BUDUĆNOST ELEKTRONIČKIH BROJILA

kraj A

link

Mnoga desetljeća unazad elektromehanička brojila su bila jedina brojila električne energije. Iako rade stabilno i točno, danas više ne zadovoljavaju sve zahtjeve postavljene pred brojila električne energije.

U današnje vrijeme svaka je ušteda energije dragocjena. Da bi bilo moguće štedjeti, odnosno racionalnije raspolagati energijom potrebno je prvo na zadovoljavajući način bilježiti potrošnju energije, onda je analizirati i tek naknadno poduzimati odgovarajuće akcije. Elektromehanička, za razliku od elektroničkih brojila, nemaju nikakvu mogućnost bilježenja niti obrade podataka o potrošnji energije. Integracija mikroračunala u brojila električne energije daje brojilima mogućnost izvršavanja velikog broja operacija u realnom vremenu koje su prije bile izvršavane jedino ‘papirom i olovkom’.

Mnogi parametri su važni pri određivanju električkih karakteristika sistema: wati, vari, udio viših harmonika, faktor snage, itd. Svi ovi parametri mogu biti izračunati u samom mikroračunalu pomoću osnovnih podataka o naponu, struji i faznom kutu između njih.

Razvoj daljinske komunikacije zadnjih godina dao je novi zamah razvoju elektroničkih brojila. Svi gore navedeni podaci sada se mogu i daljinski prenijeti. Tako se dobiva mogućnost manipuliranja velikim brojem brojila sa jednog centralnog mjesta, čime se također štedi, ovaj put i novac i vrijeme.

Prednosti elektroničkih brojila su očite. Pitanje je vremena kada će elektromehanička brojila biti u potpunosti potisnuta i zamijenjena elektroničkim.

Nadogradnja brojila

Konstruirano brojilo opisano u ovom poglavlju predstavlja samo osnovni sklop brojila koji vrši funkciju brojenja električne energije, što samo brojilo ne čini kompletnim proizvodom koji bi imao veliku prednost nad do sada najviše upotrebljavanim elektromehaničkim brojilima. Da bi ovo brojilo postalo kompletno potrebno je, kao prvo, dodati sistem za prebacivanje većeg broja tarifa (ili vlastiti uklopni sat ili MTK prijemnik), a nakon toga i sistem za daljinsku komunikaciju. Također, moguće je po potrebi dodati funkcije mjerenja jalove energije, cosφ, i dr.

Kalibracija

Kako bi se što više poboljšala točnost brojila, nakon završetka konstrukcije vrši se njegova kalibracija. Pogreška brojila posljedica je nesavršenosti elektroničkih komponenti (tolerancije vrijednosti otpora, utjecaj smetnji, itd.).

SLIKA 3-18: DIJAGRAM TOKA KALIBRACIJE BROJILA

Kalibracija elektroničkog brojila je na neki način auto-kalibracija. Tijek procesa kalibracije je sljedeći:

•brojilu se dovodi točno poznat napon od 230V i struja od 10 A

•kratko se spoji kratkospojnik i tako brojilu da znak za start kalibracije

•ostatak procesa vrši samo brojilo.

Sam proces kalibracije u brojilu teče ovako: nakon starta tijekom stotinu perioda napona mreže brojilo mjeri energiju. Izmjerena energija u sebi sadrži određenu pogrešku uzrokovanu nesavršenostima komponenti. Pošto je brojilu poznata točna vrijednost energije koja za zadani napon, struju i vremenski interval iznosi:

moguće je izračunati pogrešku brojila:

Brojilo, dakako, samo izračunava pogrešku

Konačan cilj računanja pogreške je promjena osnovnog kvanta energije ∆W (Slika 3-17). Kvant ∆W se mijenja upravo za iznos izračunate pogreške.

Ukoliko je pogreška pozitivna, odnosno brojilo broji više nego što treba, kvant ∆W će se smanjiti, i obrnuto, ako pokazuje manje ∆W će se povećati. Kada se brojilo ponovno vrati normalnom radu pokazivat će za p% veću ili manju energiju nego što bi je pokazivalo prije kalibracije.

Ovakav način kalibracije brojila se naziva kalibracija u jednoj točki

Proračun energije

Nakon korekcije mjerenih vrijednosti napona i struje računa se dio energije koju ove vrijednosti predstavljaju.

Energija u vremenu ∆t je:

kako je:

slijedi:

gdje je

Ukupna energija jednaka je zbroju

Kako mikrokontroler ne stiže u vremenu ∆t izvršiti sva računanja potrebno ih je pojednostaviti ili izbjeći. U ovom slučaju moguće je izbjeći množenje sa konstantom Konst

Nakon svakog intervala od 2∆t mikrokontroler računa sljedeći izraz:

Množenje sa Konst se izbjegava na sljedeći način: nakon računanja parcijalni produkti dS se zbrajaju. U trenutku kada zbroj parcijalnih produkata pređe određenu vrijednost (npr.C1), ukupnoj energiji W se dodaje unaprijed poznat kvant energije ∆W koji je jednak produktu C1 i Konst, a zbroj parcijalnih produkata ∆S se umanjuje za C1. Dakle:

Slika 3-17 pokazuje dijagram toka prilikom proračuna energije

SLIKA 3-17: DIJAGRAM TOKA RAČUNANJA ENERGIJE

Neka je:

∆t=200 µsec

slijedi

Konst = 5,43×

∆W=0,000003645695 kWh

Korekcija pogreške nastale promjenom referentnog napona a-d pretvarača

Napon a-d pretvarača se mijenja u granicama 5V±5%. Pogreška se računa pomoću poznate i izmjerene vrijednosti referentnog napona Uref. Naime:

 Vrijednost dobivena nakon a-d pretvorbe je:

i ona ovisi o trenutnom iznosu Ua-d. Greška se računa prema sljedećem izrazu:

Treba napomenuti da se pogreška ne računa u promilima (1000inke) nego u 1024inkama zbog jednostavnosti množenja i dijeljenja sa 1024 u binarnom brojnom sistemu. Množenje i dijeljenje sa 1024 () se dobije pomakom binarnog broja za deset mjesta u lijevo ili desno. Ovim se same operacije množenja i dijeljenja višestruko ubrzaju jer se pomak broja izvodi jednostavno.

Izmjerene vrijednosti napona i struje trošila se korigiraju za izračunatu grešku na sljedeći način:

uz

Vrijednost  je 14-bitni broj dobiven iz a-d pretvarača.

I pri gornjem računanju nove točnije vrijednosti izmjerene veličine (struje ili napona) mikrokontroler se ne opterećuje množenjem niti dijeljenjem. Korekcija se svodi samo na operacije rotiranja i zbrajanja (ili oduzimanja), jer se vrijednosti dodaje (ili oduzima) vrijednost i to G puta.

Računanje ukupne energije

Mikrokontroler nakon a-d pretvorbe napona sa svoja tri analogna ulaza dobiva tri digitalna podatka(broja) pomoću kojih treba izračunati stvarni iznos energije u kilowat-satima. Dva podatka se odnose na napon i struju trošila, a treći je izmjeren referentni napon koji se koristi i za korekciju greške nastale zbog promjene napona a-d pretvorbe.

Obrada prekida izazvanog brojačem

Brojač izaziva prekid svakih ∆t. U programu se naizmjenično mjere napon i struja. Nakon mjerenja vrši se računanje energije. Energija se ne računa odjednom nego je njeno računanje podijeljeno u dva koraka. Ovako se skrati vrijeme prolaska kroz podprogram za obradu prekida, i osigurava da taj prolazak bude kraći od vremena ∆t što je neophodno za ispravan rad programa.

Nakon mjerenja struje obavlja se množenje (koje je u pravilu dugotrajno), a u sljedećem prolasku kroz podprogram računa se energija W.

SLIKA 3-16: DIJAGRAM TOKA OBRADE PREKIDA IZAZVANOG BROJAČEM

Glavni program

SLIKA 3-15: DIJAGRAM TOKA GLAVNOG PROGRAMA

Nakon inicijalizacije sistema program se vrti u glavnoj petlji u kojoj se provjeravaju stanja kratkospojnika i vrši ispis na LCD displej. Kao što je rečeno, glavni program se svakih ∆t prekida od strane brojača, nakon čega se obrađuje prekid. Nakon obrade prekida glavni program nastavlja rad od mjesta na kojem je prekinut. Sve radnje u glavnom programu nisu vremenski ograničene tako da je nebitno na kojem mjestu je glavni program prekinut od strane brojača.

Programiranje mikrokontrolera

Program koji mikrokontroler izvršava sastoji se iz nekoliko važnijih cjelina. To su inicijalizacija, glavni program, program za obradu prekida i program za kalibraciju.

Na početku mikrokontroler se inicijalizira. Inicijalizacija podrazumijeva postavljanje bitova koji određuju takt rada mikrokontrolera, o(ne)mogućavanje pojedinih prekida, o(ne)mogućavanjepojedinih modula, konfiguriranje brojača, a-d pretvarača, LCD modula, itd. Nakon inicijalizacije izvršava se glavni program koji je u stvari kratka petlja u kojoj se ispituju stanja tipki i kratkospojnika, i vrši ispis trenutne vrijednosti energije na LCD displej. Glavni program se svakih dt = 200µsec prekida od strane brojača. Obrada prekida se sastoji iz uzorkovanja struje i napona, a zatim i računanja energije, koje ne smije trajati duže od dt. Treća važnija cjelina je program za kalibraciju brojila. Ovaj je dio odvojen od ostatka programa. U kalibraciji brojilo nekoliko sekundi broji energiju koja je zadana poznatim vrijednostima struje i napona (230V i 10 A), a zatim na osnovu izmjerene i stvarne vrijednosti energije samo računa svoju pogrešku. Nakon povratka u glavni program brojilo počinje brojenje energije ispočetka, ovaj put korigirajući izbrojani iznos energije za grešku izračunatu u kalibraciji.

Pogreška zbog konačne rezolucije a-d pretvarača

Ukoliko je analogno-digitalni pretvarač 14-bitni, a njegov referentni napon 5V, onda je razlučivost:

V/bit

Promjene napona manje od vrijednosti 305µV a-d pretvarač ne vidi, i daje istu vrijednost bez obzira na promjenu. Pogreška zbog nedovoljne rezolucije analogno-digitalnog pretvarača sve više dolazi do izražaja što su manje veličine struje i napona koje se mjere.

Kod minimalne struje trošila kod koje se još zahtijeva točnost od ±2.5% ( It=5%In=500mA) ova pogreška teoretski maksimalno iznosi 1.129%.

Pri izradi sličnih aplikacija pokazuje se da a-d pretvarač mora biti minimalno 14-bitni, dok je za sasvim pouzdan rad potreban 16-bitni.