Übersicht und Gerät moderner Stromzähler

In letzter Zeit sind anstelle von Induktionsstromzählern elektronische Zähler hinzugekommen. Bei diesen Zählern wird der Zählmechanismus nicht mit Spannungs- und Stromspulen gedreht, sondern mit Spezialelektronik. Darüber hinaus können der Mikrocontroller bzw. die Digitalanzeige ein Mittel zum Aufzeichnen und Anzeigen von Messwerten sein. All dies ermöglichte es, die Gesamtabmessungen der Geräte zu reduzieren und ihre Kosten zu senken.

Die Zusammensetzung fast aller elektronischen Zähler umfasst einen oder mehrere spezialisierte Computerchips, die die Grundfunktionen der Umwandlung und Messung ausführen. Der Eingang einer solchen Mikroschaltung empfängt Informationen über die Spannungs- und Stromstärke von den entsprechenden Sensoren in analoger Form. Innerhalb des Chips werden diese Informationen digitalisiert und auf bestimmte Weise konvertiert. Infolgedessen werden am Ausgang der Mikroschaltung Impulssignale erzeugt, deren Frequenz proportional zur Stromaufnahme der an das Messgerät angeschlossenen Last ist. Die Impulse erreichen den Zählmechanismus, bei dem es sich um einen Elektromagneten handelt, der mit Zahnrädern auf Rädern mit Zahlen koordiniert ist. Bei teureren Zählern mit Digitalanzeige wird ein zusätzlicher Mikrocontroller verwendet. Es wird über eine bestimmte Schnittstelle mit der oben genannten Mikroschaltung und einer Digitalanzeige verbunden, sammelt das Ergebnis der Strommessung im nichtflüchtigen Speicher und bietet zusätzliche Gerätefunktionen.

Betrachten Sie mehrere ähnliche Mikroschaltungen und Zählermodelle, die mir zur Hand kamen.

Ein nicht zusammengebautes Bild unten zeigt eines der billigsten und beliebtesten Einphasenmessgeräte „NEVA 103“. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Zählvorrichtung recht einfach. Die Hauptplatine besteht aus einer speziellen Mikroschaltung, ihrem Bodykit und einer Leistungsstabilisatorbaugruppe auf der Basis eines Ballastkondensators. Auf der zusätzlichen Karte befindet sich eine LED, die die verbrauchte Last anzeigt. In diesem Fall 3200 Impulse pro 1 kW * h. Es ist auch möglich, Impulse vom grünen Klemmenblock oben am Zähler zu nehmen. Der Zählmechanismus besteht aus sieben Rädern mit Nummern, einem Getriebe und einem Elektromagneten. Es zeigt den berechneten Strom mit einer Genauigkeit von Zehntel kW * h an. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, hat das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von 200: 1. Nach meinen Ausführungen bedeutet dies "200 Impulse pro 1 kWh". Das heißt, 200 Impulse, die an den Elektromagneten angelegt werden, tragen dazu bei, das letzte rote Rad um 1 volle Umdrehung zu scrollen. Dieses Verhältnis ist ein Vielfaches des Verhältnisses für die LED-Anzeige, was nicht zufällig ist. Das Getriebe mit einem Elektromagneten befindet sich in einem Metallgehäuse unter zwei Abschirmungen, um es vor Störungen durch ein externes Magnetfeld zu schützen.



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



Die Pins 5 und 6 empfangen ein analoges Signal vom Stromshunt, der sich am ersten und zweiten Anschluss des Messgeräts befindet (Schäden sind auf dem Foto an dieser Stelle sichtbar). Die Pins 8 und 7 empfangen ein analoges Signal proportional zur Spannung im Netzwerk. Über die Pins 16 und 15 kann die Verstärkung des internen Operationsverstärkers eingestellt werden, der für den Strom verantwortlich ist. Beide Signale werden mit Hilfe von ADC-Einheiten in digitale Form umgewandelt und nach einer bestimmten Korrektur und Filterung dem Multiplikator zugeführt. Der Multiplikator multipliziert diese beiden Signale, wodurch nach den Gesetzen der Physik Informationen über den aktuellen Stromverbrauch an seinem Ausgang erhalten werden. Dieses Signal wird einem speziellen Wandler zugeführt, der vorgefertigte Impulse an die Zählvorrichtung (Pins 23 und 24) sowie an die Steuer-LED und den Zählausgang (Pin 22) erzeugt. Über die Pins 12, 13 und 14 werden Frequenzfaktoren und Modi der obigen Impulse konfiguriert.

Das Standardschema des Bodykits ist fast ein Schema des betrachteten Zählers.



Das gemeinsame Minuskabel ist an 220 V angeschlossen. Die Phase geht über einen Teiler an den Widerständen zu Pin 8, der dazu dient, den Pegel der gemessenen Spannung zu verringern. Das Signal vom Shunt gelangt auch über Widerstände in die entsprechenden Eingänge des Chips. In dieser zum Testen vorgesehenen Schaltung sind die Konfigurationspins 12-14 mit einer logischen Einheit verbunden. Je nach Modell des Messgeräts können sie unterschiedlich konfiguriert sein. In dieser kurzen Übersicht sind diese Informationen nicht so wichtig. Die LED-Anzeige ist in Reihe mit der optischen Isolation mit dem entsprechenden Pin verbunden, auf dessen anderer Seite ein Klemmenblock angeschlossen ist, um die Zählinformationen (K7 und K8) zu entfernen.

Aus derselben Familie von Mikroschaltungen gibt es ähnliche Analoga für dreiphasige Messungen. Höchstwahrscheinlich sind sie in billige Drehstromzähler eingebaut. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die Struktur einer dieser Mikroschaltungen, nämlich ADE7752.



Anstelle von zwei ADC-Knoten werden 6 verwendet: 2 für jede Phase. Die negativen Eingänge der Operationsverstärkerspannung werden miteinander kombiniert und an Pin 13 (Null) ausgegeben. Jede der drei Phasen ist mit ihrem positiven Eingang des Operationsverstärkers (Pins 14, 15, 16) verbunden. Die Signale von den Stromshunts für jede Phase sind analog zum vorherigen Beispiel verbunden. Für jede der drei Phasen wird ein Signal, das die Stromleistung charakterisiert, unter Verwendung von drei Multiplikatoren extrahiert. Diese Signale durchlaufen zusätzlich zu den Filtern zusätzliche Knoten, die über Pin 17 aktiviert werden und dazu dienen, den Betrieb des mathematischen Moduls zu ermöglichen. Dann werden diese drei Signale summiert, wodurch der Gesamtstromverbrauch für alle Phasen erhalten wird. Abhängig von der Binärkonfiguration von Pin 17 summiert der Addierer entweder die Absolutwerte der drei Signale oder ihrer Module. Dies ist für bestimmte Feinheiten der Strommessung erforderlich, deren Details hier nicht berücksichtigt werden. Dieses Signal wird einem Wandler ähnlich dem vorherigen Beispiel mit einem Einphasenmesser zugeführt. Die Schnittstelle ist auch fast die gleiche.

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



Die Mikroschaltung misst die aktive und reaktive dreiphasige Elektrizität, verfügt über eine SPI-Schnittstelle zum Anschließen des Mikrocontrollers und einen CF-Ausgang (Pin 1) zur externen Registrierung der aktiven Elektrizität. Alle anderen Informationen aus der Mikroschaltung werden vom Mikrocontroller über die Schnittstelle gelesen. Durch sie wird die Konfiguration der Mikroschaltung durchgeführt, 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 auf dieser Mikroschaltung basierenden Zähler aufzubauen. Im Strukturdiagramm können Sie visuell die Knoten beobachten, die einzeln für die Messung der aktiven und reaktiven Energie verantwortlich sind. Hier ist alles viel komplizierter als in den beiden vorhergehenden Beispielen.

Betrachten Sie als Beispiel ein weiteres interessantes Gerät: ein Dreiphasenmessgerät „Energomera TSE6803V P32“. Wie auf dem Foto unten zu sehen ist, wurde dieser Zähler noch nicht betrieben. Ich habe es in einer nicht versiegelten Form mit geringfügigen mechanischen Schäden an der Außenseite erhalten. Mit all dem war er völlig in Arbeitszustand.



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



Die Module sind vertikal auf der Hauptplatine abgedichtet. Verdrillte Drähte verbinden Stromshunts mit diesen Modulen.

Für ein paar Stunden gelang es mir, ein elektrisches Diagramm des Geräts zu zeichnen. Betrachten wir es genauer.



Rechts im allgemeinen Diagramm befindet sich ein Diagramm eines Einphasenmoduls, das oben erwähnt wurde. Der D1-Chip dieses AD71056-Moduls ähnelt in seinem Zweck dem zuvor diskutierten ADE7755-Chip. Der vierte Kontakt des Moduls wird mit 5 V und der dritte mit einem Spannungssignal versorgt. Informationen vom zweiten Kontakt werden in Form von Impulsen über den Stromverbrauch über den CF-Ausgang des D1-Chips aufgenommen. Das Signal von den Stromshunts kommt über die Kontakte X1 und X2. Die Konfigurationseingänge der SCF-, S1- und S0-Mikroschaltung befinden sich in diesem Fall an den Pins 8-10 und sind in "0,1,1" konfiguriert.

Jedes dieser drei Module dient jeweils jeder Phase. Das Signal zur Spannungsmessung wird dem Modul über eine Kette von vier Widerständen zugeführt und vom Nullpol („N“) abgenommen. Es ist zu beachten, dass der gemeinsame Draht 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 in der Schaltung mit Strom zu versorgen, wird unten beschrieben.

Jede der drei Phasen geht zu den Zenerdioden VD4, VD5 bzw. VD6, dann zu den Vorschaltgeräten RC1, R2C2 und R3C3 und dann zu den Zenerdioden VD1, VD2 und VD3, die durch ihre Anoden mit Null verbunden sind. Von den ersten drei Zenerdioden wird die Versorgungsspannung für jedes Modul U3, U2 bzw. U1 entfernt und durch die Dioden VD10, VD11 und VD12 gleichgerichtet. Mit den Chip-Reglern D1-D3 wird eine Versorgungsspannung von 5V erreicht. Die Spannung der allgemeinen Schaltung wird von den Zenerdioden VD1-VD3 entfernt, durch die VD7-VD9-Dioden gleichgerichtet, an einem Punkt gesammelt und dem D4-Regler zugeführt, von wo 5 V entfernt werden.

Die allgemeine Schaltung ist ein Mikrocontroller (MK) D5 PIC16F720. Offensichtlich dient es dazu, Informationen über den Stromverbrauch, der von jedem Modul kommt, in Form von Impulsen zu sammeln und zu verarbeiten. Diese Signale kommen von den Modulen U3, U2 und U1 über die optischen Übergänge V1, V2 bzw. V3 zu den Pins von MK RA2, RA4 und RA5. Infolgedessen erzeugt der MK an den Pins RC1 und RC2 Impulse für die mechanische Zählvorrichtung M1. Es ähnelt dem zuvor diskutierten Gerät und hat auch ein Verhältnis von 200: 1. Der Widerstand der Spule ist hoch und beträgt ca. 500 Ohm, sodass Sie sie ohne zusätzliche Transistorschaltungen direkt an den MK anschließen können. An Pin RC0 erzeugt der MK Impulse für die LED-Anzeige HL2 und für den externen Impulsausgang am Stecker XT1. Letzteres wird durch die optische Isolation V4 und den Transistor VT1 implementiert. In diesem Messgerät beträgt das Verhältnis 400 Impulse pro 1 kW * h. In der Praxis wurde beim Testen dieses Zählers (nach einer kleinen Reparatur) festgestellt, dass die elektromagnetische Spule des Zählmechanismus synchron mit dem Blitz der HL2-LED arbeitet, jedoch jedes zweite Mal (zweimal weniger). Dies bestätigt die Übereinstimmung der Verhältnisse 400: 1 für den Indikator und 200: 1 für den Zählmechanismus, wie zuvor erwähnt.

Auf der linken Seite der Platine befindet sich ein Platz für den 10-poligen XS1-Anschluss, der zum Blinken dient, sowie für die UART-Schnittstelle von MK.

Das Dreiphasenmessgerät „Energomera TSE6803V R32“ besteht somit aus drei einphasigen Messmikrokreisen und einem Mikrocontroller, der Informationen daraus verarbeitet.

Zusammenfassend ist anzumerken, dass es eine Reihe von Zählermodellen gibt, deren Funktionalität viel komplexer ist. Zum Beispiel Messgeräte mit Fernüberwachung von Messwerten per Stromleitung oder sogar über ein Mobilkommunikationsmodul. In diesem Artikel habe ich nur die einfachsten Modelle und die Grundprinzipien für den Aufbau ihrer elektrischen Schaltkreise betrachtet. Ich entschuldige mich im Voraus für die möglicherweise falsche Terminologie im Text, da ich versucht habe, im Klartext darzulegen.