Matic Jeršič MERILEC MOČI Z RAČUNALNIŠKIM ODČITAVANJEM Projektna naloga Maribor, September 2016
MERILEC MOČI Z RAČUNALNIŠKIM ODČITAVANJEM Projektna naloga Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Matic Jeršič Univerzitetni študijski program Elektrotehnika Elektronika doc. dr. Iztok Kramberger
KAZALO 1 UVOD... 1 2 TEORETIČNO OZADJE... 2 2.1 Električna moč... 2 2.2 Merjenje toka... 5 2.3 UART... 6 3 ZASNOVA IN IZVEDBA... 8 3.1 Integrirano vezje CS5490... 9 3.2 Komunikacija s CS5490... 12 3.3 Programska koda za inicializacijo... 13 3.4 Načrtovanje vezja... 15 4 MERITVE... 19 5 SKLEP... 22 6 LITERATURA... 23
KAZALO SLIK SLIKA 1: ODNOSI MED REALNO, NAVIDEZNO IN JALOVO MOČJO... 4 SLIKA 2: PRIKAZ MOČI ZA RAZLIČNE UPORNOSTI V ODVISNOSTI OD TOKA... 5 SLIKA 3: UART PAKET... 7 SLIKA 4 : BLOKOVNA SHEMA CELOTNEGA SISTEMA... 8 SLIKA 5: BLOKOVNA SHEMA INTEGRIRANEGA VEZJA CS5490 [4]... 9 SLIKA 6: POTEK IZRAČUNOV V INTEGRIRANEM VEZJU CS5490 [4]... 10 SLIKA 7: PRIKAZ TRENUTNIH VREDNOSTI NAPETOSTI... 11 SLIKA 8: PRIKAZ PROCESA BRANJA PODATKOV... 13 SLIKA 9: PRIKAZ PROCESA PISANJA PODATKOV V REGISTER... 13 SLIKA 10: DIAGRAM POTEKA INICIALIZACIJE CS5490... 14 SLIKA 11: NAPETOSTNI DELILNIK... 16 SLIKA 12: SHEMA ZA MERJENJE TOKA IN NAPETOSTI... 17 SLIKA 13: 3D MODEL OHIŠJA... 17 SLIKA 14: PRIKAZ TISKANEGA VEZJA ZNOTRAJ OHIŠJA... 18 SLIKA 15: TISKANO VEZJE... 18 SLIKA 16: REZULTATI MERITEV NA TOKOVNEM OBMOČJU 0-1.2 A... 20 SLIKA 17: REZULTATI MERITEV NA TOKOVNEM OBMOČJU 1-10 A... 21 KAZALO TABEL TABELA 1: FORMAT POSAMEZNIH UKAZOV... 12 TABELA 2: POGREŠKI MERILNIKA MOČI HM8115-2 ZA NAPETOST (RMS)... 19 TABELA 3: POGREŠKI MERILNIKA MOČI HM8115-2 ZA TOK (RMS)... 19 TABELA 4: POGREŠKI MERILNIKA MOČI HM8115-2 ZA MOČ... 19 TABELA 5: REZULTATI MERITEV 1-10 A... 20 TABELA 6: REZULTATI MERITEV 0-1.2 A... 20
UPORABLJENE KRATICE RMS - efektivna vrednost (root mean square) UART- standardna asinhrona serijska komunikacija (universal asynchronous receiver/transmitter) USB - univerzalno serijsko vodilo (Universal Serial Bus) ADC- analogno digitalni pretvornik
1 1 UVOD Integracija električnih naprav in elektronike v naše življenje se povečuje iz dneva v dan, skupaj z njo pa tudi porabe električne energije. Zato uporabniki težijo k čim manjši porabi električne energije iz ekonomskih, kot tudi ekoloških razlogov. Če želimo zmanjšati porabo energije zaradi ekonomskega vidika, nam je zelo pomembno, da odkrijemo kakšne investicije bi se nam na račun zmanjšanja porabe električne energije najhitreje povrnile. Za izračun potrebujemo profil uporabnika, ki ga ustvarimo s pomočjo merilca električne energije. Na tržišču lahko najdemo že ogromno rešitev merilnikov porabe električne energije, vendar nam ti merjene podatke le prikazujejo na ekranu. Iz teh podatkov, pa težko pridobimo informacije kje in kako lahko energijo privarčujemo oziroma ustvarimo profil uporabnika, ki ga lahko računalniško obdelamo. Zato smo se v projektu odločili realizirati merilec električne energije, ki meri električni tok in napetost, iz meritev pa nam prikaže realno, navidezno in delovno moč. Ti podatki se posredujejo na računalnik, kjer lahko izdelamo profil uporabnika in ostale analize. Cilj produkta je cenovno ugodna rešitev, z natančnostjo merjenja električne moči, toka in napetosti znotraj 1%. V samem začetku naloge bomo obdelali teoretično ozadje, razložili bomo osnovne pojme na področju merjenja moči in postopke merjenja. V tretjem poglavju bomo predstavili zasnovo naprave za merjenje moči in njeno delovanje. V četrtem poglavju bo sledil prikaz meritev merilca moči v primerjavi z merilnim inštrumentom HAMEG HM8115-2. V zadnjem poglavju pa bomo podali zaključek projekta in morebitne izboljšave sistema.
2 2 TEORETIČNO OZADJE V tem poglavju se bomo seznanili z vrstami električne moči in postopki merjenja toka in UART komunikacijo. 2.1 Električna moč Enačbe enosmernih tokokrogov veljajo tudi za trenutne vrednosti v izmeničnih tokokrogih, zato je trenutna moč podana z enačbo (2). P = I U (1) kjer je: P trenutna moč [W] I električni tok [A] U napetost [V] Iz trenutne delovne moči, lahko vidimo sliko razmer znotraj same periode. Vendar nas najpogosteje zanimajo povprečne vrednosti, saj imamo opravka s periodičnimi signali in lahko iz nje izračunamo energijo, ki je pritekla v vezje. Torej če povprečimo trenutno moč skozi določen časovni okvir dobimo povprečno moč, ki jo imenujemo delovna moč, kar je prikazano z enačbo (2). P = 1 T T u(t) i(t) dt 0 (2) Kjer je: P delovna moč [W] T časovna perioda u(t) časovno spremenljiva napetost [V] i(t) časovno spremenljiv tok [A] V izmeničnih tokokrogih se pogosto uporablja matematična vrednost, ki jo imenujemo RMS. Ta nam omogoča primerjavo izmenične napetosti ali toka z enosmerno vrednostjo. Z drugimi besedami RMS vrednost izmeničnega toka je enaka enosmerni vrednosti. Če
3 tečeta skozi isti upor povzročita enako potrošnjo moči. Zato lahko opišemo delovno moč tudi z enačbo (3). P = V rms I rms (3) Kjer je: P delovna moč [W] V rms RMS vrednost napetosti [V] I rms RMS vrednost toka [A] RMS vrednosti kateregakoli periodičnega signala izračunamo s pomočjo splošne enačbe (4) [10]. f rms = 1 T 2 [f(t)] T 2 T 2 dt (4) 1 T 1 Kadar imamo samo rezistivno breme sta tok in napetost v fazi, zato je njun produkt pozitiven hkrati pa tudi moč. V primeru, da v tokokrog dodamo induktivno ali kapacitivno breme, z njim dodamo tudi fazni zamik med napetostjo in tokom. To pa povzroči jalovo moč, ki predstavlja moč ki se pretaka. Jalovo moč opišemo z enačbo (5). Q = V rms I rms PF (5) Kjer je: Q jalova moč v [VAR] V rms RMS vrednost napetosti [V] I rms RMS vrednost toka [V] PF faktor moči Celotna moč v izmeničnem tokokrogu, ki predstavlja delovno in jalovo moč skupaj imenujemo navidezna moč. Vsi tri tipi moči, so med sabo povezani v tako imenovan trikotnik moči. Navidezno moč izračunamo s pomočjo pitagorovega izreka, zapisanega v enačbi (6), z odnosom ki je prikazan na sliki 1.
4 S = P 2 + Q 2 (6) Kjer je: S navidezna moč [VA] P delovna moč [W] Q jalova moč [VAR] Slika 1: Odnosi med realno, navidezno in jalovo močjo Faktor moči nam predstavlja učinkovitost bremena, kako uspešno izkoristi moč, ki mu je na voljo. Opisan je z enačbo (7). PF = cosφ = P S (7) Kjer je: PF faktro moči φ fazni kot [ ] P delovna moč [W] S navidezna moč [VA]
P [W] 5 2.2 Merjenje toka K merjenju toka lahko pristopimo z različnimi metodami. Za uporabljeno metodo se odločamo na podlagi magnitude toka, potrebe po galvanski ločitvi, zahteve po natančnosti in odzivnem času in ena izmed ključnih stvari je, tudi cena izvedbe merilne metode. Za merjenje toka se najpogosteje uporabljajo merilni upori, saj je to ena izmed najcenejših in najpreprostejših metod. Z njo lahko merimo izmenični, kot tudi enosmerni tok. Ena izmed prednosti je tudi linearnost in natančnost metode, saj tok ki teče skozi tokokrog s pomočjo upornosti spremenimo v napetost po načelu Ohmovega zakona V = I x R. Vendar ima ta metoda tudi svoje slabosti, saj z njo vnesemo v tokokrog dodatno upornost, z njo pa tudi izgube. V primeru prekomernega gretja pa dodatno izgubimo tudi na natančnosti. Izgube moči so definirane z P =I 2 R, torej se izgube moči povečuje eksponentno s tokom. Zato moramo pri izbiri upornosti vnesti kompromis, npr. če želimo meriti velike tokove si z nizko upornostjo čim bolj zmanjšamo izgube, vendar bo nizka upornost povzročila tudi nizek padec napetosti pri nizkih tokovih, s čimer izgubimo na natančnosti (ne uporabimo celotnega območja, ki nam ga ponuja ADC pretvornik). Torej smo z uporom omejeni na določeno tokovno območje (Glej Slika 2) [3]. 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.01 0.1 1 10 100 I [A] Slika 2: Prikaz moči za različne upornosti v odvisnosti od toka Druga metoda, ki jo imamo na voljo je magnetna metoda. Pri tej metodi najpogosteje uporabljamo tokovne oziroma merilne transformatorje, ki nam ponujajo izolacijo hkrati pa ne potrebujemo merilnega upora s katerim bi posegali v sam tokokrog. S pomočjo
6 tokovnega transformatorja lahko vrednost toka skaliramo na željeno območje s pomočjo prestavnega razmerja navitij. Metodo lahko uporabimo le za merjenje izmeničnih signalov [3]. Kot vidimo iz enačbe (8) je maksimalni magnetni pretok, ki ga dosežemo sorazmeren pritisnjeni napetosti na primarnem navitju in obratno sorazmeren s frekvenco in število obratov na primarju [9]. Za manjše frekvence imamo večjo vrednost maksimalnega magnetnega pretoka. Za prenos magnetnega pretoka moramo zagotoviti zadostno gostoto magnetnega polja, ki jo zagotovimo z večanjem volumna feromagnetnega materiala oziroma železa. Posledica večanja količine železa je povišanje cene in same velikosti transformatorja. Zato je v praksi uporaba pri majhnih frekvencah, zaradi dimenzij in cene nesmiselna. V φ max = (8) 2πfN 1 Kjer je: φ max masksimalni magnetni pretok V pritisnjena napetost na primarju f frekvenca signala N 1 število ovojev na primarju Glavna prednost te metode so majhne izgube, vendar mnogokrat ni uporabljena zaradi svoje cene. To metodo večinoma uporabljamo, kjer želimo meriti velike tokove (nekaj tisoč amperov) in bi bila metoda z merilnim uporom nesmiselna. 2.3 UART UART je kratica za standardno serijsko komunikacijo, ki je najpogosteje implementiran kot fizično vezje znotraj samega mikrokrmilnika ali pa kot ločeno integrirano vezje, katerega glavni namen je oddajanje in sprejemanje podatkov. Za komuniciranje z drugo napravo uporabljamo le dve liniji, po katerih prenašamo podatke. Za komunikacijo ne potrebujemo prenosa urinega signala, zato je ta vrsta komunikacije asinhrona. Za signalizacijo uspešnega prenosa podatkov uporabljamo začetni in končni bit. Ta bita nam definirata konec sprejemanja podatkov in kdaj mora UART začeti sprejemati podatke.
7 Ko zaznamo začetni bit, se prične branje bitov, ki jih beremo pri točno določeni frekvenci oziroma podatkovni hitrosti (badu rate). Podatkovna hitrost nam predstavlja hitrost pošiljanja in sprejemanja podatkov v bitih na sekundo. Za uspešno delovanje komunikacije moramo imeti na obeh napravah, ki med seboj komunicirata nastavljeno enako podatkovno hitrost. Komunikacijski paket je sestavljen iz že prej omenjenega začetnega bita, podatkovnega okvirja, sledi mu paritetni bit, ki je opcijski in končnega bita, kot je prikazano na Sliki 3. Slika 3: UART Paket Podatkovni okvir lahko vsebuje od pet do devet podatkovnih bitov znotraj katerega zapišemo informacije. Okvirja morata biti pri obeh napravah enaka za uspešno komuniciranje. Paritetni bit nam predstavlja vrednost, ki opiše sodost ali lihost informacij. Uporabljamo ga za preverjanje pravilnosti posredovane informacije [8].
8 3 ZASNOVA IN IZVEDBA Sistem, ki ga predstavljamo v tej nalogi je zgrajen za prikaz podatkov o porabi električne energije. Jedro sistema je merilec energije integrirano vezje CS5490, ki zajema podatke o toku in napetosti s pomočjo merilnega vezja. Uporabnik komunicira s sistemom preko standardne serijske povezave z USB vmesnikom. Prvo mora uporabnik vnesti zahtevo po podatku, ki ga želi imeti prikazanega. To zahtevo mikrokrmilnik zabeleži in se ustrezno odzove. Ob zahtevku po izmerjenih vrednostih, mikrokrmilnik z določenim zaporedjem ukazov pošlje zahtevek. Nato integrirano vezje odgovori z zahtevanimi podatki, ki jih v mikrokrmilniku obdelamo, ter jih vrnemo preko serijske povezave z USB vmesnikom nazaj uporabniku. Zasnova celotnega sistema je prikazana na Sliki 4. USB-UART Vmesnik Izolirano napajanje UART Izolacija komunikacije Mikrokrmilnik UART UART Merilec energije Merjenje Napetosti Merjenje toka Slika 4 : Blokovna shema celotnega sistema
9 3.1 Integrirano vezje CS5490 Slika 5: Blokovna shema integriranega vezja CS5490 [4] Zasnovo integriranega vezja najlažje opišemo s pomočjo blokovne sheme (Slika 5). Integrirano vezje je namenjeno za merjenje toka in napetosti v enofaznem sistemu. Za merjenje ima na voljo dva kanala, pri čemer je eden namenjen za merjenje toka, drugi pa za merjenje napetosti. Oba kanala vzorčita diferenčno razliko med dvema potencialoma. V osnovi oba ojačata signal deset krat, vendar pri kanalu s katerim merimo tok (IIN±), imamo možnost programsko nastavljivega ojačenja. Izbiramo lahko med desetkratnim in petdesetkratnim ojačenjem. Največja diferenčna napetost, ki jo lahko izmerimo na napetostnem kanalu (VIN±) je ±250 mv. Na tokovnem kanalu (IIN±) je v primeru desetkratnega ojačenja maksimalna napetost enaka ±250 mv, v primeru petdesetkratnega ojačenja pa ±50 mv. Naslednji blok, ki sledi iz diferenčnega ojačevalnika je»4 th Order Modulator«. Ta blok nam predstavlja Delta-Sigma analogno-digitalni pretvornik četrtega reda. Prednost takšnega modulatorja je, da ima pri nizko frekvenčnem signalu na izhodu zelo majhen šum. Pri vzorčenju signalov z veliko frekvenco v primerjavi s frekvenco konverzije modulatorja, pa se pojavi neželen šum na izhodu ADC pretvornika. Z višanjem reda modulatorja, povečujemo dušenje nizko frekvenčnega šuma, vendar s povečevanjem frekvence se vpliv šuma povečuje pri višjih frekvencah in vsak red višje daje na izhodu večji šum [2]. Zato je integrirano vezje idealno za uporabo meritev na omrežni napetosti, kjer je frekvenca signala enaka 50-60 Hz. Naslednji blok, skozi katerega potuje signal je digitalni filter. Z digitalnim filtrom v primerjavi z analognim imamo večjo prednost v tem, da ni prisotne napake zaradi temperature in drugih vplivov, hkrati pa se za naše potrebe obnese bolje od analognega. Prednost uporabe digitalnega filtra je, da lahko
10 karakteristiko filtra spremenimo s pomočjo programske kode. Naslednji blok se imenuje»hpf Option«, ta nam predstavlja visoko pasovno sito, ki je opcijsko. Za skladnost s standardom je potrebno vzorčiti do dvajsetega harmonika osnovne harmonske komponente, kar v našem primeru pomeni frekvenco 1kHz. Integrirano vezje vzorči s 512 khz, torej zajame vse potrebne harmonske komponente. Sito je priporočljivo uporabljati pri merjenju izmeničnih signalov nizke frekvence, saj z njim iz merjenega signala izločimo visoko frekvenčni šum. Po končani obdelavi signala se digitalna vrednost prenese v blok za izračun. Znotraj tega bloka se izračunajo parametri za RMS vrednosti napetosti in toka, delovna moč, jalova moč, itd.. Informacije, ki jih pridobimo in obdelamo lahko izmenjujemo preko bloka»uart Serial Intefrace«. Ta nam predstavlja serijsko komunikacijo z mikrokrmilnikom. Za oddajanje podatkov lahko uporabimo tudi blok»configurable Digital Output«. Izhod lahko uporabimo za energijske pulze, zero-crossing, ali pa prekinitvene funkcije. Slika 6: Potek izračunov v integriranem vezju CS5490 [4] RMS in vrednosti moči so rezultati povprečnih trenutnih vrednosti, ki so zajeti s številom ki jih določimo z vrednostjo»n«, ki se nahaja v registru SampleCount. V osnovi integrirano vezje zajema fiksno število vrednosti v določenem časovnem intervalu (Slika 7). V našem primeru, ko integrirano vezje deluje na uri s frekvenco 4.096 MHz je časovni interval enak eni sekundi.
11 Slika 7: Prikaz trenutnih vrednosti napetosti RMS vrednosti izračunavamo za napetost in tok, z uporabo enačb (9) in (10). I RMS = N 1 n=0 I n 2 N V RMS = N 1 n=0 V n 2 N (9) (10) Kjer je: I RMS RMS vrednost toka [A] V RMS RMS vrednost napetosti [V] N Število zajetih vrednosti I n Trenutne vrednosti toka [A] V n Trenutne vrednosti napetosti [V] Trenutna napetost in tok se uporabljata tudi za izračun trenutne moči z zmnožkom njunih vrednosti. Za izračun delovne oziroma povprečne moči pa se produkt njunih vrednosti povpreči. Za izračun navidezne moči imamo na voljo dva načina izračuna med katerima lahko v integriranem vezju izbiramo in sta prikazana v enačbi (11) in (12) [4]. S = V RMS I RMS (11) 2 2 S = Q AVG + P AVG (12)
12 Kjer je: S navidezna moč [VA] V RMS RMS vrednost napetosti [V] I RMS RMS vrednost toka [A] Q AVG jalova moč [VAR] P AVG delovna moč [W] Na voljo nam je tudi faktor moči, ki nam predstavlja razmerje med delovno močjo in navidezno, kot je prikazano v enačbi (13). Iz faktorja moči najlažje pridobimo informacije o samem izkoristku merjene naprave. Naprava ima najboljši izkoristek moči, ko je faktor moči enak 1. PF = P ACTIVE S (13) 3.2 Komunikacija s CS5490 S pomočjo mikrokrmilnika preko uart-a z ukazi komuniciramo z integriranim vezjem CS5490. Na voljo imamo štiri različne ukaze: pisanje, branje registrov, izbira strani in posamezne inštrukcije. Podatkovni okvir oziroma število bitov s katerimi izmenjujemo informacije je določena s strani CS5490, ki je velik 8 bitov oziroma 1 byte. Definirano imamo tudi začetno hitrost prenosa podatkov, ki znaša 600 bps, vendar jo lahko pozneje s pomočjo ukazov spremenimo na željeno vrednost. Dva najvišja bita sta rezervirana za definicijo posameznega ukaza, ki se naj izvrši. Spodnja Tabela 1 opisuje posamezne ukaze. Tabela 1: Format posameznih ukazov Ukaz Binarna vrednost Opis Branje registra 0 0 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 A [5:0] nam predstavljajo podnaslove Pisanje v register 0 1 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 na posamezni strani Izbira strani 1 0 P 5 P 4 P 3 P 2 P 1 P 0 P [5:0] nam predstavljajo strani Inštrukcija 1 1 C 5 C 4 C 3 C 2 C 1 C 0 C [5:0] nam predstavljajo inštrukcijo Za dostop do posameznim informacij v pomnilniku uporabljamo 12-bitne naslove, ki so organizirani po straneh na katerih so posamezni podnaslovi ( P 5 P 4 P 3 P 2 P 1 P 0 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 ). Zgornjih 6-bitov nam predstavlja stran katero želimo izbrati, spodnjih 6-bitov pa nam
13 specificira podnaslov. Torej za branje in pisanje na določenem podnaslovu moramo predhodno poslati izbiro strani na kateri bomo željeno operacijo izvajali. Branje iz registra je določeno z zgornjima dvema bitoma, ki sta enaka»00«, v ostalih šestih bitih pa je zapisan podnaslov iz katerega želimo prebrati informacijo. Po prejetem podnaslovu se ta sestavi v 12 bitni naslov, kot je opisano zgoraj. Po prejeti komandi pa čip odgovori s tremi byti v katerem so zapisani želeni podatki (Slika 8) Slika 8: Prikaz procesa branja podatkov Za pisanje v CS5490 pa morata biti zgornja dva bita enaka»01«, s tem izberemo ukaz za pisanje v register. V spodnjih 6 bitih pa sledi izbira podnaslova na strani, ki smo jo izbrali predhodno. Za ukazom za branje sledijo 3 byti, ki vsebujejo podatke, ki jih želimo zapisati v izbran register. Potek je prikazan na Sliki 9 [4]. Slika 9: Prikaz procesa pisanja podatkov v register 3.3 Programska koda za inicializacijo Inicializacijo čipa CS5490 lahko opišemo z diagramom poteka na Sliki 10. Za delovanje potrebuje čip 3.3 V napajanje. Ob vzpostavitvi napajanja najprej opravimo ponastavitev integriranega vezja. To opravimo tako, da s pomočjo mikrokrmilnika linijo, ki je povezana na RESET pin integriranega vezja damo na nizek potencial za več kot 120us. Tako zagotovimo, da so vsi registri v privzetem stanju. Naslednji korak je posredovanje ukaza za aktivno stanje in programsko ponastavitev. Integrirano vezje ima v osnovi že v naprej določeno hitrost podatkov s katero lahko pričnemo komunicirati. Za naše potrebe je 600 bps premajhen, zato vrednost s pomočjo pisanja v register za komunikacijo spremenimo na 115200 bps.
14 Slika 10: Diagram poteka inicializacije CS5490 Po uspešni spremembi hitrosti sledi nastavitev registrov za željeno delovanje. Samo integrirano vezje ne vsebuje neizbrisljivega spomina, zato mu moramo vrednosti registrov ponastaviti s pomočjo mikrokrmilnika v katerem imamo zapisane posamezne vrednosti registrov. Prvo ponastavimo nastavitve kontrolnega in konfiguracijskega registra, v katerih omogočimo željene funkcionalnosti. Nato povrnemo vrednosti za ojačenje na posameznem kanalu in vrednosti za kompenzacijo faznih napak. Za preizkus poženemo enojni zajem podatkov, po katerem preverimo vrednost v registru»checksum«, ki nam predstavlja vsoto vseh pomembnih registrov, katerih ne smemo ponastaviti. V primeru, da je vrednost neveljavna moramo celoten postopek ponoviti še enkrat, saj ne moremo zagotoviti pravilnega delovanja integriranega vezja. V nasprotnem primeru lahko nadaljujemo in preverimo, če so zajeti podatki že na voljo. Če so podatki že na voljo, najprej pobrišemo bit»drdy«in preidemo v zvezni zajem podatkov. Drugače počakamo, da so podatki na voljo. Po končani inicializaciji je integrirano vezje pripravljeno za opravljanje meritev.
15 3.4 Načrtovanje vezja Za zasnovo vezja nam je bila v pomoč dokumentacija posameznega elementa, v katerem je prikazana idejna zasnova določenega dela vezja. Za izračun vrednosti merilnega upora za merjenje toka smo izhajali iz naših zahtev, ki smo si jih postavili za merjenje toka. Maksimalna vrednost, ki jo želimo zmeriti s sistemom je 16A. Sedaj moramo to vrednost prilagoditi zmogljivosti integriranega vezja CS5490. Želja meritev, so čim manjše izgube na merilnem uporu, zato smo na tokovnem kanalu uporabili 50x ojačenje, pri katerem smo omejeni na diferenčno napetost ±50 mv. Po priporočilih proizvajalca moramo vrednost merilnega upora načrtovati tako, da dosežemo pri maksimalnem toku diferenčno napetost ± 35 mv RMS [5]. Po znanem maksimalnem padcu, ki je lahko na merilnem uporu in maksimalnem toku, smo lahko izračunali vrednost merilnega upora, ki je prikazana v enačbi (14). Kjer je: R M = V OUT I M = 35 mv 16 A R M vrednost merilnega upora = 2.19 mω 2 mω (14) V OUT maksimalna napetost na merilnem uporu I M maksimalen tok ki teče skozi merilen upor Naslednji kriterij, ki ga moramo upoštevati za izbiro merilnega upora je moč, ki jo mora upor prenesti. Maksimalna moč, ki se bo trošila na uporu smo izračunali v enačbi (5). P MAX = I M 2 R M = (16 A) 2 2 mω = 0.512 W (5) Za izračun napetostnega delilnika imamo definirano največjo napetost, ki je definirana z omrežjem, kateri dodamo še nekaj rezerve. Maksimalna vrednost napetosti, ki jo pričakujemo je enaka 300 V RMS (V in). Slika 11 prikazuje napetostni delilnik iz katerega zapišemo enačbo (6).
16 Slika 11: Napetostni delilnik V out = V in R 2 R 1 + R 2 (6) Da lahko iz zgornje enačbe dobimo vrednost upora R 1, moramo še določiti vrednost R 2 in izhodno napetost iz napetostnega delilnika V out. Prestavno razmerje oziroma izhodna napetost delilnika, je določena z maksimalno napetostjo integriranega vezja CS5490 na napetostnem kanalu, ki znaša ±250 mv oziroma ±175 mv RMS. Za vrednost upora R 2, pa smo določili 1kΩ. Sedaj lahko izračunamo upornost R 1 iz izpeljane enačbe (7). R 1 = R 2 ( V in 300 V 1) = 1 kω ( 1) = 1.69MΩ (7) V out 176 mv Upor R 1 bomo realizirali s štirimi upori vezanimi v serijo z vrednostjo 422 kω in ob enem tudi z razdaljo zagotovili, da ne pride do preboja. Končna realizacija vezij za merjenje toka in napetosti, sta prikazana na Sliki 12. Poleg merilnega dela v posameznem vezju (merilni upor in delilnik napetosti), smo dodali še del za filtriranje motenj in prenapetostno zaščito.
17 Slika 12: Shema za merjenje toka in napetosti Pri izbiri komponent smo morali biti poleg vrednosti, cene in ostalih parametrov pozorni tudi na dimenzije. Dimenzije so nam predstavljale oviro zaradi ohišja v katerega smo predvideli namestitev vezja. Izgled ohišja je prikazan na Sliki 13. Slika 13: 3D Model ohišja Zato smo si vnaprej pripravili obliko samega tiskanega vezja, na katerega smo načrtovali tiskanino. Pri večjih komponentah, pa smo morali biti pozorni tudi na samo višino posameznih elementov. Realizirano vezje znotraj ohišja je prikazano na Sliki 14.
18 Slika 14: Prikaz tiskanega vezja znotraj ohišja Zaradi prisotnosti velikih napetosti in tokov na samem vezju, smo pri načrtovanju tiskanega vezja morali biti še posebej pozorni (Slika 15). Na povezavah, skozi katere je predviden velik tok smo morali debelino povezave (širino) preračunati in jo implementirati na sami tiskanini. Pozorni smo morali biti tudi na oddaljenost med fazo in nulo, ter delom kjer se nahaja napajalni del iz USB-ja, da ne pride do preboja napetosti. Minimalno oddaljenost med njimi, smo določili po predpisani vrednosti po standardu, ki znaša 3 mm. Slika 15: Tiskano vezje
19 4 MERITVE Za merjenje natančnosti prototipa smo kot referenco uporabili merilnik moči Hameg HM8115-2. Pogreški referenčnega merilnega inštrumenta so prikazani v Tabeli 2 za napetost, Tabeli 3 za tok in Tabeli 4 za moč [6]. Tabela 2: Pogreški merilnika moči HM8115-2 za napetost (RMS) Območje 50 V 150 V 500 V Resolucija 0.1 V 1 V 1 V Natančnost (20 Hz 1kHz) ±(0.4% + 5 digit) Tabela 3: Pogreški merilnika moči HM8115-2 za tok (RMS) Območje 160 ma 1.6 A 16 A Resolucija 1 ma 1 ma 10 ma Natančnost (20 Hz 1kHz) ±(0.4% + 5 digit) Tabela 4: Pogreški merilnika moči HM8115-2 za moč Območje 8 W 24 W 80 W 240 W 800 W 2 400 W 8 000 W Resolucija 1 mw 10 mw 10 mw 100 mw 100 mw 1 W 1 W Natančnost (20 Hz 1kHz) ±(0.8% + 10 digit) Za breme smo uporabili svetilke različnih moči, ki smo jih preklapljali s pomočjo stikal. Zajem podatkov je potekal v celoti na računalniku s pomočjo skripte, ki je izmerjene vrednosti na inštrumentu in prototipu samodejno shranjevala na računalnik. Meritev napetosti, toka in moči smo opravljali sočasno in sicer pri različnih tokovih, ki smo jih postopoma povečevali. Pri vsakem toku smo opravili 20 meritev in za vsako izračunali relativno napako. Iz relativnih vrednosti smo izračunali povprečje, ki nam je prikazano kot rezultati meritev. Rezultati meritev so razdeljeni v dva dela in sicer na tokovno območje 0-1.2 A na Slika 16 (Tabela 6) in tokovno območje od 1-10 A na Slika 17 (Tabela 5).
Realativna napaka [%] 20 Tabela 5: Rezultati meritev 1-10 A Tok [A] 1.0 2.0 3.1 4.0 5.0 5.9 7.0 8.1 9.0 9.7 U[%] 0.18 0.23 0.15 0.17 0.11 0.09 0.11 0.05 0.03 0.00 I[%] 0.1 0.29 0.11 0.14 0.06 0.09 0.21 0.12 0.11 0.06 P[%] 0.08 0.23 0.18 0.08 0.07 0.07 0.14 0.03 0.04 0.06 Tabela 6: Rezultati meritev 0-1.2 A Tok [A] 0.08 0.10 0.14 0.17 0.22 0.31 0.43 0.52 0.61 0.74 0.79 0.95 1.01 1.14 U[%] 0.23 0.26 0.23 0.24 0.22 0.23 0.22 0.22 0.22 0.22 0.21 0.20 0.18 0.20 I [%] 0.31 0.05 0.52 0.22 0.49 0.31 0.07 0.02 0.06 0.02 0.06 0.09 0.10 0.15 P[%] 0.10 0.08 0.11 0.00 0.23 0.30 0.11 0.17 0.17 0.13 0.18 0.07 0.05 0.13 0.60 Relativna napaka v odvisnosti od toka 0-1.2 A 0.50 0.40 0.30 0.20 U I P 0.10 0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Tok [A] Slika 16: Prikaz relativne napake na merilnem območju od 0 do 1.2 A
Relativna napka [%] 21 Relativna napaka v odvisnoti od toka 1-10 A 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 U I P 0.05 0.00 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Tok [A] Slika 17: Prikaz relativne napake na območju od 1 do 10 A Iz prikazanih rezultatov meritev je razvidno, da zastavljene meje 1% napake ne presežemo. Največja odstopanja so se pojavila pri merjenju nizkih tokov, ki so posledica resolucije toka merilnega inštrumenta. Saj nam napaka vrednosti 1mA pri merjenju 100 ma predstavlja napako 1%, zato je natančnost prototipa pri nizkih tokovih težko ovrednotiti.
22 5 SKLEP Naš cilj je bil izdelati prototip za merjenje moči, napetosti in toka znotraj 1% odstopanja od realnih vrednosti. Vezje smo uspešno načrtovali in programsko oblikovali, da delujejo zastavljene funkcionalnosti sistema. Sistem je bil načrtovan tako, da se preizkusi delovanje integriranega vezja CS5490 v realnem sistemu, ter preverili njegovo natančnost. Prototip se lahko razvije v samostojen modul, na katerem se podatki beležijo in prenesejo na strežnik preko internetne povezave. Natančnost celotnega sistema bi lahko izboljšali še s pravilno izvedbo kalibracije, ki nam jo omogoča integrirano vezje CS5490. Za kalibracijo toka in napetosti, bi morali polno obremeniti sitem z maksimalno močjo in maksimalnim tokom. Za fazno kalibracijo pa bi morali priključiti breme, ki bi pri polni obremenitvi imelo zamaknjeno napetost in tok za fazni kot 60 [7]. Sami te kalibracije nismo izvedli, ker nismo imeli na voljo takšnega bremena, ki nam bi zagotavljal zahtevane pogoje.
23 6 LITERATURA [1] Avtor: Zorič, Tine Naslov: Osnove elektrotehnike II : skripta za 2. semester elektro oddelka VTŠ Leto izida: 1970 [2] How delta-sigma ADCs work, Part 1, Texas Instruments, 31.8.2016. Dostopno na: http://ti.com/lit/an/slyt423/slyt423.pdf [3] Components and Methods for Current Measurement, Power Electronics, 31.8.2016. Dostopno na: http://powerelectronics.com/power-electronics-systems/components-and-methodscurrent-measurement [4] CS5490 Product Datasheet, Cirrus Logic, 31.8.2016. Dostopno na: https://cirrus.com/en/pubs/prodatasheet/cs5490_f3.pdf [5] CRD5490-Z Reference Design Datasheet, Cirrus Logic 31.8.2016. Dostopno na: https://cirrus.com/en/pubs/rddatasheet/crd5490-z_rd1.pdf [6] HM8115-2 Power Meter UserManual, A Rohde&Schwarz Company, 31.8.2016. Dostopno na: https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_manuals/ gb_1/h/hm8115_1/hm8115-2_power_meter_usermanual_de_en_03.pdf [7] AN366 CS5480/84/90 Energy Measurement IC Calibration, Cirrus Logic, 31.8.2016. Dostopno na: https:// cirrus.com/en/pubs/appnote/an366rev2.pdf [8] UART, Wikipedia, 31.8.2016. Dostopno na: https://en.wikipedia.org/wiki/universal_asynchronous_receiver/transmitter [9] Zagradišnik, Ivan ; Ritonja, Jožef ; Dremelj, Denis ; Goričan, Viktor ; Hadžiselimović, Miralem ; Muršec, Dušan ; Marčič, Tine Naslov: Električni in elektromehanski pretvorniki : zapiski predavanj Leto izida: 2013 [10] Root mean square, Wikipedia, 31.8.2016. Dostopno na: https://en.wikipedia.org/wiki/root_mean_square
1
2