№4 / 2015 / статья 2

Для однофазных и многофазных счетчиков: новые измерительные микросхемы от ST

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Новое семейство специализированных измерительных микросхем STPM3x производства компании STMicroelectronics предназначено для создания счетчиков потребляемой электроэнергии в однофазных и многофазных сетях. Метрологические характеристики STPM3x отвечают самым жестким требованиям отечественных и международных стандартов. ST предлагает для новых микросхем демонстрационные наборы, отладочные платы и специальное ПО.

Начиная разговор о приборах учета электрической энергии, необходимо в первую очередь упомянуть о существующих реалиях рынка потребления электричества. Тарифная политика в последние десять лет направлена в сторону обеспечения полной окупаемости произведенной энергии. А это, в свою очередь, требует создания современной системы учета потребляемой и вырабатываемой электроэнергии.

В соответствии с постановлением правительства РФ от 4 мая 2012 г. № 442 «О функционировании розничных рынков электрической энергии, полном и (или) частичном ограничении режима потребления электрической энергии», система учета предусматривает несколько категорий субъектов рынка (таблица 1) [1]. Для каждого субъекта выдвигаются вполне конкретные требования к приборам учета.

Таблица 1. Особенности приборов учета для различных категорий потребителей

Субъект рынка электроэнергии Напряжение, кВ Класс точности
прибора учета
Граждане (индивидуальные приборы учета) 2,0 и выше
Многоквартирные дома (общедомовые приборы учета) 1,0 и выше
Потребители с потребляемой мощностью менее 670 кВт <35 1,0 и выше
Потребители с потребляемой мощностью менее 670 кВт >110 0,5S и выше
Потребители с потребляемой мощностью более 670 кВт 0,5S и выше, хранение почасовых показаний за 120 дней
Потребители с потребляемой мощностью более 670 кВт (счетчик реактивной мощности) 2 и выше
Производители электрической энергии 0,5S и выше, хранение почасовых показаний за 120 дней

При этом принимаются вполне конкретные меры по принуждению индивидуальных потребителей к установке приборов учета. Так, например, при отсутствии счетчика оплата по потреблению формируется по установленным нормам, исходя из числа проживающих лиц. Практика показывает, что в этом случае полученные значения оказываются выше, чем реальные показания при наличии прибора учета.

Анализируя требования постановления от 4 мая 2012 г. № 442 к типам счетчиков, можно отметить, что предполагается использование счетчиков активной и реактивной энергии различных классов точности. Рынок приборов учета электрической энергии является растущим и потенциально привлекательным для производителей.

Компания STMicroelectronics предлагает специализированные ИС для создания электросчетчиков, а также множество готовых решений, позволяющих значительно упростить процесс разработки новых приборов учета. При этом характеристики создаваемых образцов будут значительно превосходить требования, указанные в нормативных документах.

Нормативные документы для счетчиков электроэнергии

Постановление от 4 мая 2012 г. № 442 прямо указывает на необходимость соответствия счетчиков электрической энергии требованиям действующих ГОСТов. Среди них можно выделить четыре основных стандарта, которые применимы для большинства бытовых и промышленных счетчиков (до 600 В).

  • ГОСТ 31818.11-2012 (МЭК 62052-11:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Общие требования. Испытания и условия испытаний. Часть 11. Счетчики электрической энергии».
  • ГОСТ 31819.21-2012 (МЭК 62053-21:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 21. Статические счетчики активной энергии классов точности 1 и 2».
  • ГОСТ 31819.22-2012 (МЭК 62053-22:2003). «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S».
  • ГОСТ 31819.23-2012 (МЭК 62053-23:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 23. Статические счетчики реактивной энергии».

Не имеет смысла пересказывать содержание данных стандартов, стоит лишь дать им краткую характеристику.

ГОСТ 31818.11-2012 является общим. Его требования применимы ко всем приборам учета (статическим и электромеханическим, внутренней и внешней установки), используемым в сетях переменного тока 50 или 60 Гц при напряжении до 600 В. Стандарт дает основные определения и характеристики счетчиков, устанавливает требования к типам и условиям испытаний [2].

Среди основных характеристик электрических счетчиков можно выделить:

Стартовый ток (чувствительность), Iст – наименьшее значение тока, при котором начинается непрерывная регистрация показаний.

Базовый ток, Iб – значение среднеквадратичного тока, являющееся исходным для установления требований к счетчику с непосредственным включением.

Номинальный ток, Iном – значение среднеквадратичного тока, являющееся исходным для установления требований к счетчику, работающему от трансформатора.

Максимальный ток, Iмакс – наибольшее значение среднеквадратичного тока, при котором счетчик удовлетворяет требованиям точности. Значение максимального тока обычно выбирается кратным базовому току, но не должно быть менее 30 А для счетчиков с непосредственным включением.

Номинальное напряжение, Uном – значение среднеквадратичного напряжения, являющееся исходным при установлении требований к счетчику.

Установленный диапазон измерений – совокупность значений измеряемой величины, для которой погрешность счетчика должна находиться в установленных пределах.

Номинальная частота – значение частоты, являющееся исходным при установлении требований к счетчику. Стандарт определяет две возможные номинальные частоты 50 и 60 Гц.

К метрологическим параметрам счетчика также относят класс точности и погрешность.

Значения номинальных напряжений и базовых токов стандартны, и указаны в данном ГОСТе.

Частные требования к статическим счетчикам электроэнергии описаны в остальных перечисленных стандартах. Так, например, ГОСТ 31819.21-2012 распространяется на статические (электронные) счетчики ватт-часов классов точности 1 и 2, предназначенных для измерения электрической активной энергии в сетях переменного тока частотой 50 или 60 Гц и напряжением менее 600 В. В стандарте содержатся требования двух типов [3].

  • Электрические требования ГОСТ 31819.21-2012 характеризуют потребляемую мощность; влияние кратковременных перегрузок по току; влияние саморазогрева; условия испытаний напряжением переменного тока.
  • Требования к точности ГОСТ 31819.21-2012 задают пределы погрешности, вызванные изменением тока и другими влияющими факторами; условия проверки начального запуска, стартового тока и отсутствия самохода; постоянную счетчика; условия проверки счетчика; метод интерпретации результатов испытаний.

Аналогичные требования содержат и ГОСТ 31819.22-2012 для статических счетчиков активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S и ГОСТ 31819.23-2012 для счетчиков реактивной мощности [4, 5].

Анализируя требования перечисленных ГОСТов, можно отметить, что наиболее жесткие требования к точности предъявляются приборам класса 0,2S при измерении токов в диапазоне 0,05 Iном ≤ I ≤ Iмакс (динамический диапазон 20) при чисто активной нагрузке. В этом случае точность должна быть не ниже ±0,2%.

В современных счетчиках энергии для непосредственных измерений используются специализированные ИС. Компания STMicroelectronics производит более десятка подобных микросхем, которые обеспечивают точность, отвечающую требованиям ГОСТ 31819.22-2012 для приборов класса точности 0,2S. При этом кроме самих специализированных ИС, STMicroelectronics предлагает референсные решения, имеющие простую функциональную структуру.

Общая функциональная схема

Функциональная схема электрического прибора учета содержит несколько обязательных блоков (рисунок 1).

Сердцем любого счетчика является измерительная часть, которая представлена специализированной ИС и датчиками токов и напряжений (рисунок 1). Датчиками напряжения в большинстве случаев выступают резистивные делители. Они служат для согласования уровня измеряемого напряжения сети и допустимых входных напряжений ИС. Для измерения уровня протекающих токов используют различные датчики: датчики Холла, катушки Роговского, трансформаторы тока и шунты.

Рис. 1. Функциональная схема интеллектуального счетчика электроэнергии

Рис. 1. Функциональная схема интеллектуального счетчика электроэнергии

Для отображения показаний применяют как барабанный механизм, так и ЖК-дисплей. Если используется последний, то необходимо наличие управляющего микроконтроллера.

В настоящее время микроконтроллер является неотъемлемой частью интеллектуального счетчика. Компания STMicroelectronics для этих целей предлагает использовать как высокопроизводительные 32-битные семейства STM32F и STM32L, так и бюджетные 8-битные микроконтроллеры STM8.

Кроме управления ЖК-дисплеем, контроллер обеспечивает мониторинг системы питания, запись показаний в EEPROM, передачу сервисной информации и показаний измерений по одному из интерфейсов связи, получение настроечных данных, выполнение дополнительных функций индикации и управления.

Как видно из функциональной схемы, только измерительная часть отвечает за показатели точности прибора в целом. Таким образом, правильный выбор датчиков тока и специализированных ИС является необходимым (но не достаточным) условием достижения требуемой точности. На величину погрешности измерений могут влиять и сопутствующие факторы (неверная разводка платы, неоптимальный выбор параметров измерений и так далее).

Выбор датчиков тока проводится с учетом метрологических, экономических и габаритных показателей (таблица 2) [6].

Таблица 2. Характристики наиболее распространенных датчиков тока

Характеристика Шунт Трансформатор тока Датчик Холла Катушка Роговского
Линейность АЧХ и ФЧХ ++ 0 ++
Широкий диапазон измерений (5 декад) 0 0 + ++
Широкая полоса пропускания + 0 0 ++
Отсутствие насыщения постоянным током ++ ++
Низкий температурный коэффициент 0 + ++
Высокий уровень изоляции ++ 0 ++
Низкая потребляемая мощность + 0 ++
Диапазон выходного напряжения ++ ++ 0
Стоимость ++ 0 +
Вес + + ++
Гибкость размеров и формы датчика + ++
Обозначения:
«-» – низкие показатели
«0» – средние показатели
«+» – хорошо
«++» – отлично

 

Решающее влияние на точность оказывает тип выбранной измерительной ИС. Компания STMicroelectronics предлагает широкий выбор подобных микросхем.

Специализированные измерительные ИС от ST

Номенклатура специализированных измерительных микросхем производства STMicroelectronics содержит более десятка этих изделий (таблица 3). Каждая из этих ИС обеспечивает точность измерений 0,1%, что соответствует требованиям точности даже для приборов учета класса 0,2S. При этом динамический диапазон измерений составляет 1000:1, что превосходит требования стандартов.

Таблица 3. Специализированные ИС измерения параметров потребления от ST

Наименование Измеряемые параметры Тип датчиков тока Число каналов
измерения
Точность измерения активной мощности ном., %
STPM01 Мощность, мгновенные и среднеквадратичные значения токов и напряжений Шунт, трансформатор тока, катушка Роговского 2 0,1
STPM10 Мощность, мгновенные и среднеквадратичные значения токов и напряжений Шунт, трансформатор тока 2 0,1
STPM11 Активная мощность Шунт, трансформатор тока, катушка Роговского 2 0,1
STPM12 2 0,1
STPM13 3 0,1
STPM14 3 0,1
STPM32 Мощность, мгновенные и среднеквадратичные значения токов и напряжений, SAG, SWELL, ZC Шунт, трансформатор тока, катушка Роговского 2 0,1
STPM33 3 0,1
STPM34 4 0,1
STPMC1 Мощность, мгновенные и среднеквадратичные значения токов и напряжений Шунт, трансформатор тока, катушка Роговского 5 0,1
STPMS1 2
STPMS2 2

 

Приведенные ИС отличаются типом поддерживаемых датчиков тока, перечнем измеряемых параметров, динамическим диапазоном измерения, типом выходных сигналов, корпусами.

Семейства STPM1x и STPM01 идеально подходят для построения бюджетных счетчиков энергии для индивидуальных потребителей и общедомовых приборов учета.

Связку STPMC1 + STPMS1/STPMS2 применяют для создания многофазных счетчиков.

Микросхемы семейства STPM3x представляют сложные аналого-цифровые системы, предназначенные для создания точных приборов учета потребляемой активной и реактивной мощности. Кроме измерения мощности, ИС способны измерять мгновенные и среднеквадратичные значения токов и напряжений. К дополнительным преимуществам STPM3x относится возможность определения перенапряжений (SWELL), провалов напряжений (SAG), перегрузок по току, утечек тока. В качестве датчиков тока STPM3x могут использовать шунты, трансформаторы тока, катушки Роговского.

В состав семейства STPM3x входят три представителя: двухканальная ИС STPM32 (один канал для тока и один – для напряжения), трехканальная STPM33 (два канала для тока и один – для напряжения) и четырехканальная STPM34 (два канала для тока, два – для напряжения). Они подходят для создания однофазных и многофазных счетчиков как активной, так и реактивной мощности.

В настоящее время именно микросхемы STPM3x являются наиболее современными и совершенными среди специализированных изделий STMicroelectronics для счетчиков электроэнергии.

Преимущества нового семейства измерительных ИС STPM3x

Благодаря ряду нововведений и улучшений, STPM3x превосходит семейство STPMx по целому ряду показателей [7]:

  • точность измерений 0,1% достигается при динамическом диапазоне измерений 1:5000 (у STPMx только 1:1000);
  • полоса пропускания увеличена до 4 кГц (0,8 кГц у STPMx);
  • число каналов измерения достигает четырех (STPM34): два для тока и два для напряжения (у STPMx максимально два: один для тока и один для напряжения);
  • возможность измерения как активной, так и реактивной мощности, мгновенных и среднеквадратичных значений токов и напряжений;
  • возможность определения перенапряжений (SWELL), провалов напряжений (SAG), перегрузок по току, утечек тока;
  • наличие интерфейсов связи с микроконтроллером по SPI/UART.

Такие улучшения характеристик стали возможны благодаря качественному улучшению структуры ИС, которую необходимо рассмотреть более подробно.

Особенности структуры микросхем семейства STPM3x

Рассмотрим в качестве примера структуру STPM34. Эта микросхема содержит три основных части: аналоговую (блок аналоговой обработки, система питания, блок тактирования), цифровую (блок цифровой обработки, блок интерфейсов), интерфейсную (блок интерфейсов SPI/UART) (рисунок 2).

Рис. 2. Структурная схема STPM34

Рис. 2. Структурная схема STPM34

В общем виде процесс измерений и обработки данных достаточно линеен. Входные сигналы токов и напряжений проходят сначала аналоговую обработку, потом оцифровываются и обрабатываются методами ЦОС.

Каждый из структурных блоков имеет свои особенности, которые следует рассмотреть отдельно.

Особенности аналоговой части микросхем STPM3x

Аналоговая часть микросхем STPM3x состоит из нескольких блоков: системы питания и начального сброса (Power On Reset, POR), системы аналоговой обработки входных сигналов (Analog Front End, AFE), системы тактирования.

Система питания обеспечивает питание всех блоков, входящих в состав микросхем. Напряжение питания 3,3 В подается на вывод Vсс, остальные необходимые уровни формируются следующими регуляторами:

  • регулятор +3,0 В с низким собственным падением напряжения;
  • регулятор +1,2 В;
  • два опорных источника 1,18 В. Эти уровни дополнительно буферизируются и преобразуются в четыре напряжения питания аналоговых узлов микросхемы (VREFC1, VREFV1, VREFC2, VREFV2).

Интегрированные регуляторы доступны и для внешних цепей через дополнительны выводы VDDA (3,0 В), VDDD (1,2 В), REF1 и REF2 (1,18 В).

Система первоначального сброса (POR) обеспечивает задержку включения цифровой части микросхемы на 750 мкс. Кроме того, при падении напряжения питания ниже 2,5 В POR запрещает работу ИС.

Система тактирования использует внешний тактовый сигнал частотой 16 МГц. Допустимо использование как кварцевого резонатора, так и генератора.

Система тактирования выполняет две основные функции: задержку старта после разрешения от POR для получения плавного запуска и формирование необходимых тактовых сигналов аналоговой и цифровой части ИС.

Система аналоговой обработки входных сигналов AFE в ИС STPM34 обеспечивает обработку дифференциальных сигналов с входных каналов: VIP1-VIN1, VIP2-VIN2 (сигналы напряжения) и IIP1-IIN1, IIP2-IIN2 (сигналы тока).

Допустимый размах входного сигнала на дифференциальных каналах напряжения (VIPx-VIN1x) – фиксирован, и не должен превышать ±300 мВ.

Токовые каналы снабжены дополнительными входными программируемыми усилителями. Они выполнены по схеме с автокоррекцией прерыванием. Использование такой схемы позволяет минимизировать влияние напряжения смещения, но ухудшает частотные характеристики.

Для используемых усилителей доступны программируемые коэффициенты усиления 2, 4, 8, 16, которые определяют диапазоны входных дифференциальных сигналов ±300, ±150, ±75 или ±37,5 мВ.

Усиленные сигналы поступают на сигма-дельта-модулятор второго порядка. Модулятор содержит два интегратора, компаратор, сумматоры, ЦАП и блоки обратной связи.

При оцифровке используется техника смешивания с псевдослучайным сигналом. Это позволяет устранить кореляцию сигналов модуляторов и воздействие несущих частот.

Выходной компаратор выполняет функцию однобитного АЦП. При этом аналоговые сигналы преобразуются в поток однобитных данных с частотой выборки 4 МГц.

Сформированные цифровые потоки значний тока и напряжения поступают в блок цифровой обработки.

Особенности цифровой части микросхем STPM3x

Цифровая часть STPM3x содержит несколько основных блоков цифровой обработки входных потоков (Digital front end, DFE), фазовой компенсации, децимации, цифровые фильтры, блоки калибровки, цифровой сигнальный процессор (DSP).

Блоки цифровой обработки входных потоков (DFE) необходимы для синхронизации поступающих битовых потоков сигналов токов и напряжений.

Блок фазовой компенсации (Phase compensation) позволяет вносить фазовые сдвиги во входные сигналы.

Блок децимации (Decimation block) преобразует битовые потоки 4 МГц в потоки 24-битных данных с частотой 7,8125 кГц.

Блок цифровых фильтров включает:

  • фильтр ВЧ (DC cancelation filter), который устраняет постоянную составляющую из цифровых потоков сигналов токов и напряжений;
  • интегратор для катушек Роговского (Rogowski coil Integrator);
  • базовый фильтр основной частоты (Fundamental harmonic component filter). Это НЧ-фильтр, используемый для определения периода момента перехода через ноль, фазо-частотных характеристик и значений активной и реактивной мощности;
  • реактивный избирательный фильтр гармонических составляющих (Harmonic content selection for reactive energy) используется для определения реактивной мощности.

Цифровой сигнальный процессор (DSP) выполняет окончательную обработку сигналов и определяет искомые параметры потребления:

  • значение активной мощности в диапазоне частот 0 Гц (4 Гц)…3,6 кГц;
  • значение активной мощности в номинальном диапазоне частот 45…65 Гц;
  • реактивную мощность на основной частоте и во всем частотном диапазоне;
  • полную мощность, рассчитанную по среднеквадратичным значениям токов и напряжений;
  • полную мощность, рассчитанную векторным методом;
  • вспомогательные величины: среднеквадратичные значения токов и напряжений, период, момент пересечения нуля, фазовую задержку, перенапряжения (SWELL), провалы напряжения (SAG), утечки тока (при замере тока нулевой фазы).

Результирующие расчетные значения могут быть считаны по одному из возможных интерфейсов связи

Интерфейсы обмена данными с STPM3x

Для считывания результатов вычисления, а так же для программирования режимов работы в STPM3x предусмотрены два совмещенных последовательных интерфейса: четырехвыводной SPI и двухвыводной UART.

Эти интерфейсы используют одни и те же выводы, а потому не могут использоваться одновременно.

Выбор активного интерфейса происходит автоматически при подаче питания или при активации микросхемы с помощью вывода EN. Если при включении микросхемы вывод SCS подтянут к земле, то активным становится SPI. Если на SCS поддерживается высокий уровень сигнала, то выбирается UART. После этого функция выбора интерфейса блокируется, чтобы избежать случайных переключений.

Говоря о протоколе взаимодействия, стоит отметить, что используются пятибайтовые посылки: 4 байта данных + 1 CRC (опционально).

Еще одна интересная особенность заключается в том, что вывод SCS после закрепления выбранного интерфейса выполняет функцию выбора кристалла. Это позволяет использовать параллельное включение микросхем в один канал связи, что важно при построении многофазных счетчиков.

Примеры построения счетчиков на базе STPM3x

Семейство STPM3x включает три микросхемы: STPM32 (один канал для тока и один для напряжения), STPM33 (два канала для тока и один – для напряжения), STPM34 (два канала для тока и два – для напряжения). Такое разнообразие позволяет реализовывать разные варианты как однофазных, так и многофазных счетчиков.

Для построения бюджетных однофазных счетчиков идеально подходит STPM32 (рисунок 3). ИС позволяет измерять ток и напряжение одной фазы, этого вполне достаточно в самом простом случае. При необходимости, интерфейс между STPM32 и микроконтроллером может быть гальванически развязан.

Рис. 3. Построение однофазного счетчика электроэнергии на базе STPM32

Рис. 3. Построение однофазного счетчика электроэнергии на базе STPM32

Приведенный вариант не измеряет ток нулевого провода. По этой причине нет возможности определять токи утечки. Такого недостатка лишена схема на базе STPM33 (рисунок 4). Эта ИС имеет дополнительный канал измерения тока, который используется для измерения тока нулевого провода.

Рис. 4. Построение однофазного счетчика электроэнергии на базе STPM33

Рис. 4. Построение однофазного счетчика электроэнергии на базе STPM33

Многофазный счетчик может быть реализован с помощью трех STPM32 (рисунок 5). При этом ток нулевого провода не измеряется.

Рис. 5. Построение трехфазного счетчика электроэнергии на базе STPM32

Рис. 5. Построение трехфазного счетчика электроэнергии на базе STPM32

Многофазный счетчик с возможностью определения токов утечки строится с использованием пары микросхем STPM33 и STPM34 (рисунок 6).

Рис. 6. Построение трехфазного счетчика электроэнергии на базе STPM33 и STPM34

Рис. 6. Построение трехфазного счетчика электроэнергии на базе STPM33 и STPM34

При разработке счетчика электроэнергии необходимо помнить, что наличие высокоточной измерительной микросхемы и отличных токовых датчиков не гарантирует приемлемых результатов. Негативное влияние на точность могут оказать ошибки при разводке печатной платы, неверно проведенная калибровка, наличие магнитных полей, отсутствие экранирования и так далее [8, 9]. Для того чтобы быстро и без проблем ознакомится с возможностями STPM3x и на его основе разрабатывать собственные счетчики, логично использовать готовые демонстрационные наборы и сопутствующее ПО STMicroelectronics.

Фирменные демонстрационные наборы и программное обеспечение для работы с STPM3x

Компания STMicroelectronics предлагает три демонстрационных платы для ознакомления с семейством STPM3x, а также референсную плату трехфазного счетчика с микроконтроллером STM8S903K3 (таблица 4).

Таблица 4. Демонстрационные платы STMP3x

Наименование
демонстрационного набора
Описание
EVALSTPM32 Демонстрационный набор однофазного счетчика на базе STPM32 и шунтового датчика тока
EVALSTPM33 Демонстрационный набор однофазного счетчика на базе STPM33, одного шунтового и одного трансформаторного датчиков тока
EVALSTPM34 Демонстрационный набор двухфазного счетчика на базе STPM34 и двух трансформаторных датчиков тока
EVALSTPM3X-3PH Демонстрационный набор трехфазного счетчика на базе микросхем STPM34 и STPM33, трех трансформаторных датчиков тока и управляющего контроллера STM8S903K3
STEVAL-IPE023V1 Плата USB-отладчика/программатора для семейства STPM3x

Демонстрационные платы EVALSTPM34, EVALSTPM33 и EVALSTPM32 предназначены для работы в двухфазной сети. Внешне платы имеют весьма схожий вид (рисунок 7). Они отличаются типом используемой ИС и составом датчиков тока [10].

Рис. 7. Внешний вид демонстрационных плат EVALSTPM3x на примере EVALSTPM33

Рис. 7. Внешний вид демонстрационных плат EVALSTPM3x на примере EVALSTPM33

Среди особенностей демонстрационных плат стоит отметить:

  • высокую точность измерений 0,2%;
  • наличие разъема подключения USB-программатора STEVAL-IPE023V1 для отладки с помощью ПК;
  • гальванически развязанный RS-232-UART;
  • возможность выбора интерфейса связи (переключателем);
  • два программируемых светодиода;
  • питание от внешнего источника или от STEVAL-IPE023V1;
  • совместимость со стандартом по помехозащищенности IEC61000.

Для работы с демонстрационными платами логично использовать бесплатное фирменное ПО (STPM3xEvalSoft), позволяющее взаимодействовать с измерительными ИС с помощью ПК. Для этой цели необходим специальный USB -программатор/отладчик STEVAL-IPE023V1.

Предлагаемое ПО имеет удобный интерфейс (GUI) и дает возможность использовать готовые предустановки для различных типов ИС, вручную конфигурировать регистры, проводить автоматическую процедуру калибровки, сохранять данные измерений на ПК и так далее [11].

Несколько другой подход к разработке собственного счетчика реализуется с помощью использования референсного многофазного счетчика EVALSTPM3X-3PH (рисунок 8). Он включает в себя две измерительные ИС (STPM33 и STPM34), три трансформатора тока, микроконтроллер STM8S903. Микроконтроллер осуществляет настройку ИС, чтение показаний измерений, общение по коммуникационным интерфейсам, управление светодиодами.

Рис. 8. Внешний вид референсной платы EVALSTPM3X-3PH

Рис. 8. Внешний вид референсной платы EVALSTPM3X-3PH

Особенностями EVALSTPM3X-3PH являются:

  • высокая точность измерений 0,2%;
  • номинальное среднеквадратичное значение напряжения сети 140…300 В;
  • номинальное среднеквадратичное значение тока 5/100 А;
  • частота сети 50/60 Гц;
  • наличие коннектора для подключения от STEVAL-IPE023V1;
  • питание от USB;
  • коннектор для прямой связи с STPM33/34 по SPI/UART;
  • коннектор SWIM для программирования микроконтроллера STM8S903;
  • два программируемых светодиода;
  • совместимость со стандартом по помехозащищенности IEC61000.

 

Заключение

STPM3x являются наиболее совершенными измерителями потребляемого электричества в Номенклатуре изделий STMicroelectronics. Данные ИС позволяют строить однофазные и многофазные счетчики, отвечающие самым жестким требованиям международных стандартов.

Среди ключевых особенностей STPM3x можно отметить:

  • высокую точность измерений 0,1% при динамическом диапазоне измерений 1:5000;
  • широкую полосу пропускания 4 кГц;
  • до четырех каналов измерения (STPM34);
  • поддержку различных датчиков тока (трансформаторы тока, шунты, катушки Роговского);
  • возможность измерения не только активной, но и реактивной мощности, мгновенных и среднеквадратичных значений токов и напряжений;
  • возможность определения перенапряжений (SWELL), провалов напряжений (SAG), перегрузок по току, утечек тока;
  • связь с микроконтроллером по одному из интерфейсов SPI/UART.

Разработка собственных счетчиков на базе STPM3x значительно упрощается благодаря демонстрационным наборам, референсным платам, сопутствующему программному обеспечению.

 

Литература

  1. Постановление правительства Российской Федерации от 4 мая 2012 г. № 442 «О функционировании розничных рынков электрической энергии, полном и (или) частичном ограничении режима потребления электрической энергии»;
  2. ГОСТ 31818.11-2012 (МЭК 62052-11:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Общие требования. Испытания и условия испытаний. Часть 11. Счетчики электрической энергии»;
  3. ГОСТ 31819.21-2012 (МЭК 62053-21:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 21. Статические счетчики активной энергии классов точности 1 и 2»;
  4. ГОСТ 31819.22-2012 (МЭК 62053-22:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S»;
  5. ГОСТ 31819.23-2012 (МЭК 62053-23:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 23. Статические счетчики реактивной энергии».
  6. AN3306. Application note. Current sensing in metering applications using a Pulse current sensor and ST metering devices. Rev.1. ST Microelectronics, 2010;
  7. DS10272. Datasheet. STPM32, STPM33, STPM34. ASSP for metering applications with up to four independent 24-bit 2nd order sigma-delta ADCs, 4 MHz OSF and 2 embedded PGLNA. Rev.2. ST Microelectronics, 2014;
  8. AN4470.Application note. The STPM3x application calibration. Rev.1. ST Microelectronics, 2014.
  9. S. Ranno, Design tip. DT0039. Improving measuring accuracy and EFT immunity for STPM3x. applications. Rev.1. ST Microelectronics, 2014;
  10. UM1748. User manual. EVALSTPM34, EVALSTPM33, EVALSTPM32 evaluation board. Rev.1. ST Microelectronics, 2014;
  11. UM1719. User manual. The STPM3x evaluation software. Rev.1. ST Microelectronics, 2014;
  12. http://www.st.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

ST_STPM3x_NE_04_15_opt

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее