15kV ESD Immuuni Digitaalinen Voimamittari Yksinkertaisella Piirillä & Korkealla Vakaumuksella

 1. Ratkaisun yleiskatsaus​

Tämä ratkaisu tavoittelee korkean suorituskykisen ja luotettavan digitaalisen sähkömittarin suunnittelua. Ratkaisun ydin on innovatiivinen pääkellon piirisuunnittelu pääkontrollimikroprosessorille, joka tehokkaasti ratkaisee perinteisten digitaalisten sähkömittarien sisäisiä heikkouksia sähköstään häiriöiden (ESD) vastustamisessa. Mittari voi vakautta läpäistä 15 kV:n kosketuksettomassa sähköstä häiriötestissä, ja sillä on myös etuja kuten yksinkertainen piirisuunnittelu ja korkea kellonvakaus. Se on soveltuva teolliseen sähköseurantaan, jossa vaaditaan tiukkaa luotettavuutta ja vakautta.

​2. Teollisuuden ongelmat ja tekninen tausta​

​2.1 Teollisuuden ongelma: Heikko sähköstä häiriöiden vastustuskyky​

Teollisuudessa sähköstä häiriöt (ESD) ovat yksi johtavista syytä elektroniikan laitteiden epäonnistumiseen. Perinteiset digitaaliset sähkömittarit ovat erittäin alttiina järjestelmän nollaus- tai toimintahäiriöille standardi 15 kV:n kosketuksettomassa sähköstä häiriötestissä, eivätkä täytä vaatimuksia korkean luotettavuuden sovelluksissa.

​2.2 Tekninen tausta: Olemassa olevien ratkaisujen analyysi​

Sähköstä häiriöiden vastustamisen haaste perinteisissä digitaalisissa sähkömittareissa pääasiassa johtuu niiden pääkellotaajuussuunnittelusta:

• ​Ratkaisu 1: Korkeataajuinen kristalli-oskillaattori suoraan yhdistetty:​​ Pääkontrollimikroprosessori on suoraan yhdistetty 25 MHz:n korkeataajuiseen kristalli-oskillaattoriin, johon tarvitaan kaksi ulkoista kompensointikondensaattoria. Vaikka rakenne on yksinkertainen, tämä suunnittelu kärsii siitä, että mikroprosessorin I/O-portit (suunniteltu matalan energiankulutuksen varten) yleensä ovat heikkoja sähköstä häiriöiden vastustamisessa. Korkeataajuinen signaali on altis häiriölle ESD-pulssien aikana, mikä saattaa aiheuttaa järjestelmän kaatumisen.
• ​Ratkaisu 2: Matalatajuinen kristalli-oskillaattori taajuuden moninkertaistuksella:​​ Käytetään matalataajuista kristalli-oskillaattoria, jota moninkertaistetaan korkeampaan taajuuteen sisäisellä vaihesidonnalla (PLL). Tämä lähestymistapa tarjoaa joitakin parannuksia suoraan häiriölle, mutta ei ratkaise perustavanlaatuisesti sähköstä kytkentäongelmaa, joten häiriökiinteyttä ei ole ideaalinen.

Molemmat perinteiset ratkaisut eivät pysty takaamaan mittarin vakautta vaikeissa sähkömagneettisissa ympäristöissä.

​3. Mittarin kokonaisrakenne ja toiminta​

Tämän ratkaisun mittari käyttää modulaarista suunnittelua, joka koostuu kuudesta ytimekkäästä moduulista, jotka toimivat yhdenmukaisella virtalähtemoduulilla. Rakenne on selkeä, ja toiminnot on hyvin määritelty. Jokaisen moduulin yhteydet ja toiminnot pääkontrollimikroprosessoriin ovat seuraavat:

​4. Ytimelliset tekniset edut​

​4.1 Huomattava sähköstä häiriöiden vastustuskyky​

Tämän ratkaisun kriittisin etu on pääkellon innovatiivinen suunnittelu. Hylätään häiriöaltis korkeatajuinen kristalli-oskillaattori suoraan yhdistetty suunnitelma, ja pääkontrollimikroprosessori käyttää 32768 Hz:n matalatajuista kristalli-oskillaattoria päätaajuuden syötteeksi. Koska matalatajuinen oskillaattorisignaali on vähäinen ulkoisessa säteilyssä ja vähemmän altis ulkoiselle korkeataajuisten äänten kytkennälle (kuten ESD-pulssit), häiriökiinteyttä on merkittävästi parannettu lähtökohtaisesti. Tämä suunnittelu onnistuneesti ratkaisee perinteisten mittarien ongelman, mahdollistaa vakauden 15 kV:n kosketuksettomassa sähköstä häiriötestissä ja varmistaa luotettavan toiminnan monimutkaisissa teollisuusympäristöissä.

​4.2 Yksinkertainen piirisuunnittelu​

Valittu pääkontrollimikroprosessori (MSP430F5438A) sisältää sisäisen matalatajuisen oskillaattoripiirin sisäisillä kompensointikondensaattoreilla. Tämä suunnittelu poistaa kaksi ulkoista kompensointikondensaattoria, jotka olisi tarvittu perinteisessä korkeatajuisessa kristalli-oskillaattori-suunnittelussa, yksinkertaistaa PCB-asettelua, vähentää komponenttimäärää ja materiaalikustannuksia, vähentää valmistuksen tinnoituksen monimutkaisuutta ja parantaa tuotteen yhtenäisyyttä ja luotettavuutta.

​4.3 Korkeampi kellonvakaus​

• ​Vakaa järjestelmän ohjelmistokello:​​ 32768 Hz:n kristalli-oskillaattori, jota jaetaan taajuudella, voi tuottaa tarkan 1 Hz:n sekunnin kellosignaalin, joka toimii järjestelmän ohjelmistokellon perustana. Sen vakaus ja tarkkuus ovat huomattavasti parempia kuin ohjelmistolla simuloidut tai korkeatajuinen jako.
• ​Vakaa mittauksen kello:​​ ADC-näyteottokello, jota käytetään energian mitatuksi mittarissa, myös perustuu tähän vakaaseen matalatajuiseen kellon, joka varmistaa jännite-, sähkö-, teho- ja muiden sähköparametrien näyteotteen ja laskennan tarkkuuden. Tämä tarjoaa data-perustan korkealaatuiselle energiavalvonnalle.

​5. Järjestelmän toimintaperiaate​

Mittarin toimintatyökulku on seuraava:

1. ​Päällä:​​ Virtalähtemoduuli vastaanottaa vaihtovirtasignaalin AC-DC-apuvirtalähteellä, joka muuntaa ja eristää sen 5 V, 3.3 V ja eristyksen 5 V:n. Nämä tarjoavat signaalien keräyspiirin, pääkontrollijärjestelmän (mukaan lukien reaaliaikakello, muisti, näyttöohjaimo) ja kommunikaatio-liitännän, jolloin kaikki moduulit ovat valmiina.
2. ​Signaalien keräys:​​ Signaalien keräyspiirimoduuli jatkuvaan kerää jännite- ja sähkösignaalit kolmivaiheisesta sähköverkosta. Käsittelyn (esimerkiksi jakaminen, sähkömuunnos, vahvistus op-ampilla, tasomuunnos) jälkeen se lähettää analogisia signaaleja, jotka edustavat verkko-parametreja pääkontrollimikroprosessorille.
3. ​Signaalien käsittely:​​ Pääkontrollimikroprosessori ensin muuntaa vastaanotetut analogiset signaalit digitaaliseksi signaaleiksi sen sisäisellä AD-muuntimella. Sitten, yhdistettynä reaaliaikakellon aikaleimalla, se suorittaa laskennan ja analyysin digitaalisista signaaleista, jotta saadaan tarvittavat sähköparametrit (esimerkiksi RMS-jännite/sähkö, aktiivinen/reactiivinen teho, tehokastepete, taajuus).
4. ​Datan tuloste ja vuorovaikutus:​​
• ​Tallennus:​​ Käsitellyt tiedot tallennetaan sisäiseen tiedonmuistiin historiallisten tietojen kyselyä ja kuormituksen analysointia varten.
• ​Näyttö:​​ Tiedot lähettävät samanaikaisesti näyttöohjaimomoduuliin reaaliaikaiseen päivitykseen LCD-näyttöön.
• ​Kommunikaatio:​​ Tiedot ladataan reaaliajassa etävalvonta-keskukseen RS485-kommunikaatio-liitännän kautta etävalvonnalle.
• ​Ohjaus:​​ Käyttäjät voivat käyttää mittaria paikallisesti näyttömoduulin painikkeilla tietojen kyselyyn tai parametrien asettamiseen.