В настоящей статье предоставлен один из эффективных методов анализа качества трехфазной электрической сети с использованием микроконтроллеров и готовой интегральной схемы — ЦОС-сопроцессора.
Однако, данной статьей не предусмотрена публикация исходного кода для микроконтроллера и принципиальной электрической схемы.
Ключевые слова: Микропроцессорные системы, электротехника, анализ сети, ВАФ, микроконтроллер, STM32, AVR, PIC, векторная диаграмма, ЦОС.
В настоящее время ГОСТ предъявляет требования к качеству электрической энергии по ряду показателей, например, таких как [1]:
– Коэффициент несинусоидальности;
– Отклонение частоты;
– Несимметрия фазных напряжений.
Существующие технологии в области электроники позволяют контролировать и исчерпывающе оценивать качество потребляемой электрической энергии посредством анализа получения основных величин и выполнения над ними математических операций.
Для данных целей придуманы устройства-анализаторы качества электроэнергии или, как их еще называют, вольт-ампер-фазометр (ВАФ).
В качестве примера для анализа представим трехфазную электрическую систему с нулевым проводом, тогда для качественной оценки электрической сети в общем случае необходимо:
– Эффективные значения потребляемого тока каждой из фаз;
– Эффективные значения фазных напряжений;
– Гармонические составляющие токов и напряжений;
– Частота питающей сети.
Для таких целей, как может показаться, разумнее использовать микроконтроллер с программной реализацией заданных параметров, однако это не так.
Поскольку для дискретизации, например, 40 гармоники, требуется частота в 40 раз большей, чем частота дискретизации основной гармоники, что уже предъявляет к контроллеру высокие требования по рабочей частоте, к тому с контроллера никто не снимает задач по математическим операциям с полученным результатом.
В итоге, экономически невыгодно использовать микроконтроллер общего назначения для этих целей, учитывая, что на рынке существуют ЦОС-сопроцессоры, в которых реализация всего вышеперечисленного присутствует аппаратно.
В данной статье в качестве используются ЦОС-сопроцессор от компании Analog Devices ADE7880. [2]
Преимуществом этой реализации является аппаратная поддержка многих DSP-инструкций для эффективного разложения в ряд Фурье, оценки потребляемой мощности и т. п.
Производителем заявлено, что погрешность измерений эффективных значений токов и напряжений менее 1 %.
С учетом вышенаписанного можно предварительно составить функциональную схему устройства (рис. 1):
Рис. 1. функциональная схема прототипа
На данном примере ADE7880 был протестирован в трехфазной системе переменного тока 0.4 кВ (50 Гц) со схемой соединения приемников «Звезда с нулевым проводом».
ЦОС-сопроцессор в автоматическом режиме рассчитывает следующие показатели:
– Кажущуюся, активную, реактивную мощности;
– Коэффициент искажения для каждой гармоники;
– Коэффициент мощности;
– Частота каждой фазы;
– Среднеквадратичные и мгновенные значения тока, напряжения.
Как было отмечено ниже, основному контроллеру остается мало задач.
Общение с ЦОС-процессором происходит по трем протоколам:
– SPI;
– I2C;
– Высокоскоростной HSDC.
Сопроцессор сохраняет вычисленные значения во встроенном ПЗУ, позволяя контроллеру получать их по цифровому протоколу.
Каждым значениям (эффективное значение тока и т.п) отводится 1-байтный регистр данных.
Контроль частоты каждой из фаз определяется комбинацией выходного сигнала прерывания (IRQ0–1) и соответствующего статуса-регистра данных (STATUS1–3).
В качестве контроллера-обработчика подойдет любой, имеющий хотя бы один из вышеперечисленных интерфейсов обмена данными.
Полученные данные можно как выводить на экран, так и передавать для мониторинга, архивации и статистики на внешнюю базу данных.
Принципиальная электрическая схема тестового стенда продемонстрирована на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема тестового стенда
В заключение можно отметить, что необходимость отслеживания качества электрической энергии закреплена законодательно. Повышение качества ведет к снижению вероятностей аварии, повышению срока службы рабочих механизмов, а также повышению ЭМС.
Использование современных интегральных решений позволяет эффективно решать и с большой точностью важные задачи в области электротехники и электроэнергетики, например, таких как контроль качества потребляемой электроэнергии.
Литература:
- ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. — Текст: электронный // Межгосударственный стандарт: [сайт]. — URL: https://docs.cntd.ru/document/1200104301 (дата обращения: 25.01.2023).
- ADE7880. Техническая документация. — Текст: электронный // ADE7880 (Rev. C): [сайт]. — URL: http://www.triatron.ru/upload/catalog_photo/elements/pdf/068317.pdf (дата обращения: 25.01.2023).
