7329

Измеритель активной энергии в однофазной сети на основе микроконтроллера ATMEL

Курсовая

Энергетика

Измеритель активной энергии в однофазной сети на основе микроконтроллера ATMEL Разработать измеритель активной энергии в однофазной сети 220 В с токовой нагрузкой 100 А на основе микроконтроллера фирмы ATMEL. Технические требования. В качестве перви...

Русский

2013-01-20

654.5 KB

71 чел.

Измеритель активной энергии в однофазной сети на основе микроконтроллера ATMEL

Разработать измеритель активной энергии в однофазной сети 220 В с токовой нагрузкой 100 А на основе микроконтроллера фирмы ATMEL.

Технические требования.

В качестве первичных преобразователей использовать измерительные трансформаторы тока и напряжения, выходные электрические параметры которых должны быть согласованы с уровнем входных напряжений умножителя или АЦП микроконтроллера.

Составить структурную или функциональную схему измерителя.

В качестве каскадных усилителей использовать операционные усилители (ОУ) с рассчитанными коэффициентами усиления, а для построения умножителей применять аналоговые ОУ и дискретные элементы.

Цифровую информацию об измеряемых электрических параметрах выводить на многоразрядное устройство индикации, составленное из семисегментных элементов.

Произвести выбор типа микроконтроллера фирмы ATMEL.

Разработать принципиальную схему измерителя.

Представить блок-схемы и распечатки микропрограмм операций, выполняемых микроконтроллером.

Примерное содержание проекта и его объем:

Введение  3

  1.  Первичные преобразователи тока и напряжения (обзор) 6
  2.  Умножители напряжений (обзор) 13
  3.  Разработка измерителя активной энергии 22

Список использованной литературы 24

КП-02-68999-30-ИЭ315-17-00

Введение.

Увеличение мощностей электростанций и линий электропередач, а также повышение культуры обслуживания электросистем с применением вычислительной техники и автоматизированных систем управления технологическими процессами приводит к необходимости увеличения точности измерения электрической энергии, которую не могут обеспечить обычные приборы.

Ещё несколько лет назад контроль потребления и сбережение электроэнергии не были столь актуальны. Всех вполне устраивали цены на электроэнергию и соответствующая система её учёта на базе электромеханических (индукционных) счётчиков. Принцип их работы основан на подсчёте количества оборотов диска, вращающегося в бегущем магнитном поле. Частота вращения пропорциональна мощности, а количество оборотов — потребляемой электроэнергии. Такие счётчики просты, надёжны и дёшевы, но для них характерна большая погрешность, что недопустимо при учете больших мощностей нагрузок. Поэтому, несмотря на то, что имеется возможность применения в информационно-измерительных системах индукционных счетчиков электроэнергии, наиболее выгодны электронные счетчики, (в частности, аналого-цифровые), обеспечивающие точность измерения на класс выше. Перспективность таких счетчиков обусловлена постоянным совершенствованием элементной базы, а также разработками в области микроэлектроники и вычислительной техники.

Например, в одной из информационно-измерительных систем ИИСЭ3 индукционные счетчики применяются с электронными приставками Е–440, служащими для преобразования угла поворота диска в число выходных импульсов, что позволяет автоматизировать учет электроэнергии. Кроме того, в ИИСЭ3 применяются электронные счетчики, в корпусе которых предусмотрены устройства для сбора данных, осуществляющие предварительную обработку и выдачу информации на вычислительное устройство по линиям связи. При этом класс точности электронных счетчиков равен 0,5.

С целью экономии природных ресурсов, необходимых на выработку электроэнергии, и рационального ее потребления, важное место занимает организация учета электрической энергии. При стремительном развитии микроэлектроники и снижении цен на электронные компоненты, цифровые системы управления постепенно вытесняют своих аналоговых конкурентов. Это, в первую очередь обусловлено большим разнообразием микроконтроллеров и резким снижением их стоимости. Одно из главных преимуществ цифровых систем управления на базе микроконтроллеров — это гибкость и многофункциональность, достигаемые не аппаратно, а программно, не требуя дополнительных материальных затрат. Переход на микроконтроллерное управление счётчиков электрической энергии имеет ряд преимуществ, в первую очередь, повышение точности и надёжности, а так же многофункциональность, достигаемая за счёт малых аппаратных затрат.  В настоящее время распространены специальные информационно-измерительные системы с автоматическим сбором информации о потреблении электрической энергии.

Дальнейшее совершенствование систем учета и измерения электроэнергии можно обеспечить только с помощью новейших приборов, основанных на использовании импульсной техники и микроэлектроники. В связи с этим существует проблема разработки и изучения электронных счетчиков электрической энергии, которые могут полностью автоматизировать её учет. В энергетических системах в настоящее время предъявляются довольно жесткие требования к точности измерения мощности и энергии. Для измерения мощности необходимы приборы классов точности от 0,1 до 0,2, а для измерения энергии – от 0,2 до 0,5. Это объясняется тем, что энергоснабжающим предприятиям наносится существенный ущерб от неточности измерения при относительно больших потребляемых потоках энергии. Внедрение современных микропроцессорных счетчиков, благодаря их высокой точности, позволяет получить более достоверную информацию об энергопотреблении. А это значит точное сведение балансов, нахождение потерь и выявление неучтенных потребителей. Только на этом экономия может составить до 2...5%.

Кроме того, высокая точность измерения необходима в связи с внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами и информационно-измерительных систем с автоматическим сбором информации о потреблении электроэнергии. Применяемые в настоящее время  индукционные счетчики энергии с классом точности 2,0 не могут обеспечить требуемую точность измерения в этих условиях. Кроме того, на работу индукционных счетчиков большое влияние оказывает частота сети, вследствие чего высшие гармоники учитываются с большими погрешностями. При измеряемой мощности более 169 кВт целесообразно применять электронные счетчики электрической энергии.

В мировой практике уже имеются примеры замены индукционных счетчиков электронными (в Японии с 1977 года ведется плановая замена счетчиков более чем в 40 миллионах домов).

В простейших измерительных схемах токов и напряжений применяют выпрямители и усредняющие цепи, напряжение на выходе которых затем градуируется в единицах RMS (среднеквадратического значения).Удовлетворительные результаты в таких случаях получаются только при одной, неизменной форме сигнала, например синусоидальной. Формы напряжения характеризуются коэффициентом формы,который определяется как отношение амплитудного значения сигнала к действующему.

Многие типичные формы сигналов, такие как синусоидальные и треугольные имеют относительно низкий коэффициент формы; импульсы с большой скважностью и прямоугольные импульсы имеют большой коэффициент формы.

В измерительной технике применяются специализированные аналоговые интегральные микросхемы, представляющие собой детекторы среднеквадратического значения напряжения (преобразователи RMS-DC). Такие микросхемы применяются в простых измерительных преобразователях и легко согласуются со входами различных автоматических регуляторов, так как их выходным сигналом является линейно изменяющееся напряжение. Недостатком аналоговых RMS-детекторов является большое время установления выходного сигнала при малых уровнях входных напряжений, что ограничивает их использование в быстродействующих устройствах.

При повышенных требованиях к точности и быстродействию преобразователей RMS применяют современные цифровые микросхемы и DSP- процессоры.

Основное отличие микропроцессорных счетчиков от обычных, индукционных в том, что они представляют собой небольшой "бортовой компьютер". В таких счетчиках практически отсутствуют подвижные части, выполняющие измерения потребленного электрического тока. Счетчик обычно состоит из измерительных датчиков тока и напряжения (трансформаторов с улучшенными характеристиками), схем измерения (АЦП - аналого-цифровые преобразователи), микроконтроллера обрабатывающего цифровые сигналы, памяти для хранения данных счетчика. Вся информация счетчика выводится на жидкокристаллическое табло. Питаются счетчики обычно от подключенных к ним цепей напряжения. В дополнение, хорошим тоном является установка резервного питания на счетчик (в виде различных аккумуляторных батарей). Они предназначены для поддержания целостности важной информации, когда счетчик отключен от цепей питания. Значения потребляемого тока определяется с помощью трансформаторов тока. В дальнейшем происходит перемножение сигналов тока и напряжения через АЦП на высокопроизводительном микропроцессоре с RISC-набором команд. Вся полученная информация записывается в память счетчика и параллельно отображается на жидкокристаллическом дисплее. Простейшая схема счетчика приведена на рис. 1.

Рис. 1 Простейшая схема счетчика.

В дополнение, в различных моделях счетчика могут вводиться дополнительные информационные выходы (токовая петля, числоимпульсное реле, в котором частота импульсов пропорциональна потребленной электроэнергии, выход RS-485 и т.п.). Практически во всех счетчиках имеется память для хранения программы работы счетчика, измеренных величин (т. е. активной и реактивной энергии) а также перечня различных значимых событий (количество входов в счетчик, пропадания питания, перехода на зимнее и летнее время и т. п.).

Отличительная особенность таких счетчиков - это возможность учета электроэнергии по тарифам. Это означает, что возможно рассчитываться за потребленную электроэнергию по-разному. В старых индукционных счетчиках не возможно учитывать переходы на различные временные тарифы (для этого надо было бы поставить человека у счетчика, который следил когда наступит например пиковый тариф и записывал показания). Как выход можно было бы использовать компьютерную систему сбора информации в режиме реального времени с последующим ручным разбиением на интервалы по тарифам. Однако гораздо проще поставить микропроцессорный счетчик, внутренняя программа которого сама бы следила за переходом из одной тарифной зоны в другую и записывала расход электроэнергии отдельно по каждому интервалу.

Для того, чтобы счетчик мог считать и показывать данные в него необходимо внести программу, которая будет "указывать" счетчику, что делать: как измерять, что измерять, куда и в каком виде записывать. Для этого необходимо иметь персональный компьютер с специальной программой, поставляемой со счетчиками, сам счетчик, специальный преобразователь для передачи данных от ЭВМ к счетчику. Причем, по большому счету, все счетчики программируется по одним и тем же правилам: пользователю не надо писать программ на каком-то языке программирования - все что от него требуется - это лишь отвечать на вопросы программы и помечать мышкой необходимые варианты работы счетчика.

Еще одно из полезных свойств данных счетчиков - возможность создания на их базе информационной системы сбора и обработки данных по расходу электроэнергии. Т. е. возможность на базе таких счетчиков создать автоматизированную систему сбора информации. Допустим есть несколько объектов (подстанций или маленьких заводиков по производству продукции) и необходимо контролировать расход электроэнергии по объектам. На точки учета ставятся микропроцессорные счетчики, к ним подключается модем (импульсное реле, выход RS485) и вся информация собирается на один ПК, стоящий в офисе. Даже если понадобиться перепрограммировать счетчик - это можно сделать дистанционно, через модем. И тут сразу же возникает вопрос: А если я "нехороший человек" и хочу влезть и изменить данные в счетчике? На этот счет в счетчике есть свой "ответ Чемберлену". Обычно счетчики имеют несколько уровней доступа к своей информации (для чтения, для модификации, для перепрограммирования). Кроме этого в памяти счетчика содержится информация о всех попытках считывания и захода в него. Так что всегда можно определить когда данные в счетчике менялись.

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. Такие счётчики способны работать в широком диапазоне частот, начиная от 0 Гц, то есть не только в цепях переменного (разных частот), но и постоянного тока. Кроме того, учитывая высокий класс точности таких счетчика (0,2 - 0,5) и отсутствие самохода (т. е. самопроизвольного движения диска, как в индукционном счетчике) можно сказать, что на сегодняшний день такие счетчики самый удобный вариант для учета электроэнергии.

1. Первичные преобразователи тока и напряжения.

Наиболее простыми датчиками напряжения и тока являются прецизионные резистивные датчики. Соответственно - делитель напряжения для измерения текущего напряжения и токовый шунт для измерения текущего тока.

При высоких напряжениях трудно проводить измерения, поскольку высоковольтные приборы дороги и обычно громоздки; их точность подвержена воздействию статического электричества, к тому же они небезопасны. Когда ток превышает 60 А, нелегко обеспечить высокую точность амперметров из-за больших проводов и значительных ошибок, обусловленных паразитным полем концевых выводов. Кроме того, амперметры и катушки тока в высоковольтных цепях опасны для оператора.

Делитель напряжения рассчитывают таким образом, чтобы напряжение на его выходе составляло величину, рекомендованную для конкретной м. с. счетчика и не превосходило при крайнем значении входного напряжения максимально допустимое измеряемое напряжение (обычно ±400мВ или ±500мВ). Делитель включается между двумя проводами контролируемой цепи (ноль и фаза). Эффективное значение соответственно равно 400мВ/1.732=231мВ.

Измерительный трансформатор, электрический трансформатор, на первичную обмотку которого воздействует измеряемый ток или напряжение, а вторичная, понижающая, включена на измерительные приборы и реле защиты. Измерительный трансформатор применяют главным образом в  и в цепях переменного тока высокого напряжения для безопасных измерений силы тока, напряжения, мощности, энергии. На случай повреждения изоляции со стороны высокого напряжения один из зажимов вторичной обмотки заземляют. С помощью измерительного трансформатора можно измерять различные значения электрических величин электроизмерительными приборами (вольтметром, амперметром, ваттметром), имеющими пределы до 100 В и 5 А. Если шкалы приборов не откалиброваны в коэффициентах трансформации, то показания надо умножать на соответствующий коэффициент трансформации.

Различают трансформаторы напряжения (для включения вольтметров, частотомеров, параллельных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле напряжения) и трансформаторы тока (для включения амперметров, последовательных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле тока).

1.1 Трансформаторные датчики тока (измерительные трансформаторы тока)

Рис 1.1.1 Измерительный трансформатор тока. Схема включения.

Трансформаторные датчики тока дороже резистивных, но обладают рядом существенных преимуществ:

1. Измерительные трансформаторы тока, по сравнению с шунтами, работают при значительно меньших падениях напряжения на входе и практически не потребляют.

2. Измерительные трансформаторы тока обеспечивают гальваническую развязку между обмотками, поэтому измерительная схема не находится под высоким потенциалом как при использовании шунта и ее можно легко экранировать.

3. Параметры трансформатора тока практически не изменяются во времени и не зависят от температуры.

4. Коэффициент трансформации легко выдерживается при производстве и остается всегда постоянным.

5. Трансформаторы тока прекрасно гасят импульсные помехи в измерительной цепи без применения дополнительных фильтров

6. Обеспечивают минимальный фазовый сдвиг между цепями измерения напряжения и тока, т. к. фильтрация измерительного сигнала производится за счет собственной индуктивности трансформатора.

7. Простота измерения 3-х фазных токовых сигналов за счет гальванической развязки токовых проводов и измерительной части.

В качестве датчиков тока (измерительных трансформаторов тока) обычно используются трансформаторные датчики двух типов:

1. Трансформатор нагруженный на прецизионный резистор - трансформатор тока. Обычно с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов. Выходное напряжение, снимаемое с резистора, пропорционально току первичной обмотки;

2. Дифференцирующий трансформатор di/dt, работающий в режиме ударного возбуждения. Обычно без магнитопровода (воздушный). Выходное напряжение трансформатора пропорционально скорости изменения тока первичной обмотки.
Применение трансформаторного датчика тока в счетчиках электроэнергии может сочетаться с применением резистивного датчика напряжения или трансформатора напряжения. Обычно применяют резистивный делитель как наиболее дешевый.

Идеальным режимом работы измерительного трансформатора тока является режим короткого замыкания его вторичной цепи. В этом режиме по вторичной цепи трансформатора тока протекает индуцированный ток, который создает в магнитопроводе вторичный поток магнитной индукции, компенсирующий поток магнитной индукции от тока первичной цепи. В результате в сердечнике, в стационарном режиме, устанавливается близкий к 0 суммарный поток магнитной индукции, индуцирующий во вторичной обмотке небольшую ЭДС, поддерживающую ток во вторичной цепи пропорционально значению тока первичной цепи.

Безопасность вторичных цепей при больших входных токах обеспечивается за счет вхождения сердечника в насыщение. Однако, если вторичную цепь трансформатора тока разомкнуть (аварийный режим), то исчезновение вторичного тока и созданного им магнитного потока приведет к значительному росту суммарного магнитного потока и соответственно увеличению ЭДС во вторичной обмотке до огромных значений, что может вызвать пробой изоляции. Кроме того, при большом магнитном потоке резко увеличиваются потери в сердечнике, что вызывает его разогрев.

Погрешности трансформаторного датчика тока складываются из токовой погрешности (погрешность действительного коэффициента трансформации) и угловой погрешности (разность фаз между токами первичной и вторичной цепи). Погрешности определяются двумя факторами: ограниченной магнитной проницаемостью магнитопровода и ненулевым значением сопротивления нагрузки. Дело в том, что отбираемая мощность в нагрузке не позволяет работать трансформатору в нулевых магнитных полях (идеальный трансформатор), а, следовательно, в работу вступают искажения, вносимые сердечником, а именно - нелинейность кривой намагничивания сердечника, в частности насыщение сердечника в больших полях.

 

Рис 1.1.2 Зависимость между сопротивлением нагрузки и погрешностью коэффициента трансформации.

Рис 1.1.3 Зависимость между сопротивлением нагрузки и величиной тока насыщения трансформатора.

Эти зависимости справедливы для любого трансформатора тока, хотя, при применении электро-технического железа в качестве материала сердечника, эти зависимости на порядок ярче выражены. На эти зависимости особенно надо обратить внимание при использовании трансформаторов в качестве сигнализаторов перегрузок, когда во вторичную цепь трансформатора пытаются включить высокоомное реле.

Вместе с тем погрешность трансформатора тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, т. е. больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также чем меньше его вторичная нагрузка (идеал – короткое замыкание. вторичной обмотки). Важно учитывать, что магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля, и практически постоянна только в области слабых полей. Поскольку трансформаторы работают в слабых результирующих полях, то для них необходимо использование материала с высокой начальной магнитной проницаемостью.

В качестве сердечников трансформаторных датчиков тока используются нанокристаллические или аморфные сплавы. Нанокристаллические сплавы характеризуются практически постоянной высокой магнитной проницаемостью в слабых полях (до 0.1А/м) составляющей в среднем 40 000 - 60 000 (для электротехнической стали всего 400). Кроме того, эти сплавы обладают высокой остаточной магнитной индукцией и низкой коэрцитивной силой, т. е. очень узкой петлей гистерезиса, малыми потерями на вихревые токи (менее 5 Вт/кг); близкой к нулю магнитострикцией. В зависимости от термообработки сердечники могут обладать прямоугольной, линейной или округлой петлей гистерезиса. Магнитопроводы обеспечивают высокую линейность кривой намагниченности в слабых полях. Полное перемагничивание сердечника при подаче переменного тока происходит при малой напряженности магнитного поля за счет узкой петли гистерезиса. Магнитопроводы выпускаются в защитных пластмассовых контейнерах, обеспечивающих их защиту от механических воздействий.

а)                                                    б)

Рис. 1.1.4 Амплитудная характеристика датчика.

Амплитудная характеристика датчика, в общем случае, нелинейная, что обусловлено нелинейностью кривой магнитной индукции сердечника. Нелинейность особенно ярко выражена в области начала насыщения и определяется материалом магнитопровода. Однако в области слабых магнитных полей (чистый синусоидальный сигнал и Rн=0) она практически линейна. Эта область и является рабочей при расчете трансформатора. В недорогих трансформаторах тока для диапазона 5(50) А, изготавливаемых на нанокристаллические сплавах 5БДСР (рис. 1.1.4 а) или ГМ414 типоразмера ОЛ25х15х10 нелинейность характеристики не превышает 0.3%, что вполне достаточно для построения счетчиков 1 и 2 классов. Для трансформаторов более высокой точности применяют более дорогие аморфные сплавы, например 82 В (рис. 1.1.4 б).

Не меньшее влияние на точность трансформатора и входные токи насыщения оказывает коэфф. трансформации. Чем он выше - тем более линейной будет характеристика трансформатора (естественно при прочих равных условиях).

Грубо говоря, чем выше коэффициент трансформации и ниже сопротивление нагрузки, тем точнее трансформатор. Если необходимо достичь высокой точности - не стоит забывать об встроенном усилителе, имеющимся в составе любой м.сх. измерения мощности. Хотя здесь придется найти компромисс между внешними наводками на входные цепи и величиной измерительного сигнала.

При выборе трансформатора тока, необходимо также реально представлять себе его передаточную характеристику. Имея дело с реальным трансформатором надо отдавать себе отчет, что погрешность коэфф. передачи зависит от суммарной напряженности магнитного поля в сердечнике, т. к. магнитная проницаемость сердечника сильно зависит от напряженности магн. поля и может различаться в разы.

Одним из недостатков трансформаторов тока является намагничивание сердечника постоянной составляющей тока, возникающей в контролируемой электрической цепи из-за асимметрии потребления нагрузки (например однополупериодный выпрямитель) в разных полуволнах. Нивелировать данный недостаток можно правильным выбором габаритов или материала магнитопровода трансформаторов тока. Постоянный магнитный поток, обусловленный разностью токов в первичной обмотке в разные полуволны, не компенсируется. В результате, в сердечнике трансформатора тока на переменный магнитный поток накладывается постоянный поток, который приводит к смещению реальной кривой намагничивания сердечника в область больших полей при той же потребляемой мощности в нагрузке. Однако следует заметить, что искажение образуются в области перехода тока через 0, при этом искажения в одной полуволне приводят к компенсационному искажению в другой, поэтому фактическая погрешность измерения потребляемой мощности в счетчике изменяется не столь радикально.

Для борьбы с постоянным подмагничиванием можно применять трансформаторы тока с магнитопроводом из кобальтовых сплавов типа 86Т, которые начинают насыщаться при напряженности свыше 400А/м (для размера ОЛ25-15-10 это где-то в районе 25А постоянного тока в измеряемой цепи) или трансформаторы с сердечником, выполненным с немагнитным зазором. Что касается изготовления сердечника с зазором, то выполнить на сердечнике достаточно маленький немагнитный зазор (в районе 0,05-0,1 мм) достаточно сложно. Как альтернатива может применяться заполнение зазора порошком, при этом требования к величине зазора снижаются, но в конечном итоге себестоимость таких магнитопроводов все-таки значительна.

Запас по постоянному потоку можно достигнуть также уменьшением напряженности магнитного поля в сердечнике (для того же тока в первичной обмотке) за счет увеличения длины магнитопровода (величина напряженности магнитного потока прямо пропорциональна произведению количества витков на ток и обратно пропорциональна средней длине магнитопровода и выражается формулой H=N1*I1/L). Однако увеличение длины магнитопровода вызывает снижение ЭДС самоиндукции, которая прямо пропорциональна площади сечения магнитопровода и обратно пропорциональна длине магнитопровода. Поэтому увеличение длины должно сопровождаться увеличением площади сечения - для сохранения прежнего значения индуктивности. Как известно, чем выше индуктивность вторичной обмотки, тем ниже скорость изменения тока и тем ниже наводимая ЭДС в первичной обмотке. Кроме того, большая индуктивность совместно с сопротивлением вторичной обмотки работает как НЧ фильтр в измерительной цепи (причем не вносящий фазовые искажения!) и, кроме того, снижает воздействие АЦП измерителя на измерительную цепь. В связи с этим требования к RC цепи в измерительном канале снижаются (его можно не ставить вовсе!), а, следовательно снижается фазовый сдвиг, вносимый этим фильтром между каналами измерения тока и напряжения.

Расчет измерительной цепи для конкретного трансформатора тока относительно несложен. Как было сказано выше, во вторичной обмотке трансформатора тока нагруженной на резистор Rb, протекает ток, трансформируемый из первичной обмотки и обусловленный явлением электромагнитной индукции. Активное сопротивление цепи вторичной обмотки равно Rb + R2 , где R2 - собственное сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока, а Rb - сопротивление нагрузочного резистора. Ток вторичной обмотки I2 ~ I1/N, где N - коэффициент трансформации (обычно 1000...3000).
Выходное напряжение датчика тока, определяемое падением напряжения на R
b:
U
2=I2*Rb=I1*Rb/N.Эквивалентное напряжение на входе трансформатора U1=U2/N=I1*Rb/N2.

Таким образом, напряжение на первичной обмотке трансформатора тока пропорционально I1*Rb/N2. т.е. в N2 раз меньше, чем для шунта при одном и том же выходном напряжении для измерения. Поэтому влияние трансформаторного датчика тока на контролируемую цепь меньше чем в случае применения шунта. Например для трансформатора тока с N = 3000; U2 = 20мВ, I1 = 50 А (см. расчет для шунта выше по тексту) рассчитаем эквивалентное входное активное сопротивление. I2=50/3000=0.01667A. Rb=20мВ/16.67мА=1.2 Ом. Входное сопротивление идеального трансформатора равно Rb/N2 = 1,2/3000^2=0,1333 мкОм. Однако, с учетом собственного активного сопротивления вторичной обмотки (для трансформатора на магнитопроводе ОЛ25х15х10 примерно 400 Ом), эквивалентное активное входное сопротивление равно (Rb+R2)/N2 = (1,2+400)/3000^2=44,6 мкОм (сравните с 400 мкОм на шунте!). Оценивая величину Rb, можно увидеть, что оно ничтожно по сравнению с внутренним сопротивлением обмотки трансформатора. Таким образом можно увеличивать Rb для получения больших напряжений для последующего измерения, а следовательно повысить точность при замере малых токов, снизить влияние электрических шумов на измеряемую цепь и при этом практически не вносить дополнительных потерь в измеряемую цепь.

В настоящее время в качестве датчика тока получают распространение дифференцирующие трансформаторы, используемые обычно без магнитного сердечника. Отсутствие сердечника обеспечивает линейность его амплитудной характеристики в широком диапазоне, а также исключает рассмотренное выше намагничивание постоянным током, но требует применение специальных микросхем с встроенным интегратором, например ADE7753/59 для однофазной или ADE7758 для трёхфазной цепи. Эти микросхемы допускают использование дифференцирующего трансформатора, шунта или трансформатора тока с нагрузкой Rb. Дифференцирующие трансформаторы обычно применяют для измерения больших токов, т. к. магнитный поток в них невелик (в m раз меньше чем в ферромагнетиках), а следовательно наводимая ЭДС так же мала (E= m0*N1*N2/L*dI/dt).

Для того что бы получить приемлемый для измерения сигнал, дифференцирующий трансформатор используют в режиме контура ударного возбуждения (а не в режиме трансформатора тока), при котором ЭДС на выходе пропорциональна dI/dt, для этого нагрузочный резистор Rb имеет достаточно большую величину. В этом режиме выходной сигнал с трансформатора не повторяет форму входного тока, но трансформатор имеет высокую чувствительность к изменению тока. Для того, чтобы не было искажений выходного сигнала применяют интегрирующую цепь (в ADE7753/59 для однофазной или ADE7758 для трёхфазной цепи она встроенная). В этом случае, обмотка трансформатора (L2 и R2), R и C интегратора образуют колебательный контур с затуханием и последовательно включенной ЭДС самоиндукции. В общем виде напряжение на конденсаторе: U=L2*I1/((R2+R)*C*N). Постоянную времени (R+R2)*C, (L2*C)0.5 необходимо выбрать значительно превосходящую постоянную времени изменения входного тока.

Конструктивно оба трансформатора (тока и дифференцирующий) представляют собой тороидальные катушки, причем для трансформатора тока- с магнитным сердечником. Катушки для трансформаторов обоих типов содержат обычно только вторичную обмотку, первичной обмоткой является провод (медная шина), продеваемый через центральное отверстие трансформатора.

Рис. 1.1.5 Схема измерительного трансформатора постоянного тока: 1 — сердечник; 2 — шина (провод постоянного тока); 3 — вспомогательная обмотка; 4 — диоды выпрямительного моста; Ф — магнитный поток; В — выпрямитель; А — амперметр; W1 — первичная обмотка (шина); U ~ — вспомогательный источник переменного тока; I — измеряемый ток.  

1.2. Трансформаторные датчики напряжения (измерительные трансформаторы напряжения).

Рис 1.2.1 Измерительный трансформатор напряжения. Схема включения.

Так же как и трансформаторах тока, вектор вторичного напряжения сдвинут относительно вектора первичного напряжения не точно на угол 180˚. Это определяет угловую погрешность.

В зависимости от номинальной погрешности различают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3. Погрешность зависит от конструкции магнитопровода, магнитной проницаемости стали и от cos φ вторичной нагрузки. В конструкции трансформаторов напряжения предусматривается компенсация погрешности по напряжению путем некоторого уменьшения числа витков первичной обмотки, а также компенсация угловой погрешности за счет специальных компенсирующих обмоток.

Рассеяние магнитного потока и потери в сердечнике приводят к погрешности измерения.

Суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле,
подключенных ко вторичной обмотке трансформатора напряжения, не должно превышать номинальную мощность трансформатора напряжения, т. к. в противном случае это приведет к увеличению погрешностей.

В зависимости от назначения могут применяться трансформаторы с различными схемами соединения обмоток. Для измерения трех междуфазных напряжений можно использовать два однофазных двухобмоточных трансформатора, соединенных по схеме открытого треугольника, а также трехфазный двухобмоточный трансформатор, обмотки которого соединены в звезду. Для измерения напряжения относительно земли могут применяться 3 однофазных трансформатора, соединенных по схеме Y0/Y0, или трехфазный трехобмоточный трансформатор. В последнем случае обмотка, соединенная в звезду, используется для присоединения измерительных приборов, а к обмотке, соединенной в разомкнутый треугольник, присоединяется реле защиты от замыканий на землю. Таким же образом в трехфазную группу соединяются однофазные трехобмоточные трансформаторы и каскадные трансформаторы.

По конструкции различают трехфазные и однофазные трансформаторы. Трехфазные трансформаторы напряжения применяются при напряжении до 18 кВ, однофазные - на любые напряжения. По типу изоляции трансформаторы могут быть сухими, масляными и с литой изоляцией.

Обмотки сухих трансформаторов выполняются проводом ПЭЛ а изоляцией между обмотками служит элетрокартон. Такие трансформаторы применяются в установках до 1000 В.

Трансформаторы напряжения с масляной изоляцией применяются на напряжение 6-1150 кВ закрытых и открытых РУ. В таких трансформаторах обмотки и магнитопровод залиты маслом, которое служит для изоляции и охлаждения. Следует отличать однофазные двухобмоточные трансформаторы НОМ-6, НОМ-10, НОМ-15, НОМ-35 от однофазных трехобмоточных ЗНОМ-15, ЗНОМ-20, ЗНОМ-35. Такие трансформаторы имеют два ввода ВН и два ввода НН, их можно соединить по схемам открытого треугольника, звезды, треугольника. У трансформаторов второго типа один конец обмотки ВН заземлен, единственный ввод ВН расположен на крышке, а вводы НН - на боковой стенке. Обмотка ВН рассчитана на фазное напряжение, основная обмотка НН - на100/√3 В, дополнительная обмотка - на 100/3 В. Такие трансформаторы называются заземляемыми.

2.Умножители напряжений.

К электронным умножителям относится широкий класс электронных и полупроводниковых устройств, которые операцию умножения осуществляют на основе функционального преобразования входных сигналов, модуляции входных сигналов и ряда других методов.

Умножителем напряжения называют устройство, на выходе которого можно получить напряжение, в любое число раз превышающее напряжение на его входе. Другими словами, умножитель - это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное, превышающее амплитуду входного переменного напряжения. К числу достоинств можно отнести небольшие габариты и массу, стабильность работы. К недостаткам же относятся низкий ток нагрузки, небольшой КПД и, как следствие, небольшая мощность. Умножители напряжения чаще применяют в устройствах, где не требуется значительный ток в нагрузке, но важно высокое напряжение. Например, в телевизоре стоит умножитель напряжения. В основном на его выходе образуется напряжение в 25 кВ для питания ускоряющего электрода кинескопа.

В современных радиоэлектронных устройствах умножители нашли широкое применение. Они используются в телевизионной и медицинской аппаратуре (источники анодного напряжения кинескопов, питания маломощных лазеров), в измерительной технике (осциллографы, приборы для измерения уровня и доз радиоактивного излучения), в приборах ночного видения и электрошоковых устройствах, бытовых и офисных электронных устройствах (ионизаторы, "люстра Чижевского", ксерокопировальные аппараты) и многих других областях техники. Произошло это благодаря главным свойствам умножителей - возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт, напряжение при малых габаритах и массе. Еще одно их важное преимущество - простота расчета и изготовления.

Умножитель напряжения состоит из включенных определенным образом диодов и конденсаторов и представляет собой преобразователь напряжения переменного тока низковольтного источника в высокое напряжение постоянного тока.

Рис 2.1 Умножитель напряжения однополупериодный, последовательный.

Принцип его работы понятен из рис. 2.1, на котором приведена схема однополупериодного умножителя. Рассмотрим происходящие в нем процессы поэтапно.

Во время действия отрицательного полупериода напряжения конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до амплитудного значения приложенного напряжения Uа. Когда к входу умножителя приложено напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый диод VD2 заряжается до напряжения 2Uа. Во время следующего этапа - отрицательного полупериода - через диод VD3 до напряжения 2Uа заряжается конденсатор С3. И, наконец, при очередном положительном полупериоде до напряжения 2Uа заряжается конденсатор С4.

Очевидно, что запуск умножителя происходит за несколько периодов переменного напряжения. Постоянное выходное напряжение складывается из напряжений на последовательно включенных и постоянно подзаряжаемых конденсаторах С2 и С4 и составляет 4Uа.

Рис 2.2 Умножитель напряжения однополупериодный, параллельный

Изображенный на рис. 2.1 умножитель относится к последовательным умножителям. Существуют также параллельные умножители напряжения, для которых требуется меньшая емкость конденсатора на ступень умножения. На рис. 2.2 приведена схема такого однополупериодного умножителя.

Рис 2.3 Умножитель напряжения двухполупериодный.

Наиболее часто применяют последовательные умножители. Они более универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большее число ступеней умножения. Имеют свои достоинства и параллельные умножители. Однако такой их недостаток, как увеличение напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней умножения, ограничивает их применение до выходного напряжения примерно 20 кВ.

Рис 2.4 Умножитель напряжения двухполупериодный.

На рис. 2.3 и 2.4 приведены схемы двухполупериодных умножителей. К достоинствам первого (рис. 2.3) следует отнести следующие: к конденсаторам С1, С3 приложено только амплитудное напряжение, нагрузка на диоды равномерна, достигается хорошая стабильность выходного напряжения. Второй умножитель, схема которого приведена на рис. 2.4, отличают такие качества, как возможность обеспечения высокой мощности, простота в изготовлении, равномерное распределение нагрузки между компонентами, большое число ступеней умножения.

Выходное напряжение умножителя зависит от тока нагрузки. При условии, что входное напряжение и частота постоянны, оно определяется формулой:

 Uвых = NUвх – [I(N3+9N2/4+N/2)]/12FC,  где 

I - ток нагрузки, А;

N - число ступеней умножителя;

F - частота входного напряжения, Гц;

С - емкость конденсатора ступени, Ф.

Задавая выходное напряжение, ток, частоту и число ступеней, из нее вычисляют требуемую емкость конденсатора ступени.

Эта формула приведена для расчета последовательного умножителя. В параллельном для получения того же выходного тока необходимая емкость меньше. Так, если в последовательном емкость конденсатора 1000 пФ, то для трехступенчатого параллельного умножителя потребуется емкость 1000 пФ / 3 = 333 пФ. В каждой последующей ступени такого умножителя следует применять конденсаторы с большим номинальным напряжением.

Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в последовательном умножителе равно полному размаху входного напряжения. Если требуется изменить полярность выходного напряжения, полярность включения диодов следует изменить на обратную.

При практической реализации умножителя следует уделить особое внимание выбору его элементов, их размещению и изоляционным материалам. Конструкция должна обеспечивать надежную изоляцию во избежание возникновения коронного разряда, который снижает надежность умножителя, приводит к выходу его из строя. Кроме того, необходимо учесть некоторые ограничения: входное напряжение может быть не более 15 кВ и должно быть переменным у любого умножителя, частота переменного напряжения ограничена в пределах 5...100 кГц, выходное напряжение - не более 150 кВ, интервал рабочей температуры от -55 до +125 град. С, а влажности - 0... 100 %. На практике разрабатывают и применяют умножители с выходной мощностью до 50 Вт, хотя реально достижимы значения в 200 Вт и более.

Наиболее распространенными схемами перемножителей являются схемы, реализованные на операционных усилителях. Из большого числа вариантов можно выделить следующие: умножители на основе управляемого сопротивления, умножители на основе логарифмирования и антилогарифмирования, умножители с переменной крутизной, импульсные умножители.

2.1 Умножители с использованием управляемого сопротивления канала полевого

транзистора.

Данные умножители наиболее просты. Если сопротивление пропорционально управляющему напряжению, то ток через это сопротивление пропорционален произведению входного и управляющего сигналов или частному входного и управляющего сигналов. В качестве управляемых напряжением сопротивлений можно использовать полевые транзисторы. На начальном участке вольтамперной характеристики (ВАХ) полевого транзистора изменяемым является сопротивление его канала, управляемое по цепи затвора. Действие температурного дрейфа этого сопротивления на точность умножения значительно уменьшается включением полевого транзистора в цепь обратной связи усилителя А2 (рис. 2.1.1).

При идентичных по параметрам полевых транзисторов выходное напряжение определяется по формуле

,

где  – сопротивление канала полевого транзистора ( зависит от выходного напряжения А2, которое определяется, в свою очередь, напряжениями  и ). Чтобы обеспечить выполнение транзистором VT2 функции переменного сопротивления, необходимо установить  < 0 и  >  0. Если входной ток пренебрежимо мал по сравнению с током, протекающим по цепи транзистора VT2 и резистора , то будет справедливо равенство

.

Определив из этой формулы  и подставив его в выражение для , получим зависимость выходного напряжения от сопротивлений резисторов:

Рис. 2.1.1 Умножитель с использованием управляемого сопротивления канала полевого транзистора.

.

Определенным подбором параметров элементов можно получить точность умножения около 2 % в диапазоне частот 0 ... 1 МГц. Такой перемножитель целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо получить максимальное быстродействие и не требуется высокая точность умножения.

2..2  Логарифмические умножители.

При использовании этого метода операция умножения осуществляется в несколько этапов (рис. 2.2.1): логарифмическое преобразование входных сигналов, сложение и обратное (экспоненциальное) преобразование суммы. Все эти операции легко реализуются с применением согласованных биполярных транзисторов и ОУ. Этот способ широко применяется в микросхемах умножителей благодаря дешевизне и возможности умножения и деления, а также простой реализации функции вида

.

Рис.  2.2.1 Логарифмический умножитель.

Алгоритм сводится к вычислению последовательности операций:

.

Хотя базовые логарифмические и экспоненциальные схемы работают только в одном квадранте, их можно преобразовать для работы в четырех квадрантах, но при значительных аппаратурных затратах. Упрощенный вариант схемы представлен на рис. 2.2.2.

Выходное напряжение перемножителя

,

где   – эмиттерный ток   транзистора   VT4     .

Напряжение  определяется  из  равенства:

.

Подставляя  в выражение для , а затем  в выражение для , предполагая идентичность транзисторов и ОУ, получаем

Рис. 2.2.2 Логарифмический умножитель.

,

где  > 0,  > 0,  > 0.

Обычно  и , поэтому .

При входных сигналах 100 мВ приведенная ко входу погрешность не превышает 0,5 %, а ошибка из-за нелинейности не более 0,2 %. Так как суммируются не абсолютные значения токов, а их логарифмы, то исключается насыщение транзисторов в широком диапазоне изменения входных напряжений.

Недостаток схемы заключается в зависимости полосы рабочих частот от величины входных сигналов. Объясняется это тем, что при больших входных напряжениях в цепях логарифмического перемножителя протекают большие входные токи, и, следовательно, быстрее перезаряжаются паразитные емкости в схеме.

2.3. Умножители с использованием управляемых источников тока.

Управляемые источники тока служат основой многих микросхем аналоговых умножителей. Принцип действия умножителя, использующего этот метод, представлен в идеализированном виде на рис. 2.3.1. Операция умножения реализуется за счет изменения коэффициента передачи дифференциального каскада с общим эмиттером (транзисторы VT1 и VT2) при изменении его рабочего тока . В рассматриваемой схеме ток  пропорционален напряжению  благодаря применению токового зеркала (транзисторы VT3 и VT4). Выходное напряжение

,

где  – дифференциальное сопротивление эмиттера (k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона).

Рис.  2.3.1 Умножитель с использованием управляемых источников тока.

Приведенная схема имеет ограниченное практическое применение из-за свойственных ей серьезных недостатков: входное напряжение  должно быть небольшим (десятки милливольт), иначе схема становится нелинейной; входное напряжение  должно быть «привязано» к отрицательному источнику питания  –, а не к корпусу; коэффициент передачи умножителя зависит от температуры.

Умножители на основе преобразователей напряжения в ток можно использовать как простые умножители невысокой точности. Суммарная погрешность умножения лежит в пределах от 0,1 до 5 %.

2.4. Умножители с использованием широтно-импульсной модуляции.

Этот метод основан на реализации функции произведения входных сигналов  и  путем использования этих сигналов для двойной модуляции импульсного сигнала. При этом аналоговые сигналы  и  линейно преобразуются в частоту, период, амплитуду, скважность импульсного сигнала с последующим его интегрированием. Наиболее часто используются комбинации широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции (ШИМ-АИМ). На рис. 2.4.1 показана структурная схема ваттметра, основанная на данном методе, и диаграммы, поясняющие принцип работы.

Рис.  2.4.1 Структурная схема ваттметра на основе умножителя с использованием широтно-импульсной модуляции.

При использовании ШИМ-АИМ в широтном модуляторе ШМ входным сигналом  модулируется длительность t импульсов, поступающих от генератора Г с частотой . С выхода ШМ импульсы длительностью  подаются на амплитудный модулятор АМ, где они модулируются по амплитуде сигналом . При  площадь каждого импульса на выходе АМ пропорциональна мгновенной мощности: . Напряжение на выходе интегратора И пропорционально средней мощности. Применение цифровых интеграторов позволяет легко создавать ваттметры с цифровым отсчетом.

Модуляционному методу присущи методическая погрешность, обусловленная конечным значением длительности цикла модуляции, что ограничивает верхний предел частотного диапазона, При  мкс и частоте входных сигналов 10 кГц погрешность ваттметра на основе ШИМ–АИМ составляет 0,1 %. Перспективность модуляционных методов измерения возрастает по мере развития быстродействующих микроэлектронных модуляторов и других преобразователей.

В Японии модуляционный метод используется в эталоне единицы электрической мощности, который воспроизводит единицу мощности в диапазоне частот от 40 до 10000 Гц с неисключенной систематической погрешностью Θ = 0,01…0,2 %.

2.5. Сравнительная таблица основных схем умножителей

Таблица 2.5.1

Электромеханический умножитель

Умножитель на основе управляемого сопротивления канала        полевого транзистора

Логарифмический        умножитель

Умножитель на основе управляемого источника тока

Импульсный умножитель

Способ умножения

Взаимодействие магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в подвижной части

Полевой транзистор используется как управляемый напряжением резистор, который изменяет коэффициент передачи усилителя

Сигналы логарифмируются, суммируются, а затем антилогарифмируются

Управление током одного или нескольких дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах

Один из входных сигналов меняет длительность импульса, второй – его амплитуду; выходные импульсы фильтруются ФНЧ

Суммарная погрешность

Зависит от нагрузки

Несколько процентов

0,1 % - 1 %

0,1 % - 5 %

Можно добиться погрешности меньшей, чем 0,01 %

Частотная характеристика

До нескольких мегагерц

Несколько сотен килогерц

До нескольких сотен мегагерц

До сотен герц

Комментарии

Широко применяются как счетчики электрической энергии в сетях переменного тока

Очень простые и дешевые схемы, требующие согласованных полевых транзисторов. Для схем невысокой точности. Обычно работают в двух квадрантах

Широко применяется в промышленных микросхемах умножителей. Можно умножать или делить несколько сигналов

Широко применяется в промышленных микросхемах умножителей

Превосходная точность, но узкая полоса частот. Очень перспективный метод умножения

3. Разработка измерителя активной энергии.

Датчики тока и напряжения подключаются ко входам АЦП микроконтроллера.  Неиспользуемые каналы АЦП не должны быть ни к чему подключены.

3.1 Схема измерителя активной энергии

Uвых = 2 В, I = 5 A, R = 50 мВ.

kI = 20

kU = Uвых/Uвх = 2/(50*10-3) = 40

Зная коэффициент трансформации по напряжению выберем резисторы:

R1=1 кОм, R2=39 кОм




 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59530. Сценарій. Моя барвиста Україна (свято в 6 класі) 40.5 KB
  А хто переможе в нашій конкурсній програмі визначатиме досвідчене й уважне журі. Перший конкурс програми має назву Подорож містами України. Ведучі проводять перший конкурс. Конкурс Подорож містами України Обом командам роздають карти...
59531. Доброта починається з дитинства (позакласний захід) 48 KB
  Мета: формувати в учнів ціннісну орієнтацію, здатність формулювати моральні судження, розвивати вміння відрізняти погане від доброго, виховувати позитивне світосприйняття.
59532. Покрова - свято козацьке: година духовності 48 KB
  Проводиться 14 жовтня у День памяті УПА Образ Покрови Пресвятої Богородиці у вишитому рушнику виставка книжок про святі місця в Україні Почаїв Зарваницю та ін. Шість разів у році наша церква урочисто відзначає свята на честь Діви Марії: 8 січня Собор Пресвятої Богородиці...
59533. Голодомор 1932-1933 років в Україні – геноцид українського народу 67.5 KB
  Мета: виховувати в учнів особистісні риси громадянина України, патріотизм на основі особистісного усвідомлення досвіду історії.
59534. Благословен той день і час, коли прослалась килимами земля, яку сходив Тарас... (перебування Шевченка на Тернопільщині) 88.5 KB
  Шевченко ділиться враженнями про Тернопільщину зробити огляд творів сучасних поетів Тернопільщини присвячених Кобзареві; прищеплювати любов і повагу до Т. Шевченко репродукції акварелей зроблених Кобзарем у Почаєві збірки народних пісень...
59536. Сценарій позакласного виховного заходу (вечору) під рубрикою «Заглянь у природу» 34.5 KB
  Учениця: Природа і Вітчизна невіддільні. Учениця: У ліс завітаю я знову На тиху сердечну розмову І сонцем пропалені лиця Я чую зозулі кування Берізок тремтивих зітхання Тонкі білокурі сестриці Сплели свої вінки в косиці.
59537. «Зупинись – суд іде» з теми «Проблема людства – екологія» 37.5 KB
  Своєю працею людина відкрила природі те що вона має в своїм лоні невідомі її скарби. років як появилася на землі людина. В древні часи коли людина була ще збирачем і мисливцем вона знаходилась більшменш в гармонії з природою і повністю залежала від неї.