Stroškovno učinkovit dizajn za odpravljanje motenj pri digitalnih merilnikih električne energije: Prehod skozi test 4kV EFT in 15kV ESD

I. Pregled​

Ta rešitev je zasnovana za reševanje težkih izzivov, s katerimi se soočajo tradicionalni digitalni merilniki električne energije v kompleksnih industrijskih elektromagnetnih okoljih, zlasti glavnega bolečega točka, ki je nedostatek zmogljivosti za odpor proti motnjim. Z nizom ključnih inovativnih dizajnov strojne opreme ta rešitev bistveno izboljša zmogljivost merilnika, da odpira hitre elektromagnetne pretreske (EFT) in statično električnost (ESD). Hkrati optimizira arhitekturo sistema, kar omogoča dosego dvojnega cilja, izboljšane zanesljivosti in optimizacije stroškov, s tem pa zagotavlja stabilno in natančno podatkovno osnovo za nadzor sistemov električne energije.

​II. Ozadje & Cilji​

​1. Analiza problema​

Tradicionalni merilniki imajo slabosti v dizajnu. Povezovalni vmesnik med prikaznim modulom in glavno nadzorno ploščo pogosto manjka učinkovitih varnostnih ukrepov za elektromagnetno združljivost (EMC). To vodi do slabe učinkovitosti med preskusom odpornosti, EFT odpornost pa je daleč pod industrijskimi zahtevami, kar hudo vpliva na stabilno delovanje v realnih distribucijskih okoljih.

​2. Glavni cilji​

• ​Povečanje zmogljivosti:​​ Bistveno izboljšati EMC merilnika, da lahko preteče stroge preskuse EFT raven 4 kV in visoke ravni ESD preskusov.
• ​Zanesljivo delovanje:​​ Zagotoviti dolgoročno brezpotešno delovanje merilnika v električnih lokacijah, polnih prehodnih pulzov in statične motnje, s tem pa zagotoviti neprekinjeno nabiranje in prenos podatkov.
• ​Optimizacija strukture:​​ Poenostaviti dizajn občrta, zmanjšati število zunanje komponent in kontrolirati/zmanjšati stroške strojne opreme, hkrati pa izboljšati zmogljivost.

​III. Splošna arhitektura sistema​

Merilnik uporablja modularen dizajn, ki je zasnovan okoli glavnega nadzornega čipa, z jasno strukturo in jasno definiranimi odgovornostmi. Vključuje predvsem naslednje ključne enote:

• ​Glavna nadzorna enota:​​ "Možgani" sistema, odgovorna za izračun podatkov, logično nadzor in usklajevanje sistema.
• ​Enota za zajem signalov:​​ Odgovorna za zajem in prelomsko obdelavo surovih trifaznih napetostnih in tokovnih signalov iz električnega omrežja.
• ​Enota za upravljanje s strmice:​​ Prideluje stabilno, ločeno večkanalno delovno strmično za vse funkcionalne module.
• ​Enota za ljudski-strojni vmesnik (HMI):​​ Vključuje prikazni nadzorni modul za lokalno prikazovanje parametrov.
• ​Enota za komunikacijo podatkov:​​ Prideluje RS485 vmesnik za izmenjavo podatkov z oddaljenimi sistemom za nadzor.
• ​Enota za shranjevanje podatkov & ura:​​ Uporabljena za shranjevanje zgodovinskih podatkov in pridobivanje natančnega časovnega referenca.
• ​Ključna inovacija: Posebna enota za odpor proti motnjam:​​ Ključni vidik te rešitve, ki dodaja zaščitne module za ključne signalse poti.

​IV. Ključni tehnološki preboji​

​1. Dizajn posebnega filtra za odpor proti EFT​

• ​Inovativni pristop:​​ Natančno identificirali smo komunikacijske linije med prikaznim nadzornim modulom in glavnim nadzornim čipom kot ranljivi toček za EFT vstop. Skladno s tem smo zasnovali neodvisne filtrirne kanale za vsako komunikacijsko signalno linijo.
• ​Izvedba:​​ Specifična vrednost kondenzatorja je vzpostavljena vzporedno od vsake komunikacijske linije do zemlje, s tem tvori preprosto mrežo nizkoprostornega filtra. Ta kondenzator učinkovito absorbuje visokofrekvenčno vrhomerno energijo, generirano z EFT na signalnih linijah, s tem pa zaščiti vmesnik glavnega nadzornega čipa pred motnjo.
• ​Rezultat:​​ Ta zelo nizkočasna konstrukcija dvigne odpornost merilnika na EFT na 4 kV, reši pomanjkljivosti tradicionalnih merilnikov v tej območju.

​2. Sistemski optimizacija za odpor proti motnjam za glavno nadzor​

• ​Optimizacija časovnega obvoda:​​ Zavrnila tradicionalno uporabo visokofrekvenčnih kristalov, ki so podvrženi motnji, namesto tega uporabili nizkofrekvenčni kristal kot glavni vir časa. Nizkofrekvenčni časovni signali sami po sebi imajo močnejšo zmogljivost za odpor proti motnjam, zmanjšajo verjetnost sistemskega vpliva.
• ​Poenostavitev sistemskih integracij:​​ Polnoma izkoristila visoko integracijo sodobnih glavnih nadzornih čipov. Interna integracija Pretvorbe analogne-v-digitno (ADC) in kompenzacijskih kondenzatorjev oscilatorja eliminira potrebo po zunanje diskretnih komponent.
• ​Splošni koristi:​​
• Optimiziran časovni obvod bistveno izboljša zmogljivost merilnika, da odpira zunanje statične motnje, s tem pa lahko preteče najvišje ravni ESD preskusov.
• Visoko integrirani dizajn poenostavi razporeditev PCB, zmanjša število komponent, s tem pa ne le zniža materialne stroške, ampak tudi izboljša proizvodno učinkovitost in splošno zanesljivost.

​V. Prednosti & Vrednost rešitve​

​1. Izjemna zanesljivost​

• Sposoben za stabilno delovanje v okoljih EFT motnje, ki presegajo 4 kV in ESD okoljih, ki presegajo 15 kV, kar zadovoljuje najstrožje industrijske standarde.
• Optimizirana strojna osnova zagotavlja natančnost časovanja pri nabiranju podatkov in dolgoročno stabilnost meritev.

​2. Značilna ekonomskost​

• Neposredno zniža stroške nabave materialov z zmanjšanjem števila zunanje komponent.
• Poenostavljena konstrukcija izboljša stopnjo prvega proizvodnega uspeha in zmanjša stroške servisa po prodaji, s tem pa prinaša strankam prednost življenjskega cikla.

​3. Izjemna proizvodnja​

• Uporabljene ukrepe za odpor proti motnjam uporabljajo standardne, zrele, splošno uporabne komponente. Dizajn je preprost in zanesljiv, zato je zelo primeren za velikomase masovno proizvodnjo, s tem pa zagotavlja konzistentnost in visoko kakovost produkta.