Висока школа електротехнике и рачунарства струковних студија

Transcript

1 Висока школа електротехнике и рачунарства струковних студија СТАНКОВИЋ Иван ДИГИТАЛНО МЕРЕЊЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ СНАГЕ И ЕНЕРГИЈЕ - дипломски рад - Београд, 2010.

2 Кандидат: Иван Станковић Број индекса: ELITE 38/05 Смер: Електроника и телекомуникације Тема: ДИГИТАЛНО МЕРЕЊЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ СНАГЕ И ЕНЕРГИЈЕ Основни задаци: 1. Анализа проблема 2. Пројекат и реализација електронског бројила електричне енергије 3. Лабораторијско испитивање Хардвер: 40% Софтвер: 20% Теорија: 40% Београд, 10.Јун године Ментор: др Петар Бошњаковић, проф.

3 ИЗВОД Предмет овог рада је мерење електричне снаге и енергије. Разматрани су основни елементи теорије мерења ових величина, начини мерења и грешке које настају при мерењу. Приказано је дигитално бројило електричне енергије, остварено помоћу интегрисаних кола високог степена интеграције. Реализовано је електронско бројило активне енергије према захтевима који се, према међународним стандардима, постављају пред савремена електронска бројила. Приказани су и анализирани резултати испитивања извршених у Лабораторији за мерења Високе школе електротехнике и рачунарства у Београду. ABSTRACT The subject of this work is electrical power and energy measurement. The basic theory of the power and energy measurement is given. An digital energy meter based on the up-to-date VLSI integrated circuits is presented. It is developed in accordance with the requirements of active-energy meter international standards. The performace testing of realised kwh-meter was performed in Measurement laboratory of School of electrical engineering and computer science of applied studies. Experimental results are given and analyzed also.

4 САДРЖАЈ 1. УВОД ЕЛЕКТРИЧНА ЕНЕРГИЈА Карактеристичне величине Електрична снага и енергија Мерење електричне снаге и енергије Грешке при мерењу ПОЈЕКАТ ДИГИТАЛНОГ БРОЈИЛА ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ Функције Избор хардвера Напајање и потрошња Мерни улази Напонски улаз Струјни улаз Контролни улази Улаз за тарифу Улаз за максимум ангажоване снаге Излази Импулсни излази Управљачки излази Man-machine interface Серијска комуникација ИНТЕГРИСАНО КОЛО МСР Опис кола Аналогни улази А/Д конвертори ВФ филтер, множач и НФ филтер DTF конвертор F OUT1/0 и HF OUT импулсни излази ОПИС РЕШЕЊА И ИСПИТИВАЊЕ Мерни део Обрада и приказ информација Испитивање ЗАКЉУЧАК ЛИТЕРАТУРА ИНДЕКС ПОЈМОВА ПРИЛОГ... I

5 1. УВОД Електрична енергија је производ који има друштвену, употребну и тржишну вредност, који се од осталих роба разликује по томе што се не може држати на складишту. Она се мора потрошити (трансформисати у други облик) у истом тренутку када се производи. Ово обележје непосредно се одражава и на одређивање цене електричне енергије, на начин на који се продаја обавља, а самим тим и на функције мерне опреме. Вредност енергије битно зависи од тренутка у коме је испоручена. Због тога је неопходна додатна обрада резултата мерења у складу са усвојеним принципима тарифног система за обрачун трошкова за испоручену електричну енергију. Једноставнија обрада се обавља аутономно, на месту мерења, аутоматски, према унапред дефинисаном алгоритму. Обрачун трошкова за испоручену електричну енергију, међутим, захтева и податке који се генеришу у одговарајућем центру. Посматрано у целини, задатак мерења електричне енергије у сврхе обрачуна се састоји из три дела: 1. мерење у ужем смислу, 2. локална обрада резултата мерења, 3. пренос података. У начелу, ова подела може се применити и у случајевима мерења топлотне енергије, гаса, нафте и нафтних деривата. Бројило представља прву карику у ланцу мерења у сврхе обрачуна, на коју се надовезују разни уређаји за обраду података који по својој намени представљају инструменте тарифног система за обрачун електричне енергије. Отуда потичу и основни задаци које они треба да обаве: 1

6 - селективно одмеравање утрошене електричне енергије у зависности од текућег тарифног става - практично се своди на приказивање измерене енергије за сваки тарифни став посебно; - мерење снаге оптерећења - у обрачуну за испоручену електричну енергију фигурише не само утрошена енергија него и просечна снага оптерећења односно њена највећа вредност (вршна снага); - збирно мерење - омогућује добијање податка о укупној снази великих индустријских постројења која се снабдевају енергијом преко већег броја прикључака. Прва два задатка могу се решити у саставу самог мерила (бројила). Збирно мерење подразумева додатни уређај (концентратор) у којем се врши одговарајућа обрада података добијених од мерила постављених на местима спрезања потрошача са електроенергетском мрежом. Аквизиција резултата мерења у систему који садржи више десетина, па и стотина хиљада географски дистрибуираних мерних места подразумева, у данашње време, могућност даљинске комункације (преноса података). У целини посматрано, савремено бројило електричне енергије представља мерни систем са великим бројем функција. Мерење потрошње електричне енергије у сврхе обрачуна, надзора и управљања спада у мултидисциплинарне области не само због тога што се при решавању појединих проблема обједињују разноврсне мерне технике (аналогна, импулсна и дигитална) и технологије (од електромеханичких склопова до електронских кола високог степена интеграције), и користе методе и средства других области савремене технике (телекомуникације, даљински надзор и управљање, рачунарска техника), него и зато што се, због практичног значаја које има, ова проблематика са врло интензивном пажњом разматра са аспекта метрологије, законодавства и стандардизације. Претходно наведено је разлог зашто је изабрана оваква тема дипломског рада. Реализација овог задатка повезује различите области технике у једну целину тако да њихове могућности и функције остварују основни циљ који је постављен мерење потрошње електричне енергије. Технике мерења електричне енeргије су одавно познате и разрађене. Употребом савремених компонената за обраду података (специјализована интегрисана кола, микроконтролери) додаје се мноштво нових могућности: управљање радом бројила, управљање потрошњом енергије, даљинско очитавање... У овом раду биће најпре размотрене основне карактеристике мерења електричне енергије. Овим започиње дефинисање проблема реализације дигиталног мерила електричне енергије. Затим ће бити размотрени начини на које се може вршити мерење енергије. Циљ је обавити дигитално мерење енергије па ће зато акценат бити стављен на компоненте које могу реализовати дигитално мерење. 2

7 Други део дипломског рада је пројекат дигиталног бројила електричне енергије. Дефинисане су функције које савремено бројило треба да обави на основу практичних потреба и реалних могућности. Одабир компонената које ће реализовати мерне функције и обраду мерних података је такође битан део у процесу пројектовања бројила. Мерни подсистем је најбитнији део сваког бројила електричне енергије, па се њему мора посветити посебна пажња. Једно поглавље овог рада описује специјализовано интегрисано коло МСР 3905, које врши мерење електричне енергије. Описане су могућности, начин рада као и функционални блокови овог мерног интегрисаног кола. Следећи део је реализација електронског бројила електричне енергије. Овде се врши физичка реализација свих функција које су раније дефинисане. Физичка реализација функција подразумева уградњу, повезивање и усклађивање електронских компонената ради обављања раније дефинисаних захтева: мерење електричне енергије, локална обрада резултата, приказивање резултата, остваривање комуникације са другим уређајима. На крају долази лабораторијско испитивање реализованог уређаја. У току испитивања, у лабораторијским (контролисаним) условима се симулирају реалне ситуације, посматрају се и записују добијени резултати. На основу анализе резултата испитивања, сагледане се реалне могућности конкретног уређаја. Ако је могуће, врше се одређене корекције и подешавања. 3

8 2. ЕЛЕКТРИЧНА ЕНЕРГИЈА 2.1. Карактеристичне величине Комплетна призводња и дистрибуција електричне енергије у електроенергетском систему наше земље одвија се преко простопериодичних величина, напона и струје. Простопериодичне величине (напон и струја), се математички записују као: u( t ) = U m sin( ω t + θ ) i( t ) = I m sin( ω t + ψ ) (2.1) где је: u (t), i (t) тренутна вредност U m,, I m амплитуда ω кружна фреквенција θ, ψ почетна фаза Разлика почетних фаза напона и струје се назива фазна разлика (φ) и израчунава се по једначини 2.2 : φ = θ - ψ (2.2), и ако је позитивна то значи да напон касни за струјом, а ако је негативна, напон предњачи струји, односно струја касни за напоном. Слика 2.1. Простопериодичне величине 4

9 Са теоријског али и практичног становишта, у електротехници су најзначајнији периодични процеси, нпр. простопериодични (синусни и косинусни). Ако је напон на потрошачу простопериодичан и реактивни елементи потрошача константни, струја кроз потрошач ће такође бити простопериодична. Међутим, ако је напон простопериодичан али реактивни елементи кола потрошача нису константни тада ни струја неће бити простопериодична. Средња вредност периодичне величине је аритметичка средина тренутних вредности те периодичне величине током једне периоде (JUS-IEC речник). Средња вредност периодичне функције у току једне периоде записује се изразом (2.3). 1 T I sr = i( t) dt (2.3) T 0 У случају простопериодичне функције средња вредност је једнака нули. Ефективна вредност периодичне величине је квадратни корен из средње вредности квадрата тренутних вредности величине током једне периоде (JUS-IЕС речник). Ефективна вредност периодичне функције записује се изразом (2.4) I = 1 T T 0 ( i 2 ( t) ) dt (2.4) Ако се израз (2.4) квадрира и обе стране једначине помноже са R T, где је R отпорност отпорника кроз који тече струја а Т је периода, добија се израз (2.5) 2 = T 2 RI T R( i t ) dt (2.5), 0 ( ) помоћу ког се долази до физичке интерпретације ефективне вредности, а то је: Ефективна вредност периодичне струје једнака је интензитету константне струје I која на отпорнику R, у времену Т, развије исту количину топлоте као и периодична струја i. Слика 2.2. Средња и ефективна вредност 5

10 2.2. Електрична снага и енергија Електрична енергија омогућава све електричне процесе. Електрична снага је величина која представља брзину претварања електричне енергије у неки други вид енергије: топлотну, светлосну, механичку... Код неизменичних, простопериодичних струја, појам електричне снаге је комплексан. Најједноставнија дефиниција електричне снаге је да је снага једнака производу напона и струје на потрошачу. Ако се на крајеве комплексног потрошача доведе простопериодични напон u = U cos( ω ) (2.6), ( t) m t кроз тај потрошач протећи ће струја која се може описати као i( t ) = I m cos( ω t + ψ ) (2.7), одакле следи да је фазна разлика ϕ = θ ψ = 0 ψ = ψ (2.8). Како је тренутна електрична снага дефинисана као производ тренутних вредности напона и струје, може се записати: p( t ) = u( t) i( t) = U m cos( ω t) I m sin( ωt + ψ ) (2.9), p t = U m I m cos( ωt) cos( ωt ) (2.10), ( ) ϕ одакле следи да тренутна снага на потрошачу износи: 1 p( t ) = U m I m [ cosϕ + cos(2ωt ϕ) ] (2.11), 2 односно: p t = U I cosϕ + U I cos(2ωt ) (2.12). ( ) ϕ Из горње једначине (2.12) се види да тренутну снагу чине два члана. Први члан је константан, износи U I cosφ и назива се средња снага (Р sr ). Други члан је простопериодичан, износи U I cos(2ω-φ) и има фреквенцију 2 пута већу од фреквенције напона и струје. Када је φ = 0, значи да су напон и струја који се доводе на потрошач у фази, тј. да нема фазне разлике, снага која се приводи потрошачу увек ће бити позитивна. Када је φ 0, значи да има разлике у фазама напона и струје, па снага која се приводи потрошачу мења алгебарски знак. Кад год су u = 0 или i = 0, тренутна снага је једнака нули и то се дешава 4 пута у току једне периоде. 6

11 У интервалима када су напон и струја истог знака, тренутна снага је позитивна што значи да се снага предаје потрошачу. У овим интервалима енергија која се предаје потрошачу делом се претвара у топлоту, механички рад или неку другу врсту енергије, а делом прелази у магнетну или електростатичку. У интервалима када су напон и струја супротног знака, снага је негативна и тада се акумулирана енергија потрошача враћа генератору. Ову енергију чине нагомилане енегије магнетног или електричног поља у калему, односно кондензатору. Слика 2.3. Дијаграм тренутне снаге Као штоје већ напоменуто, електрична снага је, у општем случају, комплексна величина. Дефинишу се три врсте снаге, и то: 1. Привидна снага 2. Активна снага 3. Реактивна снага - Привидна снага представља производ ефективних вредности напона и струје, мери се јединицом VA (Volt-Amper) и обележава се словом S. S = U I [VA] (2.13). Привидна снага је гранична снага, односно максимална снага коју генератор може да испоручи или потрошач да прими без опасности од оштећења у трајном раду. Снага на потрошачу може имати вредност привидне снаге само ако потрошач не садржи реактивне елементе који би утицали на фазну разлику напона и струје, или ако се успоставе такви услови да почетне фазе напона и струје буду једнаке и да нема фазне разлике. У свим другим случајевима, снага на потрошачу ће бити мања од привидне, тј. максималне снаге. - Активна снага средња снага, реална снага која се развија на потрошачу услед постојања фазне разлике напона и струје, мери се јединицом W (Watt), и обележава се словом Р. Израчунава се преко једначине (2.14). 1 T 1 T P = p( t) dt = ( u( t) i( t) ) dt (2.14). T 0 T 0 С обзиром да простопериодични члан у изразу (2.12) у току једне периоде изврши два пуна циклуса, његова средња вредсност је нула, па је средња вредност тренутне снаге једнака константном члану, тј. средњој снази: 7

12 P = U I cosφ [W] (2.15). Када се говори о електричној снази, најчешће се мисли на активну снагу јер је то снага која има практичан значај и показатељ је стварне потрошње енергије. Када се врши мерење енергије, најчешће се мери управо активна енергија. - Реактивна снага представља онај део енергије који се акумулира у потрошачу а затим, у интервалу када је тренутна снага негативна враћа генератору. Мери се јединицом VAr (Volt-Amper-reactive) и обележава се словом Q. Рачуна се преко једначине (2.16). Q = U I sinφ [VAr] (2.16). Све три снаге (привидна, активна и реактивна) повезане су једначином (2.17). S = P Q (2.17). Однос активне снаге према привидној снази назива се фактор снаге, обележава се словом λ, и износи: P λ = = cosϕ S (2.18). Из једначине (2.18) се види да је фактор снаге директно једнак косинусу фазне разлике између простопериодичних величина напона и струје, и има веома важну улогу у рационалном коришћењу електричних уређаја и преносних водова. Важно је да фактор снаге буде што већи јер ће се на потрошачу при константном напону развијати иста активна снага коришћењем мање струје из генератора, а то значи мање губитке. Фактор снаге (cosφ) може имати вредност 0 cosφ 1, јер фазна разлика напона и струје може имати вредност π/2 φ +π/2, па активна снага може имати неку од вредности у опсегу 0 Р UI. Фактор снаге зависи од потрошача и представња једну од његових основних карактеристика. Нпр. потрошач у виду идеалног калема или кондензатора има фактор снаге cosφ = 0, а идеални отпорник има фактор снаге cosφ = 1. За електричне моторе који се могу представити као редна веза идеалног калема и идеалног отпорника, фактор снаге се обично креће од 0,7 до 0.9. Електрична енергија које се уложи у неки потрошач или процес може се израчунати као скуп свих вредности тренутне снаге у неком интревалу времена. W t = 1 t 0 p( t) dt 8 (2.19) Као што се може претпоставити, активна енергија се практично мери тако што се посматрају и сумирају тренутне вредности активне снаге. Реактивна енергија се практично мери исто као и активна, али тако да се једна мерна величина (струје) доводи директно на уређај за мерење а друга мерна величина (напон) се доводи са променом фазе од π/2.

13 2.3. Мерење електричне снаге и енергије Мерење електричне енергије се најчешће врши приликом дистрибуције и потрошње у сврху наплате. Остали захтеви за мерењем електричне енергије јављају се код неких врста технолошких процеса у производним погонима где је потребно уложити тачно одређену количину енергије. Код највећег броја корисника електричне енергије потребно је мерити само активну енергију, јер је фактор снаге просечног корисника (домаћинство, зграда) врло висок, приближно cosφ = 1. Код овако високог фактора снаге, реактивна енергија је занемарљива па се зато и не мери. С друге стране, код великих индустријских постројења којима је потребно много више енергије од просечног потрошача и која поседују велике потрошаче електричне енергије (као што су снажни електро-мотори, електро-магнети, разне машине), а такви пријемници могу значајно утицати на смањење фактора снаге, указује се потреба за мерењем и реактивне енергије. Електронско бројило је уређај који врши мерење електричне енергије у сврху обрачуна. Поставља се између дистрибутивног система и корисника електричне енергије и региструје енергију коју дистрибутивни систем испоручује кориснику. Бројила електричне енергије се користе још од краја XIX века, и од тада су много пута усавршавана и израђивана у различитим технологијама. Могу бити електромеханичка или електронска. Електромеханичка (индукциона) бројила су у нашој земљи још увек најзаступљенија али су усавршена до граница својих могућности, па се било које побољшање перформанси постиже комбиновањем са електронским склоповима. Савремена бројила електричне енергије су искључиво електронска због могућности управљања, надоградње и обраде података. Електронска бројила нуде све што и електромеханичка као и широк спектар додатних могућности. Неке од могућности електронских бројила су: тарифирање, даљинско очитавање и управљање, контрола електричних мрежа и уређаја, заштита од неовлашћеног приступа бројилу. Електронска бројила се могу поделити у две групе: - Директна бројила - уређаји који су директно спојени са енергетским проводницима помоћу шант отпорника у струјном каналу и отпорничког разделника напона у напонском каналу, и имају нешто ниже захтеве у погледу тачности. - Изолована бројила - нису директно спојена са енергетским водовима и користе струјни трансформатор за регистровање вредности струје. Имају нешто строже захтеве у погледу тачности. 9

14 Начин на који се врши мерење електричне енергије може бити: - Директно мерење сигнали напона и струје се доводе директно на бројило - Полу-индиректно мерење један сигнал се доводи директно а други преко мерног претварача - Индиректно мерење сигнали напона и струје се доводе на бројило преко мерних претварача. Пред електронска бројила која се користе у дистрибутивним и мерним системима се постављају различити захтеви који се морају испунити да би се одобрило коришћење бројила. Ови захтеви се регулишу посебним правилницима који се могу разликовати од система до система и између различитих земаља. Један од захтева је тачност. Постоје класе тачности за које је бројило декларисано. Класе тачности су дефинисане IEC стандардом (Прилог 1, Табела 1). Бројило мора остати у дефинисаним границама одређене класе и ако се радни услови и сигнали мењају у одрећеним границама. a) б) в) Слика 2.4. а) Индукционо бројило, б) Електромеханичко бројило, в) Електронско бројило 10

15 2.4. Грешке при мерењу При мерењу било које величине неминовно долази до грешке при мерењу из једноставног разлога јер мерила нису савршена. Код мерења су врло битни елементи тачност и прецизност, и код квалитетних бројила је и тачност и прецизност на врло високом нивоу. Са становишта грешке при мерењу, посматра се тачност мерила. Мерило које има мању грешку при мерењу је тачније. Тачност мерења зависи од грешке при мерењу. Грешке које се јављају при мерењу могу бити: 1. Системска грешка грешка коју уноси мерни уређај и утиче на свако мерење подједнако и која је константна. Исправља се тако што се узима у обзир приликом израчунавања резултата мерења, тј. додаје или одузима од измерене вредности. 2. Случајна грешка грешка која је променљива и утиче на свако мерење другачијим интензитетом. Исправља се тако што се изврши већи број мерења, па се резултат добије аритметичком средином свих добијених резултата мерења. Такође, грешке се још могу поделити на апсолутну и релативну грешку. Апсолутна грешка је одступање резултата мерења од стварне вредности и изражава се јединицама којима је изражена и величина која се мери. Δ А апсолутна грешка Х тачна вредност Х m измерена вредност = X (2.20) A X m Релативна грешка показује колико је тачно мерење у поређењу са стварном вредношћу величине која се мери, тј. релативна грешка је однос апсолутне грешке и тачне вредности па зато нема јединицу којом се изражава. Најчешће се изражава у процентима. Δ Rel релативна грешка X X m Re l = 100% X (2.21) Код мерења електричне енергије, по IEC стандарду, посматра се процентуална грешка, тј. релативна грешка. 11

16 3. ПРОЈЕКАТ ЕЛЕКТРОНСКОГ БРОЈИЛА ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ 3.1. Функције Савремено електронско бројило електричне енергије је сложен, фишефункцијски мерни систем. Мерењe електричне енергије у сврхе обрачуна обухвата: - Мерење пренете енергије (активне, реактивне, привидне, али може и напона, струје, фреквенције) - Тарифирање, tj. мерење пренете енергије по тaрифним ставовима (уклопни сат, екстерни или интерни) - Мерење максимума ангажоване снаге - Запис дијаграма потрошње - Управљање потрошњом Да би се све ове функције обавиле на одговарајући (прописани) начин потребно је да постоје одговарајући хардверски и софтверски ресурси у бројилу Избор хардвера Основни елемент сваког електронског бројила је сигнал процесор. То је елемент (или склоп) који је првенствено задужен за мерење енергије, а може поседовати и додатне функције за обраду података. 12

17 Сигнал процесори се израђују за општу намену и специфичне намене, и већина сигнале обрађује дигитално. Сигнал процесори који се израђују за специфичне намене су бољи у сваком погледу јер поседују специфичне подсклопове који реализују конкретну врсту обраде сигнала. Могу бити потпуно програмабилни или полупрограмабилни. Савремена електронска бројила се заснивају на интегрисаним колима која обављају функцију мерила енергије и која велики произвођачи производе серијски. За потребе мерења електричне енергије развијен је читав низ интегрисаних електронских кола. Више произвођача бројила покренуло је развој сопственог сигнал - процесора. Нека од комерцијално доступних кола, дата су у овом раду. МSР 430 је фамилија микроконтролера, сигнал процесор (MSP Mixed Signal Processor) произвођача Texas Instruments. Поседује све одлике микроконтролера с тим што је тежиште стављено на обраду сигнала. Најчешће области примене су RF апликације и мерни уређаји. Има могућност програмирања и репрограмирања па је врло флексибилан у погледу области примене. Напон напајања је у опсегу 2,7V-5,5V, потрошња у границама 0,1μА до 500μА, а такт осцилатора максимално 25 МНz. Велики број улазно-излазних пинова пружа широк спектар могућности повезивања и преноса података. Недостатак је непостојање EEPROM меморије за чување података као ни RTC-a (Real Time Clock), а не поседује ни А/Д конвертор, па се за примену у области мерења енергије конверзија из аналогног у дигитални облик мора обавити пре довођења сигнала на MSP 430. Слика 3.1. Сигнал процесор MSP 430 ADE 7566 је мерно интегрисано коло произвођача Analog Devices, за мерење активне и реактивне енергије (Слика 3.2). Ово интегрисано коло представља комплетно бројило у једном кућишту. Поседује DSP блок фиксне функције, 8052 микропроцесорско језгро, RTC, излаз за LCD и излазе за серисјку комуникацију. Постојање UART интерфејса омогућава серијску комуникацију по најчешће коришћеним протоколима: SPI и I 2 C. Помоћно батерисјко напајање омогућава непрекидан рад RTC-а, па се и промена тарифа може вршити у самом колу без опасности од грешке. Ни код овог кола не постоји уграђена EEPROM меморија, али се тај недостатак врло лако превазилази релативно великом FLASH меморијом и мноштвом пинова за спољње повезивање меморије. 13

18 Слика 3.2. Блок дијаграм интегрисаног кола ADE 7566 Ипак, у овом раду користи се интегрисано коло MCP 3905, произвођача Microchip. Изабрано коло је једноставније и лакше за сагледавање свих процеса при мерењу енергије, а додатком микроконтролера PIC18F4520 додају се могућности обраде података, серијске комуникације и управљања. Оба интегрисана кола биће обрађена у каснијим поглављима овог рада. PIC18F4520 микроконтролер произвођача Microchip, је један од напреднијих микроконтролера због великог броја периферијских јединица које интегрише у себе. Комбинацијом са колом МСР 3905 може се добити једно савремено електронско бројило. Како је коло МСР 3905 ограничено само на мерење енергије и информације даје на својим импулсним излазима, микроконтролер PIC18F4520 може да реализује већину функција које се захтевају од једног модерног електронског бројила. Почевши од регистровања сигнала са импулсних излаза кола МСР 3905 и исписивања обрађених података на LCD-у, преко реализације функције уклопног часовника уз помоћ RTC-а, функције регистровања максимума средње снаге (максиграф), све до припреме и слања података серијском комуникацијом до оптичке диоде, PLC модема или RF модема. PIC18F4520 одликује се великом брзином рада (такт до 40MHz), као и великим бројем I/O пинова, па су могућности за обраду података и повезивање врло велике. Слика 3.3. Микроконтролер PIC18F

19 3.2. Напајање и потрошња Да би електронско бројило вршило своју функцију мора му се довести напајање. Како се бројило електричне енергије прикључује на електричну мрежу да би мерило енергију, напајање се може довести из те исте електричне мреже. Најпрактичнија врста напајања у овом случају је кондензаторско напајање. Слика 3.4. Шема 1-фазног кондензаторског напајања фирме Microchip Кондензаторско напајање је добро решење јер елиминише потребу за мрежним трансформатором и тиме значајно смањује губитке и физичке димензије модула за напајање. Савремена електронска кола која се користе у бројилима користе напон у опсегу 5-15V, а напон мреже је обично 220V или 380V, па се мора снизити до поменутог нивоа. Кондензаторско напајање је врло ефикасно при ниским оптерећењима па електронском бројилу, које није велики потрошач, обезбеђује довољно енергије за исправан рад. На слици 3.3. је приказано 1-фазно кондензаторско напајање које задовољава потребе 1-фазног електронског бројила. За потребе вишефазних бројила пројектују се вишефазна напајања која имају задатак да обезбеде правилан рад бројила у присуству свих фаза, али и у одсуству неке од фаза или чак када је присутна само једна фаза. Потрошња електронског бројила је величина о којој се мора посебно водити рачуна. Бројило се прикључује на електричну мрежу и из ње узима енергију за свој рад. Циљ је да бројило за сопствени рад узима што мање енергије, па се ограничава максимална потрошња бројила и то: - у напонском каналу и односи се на средњи ниво напона. - у струјном каналу за класу 1 2W и 10VA за класу 2 2W и 10VA, за класу 1 4VA за класу 2 2,5VA, и односи се на секундарни струју струјног трансформатора. 15

20 3.3. Мерни улази Мерни улази су електронска кола која служе да улазне величине трансформишу у облик погодан за даљу обраду. У овом случају, улазне величине су електричне природе а и величине које коло може да обрађује су такође електричне природе. Трансформација сигнала мерним улазима огледа се у томе да се улазним величинама врше релативно мале промене и то: напон као улазна величина врши се промена нивоа (амплитуде) да би остала у предефинисаним границама произвођача кола струја као улазна величина врши се трансформација вредности струје у напон, а напон се одржава у дефинисаним границама произвођача интегрисаног кола Напонски улаз Напонско улазно коло је релативно једноставно и избор се своди најчешће на две врсте улазног кола: напонски трансформатор и отпорнички делитељ напона. Из разлога што су и улазни и излазни сигнали овог улазног кола напони, а улазна отпорност мерног појачавача кола МСР 3905 врло велика тако да је снага која се преноси занемарљива, напонски трансформатори се чине као компликованије решење. Решење које се најчешће употребљава као напонско улазно коло је отпорнички разделник напона. Његов задатак је да, у одређеном опсегу улазног напона, на свом излазу даје напон који је у границама дозвољених вредности које је одредио произвођач кола. Снага која се преноси преко овог сензора је занемарљиво мала па су занемарљиви и утицаји промене отпорности отпорника због загревања услед протицања струје, те се погодним избором отпорника врло лако достижу пројектовани циљеви. V out = V in R 1 R + R VR 1 Слика 3.5. Отпорнички разделник напона Променљиви отпорник се уграђује за потребе подешавања на тачну вредност и поставља се у стални положај приликом калибрације. 16

21 Струјни улаз Као и већина модерних уређаја, тако и мерно коло МСР 3905 обрађује информације електронски, користећи напонске сигнале и само такве сигнале може да прихвата и прослеђује. Струјни сигнали се морају трансформисати у одговарајуће напонске сигнале пре довођења на улазна кола овог кола. Трансформација се најчешће врши на два начина и то: струјним трансформатором и оточним (шант, shunt) отпорником. Предности Шант СТ Интензитет струје - + Већа тачност + - Мањи губици - + Цена + - Табела 3.1. Упоредни приказ карактеристика струјних сензора IEC стандард дефинише и почетну струју (Starting current). То је гранична вредност струје при којој почиње мерење енергије и континуално се наставља. Тачне вредности почетне струје су одређене IEC стандардом и дате у табели 3.2. Класа 1 Класа 2 0,004 I B 0,005 I B Табела 3.2. Стандардне вредности почетне струје - Струјни трансформатор (Current Transformer, CT) Струјни транформатор је врста трансформатора код кога је вредност секундарног напона сразмерна примарној струји. Добре особине струјног трансформатора су галванска изолованост секундара од примара и могућност мерења великих струја са занемарљивим губицима енергије на самом трансформатору. Лоше особине су висока цена и, у одређеним условима, тачност јер је струјни трансформатор подложан засићењу великом вредношћу DC компоненте (средњом вредношћу) или превисоком вредношћу струје на улазу. При засићењу језгра долази до изласка струјног трансформатора из линеарног режима рада. Слика 3.6. Струјни трансформатор 17

22 - Оточни отпорник (шант, shunt) Шант отпорник је сваки отпорник који служи за мерење струје. Најчешће је то комад метала (манган, бакар) кроз који протиче струја и на његовим крајевима ствара пад напона који је, по Омовом закону, сразмеран јачини струје. Израђују се као обични отпорници, као комад метала подешен на одређену вредност сечењем на одређену дужину или као трака са рупама где се отпорност бира комбинацијом, тј. спањем одређених рупа са прикључцима. Слика 3.7. Шант отпорник 3.4. Контролни улази Контролни улази су улази преко којих се врши управљање бројилом. Савремено електронско бројило електричне енергије је један систем који поред мерења може вршити обраду добијених резултата, комуникацију и управљање уређајима који се повезани на њега, па се преко контролних улаза може утицати на параметре функције коју бројило обавља Улаз за тарифу Један од контролних улаза је улаз за тарифу. Преко овог улаза се може саопштити бројилу како да обрачунава, тј. где и како да складишти информације о измереној енергији у одређеном периоду. Тарифе се могу поделити на различите начине, а најчешће се деле према интензитету глобалне потрошње. Временским тарифама се управља помоћу уклопног часовника који може бити у бројилу, или преко тарифних улаза, ако је уклопни часовник ван бројила или се управља даљински. Нпр. у нашој земљи у категорији широке потрошње (домаћинства) постоје 2 тарифе: већа (ВТ) и мања (МТ). У већој тарифи се енергија плаћа скупље, а у мањој тарифи јефтиније. Мања тарифа траје у Централној Србији, Београду и Војводини од 22h-06h, 23h-07h 00h-08h, респективно, а већа тарифа у Централној Србији, Београду и Војводини од 06h-22h 07h-23h 08h-24h, респективно. 18

23 Улаз за максимум ангажоване снаге Контролни улаз за одређивање интервала у коме се мери максимум средње снаге. Максимум средње снаге максиграф, је мерење енергије у одређеном временском интервалу (најчешће 15 минута) и представља неку врсту тарифирања. Ако је максимална потрошња у том периоду мања од задате вредности, обрачун се врши регуларно. Ако је максимална потрошња у том периоду већа од задате вредности, врши се посебно тарифирање. Ово је једна врста пенализирајуће тарифе. Преко овог контролног улаза се врши утицај на поменути интервал, било из спољашњег уклопног часовника, било даљинским командама Излази Излази из електронског бројила служе да прикажу вредност измерене енергије или да пошаљу управљачке сигнале, тј. да иницирају неку функцију у складу са контролним инструкцијама или измереном вредношћу енергије Импулсни излази На овим излазима се појављује импулс кад год бројило региструје одређену количину електричне енергије, у складу са константом која је одређена. Бројањем тих импулса и множењем са претходно одређеним квантовима енергије добија се податак о измереној енергији. Стандардно се на неки од имулсних излаза поставља и једна светлећа диода (LED) која има улогу да створи визуелни ефекат рада бројила као и у контролне сврхе. Како се импулси појављују у складу са одређеном константом (нпр. 100 imp/kwh), тако се и контрола бројила може вршити бројањем трептаја светлеће диоде Управљачки излази Управљачки излази електронског бројила се користе у сврхе повезивања са другим уређајима. На овим излазима се могу појављивати информације на основу којих се врши даљинско управљање или команде. 19

24 Електронско бројило може поседовати излазе за промену тарифе (2 или више тарифа) преко којих ће управљати другим бројилима или мењати тарифе у зависности од оптерећења мреже. Може поседовати излаз који одређује интервал за регистровање максимума снаге (15 мин. интервал). Ако електронско бројило поседује уграђен уклопни часовник, може преко неког од својих управљачких излаза да синхронише одређени уређај или друго бројило. Савремена електронска бројила могу да управљају потрошњом тако што ће помоћу команди са управљачких излаза укључивати и искључивати одређене уређаје или мреже у зависности од дефинисане функције или даљинске команде из оперативног центра. Нпр. оператер може искључити одређене кориснике ниског приоритета ако је глобална потрошња у том периоду екстремно висока Man-machine interface Под појмом man-machine interface подразумевају се склопови који омогућавају комуникацију корисника са електронским бројилом. Приказни уређај (приказивач, дисплеј) служи за визуелно очитавање стања бројила и приказ свих релеватних информација. Информације о стању бројила се код старијих бројила приказују помоћу електро-механичких бројчаника, лампица и стрелица, а код савремених се све може приказати на LC дисплеју. Код бројила са електронским (LED, LCD) дисплејом мора постојати недеструктивна меморија која обезбеђује чување података током дуже времена (више месеци) као и могућност приказивања свих релевантних података, било истовремено или посебним избором (тарифе, датум и време, потрошња, максимално оптерећење...). Пожељно је да LCD има позадинско осветљење ради лакшег очитавања података, али када се користи осветљење, потрошња самог LCD-а се вишеструко повећава што утиче на повећање укупне потрошње бројила. Нпр. код LCD модула АС-162В, типичан напон напајања је 5V, интензитет струје потребан за исправан рад износи 1 1,5mA, док итензитет струје потребан за рад позадинског осветљења (LED) износи mA, зависно од типа. Из разлога смањења потрошње, позадинско осветљење LCD-а није увек укључено, али га је могуће укључити тастером приликом очитавања, а само се искључује након неколико секунди. Изглед дисплеја није стандардизован, па се различити произвођачи електронских бројила одлучују за њима најпрактичнија решења. Дешава се да и различити типови бројила једног произвођача имају различите дисплеје. Код савремених електронских бројила се могу срести 7-сегментни LE дисплеји или LC дисплеји, с тим што се LE дисплеји све мање користе због приступачности и очигледних предности LCD-а. 20

25 Слика 3.8. Изглед неколико LC дисплеја савремених електронских бројила Осим приказног уређаја, на електронском бројилу је потребно да постоји и склоп, тј. скуп тастера којим којим ће се вршити одређена врста управљања. Управљање радом савремених електронских бројила се врши помоћу микроконтролера, а оставља се могућност да се неке вредности измене и дефинишу преко ових тастера (тастатуре). Тако, нпр. преко тастатуре се може подесити тачно време и датум, подесити време промене тарифа или интервал за регистровање максимума. Могућност ових и сличних подешавања треба да постоји без обзира да ли бројило поседује могућност даљинске комникације или не. Такође, величина дисплеја би морала да буде јако велика да би се истовремено приказале све информације које електронско бројило нуди, па се прибегава решењу да се избор информација за приказ врши помоћу тастатуре. Да би се електронско бројило заштитило од неовлашћеног подешавања постоје различите технике ограничавања приступа: доступност само дела тастатуре кориснику а целе тастатуре овлашћеном сервисеру, уписивањем заштитних лозинки у управљачки програм (firmware) бројила, постојање модова рада (сервисни мод). Врло корисно је постојање могућности регистрације отварања кутије бројила и приступа регистрима, када се бележи време и датум, као и разлог приступа бројилу (ако је приступ овлашћен) Серијска комуникација Серијска комуникација је једна од најважнијих могућности савремених електронских бројила. Користећи предности серијске комуникације може се репрограмирати читаво електронско бројило, или остварити нека од поменутих функција: даљинско управљање и даљинско очитавање. Серијска комуникација отвара велике могућности у погледу ефикасности и економичности. Тако, избегава се потреба за постојањем уклопног часовника за промену тарифа уз свако бројило. Много је једноставније да постоји један централни, врло тачан уклопни часовник и да се група бројила синхронише у односу на њега. Омогућава се аутоматско очитавање и драстично се смањује утицај људског фактора. Омогућава се двосмерна, интерактивна комуникација електронског бројила са оперативним центром. 21

26 Серијска комуникација се остварује помоћу неколико различитих технологија, и то: 1. Класична серијска комуникација У електронском бројилу је интегрисан интерфејс за ожичену комуникацију (RS232, SPI). Оператер са собом носи специјализован уређај који се са електронским бројилом повезује преко серијског порта. Овај вид серијске комуникације се најчешће користи за очитавање великог броја електронских бројила. Врло је поуздан али неефикасан. 2. Оптичка комуникација На самом електронском бројилу постоји оптичка комуникациона диода (инфрацрвена, IR, Infra-red). Комуникација се обавља тако што се комуникационим уређајем приђе довољно близу бројилу (до 1m) да би се успоставила оптичка веза, а затим се врши пренос података и команди. Овакав начин комуникације је врло поуздан али је слабо ефикасан. 3. МТК (Мрежно-Тонска Комуникација) У електронском бројилу постоји модем за комуникацију преко енергетских водова (PLC, Power Line Communications). Ово решење делује најједноставније јер потребни медијум већ постоји (енергетски проводници), па се кроз њега могу размењивати и информације на фреквенцијама већим од мрежне фреквенцијe. Комуникација преко енергетских водова је још недовољно развијена, па се овакво решење ретко примењује. Углавом се користи у нисконапонској мрежи за комуникацију са бројилима крајњих корисника (тзв. last mile комуникација). 4. РТК (Радио-Таласна Комуникација) РТК се може извести на 2 начина: тако што се у свако бројило уграђује RF модем који се преко радио-таласа повезује са оперативним центром, или тако што се RF модеми постављају у одређене тачке (нпр. трафо станице) а веза између бројила и тачке са RF модемом се реализује каблом (најчешће оптичким) што представља једну врсту last mile технологије. РТК се најчешће примењује у равничарским подручјима, где се једноставном радио-релејном мрежом може повезати врло велики број електронских бројила. 22

27 4. ИНТЕГРИСАНО КОЛО МСР Опис кола MСР 3905 је 1-фазнo мерно интегрисано коло које даје информације о средњој активној снази, тј. обавља функцију мерења активне енергије тако што вредност енергије претвара у импулсе чија је фреквенција сразмерна вредности мерене енергије. Ово коло такође поседује излаз високе фреквенције који омогућава добијање информације о тренутној снази и користи се за калибрацију. Слика 4.1. Функционална блок шема интегрисаног кола МСР 3905 Основне карактеристике: - 1-фазно мерење активне енергије - Задовољава IЕC стандард за мерење енергије - Поседује два 16-битна делта-сигма А/Д конвертора - Грешка при мерењу 0,1% типично у опсегу 500:1 - Програмабилни појачавач појачања 16:1 за мале вредности струјног сигнала - Извор референтног напона 2,4V (толеранције 2% и 15 ppm/ C) - Индикатор негативне енергије 23

28 Интегрисано коло МСР 3905 је опремљено са два диференцијална појачавача на улазу, од којих је један програмабилни (Programmable Gain Amplifier, PGA) и обезбеђује шири опсег вредности струјног сигнала, као и са два 16-битна делта-сигма А/Д конвертора који улазне сигнале дигитализују ради даље обраде. Уграђени дигитални филтри имају значајну улогу у кондиционирању сигнала. Дигитални филтри пропусници високих фреквенција (High Pass Filter, HPF) имају улогу спрече утицај паразитне једносмерне (DC) компоненте на тачност мерења. Дигитални множач множи сигнале струјног и напонског канала и на свом излазу даје вредност пропорционалну производу сигнала струје и напона, тј. тренутну снагу. Дигитални филтер пропусник ниских фреквенција (Low Pass Filter, LPF) обављају функцију интеграције тренутне снаге и одстрањивања непотребних виших хармоника, који настају множењем, ради добијања чистог сигнала активне енергије. DTF конвертор је склоп који вредност активне енергије трансформише у фреквенцију импулса МСР 3905 има уграђен извор референтног напона од 2,4V са толеранцијом од 2%, чија је зависност од температуре мања од 15 ррm/ C.. Дигитални сигнал-процесор (DSP) је у самом интегрисаном колу и обавља функцију израчунавања активне енергије. Блок за ресетовање (Power-On Reset, POR) служи да онемогући мерење у условима критично ниског напона напајања и у одређеном интервалу након укључивања, јер се тада догађа највише грешака. Сва израчунавања, као и обраде и филтрирања сигнала се врше у дигиталном домену чиме се знатно повећава стабилност система и значајно смањују одступања Аналогни улази Аналогни улази кола МСР 3905 се прикључују на мерне претвараче као што су шант-отпорници или струјни, односно напонски трансформатори. Сваки улазни пин је заштићен од електростатичког пражњења (Electrostatic Discharge, ESD) до вредности напона од 5KV и од великих улазних сигнала. Таква заштитна структура дозвољава дуже присуство напона до ±6V без опасности од трајног оштећења. Оба канала имају диференцијалне улазе и сигнал између њих треба одржавати у опсегу ±1V у односу на масу, да би се остало у границама декларисаних мерних грешака. Струјни канал укључује и појачање програмабилног појачавача (PGA) на улазу да би се врло мали сигнали могли мерити. Максимална вредност сигнала на улазу струјног канала је декларисан на вредност од ±470mV. Максимална вредност напона на улазу напонског канала је ±660mV. 24

29 Програмабилни појачавачи се користе код сигнала врло малих вредности па је тако омогућено коришћење струјних шант-отпорника екстремно малих вредности (чак до 200μΩ). Појачање ( gain) ових појачавача се бира из низа дискретних вредности и може бити 1, 2, 8 и 16. Вредност појачања PGA се бира постављањем одговарајућих логичких стања на контролним улазима G0 и G1. Tabela 4.1. Однос максималних вредности сигнала на улазу Канала 0 и вредности појачања PGA А/Д конвертори А/Д конвертори употребљени код овог кола су 16-битни делта-сигма (ΔΣ) А/Д конвертори другог реда. Предност ове врсте А/Д конвертора је што се релативно једноставним поступцима и конструкцијом постиже доста висока резолуција. Једноставност конструкције се огледа у томе што је употребљено релативно много елемената и то су углавном једноставни електронски склопови. Због принципа рада оваквог склопа брзина је доста мања него код неких других врста А/Д конвертора, али је и даље изнад границе која задовољава услове постављене пред овим мерним колом. Слика 4.2.Блок-шема делта-сигма (ΔΣ) модулатора 2. реда Делта модулатор је основни склоп делта-сигма А/Д конвертора и он на свом излазу даје поворку импулса (Bitstream) чија је средња вредност пропорционална аналогном улазном сигналу и може бити између +V ref и -V ref. Делта модулатор реализује импулсну пропорционалну модулацију (ИПМ, PPM-Pulse Proportial Modulation). Комплетан А/Д конвертор садржи још неколико склопова који служе за за бројање импулса и генерисање дигиталног репрезента (броја) улазног сигнала: бројач и дециматор. Излаз А/Д конвертора у виду 16-битног броја добија се тако што се региструје број појављивања импулса на излазу модулатора у одређеном интервалу. 25

30 Оба А/Д конвертота имају 16-битну резолуцију омогућавајући тако прикључивање широког опсега вредности улазног сигнала и врше континуалну конверзију. Довођењем логичке нуле на пин MCLR, оба А/Д конвертора се ресетују и на њиховим излазима се постављају почетна стања 0х0000h. Прекорачењем декларисаних вредности улазних сигнала постоји опасност изласка из линеарног режима рада А/Д конвертора, али ће и даље наставити да обављају конверзију док не достигну засићење. Тачка засићења једносмерним сигналом је 700mV за Канал 0, и 1V за Канал 1. Сигнал такта се прослеђује на оба А/Д конвертора истовремено па се тиме постиже да фазна разлика између дигитализованих сигнала износи највише 1/МСLK ВФ филтер, множач и НФ филтер Активна снага се рачуна из тренутне снаге, па зато било који DC померај у неком од канала може утицати на погрешно мерење. Постављањем дигиталних филтара пропусника високих фреквенција - ВФ филтера са граничном фреквенцијом од 4,5Hz постиже се одстрањивање стетних DC компоненти и минималан утицај на линијску фреквенцију од 50/60Hz, која се најчешће мери. Ови филтри се могу искључити довођењем логичке нуле на контролни пин HPF. Дигитални филтри неминовно уносе фазно кашњење сигнала. Употребом иденчтичних дигиталних ВФ филтера у оба канала и довођењем такта из истиг генератора, постиже се да фазна разлика између сигнала не буде већа од 1/MCLK. У стандардним условима (MCLK = 3,58MHz, f LINE = 50Hz), фазно кашњење између сигнала је 0,005, и занемарљиво је мало. Излаз дигиталног множача је производ два сигнала: струјног и напонског, филтрираних ВФ филтром, тј. без нежељених компонената. Сигнал на излазу множача представља збир тренутне вредности мерене снаге и хармоника линијске фреквенције. Познато је да се множењем два простопериодична сигнала једнаких фреквенција (ω), као производ добија сигнал који садржи једносмерну (DC) компоненту и компоненту фреквенције 2 пута веће од основне (2ω). У овом случају, сигнал садржи DC компоненту и компоненту фреквенције 100Hz, која је други хармоник линијске фреквенције 50 Hz. DC компонента овог сигнала представља жељену, активну снагу и компонента са учестаношћу 2ω сметњу коју треба отклонити. Постављањем НФ филтера (LPF), одстрањује се нежељена компонента, тј. хармоних фреквенције 100Hz. Употребљени су дигитални филтри IIR типа, првог реда, граничне фреквенције 8,9Hz која је одабрана тако да оствари довољно слабљење хармоника од 100Hz и хармоника од 50Hz, који се, евентуално, може појавити. 26

31 Како овакви филтри нису идеални, обе штетне компоненте ће постојати у излазном сигналу али са тако малим енергијама које не утичу на жељени резултат. Са тактним сигналом од MCLK = 3,58Mhz и линијском фреквенцијом од f LINE = 50 Hz, слабљење хармоника на 100Hz износи 20dB, што значи да је енергија овог хармоника 10 пута мања од енергије DC компоненте, тј. активне снаге DTF (Digital-To-Frequency) конвертор DTF конвертор је подсистем мерног интегрисаног кола МСР 3905 који обавља претварање вредности активне снаге у фреквенцију импулса, тј. израчунавање активне енергије интеграцијом активне снаге. Сложеним алгоритмом се врши претварање низова дигиталних вредности у поворку импулса чија фреквенција је одређена поменутим дигиталним вредностима. Излазни сигнал НФ филтра се акумулира у DTF конвертору. Акумулирани сигнал се континуално упоређује са дигиталним окидним праговима за F OUT 0 / 1 или HF OUT који представљају квантове активне енергије мерене овим колом. Кад год акумулирани сигнал прекорачи неки од ових прагова, мерно коло МСР 3905 генерише импулс на одговарајућем излазу. Познавање вредности квантова, регистровањем и бројањем импулса врло лако се добија вредност мерене активне енергије. Еквивалентни квант реалне енергије потребан да би се генерисао импулс на неком од излаза мерног кола је много мањи за излаз HF OUT него за излазе F OUT 0 / 1. То је зато што је период интеграције активне снаге на улазу DTF ковнертора много дужи за излазе F OUT 0 / 1 незо за излаз HF OUT. Дужи период интеграције се еквивалентно понаша као још један НФ филтер, па је таласање (ripple) сигнала (изазвано 2. хармоником на 100 Hz) минимално. Kако се овај хармоник не може потпуно одстранити јер је немогуће направити идеалне филтре, десиће се мало подрхтавање (jitter) излазне фреквенције. Обрадом добијених резултата (нпр. усредњавањем поворке излазних импулса у бројачу или микроконтролеру), постиже се ефекат потпуне имунизације резултата мерења на хармоник од 100Hz. Излаз HF OUT је намењен за калибрацију јер приказује вредност тренутне снаге, па генерише импулсе много веће фреквенције од излаза F OUT 0 / 1. Краћи период интеграције захтева да се обрати посебна пажња на други хармоник линијске фреквенције f LINE = 50Hz, који је непотребан и износи 100Hz. Знајући да је средња вредност синусног сигнала једнака нули и да је овај хармоник синусне природе, усредњавањем сигнала излаза HF OUT добија се одговарајућа вредност реалне активне енергије. 27

32 F OUT 0 / 1 и HF OUT импулсни излази F OUT0/1 омогућава врло ниске фреквенције излазних импулса дозвољавајући релативно дуг период интеграције. Фреквенције излазних импулса, односно период интеграције, може се подешавати у одређеним границама постављањем одговарајућих логичких вредности на контролним улазима F0 и F1. Излазна фреквенција излаза F OUT 0 / 1 се може израчунати по једначини (4.1): FF OOOOOO (HHHH) = 8,06 UU II UU UU FF CC GG VV RRRRRR 2 (4.1), где је: U I средња квадратна вредност (RMS) струјног сигнала U U средња квадратна вредност (RMS) напонског сигнала G појачање PGA у струјном каналу F C константа (подешена помоћу F0 и F1) U ref референтни напон НF OUT излаз има краћи период интеграције у односу на излаз F OUT0/1, па тако и већу фреквенцију импулса. И код овог излаза се може подешавати фреквенција излазних импулса постављањем одговарајућих логичких вредности на контролним улазима F0 и F1, као и на F2. где је: Излазна фреквенција излаза HF OUT се може израчунати по једначини (4.2): HHHH OOOOOO (HHHH) = 8,06 UU II UU UU HHHH CC GG VV RRRRRR 2 U I средња квадратна вредност (RMS) струјног сигнала U U средња квадратна вредност (RMS) напонског сигнала G појачање PGA у Каналу 0 НF C константа (подешена помоћу F0, F1 и F2) U ref референтни напон (4.2) 28

33 5. ОПИС РЕШЕЊА И ИСПИТИВАЊЕ На основу досадашњих разматрања и описа, реализован је склоп који врши функцију електронског бројила. Електронско бројило пројектовано и реализовано у оквиру овог рада се састоји из 2 дела: мерног дела и дела за обраду и приказ информација. Напајање целог уређаја је изведено у експерименталне сврхе и у пракси се не користи такво решење. Трансформаторско напајање преко Грецовог споја и интегрисаног стабилзатора напона 7805 обезбеђује стабилан напон од 5V који се користи за напајање интегрисаног кола МСР 3905, микроконтролера и дефинисање логичких стања. У пракси се користи напајање које елиминише трансформатор, најчешће кондензаторско, чиме се значајно смањује потрошња Мерни део Мерни део се састоји од интегрисаног кола МСР 3905 и пратећих електронских компонената (Прилог 1, Слика 2), који заједно остварују функцију мерења енергије. У струном каналу постоје краткоспојници Ј7 и Ј15 помоћу којих се било који од два проводника може повезати са масом, као и Ј6 којим се мења улазна отпорност струјног дела у зависности да ли се на улаз прикључује струјни мерни трансформатор или шант отпорник. Мерни претварачи могу унети паразитну капацитивност која при наглим променама јачине струје изазива нагле скокове напона, тј. сметње, у струјном каналу су постављени НФ филтри другог реда да би одстранили евентуалне сметње. У напонском каналу, на једном проводнику постоји НФ филтер првог реда који одстрањује евентуалне сметње. Краткоспојником Ј12, један проводник се може повезати на масу, док се групом краткоспојника Ј8-Ј11 може мењати поларитет улазног напона. Као извор референтног напона је искоришћена напонска референца у самом интегрисаном колу МСР Уграђена напонска референца износи 2,4V са толеранцијом од 2% и врло великом температурном стабилношћу од 15 ppm/ C. 29

34 Мерно интегрисано коло МСР 3905 као и микроконтролер PIC18F4520 у себи садржe механизме аутоматског ресета при укључивању (POR). Поред POR, омогућено је ресетовање у било ком тренутку притиском на тастер Reset, тј. довођењем логичке нуле на пин MCLR. Овај тастер је тако повезан да истовремено врши ресетовање интегрисаног кола МСР 3905 и микроконтролера PIC 18F4520. Ресетовањем се поништавају вредности бројачких регистара и овакво решење се не користи у пракси, али је овде употребљено због практичних потреба испитивања. Комплетно ресетовање електронског бројила може се вршити само у овлашћеним лабораторијама. За исправан рад мерног интегрисаног кола МСР 3905 користи се кварцни кристал фреквенције 3,579MHz, са пратећим кондензаторима, као што је наведено у препорукама произвођача. Максимална радна фреквенција кола МСР 3905 је 4 MHz. Начин рада кола се одређује довођењем логичких нивоа на контролне улазе, а који се одређују положајима краткоспојника повезаних на поменуте контролне улазе: F0, F1 и F2 одређују константу излазних импулса G0 и G1 одређују појачање сигнала у струјном каналу HPF одређује да ли се користи ВФ филтер уграђен у МСР 3905 Излаз за индикацију негативне енергије има припадајућу црвену LED која сигнализира да је разлика фаза улазних сигнала већа од π/2.. Импулсни излази су излази HFout, Fout0 и Fout1. Ови излази су директно спојени са улазима микроконтролера којим се врши бројање, и поред тога на сваком од њих постоји по једна LED, које служе за визуелни утисак и контролу дешавања на импулсним излазима. По правилу, електронска бројила морају имати оптички излаз преко кога се може извршити контрола бројила. Код овог бројила, оптичке сигнализаторе имају и излаз високе фреквенције који репрезентује тренутну снагу и излаз ниже фреквенције који репрезентује активну енергију. Мерни део овог бројила је пројектован и подешен тако да је константа излазних импулса 1000 imp/kwh. У сврхе пројектовања и тестирања, симулирани су реални услови рада уз помоћ генератора сигнала. Код струјног сигнала није коришћен струјни трансформатор или шант отпорник, већ су они замењени генератором напонског сигнала. 30

35 5.2. Обрада и приказ информација Обрада информација је врло важан корак јер се управо у том кораку врши прилагођавање информације из основног облика у облик који ће бити разумљив и користан кориснику информације. Добијени резултати мерења се обрађују тако да буду погодни за приказивање и визуелно очитавање на локалном екрану, као и за потребе електронског очитавања или даљинског преноса података. Део овог електронског бројила који је задужен за обраду и приказ информације о тренутној снази и активној енергији је изведен уз помоћ микроконтролера PIC18F4520 и LCD-а AC162BY (Прилог 1, Слика 3). Микроконтролер је синхронисан помоћу спољног кристала кварца, фреквенције 8 MHz. Фреквенција рада микроконтролера од 8 МHz је одабрана јер задовољава услове у погледу брзине регистровања импулса. Највећа теоријска фреквенција мерних импулса је Hz, што значи да је најкраћи интервал између два импулса око 82 μs. Фреквенција на којој ради микроконтролер је 8 MHz, тј. најкраћи интервал између два тактна импулса је 125 ns. Ако се инструкција просечно изврши за 500 ns, види се да је 82 μs >> 500 ns, (5.1) одакле се може закључити да је фреквенција од 8MHz сасвим довољна да се региструју сви импулси који се појаве. LCD који је овде употребљен је character типа, две линије по 16 карактера и са позадинским осветљењем. Комуникација микроконтролера и LCD се обавља преко 4 линије за податке и 2 контролне линије. На екрану се приказују информације о тренутној снази и активној енергији. Потенциометром се врши регулација контраста. Слика 5.1. LCD Микроконтролер PIC 18F4520 врши обраду информација. Излазни импулси са мерног интегрисаног кола МСР 3905 долазе на пинове RB0, RB1 и RB2 микроконтролера, који су подешени да раде као извори прекида (interrupt). Програмом је предвиђено да само импулси на пиновима RB0 и RB1 генеришу прекиде, тј. региструју се само импулси са излаза HFout и Fout0. Импулси на излазу Fout1 су идентични и само временски померени у односу на импусе са излаза Fout0. 31

36 Функција обраде података коју обавља микроконтролер се састоји у следећем: - Иницијализација микроконтролера и LCD-а - Постављање свих регистара на почетне вредности - Иницијализација тајмера Timer0 који генерише интервал од 1s - Регистровање броја импулса увећавањем бројачких регистара impsn и impen - Прекид бројања када тајмер одмери интервал од 1s - Аритметичке операције над вредностима бројачких регистара - Форматирање података за испис на LCD - Слање података на LCD При довођењу напајања, дешава се POR на оба интегрисана кола. Након одређеног интервала, МСР 3905 почиње са мерењем а микроконтролер почиње са извршавањем програма. У програму је дефинисано шта, којим редоследом, са колико временског кашњења микроконтролер треба да уради. Најпре се декларишу променљиве (резервише се простор у меморији микроконтролера) које ће се користити за обраду података, у датотеци <Konstante.h>. У датотеци <Funkcije.h> се налази петља која генерише кашњење, а аргументом при позиву функције се задаје жељено кашњење. Следећи корак je дефинисање функција за рад са LCD-ом (иницијализација, слање карактера, слање команди) и врши се позивањем датотеке <LCD.h>. У следећем кораку се врши иницијализација, тј. постављају се вредности одређених контролних регистара и одређује начин рада и понашање одређених пинова, затим се позива функција која иницијализује LCD. Иницијализација микроконтролера се врши датотеком <Inicijalizacija.h>, тј. омогућава се систем прекида, одређује се да ће пинови RB0 и RB1 бити улазни пинови и да ће бити извори прекида, ресетују се сигнализатори прекида, укључује и поставља се почетна вредност тајмера Timer0 за генерисање интервала од 1s. Затим се дефинише активност микроконтролера у тренутку када се деси прекид (интерапт рутина) или тајмер генерише време од 1s, у датотеци <Interrupt.h>. По завршеној иницијализацији и учитавању потребних датотека, MCU микроконтролера почиње да извршава главну програмску функцију (main). У главној функцији се најпре на LCD шаље текст SNAGA: и ENERGIJA:, а затим се у петљи на крају сваког интервала од 1s на LCD шаље вредност тренутне снаге (у W или KW) и укупна вредност активне енергије (у Wh или KWh). Уређај који је пројектован и реализован у оквиру овог дипломског рада поседује могућности мерења електричне енерије и приказа резултата мерења на LCD-у, тако да се очитавање може вршити визуелно (записивањем вредности са LCD-а) или оптичким путем (оптичка глава региструје излазне импулсе). 32

37 Мерење енергије, реализовани уређај врши на следећи начин: Улазни напонски сигнали се доводе на прикључке Strujni ulaz и Naponski ulaz, а затим се преко филтерских кола прослеђују на улазне пинове мерног интегрисаног кола МСР Мерно коло МСР 3905, као што је раније објашњено, врши мерење енергије, тј. улазне вредности обрађује (филтрира, дигитализује, множи, интеграли) и у складу са једначинама (4.1) и (4.2) генерише излазне импулсе. Константе којима се подешава фреквенција ових импулса се могу мењати, и у овом случају је изабрано да оне износе Fc = 13,66 а HFc = 27968,75. Ове вредности за константе су одабране из разлога што је контрола мерења енергије прецизнија што је већа фреквенција импулса на излазу HFout. За фреквенцију појављивања излазних импулса не постоји универзално правило (често се користи 100 imp/kwh или 1000 imp/kwh). Код овог уређаја је одабрано да та константа износи 1000 imp/kwh. При овако одабраним вредностима константи, ако се узме у обзир услов да почетна струја мора износити 0,005I B, што за бројило које је декларисано као 20(25)А износи 100mA, и узмемо вредност од 1mV као најмању мерљиву величину, могу се израчунати вредности улазних сигнала: - Ако је вредност линијског напона 220V (cosφ=1), за снагу од 1KW, потребна је струја P 1000 W I = = = 4, 545 U 220 V A (5.2) - Вредност струје од 4,545А, задовољавајући услов почетне струје, треба да на улазу мерног кола генерише напон од U IKW = 4,545 0,1 = 45, 45 mv (5.3) - Имајући у виду да, ако се жели константа излазних импулса од 1000 imp/kwh, фреквенција ових импулса треба да износи 1000 imp / kwh 1000 imp / KWh Fout = = = 0,278 1 h 3600 s Hz (5.4) - Узимајући у обзир све претходне услове и вредности, добија се вредност сигнала напонског улаза за 1000 imp/kwh 8,06 V0 V V U 2 2 Fout Vref 0,278 (2,325) UKW = = = 308, 91 8,06 FC V0 8,06 13,66 0,0455 mv (5.5) Са вредностима за U UKW = 309 mv U IKW = 45,45 mv, жељена фреквенција је 1 2 ref G F C 8,06 0,0455 0,308,9 1 13,66 1h = 3600s = 1000,03 2 2,325 imp / KWh што је врло приближно 1000 imp/kwh, односно релативна грешка износи 0,003%. (5.6) 33

38 5.3. Испитивање Испитивање реализованог електронског бројила је изведено у Лабораторији за мерења Високе школе електротехнике и рачунарства у Београду. Коришћени инструменти у току испитивања су: - Voltcraft M3850D универзални инструмент - HP прецизни универзални инструмент - OWON PDS7102T осцилоскоп - DIOGEN 003 сигнал-генератор При лабораторијском испитивању, изостављена су улазна кола која имају улогу да мерне величине трансформишу у облик и опсег какав је дефинисан карактеристикама мерног интегрисаног кола МСР Уместо стварних мерних величина коришћен је лабораторијски сигнал-генератор DIOGEN 003, а уместо улазних кола коришћени су вишеобртни тример-потенциометри вредности 10 kω, чиме је постигнуто прецизно подешавање улазних вредности. Симулирањем реалних мерних величина постигнуто је испитивање мерних карактеристика самог мерног кола и елиминисане су грешке које могу настати у улазним колима. Слика 5.2. Улазна кола коришћена при испитивању Тежиште лабораторијског испитивања је било снимање карактеристика реализованог електронског бројила. На самом почетку измерена је вредност извора референтног напона (која је била константна до краја испитивања) и износила је 2,359 V. Одабрано је да референтне вредности напона на улазима мерног кола МСР 3905 износе: o U Uref = 300 mv за напонски улаз и o U Iref = 400 mv за струјни улаз. Регистровање излазних импулса је вршено на импулсном излазу HFout. Одабрана константа излазних импулса износи HFc = 27968,75 (2048 Fc, што омогућава референтну фреквенцију излазних импулса од 4,861 KHz Испитивање стабилности Испитивање стабилности реализованог електронског бројила је извршено тако што су на улазе мерног кола МСР 3905 доведени референтни сигнали константне вредности напона и фреквенције, и посматрани су импулси на излазу HFout у одређеном временском интервалу. 34

39 U U = U Uref = 300 mv U I = U Iref = 400 mv t (s) imp Табела 5.1 Стабилност излазне фреквенције (60 s) t (min) imp Табела 5.2 Стабилност излазне фреквенције (6о min) Слика 5.3 Стабилност излазне фреквенције (60 s) Слика 5.4 Стабилност излазне фреквенције (6о min) Посматрајући вредности у табелама и на графицима, закључује се да се бројило одликује врло великом временском стабилношћу Утицај промене фреквенције Испитивање утицаја промене фреквенције улазних сигнала је извршено променом фреквенције улазних сигнала за ±10% при константним вредностима напона, и посматрани су импулси на излазу HFout. Основна фреквенција улазних сигнала износи 50Hz. U U = U Uref =300 mv U I = U Iref = 400 mv f (Hz) imp Табела 5.3. Утицај фреквенције улазних сигнала на фреквенцију излазних импулса Слика 5.5. Утицај фреквенције улазних сигнала на нфреквенцију излазних импулса Као што се може закључити, при промени фреквенције улазних сигнала од ±10% и константном напону, не долази до грешке у фреквенцији излазних импулса. У току испитивања је примећено да фреквенција улазних сигнала почиње да утиче на тачност тек при вредности од око 100 Hz. 35

40 1.3.Испитивање тачности Испитивање тачности је извршено тако што су на уређај доведени улазни сигнали константне фреквенције f = 50Hz. Како би се симулирали реални услови рада, вредност напона на напонском улазу је одржавана константном и то U U = U Uref = 300 mv, а вредност напона на струјном улазу је мењана у опсегу 0,25%U Iref до 120%U Iref, тј. од 1 mv до 480 mv. U U = U Uref = 300 mv U I = 0,25% U Iref - 120% U Iref f = 50 Hz 0,25% 0,50% 1% 2% 5% 10% 20% 50% 80% 100% 120% U i teor. (mv) U I (mv) 1,07 2 4,02 8,05 19,99 40,04 80,04 199, ,4 479,9 U u (mv) 300, , ,9 300, ,7 300,55 300,9 300,6 imp 13,01 24,33 48, , imp teor. 13,04 24,39 49,00 98,16 243,66 487,89 975, , , , ,75 Δ Rel. 0,22 0,23 0,21 0,16 0,15 0,18 0,20 0,21 0,23 0,24 0,25 Табела 5.4. Зависност фреквенције импулса од вредности напона струјног улаза У другом реду табеле 5.4. је идеална вредност напона на струјном улазу (U i teor ). У трећем и четвртом реду су подешене вредности напона на струјном улазу, односно напонском улазу (U i, U u ). У петом реду је измерена вредност фреквенција излазних импулса (imp), а у шестом реду је идеална вредност фреквенције излазних импулса (imp teor. ) према једначини (5.7) за подешене вредности улазних сигнала (U i и U u ). У последњем реду је израчуната релативна грешка (Δ Rel. ) према једначини (5.8) imp imp (teor.) imp U I [mv] Слика 5.6. Зависност фреквенције импулса од напона на струјном улазу, при константном напону на напонском улазу На претходном дијаграму (слика 5.6) приказана је зависност фреквенције излазних импулса од вредности напона на струјном улазу, при константном напону на напонском улазу. Види се да је поменута зависност скоро потпуно линеарна. На основу тога се може закључити да релизовани уређај има веома добру преносну карактеристику. Теоријски број излазних импулса (imp (teor.)) је рачунат по једначини (5.7). 36

41 iiiiii (tttttttt.) = 88,0000 UU UU UU II HHHHHH UU rrrrrr 22 (5.7) Δ Rel [%] 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 U I [mv] Релативна грешка Дозвољена грешка за класу 1 Слика 5.7. Релативна грешка На другом дијаграму (слика 5.7) приказана је релативна грешка при мерењу реализованог бројила, израчуната по једначини (5.8) и дозвољена грешка за класу 1, по Стандарду. RRRRRR. = iiiiii tttttttt. iiiiii iiiiii (5.8) Уочава се да релативна грешка при мерењу има вредност просечно око 0,2% у целом мерног опсегу (1 480 mv), односно креће се у границама 0,15 0,25%, што је у просеку око 5 пута мање од максималне дозвољене грешке за класу 1. Ова грешка се може посматрати као системска грешка, па се могу користити методе за њено отклањање. У конкретном случају, код реализованог електронског бројила, релативна грешка се може отклонити на 2 начина, и то: - Убацивањем тример-потенциометра у улазно коло изврши се померање нивоа улазног сигнала. У овом случају, грешка се не слиминише потпуно већ се транслира око нулте вредности, од -0,05 до +0,05%. - Уписивањем карактеристичних вредности грешке у програм микроконтролера. У овом случају, уписивањем довољног броја карактеристичних вредности, грешка се може потпуно елиминисати. Приликом испитивања примећено је да уређај прави скоро идентичну релативну грешку прим мерењу када су улазни сигнали у против-фази (0,14 0,29%), с тим што постоји сигнал на излазу који упозорава на негативну енергију, NEG. Са вредностима грешке при мерењу од 0,15 0,25%, реализовано електронско бројило се може сматрати врло тачним. Велика разлика између стварне и максимално дозвољене релативне грешке оставља доста простора за употребу мерних претварача у улазним колима (напонски и струјни трансформатори) који су јефтинији и са већом грешком при мерењу. 37

42 6. ЗАКЉУЧАК У овом дипломском раду обрађена је једна врста уређаја за мерење потрошње електричне енергије електронско бројило. У складу са савременим трендовима, одабрана је метода конвертовања напона у учестаност (U/f конвертор) где се цео процес мерења и обраде резултата обавља у дигиталном домену. Акценат је стављен на пројектовање, реализацију и испитивање једног савременог електронског бројила, без превише упуштања у метрологију јер би то превазишло оквире овог рада. На почетку су дате физичке основе електричне енергије, начини мерења и грешке које се јављају при мерењу. Највећи део овог рада заузима управо пројектовање и опис практичног решења постављених услова у виду дигиталног електронског бројила. На крају долази лабораторијско испитивање и анализа добијених резултата. Пројектовањем су дефинисани услови и задаци рада. У разматрање су узети захтеви који се могу поставити пред савремено електронско бројило а који произилазе из реалних потреба развоја индустрије и повећања потрошње, као и из чињенице да се дигитализацијом и применом рачунарске технике неки захтеви могу релативно лако и ефикасно реализовати. У фази пројектовања постављени су и услови које електронско бројило мора да испуни а које прописује IEC стандард. У опису практичног решења дат је детаљан приказ свих реализованих функција. Један део пројектних захтева је реализован у овом раду а остављено је простора за надоградњу и усавршавање овог решења електронског бројила. Реализовано електронско бројило врши своју основну функцију: мерење активне снаге и енергије, и приказ података. Додавањем могућности као што су тарифирање, мерење максимума, даљинско очитавање и контрола повећава се употребна вредност електронског бројила. Резултати испитивања су показали да реализоване функције задовољавају постављене услове. Електронско бројило обрађено у овом раду своју основну функцију обавља врло добро. Употребљене компоненте, мерно интегрисано коло МСР 3905 и микроконтролер PIC18F4520, омогућавају додавање нових могућности дигиталном електронском бројилу уз минималне измене, што ће бити тема неког другог рада. 38

43 7. ЛИТЕРАТУРА 1. IEC 1036, Alternating current static watt-hour meter for active energy (classes 1 and 2), IEC Петар Бошњаковић: Мерење потрошње електричне енергије у сврхе обрачуна, Савезни завод за мере и драгоцене метале, Београд, МСР 3905 Datasheet, Microchip 4. PIC18F4520 Datasheet, Microchip 5. Професионална електроника: Упутство за дефектацију и ремонт бројила електричне енергије, Ниш, Завод за мере и драгоцене метале: Решење о одобрењу типа мерила SAGEM CX2000-4, Београд

44 8. ИНДЕКС ПОЈМОВА А Активна енергија 8, 13, 23, 27, 32 А/Д конвертор 23, 24, 25 Д Даљинско управљање 2, 9, 19, 38 Дециматор 25 Делта-сигма 23, 24, 25 DSP 13, 24 DTF 24, 27 Е Електрична енергија 1, 4, 6, 8, 12, 13, 38 Електронско бројило 9, 12, 14, 15, 37, 38 EEPROM 13 И IEC 5, 10, 17, 38 Импулсни излаз 14, 19, 25, 28, 30 К Кондензаторско напајање 15, 29 Класа тачности 10,17,22,37 Л LCD 13, 14, 20, 31, 32 М Максиграф 14, 19 МСР3905 3, 14, 16, 23, 27, 30, 33, 34, 38 МТК 22 П PGA 24, 25, 28 PIC18F , 30, 31, 38 P Реактивна енергија 7, 8, 9, 12, 13 Релативна грешка 11, 33, 36, 37 RS РТК 22 RTC 13, 14 С Струјни трансформатор 9, 17, 30 Т Тарифа 2, 9, 12, 13, 18, 20 Тачност 9, 10, 11, 17, 24, 25 Ш Шант 9, 17, 18, 25, 30 40

45 Дипломски рад, Иван Станковић : ПРИЛОГ. ПРИЛОГ Вредност струје Фактор снаге (cos φ) Дозвољена грешка за класу 1 2 0,05 I B 1 ± 1,5% ± 2,5% 0,1 I B - I MAX 1 ± 1% ± 2% 0,1 I B 0,2 I B - I MAX 0,5 индуктивно 0,8 капацитивно 0,5 индуктивно 0,8 капацитивно ± 1,5% ± 1,5% ± 1% ± 1% Табела 1. Класе тачности за 1-фазно електронско бројило ± 2,5% - ± 2% - Слика 1. Изглед реализованог електронског бројила I