивающие свойственное им высокоточное аналого-цифровое преобразование сигналов. Перемножение полученных цифровых сигналов и фильтрация продуктов перемножения осуществляются в цифровых устройствах - перемножителе "x" и ФНЧ. Цифровая обработка обеспечивает высокую точность производимых вычислений. Применение цифровой обработки — это одна из существенных особенностей современных счётчиков электроэнергии.

Измерительные ИС и, соответственно, счётчики можно подразделить на две группы - с частотным выходом и цифровым. Приведённая на рис. 1 схема счётчика относится к ИС первой группы и содержит два вида выходных преобразователей - "F₁/F₂" и "CF". Первый из них - это преобразователь "цифра-частота". Цифровой сигнал с выхода ФНЧ преобразуется в две последовательности импульсов, показанные на рис. 2, - U_F1 и U_F2. Частота следования импульсов пропорциональна P_a. Длительность импульсов для большинства ИС — 275 мс [6], значения частоты следования приведены в таблице. Нагрузкой является упоминаемый выше интегрирующий электромеханический индикатор ("Инд." на рис. 1), содержащий шаговый двигатель и механическое табло, подобное используемым в счётчиках индукционного типа.

Рисунок 2. Выходные импульсы F₁/F₂ (U_F1, U_F2), их разность (UШД), подаваемая на шаговый двигатель электромеханического индикатора, и импульсы CF (U_CF)

Индикатором может быть, например, EM1PWD71R100, имеющий 7 десятичных разрядов. Младший из них - с промежуточными делениями 3,6°, каждое из которых соответствует одному периоду следования импульсов, питающих шаговый двигатель. Импульсы - знакопеременные, показанные на рис. 2, - UШД. Они определяются разностью последовательностей F₁ и F₂ микросхемы, к которой индикатор подключается двумя проводами. Выходной ток F₁ (F₂) в импульсе равен входному току F₂ (F₁) в паузе, то есть двухпроводный выход преобразователя "F₁/F₂" замыкается "на себя" через обмотку шагового двигателя. Индикатор интегрирует (накапливает) отсчёты мощности, которой пропорциональна частота следования импульсов, питающих двигатель. В результате, показания индикатора равны Вт·ч потребляемой электроэнергии. При этом счётчик обладает энергонезависимой памятью: при выключении питания показания индикатора не сбрасываются. Обмотки шагового двигателя и его выводы изолированы, а сам индикатор располагается вместе с измерительной ИС в общем корпусе.

Другим выходным преобразователем является "CF" (рис. 1). Его импульсы, показанные на рис. 2 (U_CF), типа ЧИМ, положительной полярности и с более высокой частотой следования, чем у "F₁/F₂". Для большинства ИС [6] длительность импульсов равна 90 мс. Частота следования импульсов CF, как и F₁/F₂, пропорциональна не энергии, а мощности. Преобразователь "CF", в общем случае, может быть использован не только для формирования сигнала, пропорционального мощности, но также и для получения сигналов, отображающих форму и величину напряжения сети и тока в нагрузке. Импульсы CF являются выходным электрическим сигналом, предназначенным для дистанционной передачи данных и, в частности, для контроля ИС при дистанционной настройке (программировании). Сигнал CF поступает на выход счётчика через изолирующее оптронное устройство ("Изол. на рис. 1).

Электронные счетчики с цифровым выходом и жидкокристаллическим индикатором

Как уже сказано, измерительные ИС, в зависимости от выходного сигнала, подразделяются на две группы, первая из которых рассмотрена выше. Вторая группа - это ИС с цифровым выходом и, кроме того, с дополнительными функциями, реализуемыми благодаря более широкому применению методов цифрового преобразования. В указанных ИС используются выходные данные АЦП каналов измерения напряжения и тока, а также других цифровых устройств - перемножителя и ФНЧ, аналогичных имеющимся в ИС первой группы. Кроме того, в ИС второй группы дополнительно производится вычисление энергии, причём в некоторых ИС не только активной, но и реактивной и полной. Измеряются эффективные значения напряжения сети и тока нагрузки, а также берутся отсчёты их мгновенных значений. В ИС второй группы, в отличие от первой, содержатся: блок регистров, в котором осуществляются указанные вычислительные операции; последовательный интерфейс, обеспечивающий передачу измеряемых и вычисляемых данных, а также управление ИС, в частности, их программирование. Наряду с цифровым выходом, в ИС второй группы так же, как и у ИС первой группы, есть частотный выход "CF".

В ИС второй группы определение энергии осуществляется посредством интегрирования при помощи накопительного (аккумулирующего) регистра. Интегрируются цифровые отсчёты мощности, следующие с частотой дискретизации, которая, например, для новой ИС ADE7753 [6] составляет f_д = f_т/4 ~ 0,9 МГц, где f_т = 3,58 МГц - тактовая частота. Указанное значение f_т является номинальным, возможные значения f_т - в пределах от 1 до 4 МГц. Накопительный регистр в ADE7753 - 53-разрядный, считываются данные его верхних 24 разрядов. Входные данные также имеют 24 разряда. Полный цикл счёта (для максимальных значений измеряемой мощности), являющийся циклом измерения расходуемой энергии, составляет около 100 мин. При мощности, меньшей максимальной, цикл измерения (счёта), как и в обычном индукционном счётчике, соответственно больше. Для увеличения продолжительности цикла в ADE7753 может производиться снижение уровня интегрируемых данных, поступающих на вход регистра. Снижение осуществляется при помощи 8-разрядного делителя. При этом, естественно, уменьшается разрешение: большие значения энергии измеряются с большей абсолютной, но с той же относительной ошибкой квантования. При включении указанного делителя цикл интегрирования превышает 25 000 мин., что соответствует более чем полумесячному циклу непрерывного интегрирования при максимальной мощности. Цикл интегрирования может быть дополнительно увеличен при уменьшении тактовой частоты в указанных выше пределах. По истечении цикла интегрирование продолжается с выдачей данных от нуля (как и в обычном электромеханическом счётчике).

Данные измеряемой энергии поступают обычно на жидкокристаллический индикатор (например, типа OEL-7678), используемый совместно с микроконтроллером в составе счётчика. В микроконтроллере производятся необходимые операции вычисления и преобразования, в том числе, при необходимости, интегрирование данных измеряемой мощности. Микроконтроллер должен быть снабжён энергонезависимой, внутренней или внешней памятью. К таким микроконтроллерам (с флэш-памятью) относятся, например, MSP430F4xx фирмы Texas Instruments [12] и MC68HC908xx фирмы Motorola [13]. Микроконтроллеры могут быть использованы для многотарифных расчётов, зависящих от времени суток и так далее [3]. Выходные данные ИС могут поступать в центры учёта и обработки информации (например, в Мосэнерго или Киевэнерго).

Измерительные трансформаторы - датчики напряжения и тока

Выше рассмотрены простейшие резистивные датчики. Другой класс датчиков - трансформаторные. Они сложнее резистивных, но обладают рядом преимуществ. Они более экономичны по потреблению от источника сигнала, а трансформаторы тока, кроме того, по сравнению с шунтами, работают при меньших падениях напряжения на входе. Сказанное обусловлено тем, что трансформаторы обладают свойством согласования цепей источника и нагрузки. Кроме того, они обеспечивают "негальваническую" магнитную связь между обмотками. Переключением выводов обмоток можно изменить фазировку сигнала датчика.

В качестве "Дат. U" используется понижающий трансформатор напряжения в режиме холостого хода. Благодаря указанному режиму, трансформатор теоретически не потребляет. В качестве "Дат. I" используются трансформаторные датчики двух типов:

• трансформатор тока, нагруженный на прецизионный резистор Rb(burden resistor), - с малой величиной сопротивления (при пересчёте её в первичную обмотку). Трансформатор - повышающий (по напряжению), резисторов обычно два - с выводом средней точки. Выходное напряжение, снимаемое с резистора (резисторов), пропорционально току первичной обмотки;
• дифференцирующий трансформатор "di/dt", используемый в режиме холостого хода. Выходное напряжение,являющееся ЭДС вторичной обмотки, пропорционально производной от тока первичной обмотки.

Применение трансформаторного датчика тока может сочетаться, например, с применением резистивного датчика напряжения. Возможны и другие сочетания датчиков напряжения и тока, в зависимости от технической или экономической целесообразности.

На рис. 3 приведены упрощённые (без указания собственных потерь) эквивалентные схемы трансформаторов, используемых в качестве датчиков тока. Независимой величиной для обоих рассматриваемых трансформаторов является ток I₁, подлежащий измерению. Напряжение на первичной обмотке U₁ зависит при этом как от I₁, так и от трансформатора с учётом его нагрузки, пересчитываемой в цепь первичной обмотки. Условием применения трансформаторов тока является следующее: падение напряжения на трансформаторе (на его входе) должно быть, как и для резистивного датчика (шунта), незначительным, чтобы не было влияния на контролируемую цепь. При этом потребление датчиком от контролируемой цепи также должно быть незначительным. Указанные условия в трансформаторе тока, благодаря трансформации с повышением напряжения, реализуются более успешно, чем при использовании шунта. Можно сказать, что Rb также является "шунтом", но в сочетании с повышающим (согласующим) трансформатором.

Рисунок 3. Эквивалентные схемы: а - дифференцирующего (ненагруженного) трансформатора "di/dt"; б - трансформатора тока. В обоих трансформаторах задаётся ток I₁. EM₁* и EM₁* - в тексте

На рис. 3 показаны два способа включения трансформаторов тока — в режиме холостого хода (а) и с нагрузочным резистором Rb (б). На схемах показаны L_S1, L_S2 — индуктивности рассеивания и L_M1, L_M2 - индуктивности потоко-сцепления (взаимоиндукции) обеих, первичной и вторичной, обмоток трансформатора. Отметим, что L_M2 = L_M1N², где N - коэффициент трансформации (по напряжению). Как уже сказано, оба трансформатора используются в режиме, когда ток первичной обмотки задаётся (определяется нагрузкой контролируемой цепи).

Так как трансформатор на рис. 3а используется в режиме холостого хода, он является дифференцирующим. Подчеркнём, что речь идёт о выходном напряжении U₂, которое является производной не от U₁, а от тока первичной обмотки I₁:

U₂ = E_M2 = L_M1I₁N = L₂I₁/N, (5)

где E_M2 - ЭДС взаимоиндукции вторичной обмотки (на L_M2). Входное сопротивление трансформатора, которое в режиме холостого хода равно L_S1 + L_M1 + R₁, где R₁ - сопротивление первичной обмотки (без учёта эквивалентного сопротивления потерь в сердечнике), должно быть незначительным по сравнению с сопротивлением нагрузки контролируемой цепи.

В трансформаторе на рис. 3, в его вторичной обмотке, благодаря нагрузке, протекает ток, трансформируемый из первичной обмотки. Сопротивление цепи вторичной обмотки равно L_M2 + L_S2 + R_b + R₂ (где R₂ - сопротивление вторичной обмотки), а ЭДС определяется выражением (5). При условии L_M2 > L_S2 + R_b + R₂ ток вторичной обмотки I₂ ~ I₁/N, а выходное напряжение, определяемое падением напряжения на R_b, пропорционально I₁:

U₂ = I₂R_b ~ I₁R_b/N. (6)

Выражение (6) будет тем точнее, чем меньше L_S2, R_b и R₂. Малая величина L_S2 достигается применением магнитного сердечника, обеспечивающего высокое потокосцепление обеих обмоток. Магнитный поток в сердечнике, создаваемый током первичной обмотки I₁, компенсируется противопотоком, создаваемым I₂. Трансформатор работает с результирующим магнитным потоком в сердечнике, близким к нулю, при котором

E_M2* = E_M2/[1 + L_M2/(L_S2 + R_b + R₂)] << E_M2. (7)

Сответственно, E_M1* = E_M2*/N << E_M1.

Для трансформатора тока E_M1* << E_M1 и E_M2* << E_M2 - это нормальный режим, и его сердечник можно было бы выбрать с учётом компенсированного (уменьшенного) магнитного потока, соответствующего E_M1* (E_M2*). Амплитудная характеристика датчика, в общем случае, нелинейна, что обусловлено гистерезисной кривой магнитной индукции сердечника. Для повышения линейности характеристики в трансформаторах тока используются аморфные и другие современные магнитные материалы. Кроме того, выбирается оптимальное значение R_b, при котором амплитудная характеристика датчика (её рабочий начальный участок) практически линейна. Амплитудные характеристики (для разных значений нагрузочных сопротивлений) приводятся обычно в каталогах трансформаторов.

Отметим весьма важное обстоятельство, ограничивающее возможность снижения габаритов трансформаторов тока, обусловленную указанной выше компенсацией потоков. Это - "замагничивание" сердечника постоянной составляющей, возникающей в токе контролируемой электрической цепи из-за асимметричной нелинейности её нагрузки. Замагничивание проявляется в "усиленном" виде по следующим причинам. Компенсация магнитных потоков обеих обмоток, показанная на рис. 3б и обусловленная выражением (7), - это для переменных токов I₁ и I₂. Что касается постоянного магнитного потока, обусловленного постоянным током в первичной обмотке, то он не компенсируется, так как в принципе не может быть постоянной ЭДС взаимоиндукции, которая могла бы вызвать компенсирующий противопоток. В результате, в сердечнике трансформатора тока, благодаря компенсации, существенно снижается переменный магнитный поток, а уровень постоянного потока может оказаться большим. Сказанное следует учитывать при выборе трансформатора, сердечник которого должен "противостоять" указанному явлению, имея, например, запас по потоку или повышенное магнитное сопротивление для постоянного потока. "Запас по потоку" достигается уменьшением напряженности магнитного поля в сердечнике (для того же тока в первичной обмотке), обеспечиваемым увеличением длины магнитопровода (увеличение длины может сопровождаться увеличением площади сечения — для сохранения прежней величины магнитного сопротивления). В каталогах на трансформаторы тока, предназначенные для счётчиков электроэнергии, могут приводиться допустимые значения постоянной составляющей тока.

В связи с вышеизложенным отметим следующее. Напряжение на шунте, которое можно рассматривать как в качестве его входного, так и выходного напряжений, равно U₁ = U₂ = I₁R_ш. А для трансформатора тока входное напряжение равно U₁ ~ I₁R_b/N² при выходном U₂ ~ I₁R_b/N, то есть U₁ в N раз меньше, чем для шунта (при одном и том же U₂). Поэтому влияние трансформаторного датчика тока на контролируемую цепь, как уже сказано выше, будет меньше, чем в случае применения шунта. Приведём пример для трансформатора TZ76L с N = 2500. При I₁ = 100 А и U₂ = 1 В: U₁ = 0,4 мВ, I₂ = I₁/N = 40 мА, R_b = U₂/I₁ = 25 Ом, входное сопротивление трансформатора R_b/N² = 4 мкОм (без учёта R₁ и R₂). Для шунта это было бы, например, R_ш = 500 мкОм при падении напряжения 50 мВ и необходимости дополнительного усиления сигнала, снимаемого с шунта, в 20 раз.

В последнее время в качестве датчика тока получают распространение дифференцирующие трансформаторы (рис. 3a), используемые обычно без магнитного сердечника. Отсутствие сердечника упрощает конструкцию трансформатора и обеспечивает линейность его амплитудной характеристики, а также исключает рассмотренное выше замагничивание постоянным током, но требует введения интегратора в состав измерительной ИС. Последнее не представляет трудностей, и ИС последних разработок (например, ADE7753/59) ориентированы на использование дифференцирующих трансформаторов (наряду с возможностью использования шунта и трансформатора тока с Rb). К указанным ИС относятся новые ADE7753/59 и перспективная ADE7758, причём последняя предназначена для трёхфазной цепи.

Конструктивно оба трансформатора (тока и дифференцирующий) представляют собой тороидальные катушки, одна из которых, для трансформатора тока, — с магнитным сердечником. Для дифференцирующего трансформатора используют обычно так называемую катушку Роговского [11], которая предназначена, в общем случае, для измерения магнитных потоков. Использование катушки совместно с придаваемой ей первичной обмоткой, ток которой создаёт магнитный поток, превращает её во вторичную обмотку трансформатора. Катушки для трансформаторов обоих типов содержат только вторичную обмотку (одно- или двухсекционную), а первичной обмоткой, обычно одним витком, является провод, продеваемый через отверстие катушки. Если, например, трансформатор используется для измерения суммы двух токов двухфазной цепи (как, например, в ADE7756 [6,8]), берутся два изолированных первичных витка.

Измерительные ИС фирмы Analog Devices

К измерительным ИС фирмы Analog Dialog относятся: AD7750, ADE7751/52/55/57 и перспективные ADE7731/32/35/37 - с частотным выходом; ADE7753/54/56/59 и перспективные ADE7730/58 - с цифровым выходом. Отметим, что среди перспективных ИС - 4 с частотным выходом (с выходом на электромеханический индикатор) и две - с цифровым [5]. То есть микросхемы с частотным выходом и электромеханическим индикатором не сдают своих позиций в конкуренции с микросхемами с цифровым выходом и ЖКИ.

Ниже даётся краткая характеристика особенностей ИС, сначала первой из указанных, затем второй группы. Основные параметры ИС AD775x и ADE775x приведены в таблице. Отметим, что рассматриваемые ИС предназначены, в основном, для измерений в цепях промышленной частоты 50/60 Гц - от 45 до 65 Гц. Однако они обладают более широкими возможностями. Частотный диапазон их входных сигналов - от 0 (постоянный ток) и, в зависимости от типа ИС, до 3,5, 7 или 14 кГц. Кроме того, они могут быть использованы не только для "счёта" электроэнергии, но и для других измерительных или вычислительных целей.

Таблица 1. Измерительные ИС фирмы Analog Devices для счётчиков электроэнергии

ИС AD7750 [6,7] является первой в ряду микросхем, выпускаемых фирмой Analog Devices для счётчиков электроэнергии. Её схема, соответствующая приведенной на рис. 1, положена в основу других ИС. Входной усилитель канала "Дат. I" используется при одном из двух значений коэффициента усиления K_усI, равном 1 или 16. Чтобы возможный дрейф нуля при измерении слабого сигнала (например, при шунтовом датчике и KусI = 16) не приводил к погрешности, преобразованный в АЦП сигнал пропускают через ФВЧ (на рис. 1 не показан). Поскольку ФВЧ вызывает опережение по фазе, после него включено устройство временной задержки, компенсирующей фазовый сдвиг на частоте 50 Гц. ФВЧ и устройство задержки могут быть отключены (например, при использовании трансформаторного датчика тока с более высоким выходным сигналом и K_усI = 1). При их отключении возможно применение ИС и для измерения мощности в цепи постоянного тока, но с шунтовым датчиком тока. В канале "Дат. U" используется усилитель с постоянным коэффициентом усиления K_усU = 2. Корректирующего ФВЧ в канале "Дат. U" нет.

ИС AD7750 обладает дополнительными особенностями. Одной из них является то, что в ИС обеспечивается измерение не только положительных, но и отрицательных значений P_a. В связи с этим частотно-модулированные сигналы преобразователей "F₁/F₂" и "CF" могут быть двух видов со значениями частот:

F_F1/F2 = k_PF_max и F_CF = k_CFF_F1/F2, (8)

где: k_P - коэффициент пропорциональности, выбираемый в зависимости от номинальных значений U_U и U_I на входах ИС, коэффициентов усиления усилителей, а также величины опорного напряжения (номинал 2,5 В); F_max - максимальное значение частоты, определяемое преобразователем "F₁/F₂" и зависимое также от тактовой частоты (номинал 3,58 МГц); k_CF - дополнительный коэффициент для частоты преобразователя "CF", равный 8, 16 или 32;

F_F1/F2 = (1 ± k_P)F_max и F_CF = k_CFF_F1/F2 (9)

с начальным (средним) значением частоты, изменение которой пропорционально измеряемой мощности и может быть положительным или отрицательным.

Значения F_max равны 6,8 или 13,6 Гц, а значения k_P - согласно приводимой в [6] формуле. Первый вид сигнала (8) используется для однополярных значений, а второй вид (9) - для двухполярных значений измеряемой мощности. Значения k_PF_max могут быть 1,45 и 2,9 Гц, k_CFF_max - 109 и 218 Гц, а k_CFk_PF_max - согласно таблице в [6]. Указанные значения приведены для частоты сети 50 Гц. В [6] приводятся также значения указанных параметров, используемые при измерениях мощности в цепях постоянного тока. Если измеряемая мощность оказывается отрицательной, на выводе “RevP” возникает последовательность положительных импульсов, соответствующих (по времени) импульсам F₁/F₂.

Другой особенностью ИС AD7750 является то, что преобразователь "CF" может быть использован для формирования сигналов, частотно-модулируемых не только измеряемыми средними значениями P_a, но и мгновенным значениям напряжения сети и тока в нагрузке. Для этого используется сигнал второго вида (9) со средней частотой k_CFF_max = 218 Гц и изменением частоты в пределах до ±142 Гц.

ИС ADE7751 (AD7751) [6,8] отличается от AD7750 более широкой полосой частот входных сигналов - от 0 до 14 кГц (в AD7750 - до 3,5 кГц), но основным её отличием является то, что она имеет два коммутируемых канала для измерения тока. К AD7751 подключаются два датчика тока, один из которых включается в фазный провод нагрузки, другой - в нейтральный. Основным является измерение в фазном проводе, но если выходное напряжение датчика тока упадёт на 12,5% по сравнению с напряжением датчика в нейтральном проводе, автоматически включится последний. В общем при работе микросхемы включаться будет тот датчик тока, напряжение которого будет превышать напряжение другого на указанные 12,5%. Об указанном рассогласовании, независимо от того, какой датчик включен, микросхема будет сигнализировать уровнем "1" на выводе FAULT. ИС ADE7751, контролируя ток в обоих проводах одной и той же двухпроводной цепи, обеспечивает максимальную защиту от несанкционированного потребления электроэнергии.

Входные усилители канала измерения тока ("Дат. I") имеют четыре значения коэффициента усиления K_ycI = 1, 2, 8 и 16, соответствующие максимальным входным напряжениям ±660, ±330, ±82 и ±41 мВ (пиковые значения на дифференциальном входе). Максимальное входное напряжение канала "Дат. U" равно ±660 мВ. Измерение отрицательной мощности в ADE7751 (а также в ADE7752/55) сопровождается наличием на выходе "RevP" положительных импульсов, соответствующих, в отличие от AD7750, импульсам CF.

В ADE7751 (а также в ADE7752/55/57) выходной сигнал F₁/F₂ пропорционален активной мощности в соответствии с (1), а выходной сигнал CF, будучи более высокочастотным, также пропорционален ей, но содержит остаточные пульсации 100 Гц, имеющиеся на выходе ФНЧ, включенном после перемножителя (рис. 1). Этот сигнал с пульсациями (на выходе ФНЧ), уровень которых может составлять -22 дБ, называется в [6] instantaneous real-po-wer signal (сигнал перед ФНЧ — instantaneous power signal). Указанные пульсации следует иметь в виду при использовании сигнала CF (пульсации "фильтруются", например, при использовании счётчика импульсов на выходе "CF").

ИС ADE7752 [6] предназначена для измерения активной мощности в нагрузке трёхфазной сети - в соответствии с двумя методиками измерений, рассмотренными выше. ИС имеет три канала, каждый - с двумя входами для подключения датчиков тока и напряжения. Сигналы трёх ФНЧ, включенных после перемножителей в каждом из каналов, суммируются и в виде суммарного сигнала Pa подаются на преобразователи "F1/F2" и "CF".

Для измерения мощности в 4-проводной сети (с нейтральным проводом) в [6] рекомендуется применение трёх резистивных датчиков (делителей) напряжения и трёх трансформаторных датчиков тока. Датчики напряжения подключены к каждой из фаз относительно нейтрального провода, а датчики тока, соответственно, - в фазные провода.

Для измерения мощности в трёхпроводной трёхфазной сети используются два резистивных датчика напряжения, подключенных к двум фазам относительно третьей, и два трансформаторных датчика тока, включенных в фазные провода тех же двух фаз. При этом используются только два канала ИС.

ИС ADE7755 (AD7755) [6-8] аналогична ADE7751, но имеет один канал измерения тока. Коэффициент усиления входного усилителя канала "Дат. I" KусI = 1, 2, 8 и 16, но максимальные входные напряжения, в отличие от ADE7751, составляют ±470, ±235, ±60 и ±30 мВ. Максимальное входное напряжение канала "Дат. U" равно ±660 мВ.

ИС ADE7757 [6]. Микросхема упрощена. Коэффициенты усиления входных усилителей не программируются. Корпус - меньшего размера, с 16 выводами (тогда как другие микросхемы - с 20 и 24 выводами). ADE7757 имеет собственный тактовый генератор, что упрощает счётчик в целом, так как отпадает необходимость во внешне подключаемом кварцевом резонаторе. Длительности выходных импульсов почти в два раза больше, чем в других ИС: 531 мс (F1/F2) и 173 мс (CF).

ИС ADE7753 [6] является новой разработкой фирмы Analog Devices. Она относится к группе ИС с цифровым выходом и использована выше в качестве примера при рассмотрении ИС этой группы. Помимо измерения P_a, в ADE7753 определяются P_r и P, причём P_r определяется подобно P_a, но после предварительного фазового сдвига на 90°, а P — как произведение Uэфф и Iэфф согласно (1). Кроме того, определяются E_a, E_r и E и производится преобразование данных измеряемой E_a в частоту (выход "CF"). Помимо указанных величин, на выход могут поступать значения Uэфф и Iэфф, а также отсчёты мгновенных значений U и I (в режиме Sampled Waveform).

ADE7753 может использоваться с датчиком тока любого типа, в том числе с дифференцирующим трансформатором. В связи с этим в канале измерения тока имеется интегратор, который может быть отключен, если используется шунт или трансформатор тока.

ИС ADE7754 [6] — трёхканальная, поскольку, как и ADE7752, предназначена для измерений в трёхфазных (3- и 4-проводных) сетях. Но в каждом канале, в отличие от ADE7752, имеются фазосдвигающие цепи для измерения P_r. Для определения суммарных P_a и P_r данные измерений каждой фазы суммируются. При этом обеспечивается измерение E_a и E, Uэфф и Iэфф. Кроме того, берутся отсчёты мгновенных значений U и I (в режиме Sampled Waveform). В качестве датчика тока могут использоваться шунт или трансформатор тока, но не дифференцирующий, так как интегратор в цепи измерения тока отсутствует. С выхода "CF" снимается сигнал, пропорциональный P_a.

ИС ADE7756 [6-8] — одноканальная, предназначена для измерений в однофазной цепи. Измеряются P_a и E_a, берутся отсчеты U и I, на выходе "CF" - сигнал, пропорциональный P_a. Для определения E_a используется 40-разрядный накопительный регистр (в ADE7753 — 53-разрядный), обеспечивающий время полного цикла интегрирования, равное 11,53 с (для ADE7753 — 100 с), при тех же f_T = 3,58 МГц и f_д ~ 0,9 МГц. Делитель уровня сигнала на входе накопительного регистра в ADE7756 отсутствует. Разрядность выходных данных: P_a и E_a - 40 бит, U и I - 20 бит. В [6,8] рассмотрено применение ADE7756 для измерения суммарного потребления в двух фазах двухфазной (с разностью фаз 180°) цепи.

ИС ADE7759 [6,8] подобна ADE7756, но дополнительно содержит интегратор в канале измерения тока, обеспечивающий возможность использования датчика тока типа "di/dt". Разрядность выходных данных P_a, E_a, а также U и I — 40 бит.

Основные параметры рассмотренных ИС приведены в таблице. Рабочий диапазон температур - от -40 до +85°C, диапазон хранения - от -65 до +150°C. Напряжение питания — 5 ± 0,25 В (токи потребления указаны в таблице).

Рассмотренные ИС (второй группы) содержат также температурные датчики, контролирующие температуру, и другие устройства.

При использовании ИС следует руководствоваться документацией фирмы, в частности [6-8]. Наряду с ИС, фирма Analog Devices поставляет оценочные платы ([8] и др.), обеспечивающие оценку ИС, их изучение и отработку схем счётчиков. Рекомендации по применению ИС можно получить в НПФ VD MAIS (www.vdmais.kiev.ua), являющейся официальным (авторизованным) дистрибьютором фирмы Analog Devices в Украине, а также найти в [1, 5].

Применение ИС в промышленных счетчиках

На рис. 4 в качестве примера показаны электронные счетчики типа "Каскад-1.10/2.0-П" производственного объединения "Киевприбор" [14] и типа СОЕ-5020 (разновидности - СОЕ-5020К/М/Н/МН) акционерной компании "Росток" [15]. Оба счетчика предназначены для измерения активной энергии в однофазных цепях 220 В, 50 Гц и соответствуют стандартам IEC-1036 и ГОСТ 30207-94. Номинальный/максимальный токи - 5/50 А, класс точности - 2,0. Счетчики могут использоваться как автономно, так и в составе автоматизированных систем контроля и учета потребления электроэнергии. В счетчиках "Каскад-1.10/2.0-П", СОЕ-5020, СОЕ-5020К и СОЕ-5020М используются микросхемы AD7755 (ADE7755), а в СОЕ-5020Н и СОЕ-5020МН – микросхемы AD7751 (ADE7751). Наряду с однофазным счетчиком, в ПО "Киевприбор" разработан многофункциональный счетчик "Каскад", предназначенный для измерения в трехфазных сетях до 110 кВ. В счетчике задействованы все функции измерения, учета и управления, свойственные многофункциональным счетчикам.

Рисунок 4. Счетчики "Каскад-1.10/2.0-П" (а) и СОЕ-5020 (б) (фотографии любезно предоставлены ПО "Киевприбор" и АК "Росток")

Связь со стандартами

Измерительные микросхемы фирмы Analog Devices и другие рассмотренные компоненты обеспечивают построение статических (электронных) счётчиков электроэнергии переменного тока в диапазоне 45–65 Гц в соответствии с международными стандартами IEC 687, IEC 1036 и IEC 1268. Законодателем в области международных стандартов является IEC (МЭК, Международная электротехническая комиссия). Первый из перечисленных стандартов относится к счётчикам активной (watt-hour) энергии классов точности 0,2 S и 0,5 S, второй - классов точности 1 и 2, а третий - к счётчикам реактивной (var-hour) энергии классов 2 и 3. Наряду с указанными обозначениями стандартов, существуют обозначения IEC 60687, IEC 61036 и IEC 61268, а также соответствующие им за теми же номерами (с цифрой "6" или без неё) русскоязычные МЭК 687, МЭК 60687, ... Связь рассмотренных измерительных микросхем AD775x, ADE775x и ADE773x с тем или иным стандартом оговаривается в Data Sheets [6] и указана в таблице.

В России, Украине и других странах СНГ действуют межгосударственные стандарты ГОСТ 30206-94 и ГОСТ 30207-94 "Статические счётчики ватт-часов активной энергии переменного тока", соответствующие указанным IEC 687 и IEC 1036 (ГОСТ 30207-94 — с изменением, обусловленным последней версией IEC 1036). Помимо указанных двух стандартов, действует также межгосударственный стандарт ГОСТ 26035-83 на "Счётчики электрической энергии переменного тока электронные", но только в части измерения реактивной энергии (вар-часов).

Отметим, что на индукционные счётчики распространяется действие межгосударственного стандарта ГОСТ 6570-96 "Счётчики электрические активной и реактивной энергии индукционные". Соответствующими международными стандартами на индукционные счётчики являются IEC 521 и IEC 145 - для активной и реактивной энергий, соответственно.

Литература

1. Электронные компоненты и системы. Киев: VD MAIS. 1998, № 4; 2000, № 8; 2000, № 9; 2000, № 12; 2001, № 1; 2001, № 3; 2001, № 9; 2002, № 2 (www.vdmais.kiev.ua).
2. Аганичев А., Панфилов Д., Плавич М. Цифровые счетчики электрической энергии // Chip News. 2000. № 2. C. 18–22.
3. Рожнов Е. Электронные счетчики электроэнергии. Новые электронные средства для учета электроэнергии // Электроника: НТБ. 1998, № 1; 1999, № 1.
4. Каталог продукции. Киев: VD MAIS, 2002.
5. Energy Measurement Data Converters. Analog Devices, 2002 (www.analog.com/energymeter). Перевод: Микросхемы для счетчиков электроэнергии. Киев: VD MAIS, 2002.
6. Analog Devices’ Data Sheets and Preliminary Technical Data: AD7750. Rev. 0.ADE7751. Rev. 0. 2002; ADE7752. Rev. PrB. 08/01; ADE7753. Rev. PrD. 2002; ADE7754. Rev. PrD. 08/01;ADE7755. Rev. 0. 2002; ADE7756. Rev. 0. 2001; ADE7757. Rev. PrE. 05/02; ADE7759. Rev. 0. 2001.
7. Analog Devices’ Application Notes: AN-(AD7750); AN-559 (AD7755). Rev. A;AN-564 (ADE7756). Rev. PrC_R2; AN-578 (ADE7756). Rev. 0, 2001.
8. Analog Devices’ Data Sheets and Preliminary Technical Data: EVAL-AD7751/AD7755EB. Rev. 0. 1999; EVAL-ADE7756EB. Rev. PrB. 01/01; EVAL-ADE7759EB. Rev. PrB. 09/01.
9. SAMES Data Catalogue: Energy Measurement (www.sames.co.za).
10. Голуб В. Цифровая обработка сигналов: сигма-дельта АЦП // Электроника: НТБ. 2001. № 4.
11. Koon W., New Developments in Current Sensors in Solid State Meters // Metering International. 2001. № 3.
12. Product Bulletin Q4-2001: MSP430 Ultra-Low-Power Microcontrollers - The Solution for Battery-Powered Measu-rement. Texas Instruments, 2001.
13. Microcontroller Selector Guide. Motorola. SG186/D. Rev. 7. Quarter 2. 2001.
14. Микропроцессорные линейные защиты, электронные счетчики. ПО "Киевприбор". www.kievpribor.com.ua.
15. Счетчики электрической энергии электронные однофазные СОЕ-5020. АК "Росток". www.rostock.kiev.ua.