Интегрални схеми за електромери

Стефан Куцаров

Създадени преди малко повече от 120 години, индукционните електромери не отговарят на все по-голяма част от съвременните изисквания към измерването на електроенергия. Достатъчно е да се спомене незадоволителната им точност, практическата невъзможност да измерват едновременно активна, реактивна и привидна мощност, както и да предават данните от измерването на разстояние. Към това се прибавя и принципната уязвимост към външни въздействия, целящи отчитане на по-малко от реално консумираната енергия. Тези и други причини доведоха до създаването на електронните електромери, които бързо изместват индукционните. В последните години расте делът на т.нар. интелигентни електромери (Smart Meter), като в момента ги ползват 13% от домакинствата в САЩ, а прогнозите са до 2015 г. в света да бъдат произведени 200 милиона такива устройства.

Съществуват два основни вида електронни електромери, за всеки от които има  значителен набор от интегрални схеми (ИС). Първият тип условно могат да се нарекат електромери с импулсен изход, който от своя страна задейства механичен брояч – например чрез стъпков двигател. Вторият тип са изцяло  електронни и данните за измерваните мощности се изписват на течнокристален дисплей и/или се изпращат по някой от стандартните серийни интерфейси. Използваните в тях ИС са две основни групи – универсални, например постояннотокови стабилизатори и управление на индикатори и специализирани, с основна функция провеждане на измерването на различните видове енергии.

Принцип на измерване

Съществуват еднофазни и трифазни (рядко има двуфазни) електромери, някои от които са само за активна енергия, а други, чийто относителен дял непрекъснато нараства, и за трите вида (активна, реактивна и привидна).

В идеалния случай на липса на хармоници в мрежата, активната мощност е Pa1 = UIcosj, където j е ъгълът между напрежението U и тока I. Реално хармоници винаги съществуват, между напрежението Uk и тока Ik на всеки от тях има фазова разлика jk и общата активна мощност Pa = S(UkIkcosjk), [W] e по-важна от Ра1. Точността на определяне на Ра зависи от броя на използваните хармоници, който в някои случаи достига 80. По аналогичен начин би могла да се определи и реактивната мощност Pr = S(UkIksinjk), VAR, което технически се постига или чрез въвеждане на закъснение на всеки ток Ik по отношение на Uk на една четвърт от неговия период, или чрез фазови звена със завъртане на -90°. Реализацията и на двата метода е твърде трудна, поради което в много електромери се определя реактивната мощност само на първия хармоник, а в други това се прави за всички хармоници чрез подходящ алгоритъм. Привидната мощност S във VA представлява произведение на средноквадратичните стойности на напрежението URMS и тока IRMS, всяка от които се получава чрез измерване на n моментни стойности на величината, определяне на сумата от квадратите им, разделянето й с n и изчисляване на корен квадратен от резултата.

Необходимостта от изчисляване на URMS и IRMS определя факта, че не малко електромери допълнително измерват и тези две величини. Същото се отнася и за cosj, който е равен на Pa/S.

Измерването на енергиите (активна - Active Energy, реактивна - Reactive Energy и привидна - Apparent Energy) в електронните електромери се извършва на основата на зависимостта Е = Pt по различни начини в зависимост от начина на тяхното отчитане.

Интегрални схеми за електромери с механично отчитане

Наименованието на тези електромери се дължи на отчитането на консумираната енергия чрез механичен брояч. Обикновено те са еднофазни (Single-Phase Energy Meter) и трифазни (3-Phase Energy Meter) за активна енергия, а по-рядко и за привидна енергия. Повечето от последните се наричат полифазни електромери (Poly Phase Energy Meter), защото позволяват измерване на енергиите на товари не само в съществуващите у нас свързвания триъгълник (трипроводно – Delta Wire) и звезда (четиропроводно – Wye Wire), но и в други трифазни системи. Структурата и действието на специализираните ИС (Energy Metering IC with Pulse Output) се изяснява чрез фиг. 1, която е на еднофазен електромер.

Токовият сензор CS създава на изхода си напрежение, право пропорционално на тока във фазовия проводник L. В немалко електромери се поставя CS и в неутралния проводник N, с цел регистриране на опити за кражба на електроенергия. При нормална работа токовете в двата проводника са практически равни, докато свързването на консуматор между фазата и земя намалява тока в N. Реакцията на това е изключване на консуматора и евентуално изпращане на съобщение до доставчика на електроенергия.

Използват се три разновидности на CS. Една от тях е токов трансформатор, в чиято вторична намотка се получава много по-малък ток от измервания, а върху резистор в нея е споменатото напрежение. Предимството е липсата на ограничения на тока и мощността на консуматорите, а недостатък – уязвимостта към външни магнитни полета (класически начин за кражба е долепването до електромера на силен постоянен магнит, което насища магнитната сърцевина на трансформатора и няма променлив ток във вторичната му намотка, т.е не се измерва никаква енергия). Със същото действие, но без магнитна сърцевина, е бобината на Роговски. Третата разновидност е поставяне във веригата на тока на медна или манганова пластинка (съпротивление от 0,1 до 500 mW) с наименование Shunt за получаване на напрежението, с предимство невъзможността за кражба по описания начин и недостатък - значителната разсейвана мощност. Последната ограничава приложенията в електромери за ток до около 100 А.

В повечето случаи напрежението от CS трябва да се усили, за да е възможно да се измерват малки токове и същевременно да се задава максималният ток на електромера. Двете изисквания се постигат чрез усилвателя с програмируем коефициент на усилване (Programmable Gain Amplifier) PGAI, като нарастване на усилването му означава по-малък максимален ток. При споменатото наличие на втори CS, за него има идентичен усилвател. Напрежението от PGAI се преобразува в двоично число от аналоговоцифровия преобразувател ADCI с разредност n между 16 и 24. Обяснението за тези големи стойности е в необходимостта едновременно да се осигури голям динамичен обхват (Dynamic Range) DR, представляващ отношението на максималната и минималната енергия и достатъчна точност на измерването - например DR = 1000:1 (типичните стойности са между 500:1 и 3000:1) и допустима грешка на измерването (Energy Measurement Error) 0,1% означават абсолютна грешка на най-малкия ток 106 пъти по-малка от максималния. И за да й съответства един разред на изходното число на ADCI, трябва n = 20, тъй като 220 » 106. Обикновено се използват SD преобразуватели, наричани и DS Modulator.

Следващият високочестотен филтър HPFI премахва евентуалната постоянна съставка, за да не присъства тя нежелано в изчислената мощност. Аналогично е положението със сигнала от напрежителния сензор VS и блоковете PGAU, ADCU и HPFU след него. Така получените числа, пропорционални на моментните стойности на тока и напрежението на товара Load, постъпват в умножителя MPL, за да се определи моментната мощност. В блока AVR се извършва усредняване на няколко стотици моментни стойности, което е определяне на активната мощност Ра.

Следва преобразувателят енергия-честота (Energy-to-Frequency Converter) EFC, наричан и преобразувател число-честота (Digital-to-Frequency Converter, DFC), между чиито изходи MON и MOP се получават импулси с честота fi, право пропорционална на Ра. Зависимостта е fi = kPafe/(UR)2, където k е константа, зависеща от схемата на EFC и стойностите на елементите му. С fe е означена друга константа, която определя максималния ток на товара и в значителна част от ИС могат да се задават няколко нейни стойности чрез двоично число на определени входове. Опорното напрежение UR е от блока REF. Принципът на действие на блока е измерване през определени интервали от време (около 0,5 ms) на моментната мощност и натрупване на резултатите в акумулатор, чието съдържание непрекъснато се сравнява с фиксиран праг. При достигането му се генерира един импулс, съответстващ на определено количество енергия DE (аналогично на един оборот на диска на индукционен електромер) и то се изважда от съдържанието на акумулатора. Импулсите се подават на стъпков електродвигател или електромеханичен брояч, като всеки от тях сменя показанието на брояча с 1, а консумираната енергия представлява произведението на DE с броя на импулсите.

Не са малко електромерите, в които прагът може да се програмира, което означава задаване на големината на DE, съответстваща на един импулс. Реципрочната стойност на DE e константата на електромера (Meter Constant), представляваща броя на импулсите, съответстващи на енергия 1 kWh. Освен на MON и МОР, импулсите се получават и на изход LED за активиране на светодиод на лицевия панел на електромера. Извод CAL е за калибриране на електромера и на него има импулси с висока честота (от изхода на MPL), пропорционални на моментната мощност. Действието на EFC се осигурява от двупосочната връзка с управляващия блок CNTR и осцилатора OSC. Последният обикновено е кварцов, но в някои ИС е тип RC. За връзка на електромера с външни устройства е входно-изходната шина I/O. Важно е да се подчертае, че обработващите сигнала блокове HPFU, HPFI, MPL, AVR и EFC са цифрови, което е важна предпоставка за стабилността на параметрите на ИС и на електромерите с тях.

Електромерът не измерва енергия при ток под определена минимална стойност (Anti-Creep Current, No-Load Threshold) NLT, която е няколко хиляди пъти по-малка от максималния ток и често може да се програмира заедно с него. Блокът POR (Power-On Reset) разрешава работата на ИС само при наличие на постоянно захранващо напрежение над определена стойност.

В таблица 1 са дадени основните параметри на ИС от разгледания вид, като UCC и ICC са захранващото напрежение и консумирания ток и трябва да се има предвид, че част от ИС са с отделни изводи за захранване на аналоговите и цифровите блокове. С UINmax е отбелязано допустимото напрежение на входовете за напреженията от CS и VS, RIN е входното им съпротивление, с fOSC е отбелязана честотата на OSC и ТА е работната околна температура. Съществено е, че дадената грешка е типичната стойност, а действителната зависи от температурата, коефициента на усилване на PGA и напрежението от сензорите. При това грешката нараства с намаляване на cosj. Тези зависимости се дават в каталозите като графики, един пример за каквато е показан на фиг. 2.

Дадената в ред 1 ИС измерва и тока в нулата, като генерира сигнал за грешно свързване при относителна разлика на двата тока над 6,25%. За достатъчно точно сравняване на токовете трябва сензорите им да са монтирани максимално близо един до друг, а консумираната енергия се определя от по-големия от токовете. Всички АЦП са извън ИС и тя има отделни несиметричен и диференциален вход за VS. Също важно предимство е измерването на енергиите дори при прекъсване на нулевия проводник (електромерът остава съединен само към фазата) вместо познатото от други електромери изключване на товара.

За ИС в ред 2 е полезно да се има предвид, че  измерва моментната активна енергия и затова не притежава блока AVG от фиг. 1. С много възможности е ИС в ред 5. Тя може да измерва трите вида енергии и вместо изводи МОР и MON има три изхода за импулси, като може да се програмира каква величина да се индицира. Един от тях показва знака на отчитаната енергия, т.е. дали тя се консумира от мрежата или се доставя в нея, което е особено полезно за ставащите все по-популярни хибридни захранвания на консуматори (от фотоволтаичен или ветрогенератор и от електрическата мрежа). Дадената в скоби грешка се отнася за измерването на реактивна енергия. В ИС е вграден и сензор за измерване на температурата й, в зависимост от която се правят корекции на напрежението от блока REF и съответно се намалява зависимостта на грешката от температурата. В тази ИС, както и в дадената на ред 7, е добавен интерфейсът SPI за предаване на данните от измерването. Особеност на ИС от предпоследния ред е работата й и с трите описани CS и наличието на блок срещу кражба, който реагира при вече споменатата разлика от 6,25% на токовете във фазата и нулата.

Пример за принципна схема на електромер с една от интегралните схеми в табл. 1 е даден на фиг. 3. За CS е използван резистор с филтри срещу смущения, чието напрежение постъпва на изводи 17 и 18 на ИС. Резисторите R1A, R1B и R2 заедно с С1 образуват VS, а постояннотоковото захранване на ИС се осигурява от линейния стабилизатор IC1 с постоянно входно напрежение от изправителя D2-C8, чието променливо входно напрежение се задава от С7-R7-D1.

Значително по-малко са ИС за многофазни електромери с подобна структура, като основната им разлика от еднофазните е наличието на три CS и три VS и добавянето на блок за сумиране на числата, съответстващи на енергията във всяка от фазите. Това се вижда от блоковата схема (фиг. 4) на една типична ИС за измерване на активна енергия с параметри, в ред 9 на табл. 1. Сензорът за тока във фаза А се свързва между изводи 1AP и 1AN (диференциален вход), а този за напрежението на фазата спрямо нулевия проводник (при наличие на такъв) – между изводи VAP и VN. Аналогично е свързването на сензорите за другите две фази, което се вижда и от схемата на фиг. 5. Там  VS са делители на напрежение, а CS - токови трансформатори. Резистивният делител със замасена средна точка в чиято вторична намотки е заради диференциалните входове. Филтрите на всеки от входовете за ток са поставени за отстраняване на нежелани сигнали от ИС към мрежата. Споменатият суматор в ИС е означен на фиг. 4 със S. Честотата на импулсите на изходи F1 и F2 е пропорционална на аритметичната сума на енергиите или на сумата на абсолютните им стойности, което се избира чрез логическото ниво на входа ABC. С още повече възможности е ИС в последния ред на табл. 1, която на своите три изхода осигурява данни не само за трите вида енергии, но и за сумата на средноквадратичните стойности на токовете в трите фази и за сумите на активната и реактивната мощност на основния хармоник (с мрежова честота). Импулсите са с коефициент на запълване 0,5 и честота до 8 kHz. Освен това DR може да е и даденият в скоби при по-голяма грешка (също в скоби). Последните две ИС разполагат и със серийни интерфейси SPI, I2C и HSDC, за предаване на данните от измерванията.

Интегрални схеми за електромери с електронно отчитане

За разлика от предните електромери, тук и отчитането на консумираната енергия се извършва по електронен път. Действието им се изяснява чрез опростената структура на фиг. 6, представляваща еднофазен електромер. Усилването на напреженията от сензорите при някои електромери се прави със специализирана ИС на аналогов предварителен блок (Analog Front End) AFE, а при други, той е вграден в следващия специализиран сигнален процесор (Embedded Signal Processor) ESP. В него напреженията се преобразуват в двоични числа (до 22-разредни) и се обработват за получаване на консумираната мощност от товарите, свързани между точки А и В. Не са малко електромерите, в които преобразуването се прави с външни АЦП, както на фиг. 1. В зависимост от алгоритъма за обработка се получават една или повече мощности. Данните за тези мощности се натрупват в паметта MEM, която може да е външна или вградена в ESP, и в резултат се получават консумираните енергии. Те се изписват на дисплея DISPLAY и се изпращат на разстояние чрез предавателя TR, част от вариантите на който са предназначени за свързане към съществуваща комуникационна жична мрежа или за целта се използва електрическата мрежа (Рowerline Communication). Това е т.нар. автоматично отчитане на данните (Automatic Meter Reading) AMR. Когато TR е за връзка с безжична мрежа (ZigBee, GSM), отчитането може да става още по-лесно.

За превключване на тарифите за заплащане (в някои страни те са 3 или 4) е поставен часовникът за реално време (Real Time Clock) RTC, обикновено и с вграден календар. Нараства броят на електромерите, в които TR е приемопредавател, използван в някои случаи за дистанционното им управление, а в други е инфрачервен за дистанционно отчитане на показанията. Тези многобройни възможности определят наложилите се вече термини Smart-Grid Metering и Smart Metering за мрежи с електронни електромери.

Постояннотоковото захранване на електромера се осъществява от блока AC/DC+BAT с вграден акумулатор или батерия за запазване на данните от измерванията при отпадане на мрежовото напрежение. Този блок е външна схема, а понякога TR и RTC също се реализират с външни ИС. Към последните няма специфични изисквания за ползване в електромери и затова не се разглеждат в статията.

В редове 1-4 на табл. 2 са дадени основните параметри на ИС на еднофазни електронни електромери. Обща тяхна особеност е значителната сложност на блока AFE, който освен PGA и ADC, обикновено съдържа и цифров сигнален процесор (DSP) за обработка на данните за напрежението и тока и понякога се нарича Energy Measurement Front End. Освен това, в почти всички ИС са вградени RTC (с календар) и драйвер за LCD (част от блока DISPLAY на фиг. 6), а реализацията на блока ESP се прави с микроконтролер. Работата на ИС се осигурява чрез външен кварцов резонатор, обикновено с честота 32 768 Hz. За всички ИС, блокът AC/DC+BAT от фиг. 6 е външен. Първата ИС (ред 1 на табл. 2) измерва трите енергии, като стойността на грешката в скоби е за реактивна енергия. Средноквадратичната стойност на тока се измерва с DR = 500:1, а тази на напрежението – с DR = 100:1, като грешката и в двата случая е 0,5%. Вграденият микроконтролер е тип 8052, а драйверът е за LCD със 108 сегмента. Блокът МЕМ е вграден в ИС, като съдържа оперативна памет (RAM) с обем 512 В и Flash памет с 16 kB, достъпни през микроконтролера. Блокът TR също е вграден, като има две части – едната е интерфейсът SPI/I2C, другата представлява приемопредавател UART. Допълнителни особености са вграденият сензор за температурата на ИС и контролът на постоянното захранващо напрежение.

Същите интерфейси има и ИС в ред 2, но към тях e прибавена 12-разредна универсална входно-изходна шина, едно от приложенията на част от чиито изводи е за активиране на светодиоди. Блокът МЕМ е външна EEPROM, вграденият драйвер е за LCD със 7 цифри, а микроконтролерът е тип 8051. Основното предназначение на ИС е за измерване на активна енергия. Също за такава е и ИС в ред 3 с вградени RTC, памети RAM (7 kB) и Flash (64 kB), драйвер за 8-сегментен LCD, микроконтролер тип 80515, интерфейс UART, инфрачервен интерфейс и 12-разредна входно-изходна шина с общо предназначение. За прехвърляне на натрупаните данни във външно устройство се използва синхронният сериен интерфейс SSI. Последната ИС от табл. 2 има 32-разреден DSP и микроконтролер тип 80515. Вградени са RAM (2 kB) и Flash (32 kB), два интерфейса UART и драйвер за 158-сегментен LCD. Входно-изходната шина с общо предназначение е 18-разредна. Има възможност за външно свързване на EEPROM и на блок за интерфейса I2C.

Структурата на многофазните електронни електромери представлява логично разширение на тази на фиг. 4, със замяна на преобразувателя число-честота с драйвер за LCD и прибавяне на същите блокове, както при еднофазните електронни електромери. Това използват и производителите, като често разработват една основна част и чрез прибавяне към нея на едни или други блокове реализират ИС за електромери с импулсен изход или с електронно отчитане. В редове 5 и 6 на табл. 2 са дадени два характерни примера за ИС. И двете съдържат 32-разреден DSP, микроконтролер тип 80515 и 21-разредни ADC и са предназначени за товари звезда, но първата не измерва тока в нулевия проводник. Една от основните разлики е в драйвера, който е за 168-сегментен LCD в първата и 228-сегментен при втората. Освен това ИС от ред 5 е с RAM от 7 kB и Flash от 64 kB, докато тази в ред 6 е съответно с 4 kB и 256 kB. И двете ИС имат двупосочни жичен и оптичен интерфейс, но във втората, към тях са прибавени I2C и Microwire.

Твърде рядко се налага използването на двуфазни електромери, които по принцип могат да се реализират с ИС за трифазни електромери. За тях от Teridian Semiconductor са създадени две ИС 71M6531D/F и 71M6532D/F с подобна структура и параметри, както тези в редове 3-6 на табл. 2. И двете измерват активна и привидна енергия, като първата има по два несиметрични входа за CS и VS, а втората – два диференциални входа за CS и три несиметрични за VS.

Специализирани ИС на блокове

Към електромерите няма строги изисквания за минимални размери, поради което те могат да се реализират с отделни ИС на блоковете им. Най-често, това се прави със специализирана ИС на AFE (наименования Analog Front End, Multifunction AFE, Delta-Sigma Modulator) и подходящ микроконтролер. Предназначението на първата е се изяснява чрез блоковата схема на STPMS1 на STMicroelectronics, дадена на фиг. 7. Напрежението от VS на входове VIP и VIN се преобразува от SD Modulator и постъпва на цифровия блок (Digital Front End) с последователни изходи DAT-DATN. Аналогични са входовете CIP и CIN за CS, но малкото им напрежение най-напред се усилва от PGA. С 1 до 3 такива ИС се следят желаните фази на мрежата и резултатите се обработват от специализирания микроконтролер STPMC1 на същия производител, чийто изход управлява стъпков електродвигател.

Подобна е DS8102 на MAXIM, също с два входа и изход в код Манчестер, предвидена да работи със специализирания микропроцесор МАХQ3108 на същия производител. С изход в съответствие с интерфейса SPI са многофазните AFE MAXQ3181 за активна енергия и MAXQ3180 и MAXQ3183, също на MAXIM, които не изискват специализиран микроконтролер. Със същия интерфейс е МСР3901 на Microchip, наречена двоен AFE, тъй като съдържа два еднакви канала, всеки с PGA и 24-разреден ADC с множество програмируеми функции чрез външния микроконтролер.

За едно- и трифазни електромери е предназначена серията 32-разредни микроконтролери MCF51EM (Freescale). Всеки от тях съдържа четири 16-разредни ADC, два компаратора, един RTC, две RAM (едната с обем 8 КВ или 16 КВ и другата с 32 КВ), една бърза памет (64 КВ или 128 КВ), драйвер за 288-сегментен LCD и интерфейси I2C, SPI (два) и SCI (два). Накрая може да се спомене серията MSP430 на Texas Instruments, включваща 14 микроконтролера с 3 до 7 ADC, RAM с обем 4 КВ или 8 КВ и бърза памет 56 КВ, 92 КВ или 128 КВ. Освен интерфейсите SPI, I2C и USCI, те съдържат и драйвер за 160-сегментен LCD с регулиране на контраста.