Hochleistungs-Digitalstromzähler: Störunterdrückungslösung für die Überwachung von 3-Phasen-Systemen

I. Übersicht​

Diese Lösung nutzt einen Hochleistungs-Hauptsteuerchip und eine mehrmodulare kooperative Architektur, um die präzise Erfassung, Verarbeitung, Anzeige und Fernübertragung von Drehstrom-Netzparametern zu erreichen und den Echtzeit-Überwachungsanforderungen von Stromsystemen gerecht zu werden. Während der Messgenauigkeit gewährleistet wird, löst dieser digitale Stromzähler durch mehrere technologische Innovationen effektiv Störungsprobleme und optimiert Produktionskosten.

​II. Gesamtaufbau und Funktion des Zählers​

​Systemarchitektur​

Verwendet ein Architekturmodell mit "Hauptsteuerchip als Kern, mehrmodularer Zusammenarbeit", um integrierte Funktionen für Datenabfrage, -verarbeitung, -anzeige und -übertragung zu realisieren.

​Kernmodulfunktionen​

1. ​Hauptsteuerchip-Modul​
• Kerngerät: MSP430F5438A-Chip
• Integrierte Funktionen: AD-Wandlungsschaltung, Hochfrequenz-Kristallschwingkreis, Niederfrequenz-Kristallschwingkreis
• Hauptaufgaben: Steuern von Systemmodulen und Verarbeiten von Daten signalen
• Sonderdesign: Der Niederfrequenz-Kristallschwingkreis verfügt über eingebaute Kompensationskondensatoren; die Hauptfrequenzeingabe ist ausschließlich an einen 32768Hz-Niederfrequenz-Kristall angeschlossen.
2. ​Signalabfrage-Schaltkreis-Modul​
• Spannungserfassung: Drehstrom-Netzspannungs-Abschwächungsteilerschaltung
• Stromerfassung: Drehstrom-Stromwandler
• Signalaufbereitung: Operationsverstärkerschaltung (Verstärkung und Pegelumwandlung)
• Kanal-Konfiguration: Spannungsanaloge Abtastkanäle, stromanaloge Abtastkanäle
• Funktion: Erreicht die präzise Erfassung von Drehstrom-Spannungs- und Stromsignalen.
3. ​Nebenfunktion-Module​
• Echtzeituhr (RTC): Bietet eine präzise Zeitbasis, um die Genauigkeit der Datumsangaben sicherzustellen.
• Interne Informationspeicher: Speichert Betriebsparameter des Zählers und erfasste Daten, unterstützt Inhaltsänderungen.
• Anzeigesteuerungsmodul: Zeigt Netzwerkparameter an, ausgestattet mit Störschutz.
• Kommunikationsschnittstelle: RS485-Schnittstelle, unterstützt die Verbindung mit entfernten Überwachungsrechnern für die Echtzeitdatenübertragung.
• Stromversorgungsmodul: Mehrstufige Stromausgabe
• 5V-Ausgabe: Für das Signalabfrage-Schaltkreismodul.
• 3.3V-Ausgabe: Für den Hauptsteuerchip, RTC, Speicher, Anzeigesteuerungsmodul.
• Isolierte 5V-Ausgabe: Für die Kommunikationsschnittstelle.

​III. Kerntechnische Verbesserungen und Vorteile​

1. ​Lösung für Neutralleiterstörungen​
• ​Traditionelle Probleme​
• Neutralleiter musste durch 4 Widerstände mit einer Gesamtresistance von 1.496MΩ geführt werden.
• Neutralleiterleiter war bei Schwebepotential anfällig für Störungen.
• Abnorme Anzeige der Drehstrom-Spannung, wenn keine Spannung angewendet wurde.
• Unstabile Daten, die die Abtast- und Messgenauigkeit beeinflussten.
• ​Verbessertes Design​
• Der Neutralleiter des Spannungsanalogen Abtastkanals ist direkt mit dem Systemboden verbunden.
• ​Technische Vorteile​
• Löst komplett Neutralleiterstörungsprobleme.
• Entfernt 4 Neutralleiterwiderstände, vereinfacht die Schaltungsentwicklung.
• Reduziert Produktionskomplexität und -kosten.
2. ​Anti-EFT-Störschutz-Design​
• ​Designlösung​
• Ein Anti-EFT-Modul ist zwischen dem Anzeigesteuerungsmodul und dem Hauptsteuerchip platziert.
• Das Modul besteht aus 4 Kondensatoren (C1-C4), die jeweils den Kommunikationssignalen zugeordnet sind.
• Kondensatorenspezifikationen: C1, C3, C4 sind 10000pF; C2 ist 3300pF.
• Eine Seite des Kondensators ist mit dem Signal verbunden, die andere Seite ist geerdet.
• ​Technische Vorteile​
• Bietet effektiven Schutz für jede Kommunikationsleitung.
• Besteht den 4kV EFT-Immunitätstest.
• Besitzt starke Anti-EFT-Fähigkeiten.
3. ​Anti-Elektrostatische Entladung und Uhrstabilitätsoptimierung​
• ​Kristallschwingkreiskonfiguration​
• Die Hauptfrequenzeingabe des Hauptsteuerchips ist ausschließlich an einen 32768Hz-Niederfrequenz-Kristall angeschlossen.
• Der interne Niederfrequenz-Oszillator des Chips verfügt über eingebaute Kompensationskondensatoren.
• ​Dreifache Vorteile​
• ESD-Leistung: Besteht den 15kV-Luftentladungs-ESD-Test, arbeitet stabil.
• Uhrgenauigkeit: Erzeugt eine Sekundenuhr durch Frequenzteilung, um die ADC-Abtastuhrgenauigkeit sicherzustellen.
• Schaltungvereinfachung: Entfernt den externen AD-Wandlungsschaltkreis und 2 Kristallschwingkreis-Kompensationskondensatoren.

​IV. Gesamte Technische Effektivität​

• ​Funktionsrealisierung​
• Stabilisiert die Erfassung und Verarbeitung von Drehstrom-Netzspannungs- und -stromsignalen.
• Echtzeit-Datenanzeigefunktion.
• Echtzeit-Datenübertragung an Überwachungsrechner über die RS485-Schnittstelle.
• Erfüllt die Echtzeit-Überwachungsbedürfnisse des Stromsektors.
• ​Leistungsverbesserungen​
• Löst effektiv drei Kernprobleme: Neutralleiterstörungen, elektrostatische Störungen und EFT-Störungen.
• Verbessert signifikant die Genauigkeit der Datenabfrage und -messung.
• Erhöht erheblich die Betriebstabilität der Ausrüstung.
• ​Kostenoptimierung​
• Entfernt mehrere Widerstände, Kondensatoren und den externen AD-Wandlungsschaltkreis.
• Vereinfacht den Produktionsprozess, reduziert die Produktionskomplexität.
• Senkt die Herstellungskosten, besitzt hohen ingenieurtechnischen Anwendungswert.

​V. Anwendungswert​

Diese digitale Stromzählerlösung erreicht durch innovative Schaltungsentwicklung und Störschutztechnologie eine hochperformante, hochzuverlässige Überwachung von Stromparametern. Gleichzeitig optimiert sie die Produktkostenstruktur und bietet ein wettbewerbsfähiges technisches Produkt für den Bereich der Stromsystemüberwachung, geeignet für verschiedene industrielle Stromüberwachungsszenarien.