Упрощение локального учёта электроэнергии с помощью измерительных интегральных схем (ИС) корпорации Texas Instruments

Прасад Дхонд (Prasad Dhond)

Локальные счётчики электроэнергии, такие как «умные» штепсели или счётчики в бытовых приборах, позволяют потребителям следить за расходованием энергии и управлять его режимами.

Другие локальные счётчики, такие как счётчики на узлах учёта, помогают подразделениям информационных технологий оптимизировать энергопотребление на группах узлов учёта. При проектировании локального счётчика важную роль играют такие соображения, как выбор датчиков, компонентов аналоговых входных блоков (AFE) и микроконтроллеров (MCU), определяющих общую сложность и стоимость системы. Эффективная реализация должна иметь простую конструкцию и низкую стоимость в массовом производстве при одновременном выполнении главных требований к функциональности — надёжность измерения и выдача информации о расходовании энергии. В данной статье обсуждаются характеристики и преимущества ИС MSP430AFE2xx1 в счётчиках электроэнергии. В то время как ИС MSP430AFE2xx полностью подходит для счётчиков энергии на уровне коммунального предприятия, в данной статье специально обсуждается её использование в локальном учёте. В контексте этого документа локальными называются средства измерения, не входящие в состав коммунальных приборов учёта, такие как «умные» штепсели, счётчики энергии в бытовых приборах и узлах учёта.

Функции локального счётчика

Локальные счётчики могут иметь вид «умного» штепселя (рисунок 1) либо они могут быть интегрированы в бытовой прибор (рисунок 2) или в узел учёта. В обоих случаях локальный счётчик выполняет следующие функции:

  • Измеряет расходование энергии бытовым прибором в режиме реального времени.
  • Передаёт потребителю данные о расходовании энергии. Данные могут просто выводиться на ЖК-дисплей самого локального счётчика. Другими способами счётчик может направлять данные на удалённый терминал по беспроводной связи через Wi-Fi™ или ZigBee® либо по проводной связи, например через последовательный порт или по линии электропитания (PLC).
  • Дополнительно локальный счётчик может осуществлять функцию регулирования подачи электроэнергии к бытовому прибору. Например, отключать прибор в часы пиковой нагрузки или выполнять дистанционное управление.

 Типовая конструкция «умного» штепселя MSP430™ Energy Watchdog2

Рисунок 1. Типовая конструкция «умного» штепселя MSP430™ Energy Watchdog2

Компоненты измерения энергии

В любой системе измерения энергии необходимы датчики напряжения и тока, AFE для соединения с этими датчиками и MCU для выполнения расчётов по измерению энергии. Результаты измерения энергии могут выводиться на ЖК-экран или направляться через последовательную шину на другое устройство беспроводной связи, как показано на рисунке 2.

 Блок-схема системы измерения энергии

Рисунок 2. Блок-схема системы измерения энергии

Мощность равна произведению мгновенного напряжения и тока. Как показывает формула (1), активная энергия — это мощность, интегрированная по времени и выраженная в киловатт-часах (кВт•ч).

Формула

где Vsamp — замеренное напряжение, Isamp — замеренный ток, N — число замеров.

Первый этап измерения энергии — это измерение входного напряжения и тока нагрузки с помощью датчиков напряжения и тока соответственно.

Выбор датчиков напряжения и тока

В локальных счётчиках в качестве датчиков напряжения можно использовать простые делительные резисторы. Величины сопротивления выбирают для деления переменного напряжения сети питания (обычно 230 В или 120 В) так, чтобы оно отвечало входному интервалу аналого-цифрового преобразователя (ADC). Схему делительного резистора, показанную на рисунке 3, можно использовать для деления напряжения сети 230 В до приблизительно 350 мВ (среднеквадратичное), с пиком 495 мВ, перед подачей на положительный вход ADC3. Резисторы имеют максимальный номинал напряжения, при превышении которого возможен электрический пробой через корпус резистора. Применение дискретных последовательных резисторов (R1, R2, R3) вместо одного резистора на 1 МОм позволяет использовать стандартные резисторы без превышения их номинального напряжения. Альтернативным выбором датчиков напряжения служат преобразователи напряжения, которые обеспечивают изоляцию от сети высокого напряжения. Однако преобразователи напряжения дорого стоят по сравнению с дискретными резисторами.

 Схема датчика напряжения для ИС измерения энергии MSP430AFE2xx

Рисунок 3. Схема датчика напряжения для ИС измерения энергии MSP430AFE2xx

Выбор датчика тока зависит от типа входящей сети питания, которая используется бытовым прибором. В США такие приборы, как холодильники и стиральные машины, питаются от одной фазы 120 В, а мощные устройства, например сушилки для белья и кухонные электроплиты, питаются от разделённой на две части фазы 240 В. Для однофазных устройств на нейтральной линии можно разместить низкоомный шунтирующий резистор (рисунок 4) и использовать падение напряжения на нём для расчёта тока. Величина шунтирующего резистора определяется диапазоном тока нагрузки, настройками усиления ADC и рассеянием мощности на датчике. Шунтирующие резисторы дёшево стоят и просты в использовании, но не обеспечивают электрической изоляции. Для таких устройств, как сушилки для белья и кухонные электроплиты с питанием от разделённой фазы, должны использоваться трансформаторы тока на каждом из двух проводов фазы. Трансформаторы тока обеспечивают электрическую изоляцию, но стоят дороже, чем шунты.

 Схема датчика тока для ИС измерения энергии MSP430AFE2xx

Рисунок 4. Схема датчика тока для ИС измерения энергии MSP430AFE2xx

За каскадом датчиков следует пассивная переходная схема, которая подготавливает входные сигналы к подаче их на ADC. Эта схема содержит фильтр для удаления паразитного широкополосного шума, который может ухудшить точность измерения. В таких однофазных устройствах, как холодильники, требуются два ADC: один для измерения напряжения и другой для измерения тока. В сушилках для белья и кухонных электроплитах требуются четыре ADC для измерения двух напряжений и двух токов. С целью получения точных результатов измерения энергии следует использовать ADC с разрешением 16 или 24 бита и возможностью одновременной выборки.

Измерение энергии и вывод данных

Расчёты измерения энергии выполняются по замерам напряжения и тока, собранным на ADC. Как видно из формул (2-7), для расчёта активной энергии, реактивной энергии и полной энергии на MCU должны быть хорошие математические библиотеки с общеизвестными функциями извлечения квадратного корня, возведения в квадрат и деления.

Формула

где Vsamp — замеренное напряжение, Isamp — замеренный ток, N — число замеров.

После расчёта результатов измерения энергии они могут выводиться на ЖК-дисплей самого локального счётчика или на удалённый терминал. MCU может сообщаться с драйверами ЖК-дисплея или модулей беспроводной связи через последовательные интерфейсы связи. Если применяются неизолирующие датчики, такие как шунты и делители напряжения, или когда AFE и MCU опираются на напряжение сети, важно обеспечить изоляцию соединений с другими устройствами, использующими другое опорное напряжение. Для исполнения такой изоляции возможно использование ИС с оптроном или с емкостной развязкой.

Система измерения энергии с применением маломощных компонентов может запитываться от простого емкостного источника питания. Однако емкостный источник питания не обеспечивает достаточный ток для радиочастотных (РЧ) приёмопередатчиков. Счётчики, использующие Wi-Fi™ или ZigBee® для передачи данных о расходовании энергии, требуют дополнительного выходного буфера NPN или трансформатора и подключаемого источника питания для питания приёмопередатчиков РЧ.

Калибровка

Между разными счётчиками возможны различия в величинах измеренной энергии вследствие отклонений в компонентах и датчиках. К точности измерения коммунальных электрических счётчиков предъявляются строгие требования, и каждый прибор должен проходить калибровку для устранения ошибок из-за отклонений в его компонентах. Однако локальные счётчики, такие как «умные» штепсели и счётчики в бытовых приборах, обычно допускают более свободные требования к точности, поскольку их результаты измерения энергии не используются для целей оплаты. Константы калибровки для любой конструкции можно определить во время разработки и запрограммировать их во flash-память MCU, что устраняет необходимость калибровки каждого прибора при его производстве. По оценке, такое решение обеспечивает точность < 3%. Такая точность достаточна для многих применений локальных счётчиков, а исключение калибровки значительно удешевляет производство.

ИС MSP430AFE2xx для измерения энергии

ИС MSP430AFE2xx для измерения энергии объединяет в одном корпусе несколько 24-битовых сигма-дельта ADC, усилители с программируемым коэффициентом и 16-битовый MCU. Эта ИС поддерживается программой MSP430™ MCU Energy Library4 корпорации TI для выполнения расчётов по измерению энергии.

 Характеристики ИС MSP430AFE2xx

Рисунок 5. Характеристики ИС MSP430AFE2xx для применения в счётчиках электроэнергии

Разработчикам предлагаются следующие ключевые характеристики и преимущества при использовании ИС MSP430AFE2xx для измерения энергии в локальных счётчиках:

  1. Высокий уровень интеграции. ИС MSP430AFE2xx объединяет несколько компонентов, необходимых для измерения энергии, в том числе ADC и MCU. Это поддерживает низкую стоимость и малые габариты конструкций локальных счётчиков, использующих минимальное число компонентов. Помимо измерения энергии, MCU на MSP430AFE2xx можно использовать для запуска других простых программ, если потребуется.
  2. Несколько 24-битовых сигма-дельта ADC. Каждый из трёх ADC поддерживает напряжение дифференциального входа ±500 мВ, так что выходы с датчиков тока можно подавать прямо на ADC, без необходимости изменения уровня. Входы ADC также поддерживают отрицательное входное напряжение до -1 В, что позволяет прямо, без дополнительного изменения уровня, подавать на ADC поделённый сигнал напряжения от сети переменного тока.
    ИС MSP430AFE2xx содержит до трёх сигма-дельта ADC с 24-битовым разрешением. Эти ADC способны обеспечить отчётную степень точности (<0,1%) в широком интервале значений тока нагрузки. Функция одновременной выборки на ADC устраняет задержку между замерами тока и напряжения и необходимость программной компенсации, применяемой при методе последовательной выборки.
  3. Малое энергопотребление. Малое энергопотребление на ИС MSP430AFE2xx для измерения энергии важно для того, чтобы обеспечивать работу ИС недорогим емкостным источником питания.
  4. Управление с помощью программы. Программа MSP430™ MCU Energy Library и образец кода от корпорации TI позволяют быстро и легко выполнять расчёты по измерению энергии на ИС MSP430AFE2xx.
    Главным достоинством такого программируемого решения, как MSP430AFE2xx, является обеспечение гибкости для разработчика системы, требуемой при конструировании конкретных устройств. Например, разработчик системы может реализовать нестандартный протокол связи для передачи данных об энергопотреблении на главный процессор или удалённый терминал. Другое преимущество программируемой ИС для измерения энергии — это возможность обойтись без калибровки во время изготовления.
  5. Интерфейсы последовательной связи и универсальные устройства ввода/вывода.
    ИС MSP430AFE2xx позволяет передавать данные об энергопотреблении через стандартный последовательный интерфейс, например последовательный периферийный интерфейс (SPI) или универсальный асинхронный приёмопередатчик (UART). Дополнительные универсальные устройства ввода/вывода можно использовать для реализации ЖК-дисплея, генерации импульсов светодиодов (СИД) или для взаимодействия с входом, например ключом.

Заключение

Компоненты с низкой стоимостью, которые выполняют измерение энергии, важны для широкого распространения учёта энергии в «умных» штепселях, бытовых приборах и узлах учёта. ИС MSP430AFE2xx для измерения энергии содержит в едином корпусе основные компоненты, необходимые для измерения энергии. ИС включает усилители с программируемым коэффициентом, несколько ADC, MCU, а также последовательные интерфейсы для связи с другими устройствами. ИС MSP430AFE2xx можно соединить с дешёвыми датчиками, например шунтовыми резисторами и делителями напряжения, состоящими лишь из немногих пассивных компонентов. Весьма низкое потребление мощности семейством микроконтроллеров MSP430 позволяет обеспечивать питание ИС MSP430AFE2xx от недорогого емкостного источника питания. Поскольку данное решение управляется с помощью программы, оно обеспечивает гибкость для реализации нестандартных протоколов связи. Наконец, после выполнения калибровки во время проектирования те же калибровочные константы можно запрограммировать в каждую ИС MSP430AFE2xx во время изготовления, чтобы легко достичь точности 3% и лучше. Возможность обойтись без калибровки во время изготовления способствует значительному снижению себестоимости производства.

Литература

  1. MSP430AFE2xx Datasheet, http://www.ti.com/lit/slas701.
  2. MSP430 Energy Watchdog Tool, http://www.ti.com/tool/msp-nrgwtchdg.
  3. Implementation of a Single-Phase Electronic Watt-Hour Meter Using the MSP430AFE2xx, TI Application.
  4. Report SLAA494, http://www.ti.com/lit/slaa494.
  5. MSP430 Energy Library Software Suite, http://www.ti.com/tool/msp430-energy-library.