Хабрахабр

Обзор и устройство современных счётчиков электроэнергии

В данных счётчиках счётный механизм приводится во вращение не с помощью катушек напряжения и тока, а с помощью специализированной электроники. За последнее время на смену индукционным счётчикам электроэнергии пришли электронные. Всё это позволило сократить габаритные размеры приборов, а также, снизить их стоимость.
В состав практически любого электронного счётчика входит одна или несколько специализированных вычислительных микросхем, выполняющие основные функции по преобразованию и измерению. Кроме того, средством счёта и отображения показаний может являться микроконтроллер и цифровой дисплей соответственно. Внутри микросхемы данная информация оцифровывается и преобразуется определённым образом. На вход такой микросхемы поступает информация о напряжении и силе тока с соответствующих датчиков в аналоговом виде. Импульсы поступают на счётный механизм, который представляет собой электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на колёсики с цифрами. В результате, на выходе микросхемы формируются импульсные сигналы, частота которых пропорциональна текущей потребляемой мощности нагрузки, подключенной к счётчику. Он подключается к вышесказанной микросхеме и к цифровому дисплею по определённому интерфейсу, ведёт накопление результата измерения электроэнергии в энергонезависимую память, а также, обеспечивает дополнительный функционал прибора. В случае с более дорогостоящими счётчиками с цифровым дисплеем применяется дополнительный микроконтроллер.

Рассмотрим несколько подобных микросхем и моделей счётчиков, которые мне попадались под руку.

Как видно из рисунка, устройство счётчика довольно простое. Ниже на рисунке в разобранном виде изображён один из наиболее дешёвых и популярных однофазных счётчиков «НЕВА 103». На дополнительной плате размещён светодиод, индицирующий потребляемую нагрузку. Основная плата состоит из специализированной микросхемы, её обвески и узла стабилизатора питания на основе балластового конденсатора. Также есть возможность снимать импульсы с зелёного клеммника, расположенного вверху счётчика. В данном случае – 3200 импульсов на 1 кВт*ч. На нём отображается посчитанная электроэнергия с точностью до десятых кВт*ч. Счётный механизм состоит из семи колёсиков с цифрами, редуктора и электромагнита. По моим замечаниям, это означает «200 импульсов на 1 кВт*ч». Как видно из рисунка, редуктор имеет передаточное отношение 200:1. Это соотношение кратно соотношению для светодиодного индикатора, что весьма не случайно. То есть, 200 импульсов, поданных на электромагнит, поспособствуют прокрутке последнего красного колёсика на 1 полный оборот. Редуктор с электромагнитом размещён в металлической коробке под двумя экранами с целью защиты от вмешательства внешним магнитным полем.

Рассмотрим её структуру. В данной модели счётчика применяется микросхема ADE7754.

На пины 8 и 7 поступает аналоговый сигнал, пропорциональный напряжению в сети. На пины 5 и 6 поступает аналоговый сигнал с токового шунта, который расположен на первой и второй клеммах счётчика (на фотографии в этом месте видно повреждение). Оба сигнала с помощью узлов АЦП преобразуются в цифровой вид и, проходя определённую коррекцию и фильтрацию, поступают на умножитель. Через пины 16 и 15 есть возможность устанавливать усиление внутреннего операционного усилителя, отвечающий за ток. Данный сигнал поступает на специализированный преобразователь, который формирует готовые импульсы на счётное устройство (пины 23 и 24) и на контрольный светодиод и счётный выход (пин 22). Умножитель перемножает эти два сигнала, в результате чего, согласно законам физики, на его выходе получается информация о текущей потребляемой мощности. Через пины 12, 13 и 14 конфигурируются частотные множители и режимы вышеперечисленных импульсов.

Стандартная схема обвески практически представляет собой схему рассматриваемого счётчика.

Фаза поступает на пин 8 через делитель на резисторах, служащий для снижения уровня измеряемого напряжения. Общий минусовой провод соединён с нулём 220В. В данной схеме, предназначенной для теста, конфигурационные пины 12-14 подключены к логической единице. Сигнал с шунта поступает на соответствующие входы микросхемы также через резисторы. В данном кратком обзоре эта информация не столь важна. В зависимости от модели счётчика, они могут иметь разную конфигурацию. Светодиодный индикатор подключен к соответствующему пину последовательно вместе с оптической развязкой, на другой стороне которой подключается клеммник для снятия счётной информации (К7 и К8).

Вероятнее всего, они встраиваются в дешёвые трёхфазные счётчики. Из этого же семейства микросхем существуют похожие аналоги для трёхфазных измерений. В качестве примера на рисунке ниже представлена структура одной из таких микросхем, а именно ADE7752.

Минусовые входы ОУ напряжения объединены вместе и выводятся на пин 13 (ноль). Вместо двух узлов АЦП, здесь применено их 6: по 2 на каждую фазу. Сигналы с токовых шунтов по каждой фазе подключаются по аналогии с предыдущим примером. Каждая из трёх фаз подключается к своему плюсовому входу ОУ (пины 14, 15, 16). Эти сигналы, кроме фильтров, проходят через дополнительные узлы, которые активируются через пин 17 и служат для включения операции математического модуля. По каждой из трёх фаз с помощью трёх умножителей выделяется сигнал, характеризующий текущую мощность. В зависимости от двоичной конфигурации пина 17, сумматор суммирует либо абсолютные значения трёх сигналов, либо их модули. Затем эти три сигнала суммируются, получая, таким образом, суммарную потребляемую мощность по всем фазам. Данный сигнал поступает на преобразователь, аналогичный предыдущему примеру с однофазным измерителем. Это необходимо для тех или иных тонкостей измерения электроэнергии, подробности которых здесь не рассматриваются. Его интерфейс также практически аналогичен.

Более дорогие счётчики способны измерять как активную, так и реактивную энергию. Стоит отметить, что вышеописанные микросхемы служат для измерения активной энергии. Как видно из рисунка ниже, её структура намного сложнее структуры микросхем из предыдущих примеров. Рассмотрим, например, микросхему ADE7754.

Вся остальная информация с микросхемы считывается микроконтроллером через интерфейс. Микросхема измеряет активную и реактивную трёхфазную электроэнергию, имеет SPI интерфейс для подключения микроконтроллера и выход CF (пин 1) для внешней регистрации активной электроэнергии. Как следствие, данная микросхема, в отличие от предыдущих двух примеров, не является автономной, и для построения счётчика на базе этой микросхемы требуется микроконтроллер. Через него же осуществляется конфигурация микросхемы, в частности, установка многочисленных констант, отражённых на структурной схеме. Здесь всё гораздо сложнее, чем в предыдущих двух примерах. Можно зрительно в структурной схеме пронаблюдать узлы, отвечающие по отдельности за измерение активной и реактивной энергии.

Как видно из фотографии ниже, данный счётчик ещё не эксплуатировался. В качестве примера рассмотрим ещё один интересный прибор: трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32». При всё при этом он находился полностью в рабочем состоянии. Он мне достался в неопломбированном виде с небольшими механическими повреждениями снаружи.

С нижней стороны основной платы расположены три одинаковых модуля на отдельных платах по одному на каждый узел. Как можно заметить, глядя на основную плату, прибор состоит из трёх одинаковых узлов (справа), цепей питания и микроконтроллера. Эта микросхема является однофазным измерителем электроэнергии. Данные модули представляют собой микросхемы AD71056 с минимальной необходимой обвеской.

Витыми проводами к данным модулям подключаются токовые шунты. Модули запаяны вертикально на основную плату.

Рассмотрим её более детально. За пару часов удалось срисовать электрическую схему прибора.

Микросхема D1 этого модуля AD71056 по назначению похожа на микросхему ADE7755, которая рассматривалась ранее. Справа на общей схеме изображена схема однофазного модуля, о котором говорилось выше. Со второго контакта снимается информация в виде импульсов о потребляемой мощности через выход CF микросхемы D1. На четвёртый контакт модуля поступает питание 5В, на третий – сигнал напряжения. Конфигурационные входы микросхемы SCF, S1 и S0 в данном случае расположены на пинах 8-10 и сконфигурированы в «0,1,1». Сигнал с токовых шунтов поступает через контакты X1 и X2.

Сигнал для измерения напряжения поступает на модуль через цепочку из четырёх резисторов и берётся с нулевой клеммы («N»). Каждый из трёх таких модулей обслуживает соответственно каждую фазу. А вот, общий провод всей схемы соединён с нулевой клеммой. При этом стоит обратить внимание, что общим проводом для каждого модуля является соответствующая ему фаза. Данное хитрое решение по обеспечению питанием каждого узла схемы расписано ниже.

С первых трёх стабилитронов снимается напряжение питания для каждого модуля U3, U2 и U1 соответственно, выпрямляется диодами VD10, VD11 и VD12. Каждая из трёх фаз поступает на стабилитроны VD4, VD5 и VD6 соответственно, затем на балластовые RC цепи R1C1, R2C2 и R3C3, затем – на стабилитроны VD1, VD2 и VD3, которые соединены своими анодами с нулём. Со стабилитронов VD1-VD3 снимается напряжение питания общей схемы, выпрямляется диодами VD7-VD9, собирается в одну точку и поступает на регулятор D4, откуда снимается 5В. Микросхемы-регуляторы D1-D3 служат для получения напряжения питания 5В.

Очевидно, он служит для сбора и обработки информации о текущей потребляемой мощности, поступающей с каждого модуля в виде импульсов. Общую схему составляет микроконтроллер (МК) D5 PIC16F720. В результате на пинах RC1 и RC2 МК формирует импульсы для механического счётного устройства M1. Эти сигналы поступают с модулей U3, U2 и U1 на пины МК RA2, RA4 и RA5 через оптические развязки V1, V2 и V3 соответственно. Сопротивление катушки высокое и составляет порядка 500 Ом, что позволяет подключать её непосредственно к МК без дополнительных транзисторных цепей. Оно аналогично устройству, рассматриваемому ранее, и также имеет соотношение 200:1. Последний реализуется через оптическую развязку V4 и транзистор VT1. На пине RC0 МК формирует импульсы для светодиодного индикатора HL2 и для внешнего импульсного выхода на разъёме XT1. На практике при испытании данного счётчика (после небольшого ремонта) было замечено, что электромагнитная катушка счётного механизма срабатывает синхронно со вспышкой светодиода HL2, но через раз (в два раза реже). В данной модели счётчика соотношение составляет 400 импульсов на 1 кВт*ч. Это подтверждает соответствие соотношений 400:1 для индикатора и 200:1 для счётного механизма, о чём говорилось ранее.

Слева на плате расположено место для 10-пинового разъёма XS1, который служит для перепрошивки, а также, для UART интерфейса МК.

Таким образом, трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32» состоит из трёх однофазных измерительных микросхем и микроконтроллера, обрабатывающий информацию с них.

К примеру, счётчики с удалённым контролем показаний по электролинии, или даже через модуль мобильной связи. В заключение стоит отметить, что существует ряд моделей счётчиков куда более сложней по своей функциональности. Заранее приношу извинения за возможно неправильную терминологию в тексте, ибо я старался излагать простым языком. В данной статье я рассмотрел только простейшие модели и основные принципы построения их электрических схем.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть