Übersicht und Design moderner Stromzähler

Published on August 29, 2018

Übersicht und Design moderner Stromzähler



    In letzter Zeit haben elektronische Zähler elektronische Induktionszähler ersetzt. Bei diesen Zählern wird der Zählmechanismus nicht mit Hilfe von Spannungs- und Stromspulen gedreht, sondern mit Hilfe einer speziellen Elektronik. Zusätzlich können die Mittel zum Zählen und Anzeigen von Messwerten ein Mikrocontroller bzw. eine Digitalanzeige sein. All dies hat die Gesamtabmessungen der Vorrichtungen verringert sowie deren Kosten verringert.

    Die Struktur fast jedes elektronischen Zählers enthält eine oder mehrere spezialisierte Rechenmikroschaltungen, die die Grundfunktionen der Umwandlung und Messung ausführen. Der Eingang eines solchen Chips erhält analog Informationen über Spannung und Stromstärke von den entsprechenden Sensoren. Im Inneren des Chips werden diese Informationen auf bestimmte Weise digitalisiert und konvertiert. Dadurch werden am Ausgang der Mikroschaltung Impulssignale gebildet, deren Frequenz proportional zur aktuellen Leistungsaufnahme der an den Zähler angeschlossenen Last ist. Die Impulse gehen an den Zählmechanismus, bei dem es sich um einen Elektromagneten handelt, der mit Zahnrädern mit Zahlen übereinstimmt. Bei teureren Zählern mit Digitalanzeige wird ein zusätzlicher Mikrocontroller eingesetzt.

    Betrachten Sie mehrere ähnliche Mikroschaltungen und Zählermodelle, auf die ich gestoßen bin.

    Die folgende Abbildung zeigt eines der günstigsten und beliebtesten Einphasenmessgeräte „NEVA 103“ in Explosionsdarstellung. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist das Gerät recht einfach. Die Hauptplatine besteht aus einem speziellen Chip, seinem Bodykit und einer Leistungsstabilisierungsbaugruppe, die auf einem Ballastkondensator basiert. Auf der Zusatzplatine befindet sich eine LED, die den Verbrauch anzeigt. In diesem Fall - 3200 Impulse pro 1 kW * h. Es ist auch möglich, Impulse von der grünen Klemmenleiste oben am Messgerät zu entfernen. Der Zählmechanismus besteht aus sieben Rädern mit Zahlen, Getriebe und Elektromagnet. Es zeigt den berechneten Strom mit einer Genauigkeit von Zehntel kWh an. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, hat das Getriebe eine Übersetzung von 200: 1. Nach meinen Ausführungen bedeutet dies „200 Impulse pro 1 kWh“. Das heißt, 200 Impulse, Das auf dem Elektromagneten abgelegte Symbol trägt zum Scrollen des letzten roten Rads um eine volle Umdrehung bei. Dieses Verhältnis ist ein Vielfaches des nicht zufälligen Verhältnisses für die LED-Anzeige. Ein Getriebe mit einem Elektromagneten befindet sich in einem Metallkasten unter zwei Sieben, um es vor Störungen durch ein äußeres Magnetfeld zu schützen.



    In diesem Zählermodell wird der ADE7754-Chip verwendet. Betrachten Sie seine Struktur.



    Die Pins 5 und 6 empfangen das analoge Signal vom Stromshunt, der sich am ersten und zweiten Anschluss des Messgeräts befindet (an dieser Stelle ist das Foto beschädigt). Die Pins 8 und 7 empfangen ein der Netzspannung proportionales Analogsignal. Über die Pins 16 und 15 kann die Verstärkung des internen Operationsverstärkers eingestellt werden, der für den Strom verantwortlich ist. Mit Hilfe von ADC-Knoten werden beide Signale in eine digitale Form umgewandelt und gelangen nach einer gewissen Korrektur und Filterung zum Multiplikator. Der Multiplikator multipliziert diese beiden Signale, wodurch nach den Gesetzen der Physik an seinem Ausgang eine Information über den aktuellen Stromverbrauch erhalten wird. Dieses Signal wird an einen speziellen Wandler gesendet, der fertige Impulse an das Zählgerät (Pin 23 und 24) sowie an die Kontroll-LED und den Zählausgang (Pin 22) abgibt. Durchgangsstifte 12,

    Der Standardschaltplan ist praktisch die Schaltung des betrachteten Zählers.



    Das gemeinsame Minuskabel ist mit 220 V Null verbunden. Die Phase tritt durch einen Teiler an den Widerständen in den Stift 8 ein, der dazu dient, den Pegel der gemessenen Spannung zu verringern. Das Signal vom Shunt wird über Widerstände den entsprechenden Eingängen des Chips zugeführt. In dieser Testschaltung sind die Konfigurationsstifte 12-14 mit einer logischen Einheit verbunden. Abhängig vom Zählermodell können sie eine andere Konfiguration haben. In dieser Übersicht sind diese Informationen nicht so wichtig. Die LED-Anzeige ist mit dem entsprechenden Stift in Reihe mit der optischen Trennung verbunden, an deren anderer Seite ein Klemmenblock angeschlossen ist, um die Zählinformationen (K7 und K8) zu entfernen.

    Aus derselben Familie von Mikroschaltungen gibt es ähnliche Analoga für Dreiphasenmessungen. Höchstwahrscheinlich werden sie in billige Drehstromzähler eingebaut. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft den Aufbau einer dieser Mikroschaltungen, nämlich des ADE7752.



    Anstelle von zwei ADC-Knoten gibt es sechs von ihnen: zwei für jede Phase. Negative Eingänge OU-Spannung zusammengeführt und an Pin 13 (Null) angezeigt. Jede der drei Phasen ist mit ihrem eigenen positiven Eingang des Operationsverstärkers verbunden (Pins 14, 15, 16). Die Signale von Stromnebenschlüssen für jede Phase werden analog zum vorherigen Beispiel verbunden. Für jede der drei Phasen wird mit drei Multiplizierern ein die aktuelle Leistung charakterisierendes Signal extrahiert. Diese Signale durchlaufen neben Filtern zusätzliche Knoten, die über Pin 17 aktiviert werden und den Betrieb des mathematischen Moduls ermöglichen. Dann werden diese drei Signale summiert, wodurch der Gesamtstromverbrauch über alle Phasen erhalten wird. Abhängig von der binären Konfiguration von Pin 17 summiert der Addierer entweder die absoluten Werte der drei Signale oder ihrer Module. Dies ist für solche oder andere Feinheiten der Elektrizitätsmessung erforderlich, auf deren Einzelheiten hier nicht eingegangen wird. Dieses Signal wird ähnlich wie im vorherigen Beispiel mit einem Einphasenzähler einem Umsetzer zugeführt. Die Schnittstelle ist auch fast identisch.

    Es ist erwähnenswert, dass die obigen Chips zum Messen der aktiven Energie verwendet werden. Teurere Zähler können sowohl Wirk- als auch Blindleistung messen. Betrachten Sie zum Beispiel den ADE7754-Chip. Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist, ist seine Struktur viel komplexer als die Struktur von Mikroschaltungen aus den vorhergehenden Beispielen.



    Der Mikrokreis misst die aktive und die reaktive dreiphasige elektrische Leistung, verfügt über eine SPI-Schnittstelle zum Anschluss eines Mikrocontrollers und einen CF-Ausgang (Pin 1) zur externen Aufzeichnung der aktiven elektrischen Leistung. Alle anderen Informationen vom Chip werden vom Mikrocontroller über die Schnittstelle gelesen. Hierdurch erfolgt die Konfiguration des Chips, insbesondere die Installation zahlreicher Konstanten, die sich im Strukturdiagramm widerspiegeln. Infolgedessen ist diese Mikroschaltung im Gegensatz zu den beiden vorhergehenden Beispielen nicht autonom, und ein Mikrocontroller ist erforderlich, um einen Zähler auf der Basis dieser Mikroschaltung aufzubauen. Es ist möglich, die Knotenpunkte, die für die Messung der Wirk- und Blindleistung verantwortlich sind, im Strukturdiagramm visuell zu beobachten. Hier ist alles viel komplizierter als in den beiden vorhergehenden Beispielen.

    Betrachten Sie als Beispiel ein weiteres interessantes Gerät: ein Dreiphasenzähler des „Energomera TsE6803V R32“. Wie auf dem Foto unten zu sehen ist, wurde dieser Zähler noch nicht ausgenutzt. Er hat mich in unversiegelter Form mit kleinen mechanischen Schäden draußen. Mit all dem war er voll einsatzbereit.



    Wie Sie auf der Hauptplatine sehen können, besteht das Gerät aus drei identischen Knoten (rechts), den Stromversorgungskreisen und dem Mikrocontroller. Auf der Unterseite der Hauptplatine befinden sich drei identische Module auf separaten Platinen, eines für jeden Knoten. Diese Module sind AD71056-Chips mit dem minimal erforderlichen Gewicht. Diese Mikroschaltung ist ein einphasiger Stromzähler.



    Module werden senkrecht auf die Hauptplatine gelötet. Verdrillte Drähte verbinden Stromnebenschlüsse mit diesen Modulen.

    Ein paar Stunden lang gelang es mir, den Stromkreis des Geräts zu ziehen. Betrachten Sie es genauer.



    Die rechte Seite des Diagramms zeigt ein Einphasen-Moduldiagramm, das oben erläutert wurde. Der D1-Chip dieses AD71056-Moduls ähnelt dem zuvor in Betracht gezogenen ADE7755-Chip. Der vierte Kontakt des Moduls erhält 5V Spannung, das dritte Spannungssignal. Ab dem zweiten Kontakt werden Informationen in Form von Impulsen über den Stromverbrauch über den CF-Ausgang des D1-Chips abgenommen. Das Signal von den Stromnebenschlüssen tritt über die Kontakte X1 und X2 ein. Die Konfigurationseingänge des SCF-Chips S1 und S0 befinden sich in diesem Fall auf den Pins 8-10 und sind in "0,1,1" konfiguriert.

    Jedes der drei derartigen Module dient jeweils jeder Phase. Das Signal zur Spannungsmessung wird über eine Kette von vier Widerständen dem Modul zugeführt und von der Nullklemme („N“) abgenommen. Es ist zu beachten, dass die gemeinsame Leitung für jedes Modul die entsprechende Phase ist. Der gemeinsame Draht der gesamten Schaltung ist jedoch mit dem Nullanschluss verbunden. Diese knifflige Lösung, um jeden Knoten des Schemas mit Strom zu versorgen, wird nachfolgend beschrieben.

    Jede der drei Phasen geht zu den Zenerdioden VD4, VD5 bzw. VD6, dann zu den RC-Vorschaltgeräten R1C1, R2C2 und R3C3, dann zu den Zenerdioden VD1, VD2 und VD3, die mit ihren Nullanoden verbunden sind. Von den ersten drei Zenerdioden wird die Versorgungsspannung für jedes Modul U3, U2 und U1 jeweils durch die Dioden VD10, VD11 und VD12 gleichgerichtet. Mit den Chipreglern D1-D3 wird eine Versorgungsspannung von 5V erreicht. Von den Zenerdioden VD1-VD3 wird die Versorgungsspannung des allgemeinen Stromkreises entfernt, durch die an einer Stelle montierten Dioden VD7-VD9 gleichgerichtet und dem Regler D4 zugeführt, von wo aus 5 V entfernt werden.

    Das allgemeine Schema ist der Mikrocontroller (MK) D5 PIC16F720. Offensichtlich dient es dazu, Informationen über den aktuellen Stromverbrauch, der von jedem Modul in Form von Impulsen empfangen wird, zu sammeln und zu verarbeiten. Diese Signale kommen von den Modulen U3, U2 und U1 über die optischen Isolatoren V1, V2 bzw. V3 zu den MK-Pins RA2, RA4 und RA5. Dadurch erzeugt der MK an den Pins RC1 und RC2 Impulse für die mechanische Zähleinrichtung M1. Es ähnelt dem zuvor diskutierten Gerät und hat auch ein Verhältnis von 200: 1. Der Spulenwiderstand ist hoch und beträgt ca. 500 Ohm, so dass Sie ihn ohne zusätzliche Transistorschaltungen direkt an den MC anschließen können. An Pin RC0 erzeugt der MK Impulse für die LED-Anzeige HL2 und für einen externen Impulsausgang am Stecker XT1. Letzteres wird durch die optische Isolation V4 und den Transistor VT1 realisiert. Bei diesem Zählermodell beträgt das Verhältnis 400 Impulse pro 1 kWh. In der Praxis wurde beim Testen dieses Messgeräts (nach geringfügigen Reparaturen) festgestellt, dass die elektromagnetische Spule des Zählmechanismus synchron mit dem Blitz der HL2-LED arbeitet, jedoch einmal (zweimal weniger). Dies bestätigt die Entsprechung des Verhältnisses von 400: 1 für den Indikator und 200: 1 für den Zählmechanismus, wie zuvor erwähnt.

    Links ist Platz für einen 10-poligen Stecker XS1, der zum Blinken dient, sowie für den UART der MK-Schnittstelle.

    So besteht der Drehstromzähler „Energomera TsE6803V R32“ aus drei einphasigen Messmikrokreisen und einem Mikrocontroller, der Informationen von diesen verarbeitet.

    Zusammenfassend ist festzuhalten, dass es eine Reihe von Zählermodellen gibt, deren Funktionalität viel komplexer ist. Zum Beispiel Zähler mit Fernbedienung von Anzeigen auf der Stromleitung oder sogar über ein Mobilkommunikationsmodul. In diesem Artikel habe ich nur die einfachsten Modelle und die Grundprinzipien des Aufbaus ihrer elektrischen Schaltkreise besprochen. Ich entschuldige mich im Voraus für möglicherweise inkorrekte Terminologie im Text, da ich versucht habe, sie in einfacher Sprache auszudrücken.