Pobierz - Technical Nowa Sól

VII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2004
ZASTOSOWANIA WYBRANYCH UKŁADÓW SCALONYCH W POMIARACH
POBORU MOCY MASZYN I URZĄDZEŃ ODLEWNICZYCH
ZASTOSOWANIA WYBRANYCH UKŁADÓW SCALONYCH
W POMIARACH POBORU MOCY
MASZYN I URZĄDZEŃ ODLEWNICZYCH
E. ZIÓŁKOWSKI11
1.
Streszczenie.
W artykule przedstawiono charakterystyki wybranych układów scalonych firmy
Analog Devices, które można zastosować w systemach komputerowego monitoringu
poboru mocy przez maszyny i urządzenia odlewnicze. Opisane rozwiązania automatycznej
kontroli poboru mocy wraz z pomiarami i rejestracją innych parametrów badanej maszyny
odlewniczej mogą stanowić element systemu oceny jakości jej pracy, a także dostarczać
niezbędnych danych dla układów sterowania procesem technologicznym, realizowanym za
pomocą tej maszyny.
2.
Wprowadzenie.
Firma Analog Devices [1] posiada w swojej ofercie całą rodzinę specjalizowanych
układów scalonych, przeznaczonych do budowy głównie mierników poboru energii
elektrycznej. Układy te mogą stanowić element albo niezależnego modułu mikroprocesorrowego albo element systemu komputerowego. W układach mikroprocesorowych,
zadaniem mikroprocesora jest obsługa takich funkcji układu scalonego, jak kalibracja,
ustawianie offsetu, korekta przesunięć fazowych wprowadzanych przez przekładniki
prądowe (jeśli są stosowane) oraz odczyt bieżących wartości pomiarowych w kanałach
napięciowych i prądowych. W systemach komputerowych, wszystkie wyżej wymienione
funkcje realizuje program komputerowy. Dodatkowo program ten umożliwia prezentację
wyników pomiarów na ekranie komputera (także zdalnie poprzez sieć Internet) oraz
rejestrację tych wyników w pamięci masowej. Poniżej zostaną przedstawione szczegółowe
charakterystyki wybranych układów scalonych.
3.
Układy scalone do pomiaru mocy firmy ANALOG DEVICES.
Układy scalone serii ADE775x i ADE776x [1] firmy Analog Devices przeznaczone
są do pomiarów poboru mocy w układach jedno- lub trójfazowych. Układy te posiadają
odpowiednią liczbę 16-bitowych precyzyjnych przetworników analogowo-cyfrowych,
które stosowane są do pomiaru napięć (poprzez rezystancyjne dzielniki napięcia) oraz do
pomiaru prądów, z wykorzystaniem albo boczników rezystancyjnych, albo przekładników
prądowych (transformatorowych lub cewek Rogowskiego). Omawiane układy scalone
posiadają jeden z dwóch wariantów wyjść informujących o wartościach mierzonych
wielkości. Jedna grupa układów została wyposażona w wyjścia impulsowe, natomiast
druga grupa w wyjścia w postaci transmisji szeregowej sygnałów. Na wyjściu
impulsowym, wartości wielkości mierzonych są proporcjonalne do liczby generowanych
impulsów prostokątnych. Takie wyjścia można podłączyć bezpośrednio do układów
zliczających. Układy wyposażone w system transmisji szeregowej muszą być podłączone
do układów mikroprocesorowych lub komputera. Programy umieszczone w pamięci
systemu mikroprocesorowego lub komputera muszą odpowiednio obsłużyć informacje
przesyłane szeregowo.
1
Dr inż.
157
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze
VII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2004
W Tabeli 1 przedstawiono skróconą charakterystykę zastosowań układów scalonych
wyposażonych w wyjścia impulsowe.
Tabela 1.
Podstawowe cechy układów z wyjściem impulsowym [1].
Opis
Układ scalony
ADE7751
ADE7755
ADE7757
ADE7760
ADE7761
+
+
+
+
+
Układy jednofazowe
dwużyłowe
Układy trójfazowe, 3- lub
4-żyłowe, (gwiazda, trójkąt)
Boczniki prądowe
Przekładniki prądowe
transformatorowe
Pomiar energii czynnej
Kalibracja sprzętowa
Wewnętrzny oscylator
ADE7752
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Tabela 2 przedstawia skróconą charakterystykę zastosowań układów scalonych
z internfejsem szeregowym.
Tabela 2.
Podstawowe cechy układów z interfejsem szeregowym [1].
Opis
Układy jednofazowe
dwużyłowe
Układy trójfazowe,
3- lub 4-żyłowe,
(gwiazda, trójkąt)
Boczniki prądowe
Przekładniki prądowe
transformatorowe
Cewki Rogowskiego
(wejście di/dt)
Pomiar energii czynnej
Pomiar energii całkowitej
(pozornej) oraz wartości
True RMS napięcia i prądu
Pomiar mocy biernej
Kalibracja programowa
Transmisja szeregowa
i obsługa przerwań
Układ scalony
ADE7753
ADE7756
ADE7759
ADE7763
+
+
+
+
ADE7754
ADE7758
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Na rysunku 1 przedstawiono schemat funkcjonalny układu ADE7751 firmy Analog
Devices [1]. Układ ten jest przeznaczony do pomiaru energii czynnej pobieranej przez
odbiornik jednofazowy. Układ posiada dwa pomiarowe kanały wejściowe. Kanał 1 służy
do pomiaru mocy i może być wykorzystywany w układzie asymetrycznym lub
symetrycznym. Kanał 2 jest wejściem służącym do pomiaru napięcia. Oba kanały
posiadają 16-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe. Wielkość wyjściowa,
odpowiadająca wartości pobranej przez odbiornik energii czynnej jest, poprzez
przetwornik (typu wielkość cyfrowa-częstotliwość), przesyłana na dwa wyjścia impulsowe
niskoczęstotliwościowe F1 i F2.
158
Nowa Sól 3-4.06.2004 r.
VII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2004
ZASTOSOWANIA WYBRANYCH UKŁADÓW SCALONYCH W POMIARACH
POBORU MOCY MASZYN I URZĄDZEŃ ODLEWNICZYCH
Rys. 1. Schemat funkcjonalny układu ADE7751 firmy Analog Devices [1].
Jako przetworniki prądowe można w systemie opartym na układzie ADE7751
stosować niskorezystancyjne boczniki prądowe lub transformatorowe przekładniki
prądowe.
Na rysunku 2 przedstawiono schemat funkcjonalny układu ADE7758,
przeznaczonego do pomiaru wszystkich składników energii (czynnej, biernej i pozornej),
wyposażonego w szeregowy interfejs transmisji danych.
Rys. 2. Schemat funkcjonalny układu ADE7758 firmy Analog Devices [1].
Układ ADE7758 posiada sześć 16-bitowych przetworników analogowo-cyfrowych:
trzy do pomiaru napięcia każdej fazy oraz trzy do pomiaru prądu w każdej fazie. Układ ten
umożliwia pomiar energii we wszystkich praktycznie stosowanych wariantach połączeń
trójfazowych, zarówno 3- jak i 4-żyłowych, z odbiornikami pracującymi w układzie
gwiazda lub trójkąt. Bardzo ważną cechą tego układu i wszystkich układów z serii
ADE775x i ADE776x posiadających interfejs szeregowy jest to, że kalibracja tych
układów odbywa się programowo, poprzez odpowiednie wpisy do rejestrów tych układów.
159
VII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2004
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze
Układy scalone do pomiarów w systemach zasilania trójfazowego posiadają
możliwość realizacji obliczeń pobieranej mocy według zależności matematycznych,
charakterystycznych dla konkretnego rozwiązania połączeń 3- lub 4-żyłowych typu
„gwiazda” lub „trójkąt”. Podstawowe schematy tych połączeń oraz stosowane do nich
zależności matematyczne obliczanego poboru mocy pokazano na rysunku 4.
a)
b)
c)
d)
Rys. 3. Uproszczone schematy pomiaru energii w układach trójfazowych wraz z zależnościami
obliczania mocy pozornej: a) układ 4-żyłowy typu „gwiazda”; b) układ
4-żyłowy typu „gwiazda” z dwoma przetwornikami napięcia; c) układ 3-żylowy typu „gwiazda”
lub „trójkąt”; d) układ 4-żyłowy typu „gwiazda” [1].
4.
Moduły rozwojowe firmy ANALOG DEVICES.
Do każdego układu scalonego, przeznaczonego do realizacji pomiarów poboru
energii elektrycznej, firma Analog Devices oferuje moduły rozwojowe (ang. evaluation
board). Są to zmontowane układy elektroniczne, które wraz z dostarczonym
okablowaniem oraz oprogramowaniem służą do zestawienia gotowego urządzenia
pomiarowego. Jedynymi, niezbędnymi do uzupełnienia we własnym zakresie dodatkami są
zasilacze +5V (najczęściej dwa) oraz obwody wejściowe (dzielniki napięcia i przekładniki
lub boczniki prądowe). Na rysunku 4 przedstawiono uproszczony schemat modułu
rozwojowego dla układu ADE7754.
160
Nowa Sól 3-4.06.2004 r.
VII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2004
ZASTOSOWANIA WYBRANYCH UKŁADÓW SCALONYCH W POMIARACH
POBORU MOCY MASZYN I URZĄDZEŃ ODLEWNICZYCH
Rys. 4. Schemat funkcjonalny modułu rozwojowego EVAL-ADE7754
Firmy Analog Devices [1].
Ten moduł rozwojowy zawiera, oprócz podstawowego układu ADE7754, także
układ scalony precyzyjnego źródła napięcia odniesienia 2.5V (AD780) oraz
specjalizowane układy optoizolacji transmisji szeregowej pomiędzy modułem
a komputerem, realizowanej z wykorzystaniem łącza równoległego CENTRONICS. Na
płycie modułu wyodrębniono także obszar punktów lutowniczych, na którym można
zestawiać na przykład dzielniki napięcia i inne niezbędne obwody elektroniczne.
Jak wspomniano powyżej, transmisja szeregowa odbywa się w tych modułach nie za
pomocą łącza szeregowego, na przykład RS232C, lecz z wykorzystaniem portu
równoległego komputera. Wraz z modułem rozwojowym dostarczane jest oprogramowanie
bazujące na bibliotekach LabView. Oprogramowanie to umożliwia przetestowanie
poprawności pracy całego modułu oraz wykonanie ewentualnej kalibracji programowej
systemu pomiarowego.
5.
Przekładniki prądowe firmy TAE HWA TRANS.
Koreańska firma TAE HWA TRANS [2] posiada w swojej ofercie całą gamę
przekładników prądowych jedno i trójfazowych oraz cewek Rogowskiego.
Transformatorowe przekładniki prądowe oferowane są w wersjach Supreme Accuracy
i High Accuracy. W Tabeli 3 przedstawiono podstawowe charakterystyki
transformatorowych przekładników prądowych z serii Supreme Accuracy klasy 0.2%.
Tabela 3.
Przekładniki prądowe Supreme Accuracy klasy 0.2 [2].
Klasa,
Model
Częstotliwość, Hz
%
TZ77V / TZ77L
TZ71V / TZ71L
TZ76V / TZ76L
TZ31L
0.2
20÷400
TZ105V / TZ105L
TZ79L
TZ110L
Przełożenie
prądowe
5A / 2mA
40A / 16mA
80A / 32mA
10A / 2mA
200A / 80mA
200A / 80mA
400A / 160mA
Zakres prądu,
A
5÷20
40÷80
60÷120
10÷150
100÷250
100÷250
400÷600
161
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze
VII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2004
Tabela 4 zawiera podstawowe dane transformatorowych przekładników prądowych
z serii High Accuracy klasy 1.0.
Tabela 4.
Przekładniki prądowe High Accuracy klasy 1.0 [2].
Model
TC172V / TZ172L
TC173V / TC173L
TC174V / TC174L
TC143V / TC143L
TC175V / TC175L
TC176L
Klasa,
%
Częstotliwość, Hz
1.0
20÷400
Przełożenie
prądowe
20A / 8mA
60A / 24mA
120A / 48mA
200A / 50mA
400A / 200mA
800A / 320mA
Zakres prądu,
A
20
60
120
200
400
800
Firma TAE HWA TRANS oferuje także trójfazowe przekładniki prądowe serii TS
(rys. 5). Przekładniki te mają zakresy prądowe 2.5A, 5A, 10A, 20A, 40A, 80A i 160A.
Zakres napięcia wyjściowego wynosi 185 mV. Częstotliwość pracy 50Hz lub 60Hz.
Maksymalne dopuszczalne napięcie robocze wynosi 660V.
Cewki Rogowskiego (rys. 6) oferowane są dla zakresów prądu 630A, 1000A, 1250A,
1600A, 2000A, 2500A, 3200A i 4000A. Częstotliwość robocza wynosi 50Hz lub 60 Hz.
Rys. 5. Widok trójfazowych przekładników
prądowych serii TS [2].
6.
Rys. 6. Cewki Rogowskiego z serii TR [2].
Podsumowanie.
Przedstawione w niniejszym artykule skrócone charakterystyki specjalizowanych
układów scalonych firmy Analog Devices, przeznaczonych do budowy mierników poboru
mocy lub energii elektrycznej, potwierdzają możliwość ich zastosowań w systemach
ciągłego monitoringu pracy wybranych maszyn i urządzeń odlewniczych. Systemy takie,
w postaci mikroprocesorowych lub komputerowych rozwiązań można wyposażyć
w przekładniki prądowe na przykład z oferty firmy TAE HWA TRANS.
W Katedrze Mechanizacji, Automatyzacji i Projektowania Odlewni na Wydziale
Odlewnictwa AGH są prowadzone prace mające na celu wykonanie komputerowego
systemu (opartego na układzie ADE7754) ciągłego pomiaru poboru mocy badanych
maszyn i urządzeń odlewniczych.
Opracowano w ramach realizacji pracy statutowej w Katedrze Mechanizacji,
Automatyzacji i Projektowania Odlewni w roku 2004.
7.
[1]
[2]
162
Literatura.
www.analog.com
www.taehwatrans.co.kr
Nowa Sól 3-4.06.2004 r.