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| 电表百年：挑战中蕴涵着发展机遇（下） | |||||
作者：61IC 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2007-8-29  |
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可从制造计量表芯片的经销商处获得大量的设计参考资料。想评估其选择的工程师可在线获取大量信息。美国模拟器件(Analog Devices)、Cirrus Logic、美信(Maxim)、微芯(Microchip)和德州仪器(Texas Instruments)几个公司都提供有明确为数字计量表用的芯片。但数字计量芯片是传奇性的半导体公司，如Teridian(见图3)的一项业务。  为了解一个基本的计量芯片的内部组成结构，可以ADI的ADE7752为例，该芯片仅读取有功功率。ADI将它称作“具有脉冲输出的多相能量计量IC”，意思指它是严格的测量器件。该芯片用于Y或Δ连接的三相电源，包含了总共6个16位、二阶、δ-σ模数转换器(ADC)。有功功率测量的带宽是14kHz，过采样率为833kHz。 从外部看，电压传感器可能是电位变压器或电阻分配器(图4a和4b)。当然，变压器提供与主电源的隔离。由于有电阻分配器，芯片输入可偏置在中线附近。分配器方法的优点在于可调整RA与RB的比值，VR可提供一种校正增益的简单方法。  为检测电流，ADI推荐每一通道配一个电流变压器(见图4c)。电流通道的共模电压可由负荷电阻(RB)至计量芯片的模拟地间的中心抽头取得。可选择变压器匝数比和RB的值，使在最大负载下提供500mV的峰值差分电压。 将电压和电流数字化后，高通滤波器滤掉电流信号中的直流成分，消除掉所有偏移影响。瞬时功率可通过将各相的电流和电压信号相乘得到。为得到有功功率分量，将每相的瞬时功率信号进行低通滤波。将结果相加，得到总的有功功率。 与平均有功功率成比例的计量芯片输出频率可通过累加总有功功率信息得到。然后，将平均有功功率信息相加以获得有效能量信息。 ADE7752的低通滤波方法仅记录有功功率，忽略电抗性电流和谐波电流。图5上部给出了单位功率因数的情况，下部为纯电抗位移功率因数(DPF) =0.5（电流滞后电压60）的情况。在电压和电流波形为正弦波的简单情况下，瞬时功率信号(直流项)的有效功率分量等于电压、电流与相位偏移的余弦三者之积的一半。  将该情况延伸到任意非正弦电压和电流波形的情况，并把这些波形分离成其傅立叶分量：此处(见方程)：  v(t)为瞬时电压 VO为平均电压 VN为N电压谐波的均方根值(rms) αN为电压谐波的相位角。 类似地(见方程)：  就是说，谐波有功功率可通过求和得到。欲了解ADE7752的更多信息，可点击查看ADI的应用笔记AN-641。 作者：Don Tuite 功率因数 当需要考虑功率因数(PF)时，计量变得更有趣，这在欧盟、中国和印度的部分地方都一样。欧洲的功率因数校正(PFC)标准为EN 61000-3-2，及附录A14。 在开关电源普遍使用之前，功率因数与电抗性负载有关。电力公司通过在配电室和变电站安装大电容来处理这一问题。开关电源通过在电力线上引入与电压相位不同并由电源转换率的多次谐波组成的电流，改变了这种情况。 电力公司之所以关心功率因数，有两个原因。首先，异相功率分量代表系统容量中实际不可用的部分。其次，用电规则能防止电力提供者收取异相“虚”分量部分的费用。 EN 61000 PFC中开关电源方面的目标是限制高达39次谐波的单个谐波电流的幅度。附录A14放宽了一些要求，但不是针对个人电脑、监控器和电视设备。 功率因数及计量 要了解能量计量芯片是如何将无功功率与有功功率分开并记录，可考虑Cirrus Logic公司的CS5467，该芯片包括一个4通道ADC和一个计算引擎，具有两个电流通道和两个电压通道。 与ADI的ADE7752一样，由外部电压和电流检测元件产生信号，这些信号经放大，用于Cirrus芯片内部的δ-σ调制器(电压情况下为二阶、电流情况下为四阶)。数据转换器的输出处有级联的Sinc3和三阶无限脉冲响应(IIR)滤波器。Sinc3以数量级衰减，IIR则补偿低通十进制滤波器的5级滚降。 Cirrus芯片增加了视在功率的计算，该计算是基于多个瞬时电压和电流采样的均方根(rms)。视在功率是有功功率和无功功率的合成。功率因数是有功功率除以视在功率。有功功率决定功率因数的符号。此外，CS5467根据视在功率的平方减去视在功率的平方根的差的平方根计算无功功率。有功功率、视在功率、无功功率，以及基波功率每个计算周期都进行更新。 为得到平均无功功率，芯片将电压平均并用两者之间有90°相位差测量的电流乘以该值。90°相移由电压通道中的另一个IIR数字滤波器产生。滤波器提供所有频率的精确90°相移，并使用输入线频率与采样频率的比以得到线频率下的单位增益。 接着，瞬时正交电压和电流采样相乘，得到瞬时正交功率。随后，将N个乘积进行平均。欲了解详情，请点击www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5467_A1.pdf查看CS5467数据手册。 计量趋势 计量表的最新发展如何？ Microchip公司制造独立的计量表芯片以及与该公司的PIC微控制器配合工作的芯片，按照该公司的说法，电力公司主要受要消除工作人员定期读表相关费用需要的驱动，就是消除工作人员逐个表记录的费用。 在容易盗电的环境下，如公寓大楼，计量表不再安装于大楼外墙上，而是置于大楼内带锁的壁橱里。人力“读表”员将仪器插入大楼侧边的盒子里，即可获取所有表中的读数。 插入式远程读表并不仅仅用于大型住宅结构。单个家庭结构中同样也正在出现容易读取而有防干扰的接口。这使读表人员的工作效率有所提高，并排除了与很多看家动物、过度生长的灌木以及多疑的房主潜在的相互摩檫。下一步就是将该过程变为无线的，并使在大街或人行道上即可读表。 Microchip公司称防盗服务日益受到关注，现在有些计量表含有一个独立的ADC以便连续监控线电压，以探测事故的发生。例如，它能探测计量表是否瞬时断开或其终端更换(使其倒转)。 采用变压器而非分流器来进行电流测量的计量表很容易遭受使用外部磁体的铁芯饱和的影响。如果觉得这是一个潜在问题，则可给表加一个分流器和一个变压器，两者能相互检查。 Microchip的读表产品不只是适用于具有标准微控制器外设的PIC，该公司的最新产品采用串联外设接口替代通常的RS-485接口。图6给出一个基于3片MCP3909 IC，外加1个PIC18F2520和1个PIC18F4550微控制器的三相参考设计。  PIC18F2520执行乘方运算，同时4550给桌面软件提供USB接口。与参考设计一起提供的软件包能用来对计量表进行校准。 http://www.eefocus.com/myspace/blog/show.php?id=1960 |
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