Vysokovýkonné digitální elektrické měřidlo: Řešení proti rušivým vlivům pro monitorování 3-fázového systému

I. Přehled​

Toto řešení využívá vysokovýkonné hlavní ovládací čip a architekturu s více moduly pro spolupráci, aby dosáhlo přesného získávání, zpracování, zobrazení a vzdálené přenosu parametrů třífázové elektrické sítě, splňující požadavky na reálnou dobu monitorování elektrických systémů. Zatímco se zajistí přesnost měření, tento digitální elektroměr efektivně řeší problémy s rušením prostřednictvím několika technologických inovací a optimalizuje náklady výroby.

​II. Celková struktura a funkce měřiče​

​Systémová architektura​

Používá architektonický model s „hlavním ovládacím čipem jako jádrem a spoluprací více modulů“ pro realizaci integrovaných funkcí získávání, zpracování, zobrazení a přenosu dat.

​Funkce hlavních modulů​

1. ​Modul hlavního ovládacího čipu​
• Klíčové zařízení: čip MSP430F5438A
• Integrované funkce: obvod AD převodníku, vysokofrekvenční kmitočtový obvod, nízkofrekvenční kmitočtový obvod
• Hlavní povinnosti: Řízení systémových modulů a zpracování signálů dat
• Speciální návrh: Nízkofrekvenční kmitočtový obvod má vestavěné kompenzační kondenzátory; hlavní frekvenční vstup je spojen pouze s 32768Hz nízkofrekvenčním kmitočtem.
2. ​Modul obvodu získávání signálů​
• Získávání napětí: třífázový rozvod sítě napětí s tlumením
• Získávání proudu: třífázové transformátory proudu
• Úprava signálu: operační zesilovač (zesílení a převod úrovně)
• Konfigurace kanálů: analogové kanály pro vzorkování napětí, analogové kanály pro vzorkování proudu
• Funkce: Dosahuje přesného získávání signálů třífázového napětí a proudu.
3. ​Pomocné funkční moduly​
• Reálný čas (RTC): Poskytuje přesnou časovou bázi, zajišťuje přesnost časové značky dat.
• Vnitřní paměť informací: Ukládá parametry provozu měřiče a získaná data, podporuje změnu obsahu.
• Modul řízení zobrazení: Zobrazuje parametry elektrické sítě, vybaven antirušivou ochranou.
• Rozhraní pro komunikaci: RS485 rozhraní, podporuje připojení k vzdáleným počítačům pro monitorování pro okamžitý nahrávání dat.
• Modul zdroje napájení: Vícestupňový výstup napájení
• 5V výstup: Pro modul obvodu získávání signálů.
• 3.3V výstup: Pro hlavní ovládací čip, RTC, paměť, modul řízení zobrazení.
• Izolovaný 5V výstup: Pro rozhraní pro komunikaci.

​III. Klíčové technické vylepšení a výhody​

1. ​Řešení rušení neutrální linky​
• ​Tradiční problémy​
• Neutrální linka musela projít 4 odpory s celkovým odporom 1.496MΩ.
• Vodič neutrální linky byl vystaven rušení, když byl v plovoucím stavu.
• Nepřirozené zobrazení třífázového napětí, když nebylo aplikováno napětí.
• Nestabilita dat, ovlivňující přesnost vzorkování a měření.
• ​Vylepšený návrh​
• Neutrální linka analogového kanálu pro vzorkování napětí je přímo spojena s systémovou zemí.
• ​Technické výhody​
• Úplně řeší problémy s rušením neutrální linky.
• Zrušení 4 odporniků neutrální linky, zjednodušení návrhu obvodu.
• Snížení obtížnosti výroby a nákladů.
2. ​Antirušivý návrh proti EFT rušení​
• ​Řešení návrhu​
• Mezi modulem řízení zobrazení a hlavním ovládacím čipem je umístěn modul proti EFT rušení.
• Modul se skládá ze 4 kondenzátorů (C1-C4), každý odpovídající jednomu komunikačnímu signálovému vedení.
• Specifikace kondenzátorů: C1, C3, C4 jsou 10000pF; C2 je 3300pF.
• Jedna strana kondenzátoru je spojena s signálovým vedením, druhá strana je zazemlena.
• ​Technické výhody​
• Poskytuje efektivní ochranu pro každé komunikační signálové vedení.
• Prochází imunitní test EFT 4kV.
• Má silnou schopnost proti EFT rušení.
3. ​Antistatická ochrana a optimalizace stability hodin​
• ​Konfigurace kmitočtového oscilátoru​
• Hlavní frekvenční vstup hlavního ovládacího čipu je spojen pouze s 32768Hz nízkofrekvenčním kmitočtem.
• Vnitřní nízkofrekvenční oscilátorový obvod čipu má vestavěné kompenzační kondenzátory.
• ​Tři výhody​
• Výkon ESD: Prochází testem ESD 15kV vzduchového výboje, funguje stabilně.
• Přesnost hodin: Generuje sekundové hodiny skrze dělení frekvence, zajišťuje stabilitu vzorkovacího taktu ADC.
• Zjednodušení obvodu: Eliminuje externí obvod AD převodníku a 2 kompenzační kondenzátory kmitočtového oscilátoru.

​IV. Celková technická efektivita​

• ​Realizace funkcí​
• Stabilně dokončuje získávání a zpracování signálů třífázového síťového napětí a proudu.
• Funkce okamžitého zobrazení dat.
• Okamžitý přenos dat do monitorovacích počítačů prostřednictvím rozhraní RS485.
• Splňuje potřeby reálného času pro monitorování v energetickém sektoru.
• ​Vylepšení výkonu​
• Efektivně řeší tři klíčové problémy: rušení neutrální linky, statické rušení a EFT rušení.
• Značně zlepšuje přesnost získávání a měření dat.
• Velmi zvyšuje stabilitu provozu zařízení.
• ​Optimalizace nákladů​
• Zrušení několika odporniků, kondenzátorů a externího obvodu AD převodníku.
• Zjednodušení výrobního procesu, snížení obtížnosti výroby.
• Snížení výrobních nákladů, poskytuje vysokou inženýrskou aplikativní hodnotu.

​V. Aplikační hodnota​

Toto řešení digitálního elektroměru, prostřednictvím inovativního návrhu obvodu a technologií proti rušení, dosahuje vysokého výkonu a spolehlivého monitorování parametrů energie. Současně optimalizuje strukturu nákladů produktu, poskytujíc konkurenceschopný technologický produkt pro oblast monitorování energetických systémů, vhodný pro různé průmyslové scénáře monitorování energie.