Автономный телеметрический измеритель силы переменного тока
Использование: в системах мониторинга энергопотребления распределенных потребителей электроэнергии, позволяющих осуществить решения по оптимизации потребления электроэнергии. Задача: создание автономного телеметрического измерителя силы переменного тока, не имеющего внутреннего источника питания в виде батареи или аккумулятора и осуществляющего работу за счет использования энергии магнитного поля, создаваемого протекающим по кабелю электрическим током; отсутствие соединения с электрической сетью делает подключение такого измерителя более быстрым и безопасным, а в варианте с разъемным токовым трансформатором также отсутствует необходимость отключения потребителей на время монтажа; отсутствие сетевого блока питания и клемм подключения позволяет значительно улучшить габаритно-массовые характеристики и снизить стоимость устройства. Сущность полезной модели: автономный телеметрический измеритель силы переменного тока содержит токовый трансформатор, соединенный первым выводом с общей точкой соединения двух накопительных, двух фильтрующих конденсаторов и двух светодиодов, а вторым - с точкой контакта двух соединенных последовательно выпрямительных диодов, образующих совместно с конденсаторами и светодиодами двуполярный источник питания; измерительный шунт соединен первым выводом с первым выводом токового трансформатора, а вторым - с первым выводом электронного ключа, второй вывод которого соединен со вторым выводом токового трансформатора; анод первого светодиода соединен с делителем напряжения на двух резисторах, выход которого соединен с положительным входом компаратора, который также через резистор соединен с его выходом, выход образцового напряжения компаратора поступает на его отрицательный вход; выход компаратора соединен с затвором первого полевого транзистора, через резистор соединен с общим проводом, а также с времязадающей цепочкой из диода, двух резисторов и конденсатора, напряжение с которой поступает на повторитель напряжения на двух инвертирующих триггерах Шмитта, а далее - на вход сброса микроконтроллера; исток первого полевого транзистора соединен с общим проводом, а сток - с затвором второго полевого транзистора, который соединен через резистор с напряжением питания схемы, к которому подключен также и его исток, параллельно истоку и стоку подключен диод в обратном направлении, сток этого транзистора соединен с питающими выводами микроконтроллера и трансивера; второй вывод измерительного шунта через резистор соединен с базой биполярного транзистора, коллектор которого соединен с напряжением питания схемы, а эмиттер - с делителем напряжения на двух резисторах, выход которого соединен с первым портом микроконтроллера, а свободное плечо соединено с его вторым портом; управляющий вход электронного ключа соединен через резистор с общим проводом, а также с третьим портом микроконтроллера, выводы питания микросхем подключены к общему проводу и к напряжению питания схемы. 1 н.п. ф-лы, 2 ил.
Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована в качестве конечного измерительного модуля в системах мониторинга энергопотребления распределенных потребителей электроэнергии, позволяющих осуществить решения по оптимизации потребления электроэнергии.
Известны системы мониторинга потребления электроэнергии, которые осуществляют измерение параметров энергопотребления распределенных потребителей и сбор данных на диспетчерском пункте. В качестве примера можно рассмотреть АСКУЭ - автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии, имеющиеся на рынке (http://www.energomera.ru/products/askue, http://www.nzif.ru/modules/myReviews/detailfile.php?lid=124, http://www.incotexcom.ru/askue_tsr.htm). В качестве конечного измерительного модуля в АСКУЭ используются функционально насыщенные счетчики-регистраторы электроэнергии, представляющие собой более продвинутые варианты обычных статических счетчиков активной энергии. Эти устройства в обязательном порядке имеют в своем составе индикатор и резервный источник питания. Они предназначены для стационарной установки, требующей включения счетчика в разрыв питающего кабеля. Их цена, габаритные размеры и особенности подключения не позволяют пользователю организовать распределенный, множественный контроль электроснабжения.
Наиболее близким прототипом описываемого измерителя является конечный измерительный модуль системы Wi-LEM швейцарской компании LEM (http://www.lem.com/hq/en/content/view/276/215/). Измерительные модули, входящие в состав этой системы, измеряют несколько параметров энергопотребления, при этом они подключаются к электрической сети, используя это подключение как для измерения напряжения, так и для питания.
Задачей полезной модели является создание автономного телеметрического измерителя силы переменного тока, не имеющего внутреннего источника питания в виде батареи или аккумулятора и осуществляющего работу за счет использования энергии магнитного поля, создаваемого протекающим по кабелю электрическим током.
Это достигается тем, что автономный телеметрический измеритель силы переменного тока содержит токовый трансформатор, соединенный первым выводом с общей точкой соединения двух накопительных, двух фильтрующих конденсаторов и двух светодиодов, а вторым - с точкой контакта двух соединенных последовательно выпрямительных диодов, образующих совместно с конденсаторами и светодиодами двуполярный источник питания; измерительный шунт соединен первым выводом с первым выводом токового трансформатора, а вторым - с первым выводом электронного ключа, второй вывод которого соединен со вторым выводом токового трансформатора; анод первого светодиода соединен с делителем напряжения на двух резисторах, выход которого соединен с положительным входом компаратора, который также через резистор соединен с его выходом, выход образцового напряжения компаратора поступает на его отрицательный вход; выход компаратора соединен с затвором первого полевого транзистора, через резистор соединен с общим проводом, а также с времязадающей цепочкой из диода, двух резисторов и конденсатора, напряжение с которой поступает на повторитель напряжения на двух инвертирующих триггерах Шмитта, а далее - на вход сброса микроконтроллера; исток первого полевого транзистора соединен с общим проводом, а сток - с затвором второго полевого транзистора, который соединен через резистор с напряжением питания схемы, к которому подключен также и его исток, параллельно истоку и стоку подключен диод в обратном направлении, сток этого транзистора соединен с питающими выводами микроконтроллера и трансивера; второй вывод измерительного шунта через резистор соединен с базой биполярного транзистора, коллектор которого соединен с напряжением питания схемы, а эмиттер - с делителем напряженияна двух резисторах, выход которого соединен с первым портом микроконтроллера, а свободное плечо соединено с его вторым портом; управляющий вход электронного ключа соединен через резистор с общим проводом, а также с третьим портом микроконтроллера, выводы питания микросхем подключены к общему проводу и к напряжению питания схемы.
Отсутствие соединения с электрической сетью делает подключение такого измерителя более быстрым и безопасным, а в варианте с разъемным токовым трансформатором также отсутствует необходимость отключения потребителей на время монтажа, что существенно облегчает развертывание системы энергомониторинга. Отсутствие сетевого блока питания и клемм подключения позволяет значительно улучшить габаритно-массовые характеристики и снизить стоимость устройства.
Описываемый автономный телеметрический измеритель силы переменного тока предназначен для использования в системах мониторинга энергопотребления распределенных потребителей электроэнергии, позволяющих осуществить решения по оптимизации потребления электроэнергии. Такая система состоит из множества измерителей, распределенных по группам потребителей электроэнергии. Измерители удобно и быстро могут быть установлены в электрических распределительных щитах здания, а также вблизи отдельных контролируемых потребителей. Для измерения тока используется разъемный (или неразъемный) токовый трансформатор, что позволяет осуществить монтаж датчиков без отключения силовых кабелей. Датчики контролируют каждый кабель, что позволяет отследить распределение энергии по группам потребителей. Особенностью описываемого измерителя является то, что он осуществляет работу за счет использования энергии магнитного поля, создаваемого протекающим по кабелю электрическим током. Измеритель не имеет внутреннего источника питания в виде батареи или аккумулятора и начинает работу (периодические измерения и передача измеренных значений по радиоканалу) при превышении действующего значения силы переменного тока в измеряемом кабеле величины 0,2 А. В варианте исполнения с разъемным токовым трансформатором измеритель не требует отключения потребителей при монтаже, что существенно облегчает развертывание системы. Измеренные значения тока передаются по радиоканалу на концентратор для формирования базы данных и их обработки на верхнем уровне. В результате этой обработки можно получить отчет для создания общей схемы оптимизации энергопотребления.
На фигуре 1 приведена структурная схема измерителя, на фигуре 2 - электрическая принципиальная схема измерителя (микроконтроллер и трансивер на схеме не показаны), где 1 - токовый трансформатор, 2 - блок питания, 3 - электронный ключ, 4 - микроконтроллер, 5 - трансивер.
Токовый трансформатор 1 в измерителе выполняет две функции - измерительную и энергетическую. Поскольку одновременно эти задачи выполняться не могут, они разнесены во времени. Большую часть времени обмотка токового трансформатора 1 нагружена на двухполупериодный выпрямитель, который совместно с конденсаторами и стабилитронами образует блок питания 2.
На время измерения электронный ключ 3 нагружает обмотку токового трансформатора 1 на измерительный шунт, на котором формируется пропорциональное току нагрузки напряжение. Микроконтроллер 4 при помощи встроенного АЦП осуществляет оцифровку этого напряжения и обработку полученного массива данных с вычислением среднеквадратичного значения силы измеренного переменного тока.
Микроконтроллер 4 осуществляет общую координацию работы всех узлов устройства. Связь с трансивером 5 осуществляется посредством интерфейса SPI. По зашитому в ПЗУ микроконтроллера 4 алгоритму осуществляется регулярное измерение напряжения на шунте. Период измерения определяется уровнем тока и растет с его уменьшением. Путем обработки полученного массива находится среднеквадратичное значение измеренного тока. Раз в минуту рассчитываются минимальное, максимальное и среднее значения тока. Эти величины упаковываются в информационный пакет, который затем передается по SPI в трансивер 5, а тот, в свою очередь, осуществляет его передачу по эфиру в приемное устройство.
Измеритель содержит токовый трансформатор Т1, соединенный первым выводом с общей точкой соединения двух накопительных C1, C2, двух фильтрующих С3, С4 конденсаторов и двух свето диодов VD2, VD3, а вторым - с точкой контакта двух соединенных последовательно выпрямительных диодов VD1.1, VD1.2, образующих совместно с конденсаторами C1, C2, С3, С4 и светодиодами VD1, VD2 в качестве стабилитронов двуполярный источник питания. Измерительный шунт - резистор R3 соединен первым выводом с нулем двуполярного источника (первый вывод токового трансформатора), а вторым - с выводом 2 электронного ключа микросхемы D1, вывод 1 которого соединяется со вторым выводом токового трансформатора. Напряжение питания схемы (анод светодиода VD2) поступает на делитель напряжения R1, R2, напряжение с которого поступает на положительный вход компаратора - вывод 3, на который поступает также через резистор R4 напряжение с его выхода - вывода 1, выход образцового напряжения компаратора с вывода 5 поступает на его отрицательный вход - вывод 4. Выход компаратора - вывод 1 соединен с затвором полевого транзистора VT2, и через резистор R5 соединен с общим проводом, а также с времязадающей цепочкой VD5, R11, R12, С5, напряжение с которой поступает на повторитель напряжения на двух инвертирующих триггерах Шмитта D3.1, D3.2, а далее на вход сброса микроконтроллера. Исток транзистора VT2 соединен с общим проводом, а сток - с затвором полевого транзистора VT3, который соединен через резистор R8 с напряжением питания схемы, к которому подключен также и его исток, параллельно истоку и стоку VT3 подключен диод VD4 в обратном направлении, со стока этого транзистора поступает напряжение питания на микроконтроллер и трансивер. Напряжение с измерительного шунта R3 через резистор R7 поступает на базу биполярного транзистора VT1, коллектор которого соединен с напряжением питания схемы, а эмиттер - с делителем напряжения R9, R10, напряжение с которого поступает на порт Р1.0 микроконтроллера, а правый вывод R10 соединяется с портом Р1.1. Управляющий вход электронного ключа - вывод 4 микросхемы D1 соединен через резистор R6 с общим проводом, а также с портом Р1.2 микроконтроллера. Выводы питания микросхем подключены к общему проводу и к напряжению питания схемы.
Рассмотрим работу заявляемого измерителя. Большую часть времени обмотка токового трансформатора нагружена на двухполупериодный выпрямитель, на котором реализован блок питания. Диод VD1.1 совместно с конденсаторами C1, C3 и светодиодом VD2 в качестве стабилитрона образуют положительное плечо блока питания. Диод VD1.2 совместно с конденсаторами С2, С4 и светодиодом VD3 в качестве стабилитрона образуют отрицательное плечо блока питания. Чтобы предотвратить разряд конденсаторов блока питания начальным током потребления микроконтроллера и трансивера, подачей напряжения питания на них управляет компаратор D2. Питание на микроконтроллер и трансивер подается со стока транзистора VT3 - точка Vcc схемы. Уровни включения и выключения цепей питания микроконтроллера и трансивера составляют 2,5 и 2,1 В соответственно. Эти уровни задаются соотношением сопротивлений резисторов R1, R2, R4. Транзистор VT2 выполняет роль инвертора для согласования фазы напряжения на выходе компаратора D2 и затворе транзистора VT3. Микросхемы DD1, DD2 и DD3 запитаны непосредственно от блока питания. Они отличаются низким энергопотреблением и оказывают очень слабое шунтирующее влияние на конденсаторы блока питания, позволяя измерителю начать измерения уже при достижении силы переменного тока в измеряемом кабеле значения 0,2 А. Резистор R5 предотвращает преждевременное открытие транзистора VT2 напряжением с выхода делителя R1, R2 через резистор R4 при малых уровнях напряжения питания, недостаточных еще для нормального функционирования компаратора D2.
При измерении микроконтроллер формирует низкий уровень на выходе порта Р1.1, что приводит к замыканию пути тока от напряжения питаниясхемы через коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT1 через резисторы R9 и R10 на общий провод. Большую часть времени на выходе порта Р1.1 присутствует высокий уровень, что предотвращает прохождение тока через указанный путь для повышения экономичности устройства.
Затем микроконтроллер формирует высокий уровень на выходе порта Р1.2, что приводит к открытию электронного ключа D1. При этом электронный ключ нагружает обмотку токового трансформатора на измерительный шунт - резистор R3, на котором формируется пропорциональное току нагрузки напряжение. Оно является переменным относительно точки соединения катода VD2 и анода VD3 - виртуального нуля блока питания. Номинал резистора R3 рассчитан так, чтобы амплитудное значение напряжения на нем не превышало 0,5 В при максимальном измеряемом токе. Во время включения электронного ключа, диоды VD1.1 и VD1.2 оказываются закрытыми и не оказывают влияния на измерения. С помощью транзистора VT1, включенного по схеме эмиттерного повторителя, происходит смещение этого напряжения вниз примерно на 0,6 В. На вход АЦП микроконтроллера (порт Р1.0) поступает напряжение с резистора R10, образующим совместно с R9 делитель напряжения. Сопротивления резисторов R9 и R10 рассчитаны таким образом, чтобы амплитуда напряжения на нижнем плече делителя напряжения, резисторе R10, при измерении тока не выходила за пределы напряжений от О до 1,25 В, диапазона измерения напряжения АЦП. Микроконтроллер при помощи встроенного АЦП осуществляет оцифровку напряжения на R10 в течение одного периода сетевого напряжения и обработку полученного массива данных с вычислением среднеквадратичного значения силы измеренного переменного тока. Так как АЦП микроконтроллера измеряет напряжение относительно общего провода, а не виртуального нуля схемы, к которому подключен первый вывод шунта R3, это напряжение оказывается приподнятым над уровнем общего провода на величину, пропорциональную напряжению на конденсаторе С2. Эта величина линейно уменьшается во время оцифровки из-за разряда емкости конденсатора С2 током потребления устройства. Это изменение учитывается при окончательном расчете силы измеренного тока.
Резистор R6 предназначен для гарантированного формирования низкого логического уровня на управляющем входе электронного ключа D1 во время отсутствия питания микроконтроллера.
Узел на элементах триггера Шмитта DD3 выполняет функцию запуска микроконтроллера при подаче на него напряжения питания. В течение примерно 1 мс, определяемой времязадающей цепочкой R12, С5, после подачи напряжения питания на микроконтроллер на его входе Reset будет присутствовать уровень логического нуля, изменение которого на высокий вызовет запуск выполнения рабочей программы.
Через диод VD4 происходит питание схемы измерителя при программировании микроконтроллера от программатора для предотвращения подачи с выхода DD3.2 уровня логического нуля на его вход Reset.
Испытание лабораторного образца заявляемого устройства подтвердило его работоспособность и решение поставленной задачи.
Автономный телеметрический измеритель силы переменного тока, содержащий токовый трансформатор, соединенный первым выводом с общей точкой соединения двух накопительных, двух фильтрующих конденсаторов и двух светодиодов, а вторым - с точкой контакта двух соединенных последовательно выпрямительных диодов, образующих совместно с конденсаторами и светодиодами двуполярный источник питания; измерительный шунт соединен первым выводом с первым выводом токового трансформатора, а вторым - с первым выводом электронного ключа, второй вывод которого соединен со вторым выводом токового трансформатора; анод первого светодиода соединен с делителем напряжения на двух резисторах, выход которого соединен с положительным входом компаратора, который также через резистор соединен с его выходом, выход образцового напряжения компаратора поступает на его отрицательный вход; выход компаратора соединен с затвором первого полевого транзистора, через резистор соединен с общим проводом, а также с времязадающей цепочкой из диода, двух резисторов и конденсатора, напряжение с которой поступает на повторитель напряжения на двух инвертирующих триггерах Шмитта, а далее - на вход сброса микроконтроллера; исток первого полевого транзистора соединен с общим проводом, а сток - с затвором второго полевого транзистора, который соединен через резистор с напряжением питания схемы, к которому подключен также и его исток, параллельно истоку и стоку подключен диод в обратном направлении, сток этого транзистора соединен с питающими выводами микроконтроллера и трансивера; второй вывод измерительного шунта через резистор соединен с базой биполярного транзистора, коллектор которого соединен с напряжением питания схемы, а эмиттер - с делителем напряжения на двух резисторах, выход которого соединен с первым портом микроконтроллера, а свободное плечо соединено с его вторым портом; управляющий вход электронного ключа соединен через резистор с общим проводом, а также с третьим портом микроконтроллера, выводы питания микросхем подключены к общему проводу и к напряжению питания схемы.
