מד חשמל דיגיטלי ביצועים גבוה: פתרון אנטי-הפרעה למעקב מערכת של 3 פאזה

I.סקירה​

הפתרון הזה משתמש במעבד ניהול עיקרי ביצועים גבוה ובארכיטקטורת שיתוף פעולה רב מודולרית כדי להשיג איסוף, עיבוד, תצוגה ו송ור מרוחק מדוייקים של פרמטרי הרשת החשמלית בשלושת הפאזות, תוך שמירה על דרישות ההגשה בזמן אמת של מערכות חשמל. תוך הבטחת דיוק המדידה, מד המופע הדיגיטלי הזה פותר בצורה יעילה בעיות התפרעות באמצעות מספר חדשויות טכנולוגיות וממקסם על עלויות הייצור.

​II.מבנה כללי של המד ופונקציות​

​ארכיטקטורת מערכת​

מאמץ מודל ארכיטקטורה של "מעבד ניהול מרכזי כעין, שיתוף פעולה רב מודולרי" להריאל פונקציות משולבות של איסוף נתונים, עיבוד, תצוגה והעברה.

​פונקציות מודולים עיקריים​

1. ​מודול מעבד ניהול מרכזי​
• מכשיר מרכזי: שבב MSP430F5438A
• פונקציות משולבות: מעגל המרה AD, מעגל קריסטל בתדר גבוה, מעגל קריסטל בתדר נמוך
• משימות עיקריות: בקרה על מודולי המערכת ועיבוד אותות נתונים
• עיצוב מיוחד: למעגל הקריסטל בתדר נמוך קיבולת פיצוי פנימית; קלט התדר העיקרי מחובר אך ורק לקריסטל בתדר נמוך של 32768Hz.
2. ​מודול מעגל איסוף אותות​
• איסוף מתח: מעגל החלש מתח הרשת בשלושת הפאזות
• איסוף זרם: טרנספורמרים זרם בשלושת הפאזות
• הכנה אותות: מעגל מגבר (הגדלה ושינוי רמה)
• תצורת ערוצים: ערוצי דגימה אנלוגיים למתח, ערוצי דגימה אנלוגיים לזרם
• פונקציה: מבצע איסוף מדויק של אותות המתח והזרם בשלושת הפאזות.
3. ​מודולים לתפקידי עזר​
• שעון זמן אמת (RTC): מספק בסיס זמן מדויק, מבטיח דיוק בתאריכי הנתונים.
• זיכרון מידע פנימי: מאחסן פרמטרי פעולה של המד ונתונים שנאספו, תומך בשינוי תוכן.
• מודול בקרת תצוגה: מציג פרמטרי רשת חשמל, מצויד בהגנה מפני התפרעות.
• ממשק תקשורת: ממשק RS485, תומך בחיבור למחשבים מוניטורים מרוחקים להעלאת נתונים בזמן אמת.
• מודול אספקת חשמל: יציאות חשמל ברמות שונות
• יציאה של 5V: עבור מודול מעגל איסוף אותות.
• יציאה של 3.3V: עבור מעבד ניהול מרכזי, RTC, זיכרון, מודול בקרת תצוגה.
• יציאה מבודדת של 5V: עבור ממשק תקשורת.

​III.שיפורים טכנולוגיים עיקריים ויתרונות​

1. ​פתרון להתפרעות קו נייטרלי​
• ​בעיות מסורתיות​
• קו הנייטרלי היה צריך לעבור דרך 4 נגדים עם סכוםנגדים של 1.496MΩ.
• נשורת הקו הנייטרלי הייתה פגיעה בהתפרעות כאשר הוא צף.
• תצוגת מתח שלושת הפאזות חריגה ללא מתח.
• נתונים לא יציבים, משפיעים על דיוק הדגימה והמדידה.
• ​עיצוב משופר​
• קו הנייטרלי של ערוץ הדגימה האנלוגי למתח מחובר ישירות לאדמה של המערכת.
• ​יתרונות טכנולוגיים​
• פותח לחלוטין את בעיות ההתפרעות בקו הנייטרלי.
• מסיר 4 נגדים בקו הנייטרלי, מפשט את עיצוב המעגל.
• מפחית את רמת הקושי בייצור ואת עלויות הייצור.
2. ​עיצוב אנטי-התפרעות EFT​
• ​פתרון עיצוב​
• מודול אנטי-EFT ממוקם בין מודול בקרת תצוגה לבין מעבד ניהול מרכזי.
• המודול מורכב מ-4 קONDENSATORS (C1-C4), המתאימים אחד לשני עם קווי אותות תקשורת.
• פרטים טכניים של הקONDENSATORS: C1, C3, C4 הם 10000pF; C2 הוא 3300pF.
• קצה אחד של הקONDENSATOR מחובר לקו אותות, הקצה השני מחובר לאדמה.
• ​יתרונות טכנולוגיים​
• מספק הגנה יעיל לכל קוי אותות תקשורת.
• עובר בדיקה של עמידות מול 4kV EFT.
• יש לו יכולת חזקה להתנגדות EFT.
3. ​עיצוב אנטי-פליטת אלקטרוסטטיקה ואופטימיזציה של יציבות השעון​
• ​תצורת קריסטל אוסילטור​
• קלט התדר העיקרי של מעבד ניהול מרכזי מחובר אך ורק לקריסטל בתדר נמוך של 32768Hz.
• למעגל האוסילטור בתדר נמוך הפנימי של השבב יש קיבולת פיצוי פנימית.
• ​שלושה יתרונות​
• ביצועים ESD: עובר בדיקה של פליטת אלקטרוסטטיקה באוויר של 15kV, פועל באופן יציב.
• דיוק שעון: מייצר שעון שניות באמצעות חלוקת תדרים, מבטיח יציבות בשעון דגימת ADC.
• הפשטה של מעגל: מסיר מעגל המרה חיצוני AD ו-2 קיבולות פיצוי לקריסטל אוסילטור.

​IV.יעילות טכנולוגית כללית​

• ​מימוש פונקציונלי​
• מבצע בצורה יציבה איסוף ועיבוד של אותות המתח והזרם בשלושת הפאזות של הרשת.
• פונקציית תצוגה של נתונים בזמן אמת.
• העלאת נתונים בזמן אמת למחשבים מוניטורים דרך ממשק RS485.
• מתאים לצרכים של הגשה בזמן אמת בתחום החשמל.
• ​שיפורים בביצועים​
• פותח בצורה יעילה שלוש בעיות עיקריות: התפרעות בקו נייטרלי, התפרעות אלקטרוסטטית, והתפרעות EFT.
• משפר משמעותית את דיוק האיסוף והמדידה של הנתונים.
• מגביר משמעותית את יציבות פעולת הציוד.
• ​אופטימיזציה של עלויות​
• מסיר מספר גדול של נגדים, קONDENSATORS ומעגל המרה חיצוני AD.
• מפשט את תהליך הייצור, מפחית את רמת הקושי בייצור.
• מפחית את עלויות הייצור, בעל ערך הנדסי יישומי גבוה.

​V.ערך שימושי​

הפתרון של מד המופע הדיגיטלי הזה, באמצעות עיצוב מעגל חדשני וטכנולוגיות אנטי-התפרעות, מצליח הגשה מדויקת ואמינה של פרמטרי חשמל. בו זמנית, הוא ממקסם את מבנה עלויות המוצר, מספק מוצר טכנולוגי תחרותי עבור תחום הגשת נתונים של מערכות חשמל, מתאים למגוון סצנות של הגשת נתונים תעשייתית.