1 Úvod

Čím ďaľej tým viac sa stretávame s digitálnymi elektromermi. Dostupnosť špecializovaných integrovaných obvodov nás priviedla k myšlienke vyhotoviť cenovo nenáročný sýstém merania veličín potrebných pre zisťovanie zdanlivej, činnej a jalovej energie. Elektrická energia je schopnosť elektrického poľa konať elektrickú prácu. Kinetická energia generátora alebo chemická energia článkov je konvertovaná na elektrickú energiu prechádzajúcu elektrickým obvodom. Táto energia je potom konvertovaná späť v podobe svetla, tepla alebo kinetickej energie. Čím väčšiu energiu má elektrické pole, tým viac elektrickej práce môže vykonať. Spotrebovaná elektrická energia E je rovná elektrickej praci W vykonanej elektrickým poľom. Jednotka elektrickej energie je joul = watt-sec (1kWh=3,6MJ).

2       Výber základných obvodových prvkov

2.1       Prúdový transformátor

Prúdový transformátor je transformátor s feromagnetickým jadrom, ktorý mení primárny prúd na menší, ľahšie merateľný sekundárny prúd. Využíva silu magnetického poľa vytvoreného okolo vodiča (primarne vynutie) do formy indukovaného prúdu v sekundárnom vynutí. Tak ako pri tradičnom napäťovom transformátore, tak aj prí prúdovom transformátore udáva pomer vynutia vzťah medzi vstupným a výstupným prúdom. Na dosiahnutie požadovaného vstupu pre AČ prevodník sa používa záťažový rezistor pripojený paralelne k sekundárnemu vynutiu transformátora. Na tomto rezistore sa vytvorí úbytok napätia pri pretekaní transformovaného prúdu. Typické hodnoty záťaže pre IEC sú 1.5 VA, 3 VA, 5 VA, 10 VA, 15 VA, 20 VA, 30 VA, 45 VA a 60 VA.

Kôli magnetizácii prúdu má prúdový transformátor malý fázový posun(1°-3°). Ak nie je kompenzovaný tak môže spôsobiť značnú chybu merania.

Feritový materiál použitý v jadre cievky sa môže pri vysokých hodnotách prúdu dostať do saturácie a spôsobovať hysterézu.

Je dôleźité poznamenať, že smer polarity pre veľa aplikací nieje podstatný. Avšak pre meranie činneho výkonu alebo okamžitého výkonu potrebujeme rovnakú polarizáciu prúdu a napätia. 

2.2      ADE7753

obvod ADE7753 patrí medzi jednofázové meracie obvody spoločnosti Analog Devices. Medzi základné výhody a vlastnosti tohto integrovaného obvodu patri:

• integrovaný číslicový integrátor pre možnosť použitia prúdových senzorov, ktorých výstupom je (di/dt)
• programovateľné zosilnenie pre prúdový aj napäťový vstupný kanál,
• meranie: činnej, jalovej a zdanlivej energie, efektívnej hodnoty prúdu a napätia, priebeh napäťového a prúdového signálu,
• chyba merania menej než 0,1% pre činnú energiu,
• dostupný mód pre akumulovanie iba pozitívnej energie,
• číslicová kalibrácia pre výkon, fázu a vstupnú odchýlku,
• teplotný senzor ,
• SPI kompatibilné seriové rozhranie,
• pulzný výstup s programovateľnou frekvenciou

2.3       ADE7753

obvod ADE7753 patrí medzi jednofázové meracie obvody spoločnosti Analog Devices. Medzi základné výhody a vlastnosti tohto integrovaného obvodu patri:

• integrovaný číslicový integrátor pre možnosť použitia prúdových senzorov, ktorých výstupom je (di/dt)
• programovateľné zosilnenie pre prúdový aj napäťový vstupný kanál,
• meranie: činnej, jalovej a zdanlivej energie, efektívnej hodnoty prúdu a napätia, priebeh napäťového a prúdového signálu,
• chyba merania menej než 0,1% pre činnú energiu,
• dostupný mód pre akumulovanie iba pozitívnej energie,
• číslicová kalibrácia pre výkon, fázu a vstupnú odchýlku,
• teplotný senzor ,
• SPI kompatibilné seriové rozhranie,
• pulzný výstup s programovateľnou frekvenciou.

3       Obvodové riešenie a technická realizácia

Ako najvhodnejšie riešenie jednotlivých subsystémov sme považovali modulárne riešenie. Každý modul predstavuje jeden subsystém. Toto riešenie nám umožnilo určitú mieru flexibility. Každý modul by sa dal nahradiť iným riešením s kompatibilným rozhraním. Pri návrhu jednotlivých modulov sme uvážili že vhodnou vlastnosťou systému bude schopnosť odpojiť fázový vodič od meracej a časti a tým aj od záťaže. Blokovú schému systému môžme vidieť na obrázku 

3.1       Merací modul

 Merací modul sme logicky rozdelili na jednotlivé časti ako vidieť na obrázku 2.1.1. Merací modul sa teda delí na meraciu časť, odpájaciu časť, časť s obvodom ADE7753 a rozhranie pre komunikáciu s riadiacim modulom.

3.2       Riadiaci modul

Pri navrhovaní a realizácií riadiaceho modulu sme chceli vytvoriť univerzálny vývojový modul pre širší okruh aplikácií. Návrh značne ovplyvnila požiadavka na prevedenie dosky plošných spojov v jednej vrstve. Na obrázku 2.2.1 je znázorňená bloková schéma riadiaceho modulu pri použití s našou aplikáciou. Pozostáva zo samotného mikrokontroléra a z rozhraní potrebných pre komunikáciu a pre programovanie/ladenie.

Riadiaci modul obsahuje okrem mikrokontroléra a súčiastok potrebných pre správnu funkčnosť aj vyvedené väčšie množstvo logických celkov. Tie sa dajú využiť ako komunikačné zbernice, časovače, alebo pre vsupné/výstupné rozhranie pre všeobecné použitie podľa špecifikácie.

3.3       Komunikačný modul

Pri technickej realizácií sme si uvedomili, že v prípade zámeny fázového vodiča s neutrálnym vodičom by bol rozdiel potenciálov zeme osobného počítača a nášho systému 230V efektívnych. To by malo za následok zničenie systému aj osobného počítača. Preto sme sa rozhodli použiť elektrické oddelenie použitím optočlena PC817. Pre komunikáciu nám plne postačovali RX a TX vývody UART periférie. Na obrázku 2.3.1 sa nachádza bloková schéma komunikačnného modulu.

4       Programové vybavenie

Programové vybavenie je rozdelené do dvoch častí podľa ich umiestnenia. Ide o programovú aplikáciu bežiacu pod operačným systémom osobného počítača, ktorá prostredníctvom programového vybavenia v riadiacom moduli obsluhuje merací modul. Prvotným zámerom bolo vytvoriť programové vybavenie, ktoré by dokázalo vyčítať všetky registre ADE7753 a aj zapísať hodnoty do registrov na to určených. Neskôr bolo programové vybavenie doplnené o ovladanie odpájacej časti a samotné meranie a zobrazovanie nameraných hodnôt. PC aplikácia a programové vybavenie riadiacej časti komunikujú prostredníctvom vopred dohodnutého protokolu.

5       Záver

Zariadenie funguje podľa očakávaní a predpokladov. Vznačnej miere sa nám podarilo   splniť cieľ práce. Praktické využitie zariadenia je pri diaľkovom dohľade nad spotrebovanou energiou a pri porovnávaní jednotlivých spotrebičov. Zariadenie by mohlo byť schopné obsluhovať viacero meracích modulov čo by malo význam pri inteligentných zásuvkách. Displej zobrazujúci namerané hodnoty by zvýšil komfort zisťovania nameraných hodnôt.

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol za podpory spoločností Freescale Semiconductor, Inc. a Žilinskej univerzity v Žiline.