Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1.

nkubiak 23 Lis 2016 15:45 2871 15
  • #1 23 Lis 2016 15:45
    nkubiak
    Poziom 3  

    Dzień dobry,

    Na początku chciałbym się przywitać z użytkownikami forum elektroda.pl, ponieważ wcześniej nie miałem potrzeby pisania.
    Chciałbym skonsultować z Wami pewien projekt. Chodzi o zaprojektowanie miernika który oprócz pomiaru napięcia fazy którą jest zasilany mierzy jeszcze jedną jest zasilany przez automatyczny przełącznik napięcia i mierzy napięcie na dwóch fazach zasilających ten przełącznik. Wyniki przesyłać ma za pomocą standardu RS-485. Docelowo mają być dwa takie urządzenia które będą prowadzić "pomiar krzyżowy".
    Układ pomiarowy ma działać w oparciu o poniższe załozenia:
    Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1.

    Poniżej zamieszczam schemat urządzenia:
    Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1. Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1. Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1. Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1.

    Postanowiłem zasymulować ustrój pomiarowy w LTSpice i wyniki są obiecujące. Dla sygnału o amplitudzie sqrt(2) i częstotliwośći 50Hz błąd pomiarowy jest na poziomie 1%. Należy zaznaczyć, że wyjście układu pomiarowego jest wzmocnione 2-krotnie. Chciałem aby Napięcie wejściowe na przetworniku ADC było mniej więcej w połowie jego zakresu. Napięcie oscyluje na poziomie ok 1,78V.




    Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1. Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1.

    Tutaj dla przebiegu o zmiennej amplitudzie:
    Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1.

    Zastanawia mnie czy właściwie zabezpieczyłem układ przed przepięciami? Od strony zasialnia chroni przetwornica (do 1kV), a od strony układu pomiarowego transil dwukierunkowy (jego napięcia odcięcia to kwestia dyskusji). Są jeszcze bezpieczniki SMD. Czy właściwie podłączyłem układ pomiarowy do przetwornika, tak aby błąd był możliwie mały? Ile taki układ może zużywać prądu (z moich szacunków wynika, ze nie więcej niż 100mA)?

    0 15
  • #2 23 Lis 2016 22:22
    TWK
    Specjalista elektryk

    Moim zdaniem napięcie 230V powinno być odseparowane galwanicznie od mikrokontrolera. Inaczej to rozwiązanie nie będzie bezpieczne. Kwestia ochrony od przepięć moim zdaniem po rozważeniu, jakie przepięcia wytrzyma izolacja tego urządzenia - na razie tego nie wiadomo.

    0
  • #3 24 Lis 2016 15:11
    nkubiak
    Poziom 3  

    Masz na myśli transformator separujący? Dlaczego trzeba odseparować galwanicznie jeżeli jest ochrona w formie transilów?

    0
  • #4 24 Lis 2016 21:31
    czesiu
    Poziom 33  

    Widzę że GND uziemiasz, zastanawiam się jak będzie działał ten układ gdy na przewodzie N wystąpi potencjał kilku woltów (albo więcej) napięcia względem ziemi.

    0
  • #5 26 Lis 2016 16:25
    nkubiak
    Poziom 3  

    Nie zamierzam dosłownie tego uziemiać. Nie wiem czy jesteś bardziej elektronikiem, czy elektrykiem ale w elektronice symbol uziemienia przyjęto jako wspólny punkt odniesienia 0V. Faktycznie może to tutaj wprowadzać w błąd.

    0
  • #6 26 Lis 2016 18:27
    Darom
    Specjalista elektryk

    Witam
    Interesujący projekt.
    Tak jak już wcześniej wspominał kolega TWK - mamy tutaj problem separacji galwanicznej. Ja skonstruowałem podobne urzadzenia z procesorem ARM-a, i skończyło się na tym, że separację zapewniam po stronie interfejsu cyfrowego. W moim przypadku to jest światłowód. Także i u mnie nie ma separacji miedzy układem mierzonym a mikroprocesorem, ale to już wynikało z tego, iż w moim wypadku taka separacja byłaby kosztowana.

    nkubiak napisał:

    Zastanawia mnie czy właściwie zabezpieczyłem układ przed przepięciami?
    Moim zdaniem tak. Sam układ pomiarowy jest zabezpieczony przezd przepięciami. Rozumiem że net (N) =Net(GND)).

    nkubiak napisał:

    Od strony zasialnia chroni przetwornica (do 1kV),
    A to mnie zaciekawiło, bo ja tej przetwornicy (1kV) nie widzę.

    pzdr
    -DAREK-

    0
  • #7 28 Lis 2016 10:55
    nkubiak
    Poziom 3  

    Właśnie rozglądałem się nad układem separującym galwanicznie interfejs RS-485 i kosztuje około 100 zł. Trochę sporo... Przetwornica jest na drugim arkuszu, zaraz za 12V stabilizatorem MCA12D05D (na schemacie jako U4).

    0
  • #8 28 Lis 2016 21:14
    Darom
    Specjalista elektryk

    Witam

    nkubiak napisał:
    Przetwornica jest na drugim arkuszu, zaraz za 12V stabilizatorem MCA12D05D (na schemacie jako U4).

    Teraz rozumiem, co miałeś na myśli, układ MCA12D05D ma wbudowaną separację galwaniczną (do 1kV) miedzy zaciskami wej a wyjściowymi.

    Niestety nie mogę kolegi pochwalić. Bo z jedenej strony w torze pomiarowym a więc kolejno dzielnik, wzmacniacz analogowy, ADC (wbudowany w uC) i dalej interfejs komunikacyjny nie ma żadnej izolacji galwanicznej. Z drugiej strony układ zasilacza posiada aż dwie izolacje galwaniczne tj. pierwsza -miedzy uzwojeniami transformatora zasilającego TRANSF0 oraz drugą w przetwornicy MCA.... . Może i od przybytku głowa nie boli (dwie izolacje), ale błędnie kolega przypuszcza, że zastosowanie tej przetwornicy MCA o takiej izolacji galwanicznej ma cokolwiek wspólnego z zabezpieczeniem na przepięcia od strony zasilania (rzekomo 1kV). Przy takim przepięciu może ulec uszkodzeniu transformator, stabilizator 7812 jak i stopień wejściowy tej przetwornicy MCA...

    Z kolei konsekwencje braku izolacji galwanicznej w torze pomiarowym to:
    - ryzyko porażenia niebezpiecznym napięciem
    - ryzyko uszkodzenia urzadzeń odczytujących z portu 485
    - błąd pomiarowy wynikający z przepływu prądu wyrównawczego miedzy układem mierzonym (przewód N) a urządzeniem odczytującym port 485
    Oprócz tego zawsze jest kwestią wpływu szumów toru cyfrowego na wejście analogowe ADC - to już bardzie sprawa umiejętności właściwego prowadzenia mas.

    pzdr
    -DAREK-

    0
  • #9 29 Lis 2016 15:53
    nkubiak
    Poziom 3  

    Darom napisał:
    błędnie kolega przypuszcza, że zastosowanie tej przetwornicy MCA o takiej izolacji galwanicznej ma cokolwiek wspólnego z zabezpieczeniem na przepięcia od strony zasilania (rzekomo 1kV). Przy takim przepięciu może ulec uszkodzeniu transformator, stabilizator 7812 jak i stopień wejściowy tej przetwornicy MCA...

    Więc w jaki sposób poprawnie to zabezpieczyć?

    Postanowiłem zrewidować założenia projektu i dzięki Wam doszedłem do wniosków:

    1) Większe napięcie wejściowe - przerobić dzielnik napięcia
    2) Wywalić zbędne wzmacniacze operacyjne
    3) Odseparować galwanicznie 2 fazy:
    a. Zasilać procesor, interfejs rs485, transoptory z jednej fazy EDIT: która jest zapewniana przez przełącznik zasilania. (Zapewnić odpowiednią separację zasilania)
    b. mierzyć napięcie, zasilać układ przetwarzania, zewnętrzny przetwornik ADC z drugiej EDIT: z obu faz oddzielnie dla każdego toru przetwarzania przed przełącznikiem zasilania. (Separacja przez transoptor EDIT: i osobny tor zasilania)

    Jak poprawię schemat, to wrzucę w celu dalszej dyskusji :)

    0
  • #10 29 Lis 2016 21:24
    Darom
    Specjalista elektryk

    nkubiak napisał:

    Postanowiłem zrewidować założenia projektu i dzięki Wam doszedłem do wniosków:


    Witam - ja chętnie bym zobaczył te założenia projektowe, a nie wnioski z nich. Założenia projektowe mają odpowiedzieć na pytanie do czego będzie służyć to urządzenie. A w szczególności:

    1. Zakres pomiarowy urządzenia
    2. dokładność pomiarów / przewidywany błąd - uwzględniający rozdzielczość ADC - w AVR-ach jak dobrze pamietam to są to przetworniki 8-bitowe
    3. Co będzie mierzone: wartość szczytowa, średnia czy RMS. Rozumiem, że pokazywana/przesyłana do (RS485) będzie wartość RMS (skuteczna)?
    4. Czy będą wyznaczane harmoniczne (jeśli tak to do której) lub inne zakłócenia, a może składowa stała napięcia?

    A co do zasilacza:
    1. Zakres napięcia zasilającego (min. i maksymalne, przy którym długotrwale zasilane nie ulegnie uszkodzeniu)
    2. Czy przewiduje się buforowanie zasilania z baterii, gdy napięcie fazy zasilającej spadnie poniżej przyjętego minimum.
    3. Zdolność znoszenia krótkotrwałych przepięć.

    A interface RS-485 - jego prędkość (to będzie trochę zależne od ilości informacji, którą będziesz chciał przepchnąć).
    To są pytanie które mi się przed chwilą nasunęły. Jak bym pomyślał, to byłoby ich na pewno więcej. Odpowiedzi na nie pozwolą mnie czy innym kolegom na zasugerowanie Tobie jakichś rozwiązań. Bo ja nie wiem co chcesz skonstruować. Na elektrodzie spotkałem się przynajmniej z kilkoma podobnymi urządzeniami. Sam skonstruowałem podobne urzadzenie, które nastawione jest na analizę przepięć, ma więc wbudowany dedykowany b.szybki przetwornik, który potrafi zdygitalizować to przepięcie. A zasilacz jego jest przystosowany do długotrwałej pracy w zakresie 150-950V, krótkotrwale wytrzymuje ponad 2kV. W kilku rozdzielniach, które obsługuję, testowo takie urządzenia pracują już ponad 2 lata.

    pzdr
    -DAREK-

    0
  • #11 01 Gru 2016 11:54
    nkubiak
    Poziom 3  

    Więc zacznę do czego miernik w ogóle ma być potrzebny. Pewne urządzenie zasilane jest napięciem sieciowym 230V przez automatyczny przełącznik zasilania (do którego podłączone są 2 źródła napięcia sieciowego). Chcę mieć informacja o stanie napięcia na tych 2 źródłach. Zasilanie miernika będzie za przełącznikiem, a pomiar przed.

    Darom napisał:
    1. Zakres pomiarowy urządzenia
    2. dokładność pomiarów / przewidywany błąd - uwzględniający rozdzielczość ADC - w AVR-ach jak dobrze pamietam to są to przetworniki 8-bitowe
    3. Co będzie mierzone: wartość szczytowa, średnia czy RMS. Rozumiem, że pokazywana/przesyłana do (RS485) będzie wartość RMS (skuteczna)?
    4. Czy będą wyznaczane harmoniczne (jeśli tak to do której) lub inne zakłócenia, a może składowa stała napięcia?

    1. Zakres pomiarowy: do 260V napięcia skutecznego
    2. Jeżeli będzie dokładność na poziomie 5% to wystarczy. W zależności od trybu pomiaru do 10 bitów. Jednak użyję zewnętrznych aby odseparować galwanicznie.
    3. Mierzona będzie wartość średnia, przesyłana wartość skuteczna. Zasada działania w pierwszym poście (skan)
    4. Nie analizowałem wpływu harmonicznych.
    Darom napisał:
    A co do zasilacza:
    1. Zakres napięcia zasilającego (min. i maksymalne, przy którym długotrwale zasilane nie ulegnie uszkodzeniu)
    2. Czy przewiduje się buforowanie zasilania z baterii, gdy napięcie fazy zasilającej spadnie poniżej przyjętego minimum.
    3. Zdolność znoszenia krótkotrwałych przepięć.

    1. +/- 10% napięcia 230V
    2. Nie. Urządzenie będzie zasilane za przełącznikiem zasilania.
    3. Przed krótkotrwałymi przepięciami ma chronić przetwornica oraz transile.


    EDIT:

    Poniżej schemat blokowy.
    Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1.

    0
  • #12 14 Gru 2016 15:53
    nkubiak
    Poziom 3  

    Wrzucam poprawiony schemat.
    Odizolowałem galwanicznie fazy od siebie i mikroprocesora, zwiększyłem napięcie wejściowe aby zminimalizować błąd, zmniejszyłem liczbę wzmacniaczy operacyjnych.
    Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1. Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1. Pomiar napięcia fazy L1 i L2 względem N z zasilaniem przez fazę L1.

    0
  • #13 15 Gru 2016 07:39
    czesiu
    Poziom 33  

    Ciekawią mnie wyniki jakie uzyskasz, bez eliminacji harmonicznych raczej szału nie będzie, bo z tego co zrozumiałem wartość napięcia wyliczasz w oparciu o amplitudę.
    Może chociaż programowo odfiltruj wyższe harmoniczne.
    Nie budowałem nigdy podobnego układu, ale z tego co mnie uczyli w szkole, to pomiary przebiegów przy stosowaniu przetworników A/D najlepiej wychodzą metodami wykorzystującymi składowe ortogonalne.
    Gdybyś chciał zdobyć informacje na ten temat polecam książkę "Algorytmy pomiarowe i decyzyjne cyfrowej automatyki elektroenergetycznej".
    Swoją drogą ciekawe jakie metody wykorzystuje zwykły analizator sieci za kilkaset zł.

    0
  • #14 15 Gru 2016 09:34
    nkubiak
    Poziom 3  

    Dziękuję za polecenie lektury. Jednak to ma być stosunkowo prosty i tani miernik służący do monitorowania napięcia (ewentualnie jakiś długookresowych spadków/wzrostów napięcia), nie zaś do monitorowania jakości dostarczanej energii. Nie bronię nikomu przerobić mojego rozwiązania pod swoje potrzeby :) Jeżeli nie będzie więcej jakiś większych uwag co do konstrukcji, to w ciągu kilku tygodni dam znać jak to się sprawuje.

    0
  • #15 15 Gru 2016 22:37
    popiol667
    Poziom 15  

    A na diabła takie drogie układy ADuC?! Przetwornica DC-DC typu 0505 zasilająca typowego SN485, do tego optoizolator do sterowania linią kierunku i tyle...

    EDIT:

    Ups, dopiero teraz sprawdziłem ceny jednego i drugiego :) Ale i tak pod względem prostoty konstrukcji lepiej będzie zasilić MAX485 poprzez przetwornicę + transoptor.

    Pozdrawiam!

    0
  • #16 26 Gru 2016 17:24
    Darom
    Specjalista elektryk

    Witam kolegę Norberta

    Ostatnie tygodnie przed świętami byłem zajęty różnymi projektami - stąd ograniczałem mój czas na forum i dlatego pisze dopiero dzisiaj.

    Kolega Norbert (nkubiak) zrobił duży postęp. Ostatnia koncepcja układowa jest dużo lepsza od tej pierwszej. O ile w pierwszej nie było żadnej separacji galwanicznej NIGDZIE (jeśli nie liczyć transformatora zasilającego), to teraz takowa już się pojawiła (izolatory ADuM1401 dla każdego kanału pomiarowego) oraz przetwornice MC1205 dla każdego kanału i mikrokontrolera. To już się trzyma kupy.

    Jeśli jak mógłbym coś zaproponować, to jako separację galawaniczną zastosowałbym transformatorki sieciowe (mogłyby być takie same jak jak ten w obwodzie zasilania) na wejsciach pomiarowych faz. Wtedy zostawiłbym tylko jedną przetwornicę MC1205 (po to aby mieć napięcia +/- do zasilania torów analogowych). Schemat uległby znacznemu uproszczeniu, bez naruszenia założeń projektowych.

    pzdr
    -DAREK-

    0