基于ATT7022B的交流配電柜設(shè)計(jì)
具有對(duì)各項(xiàng)電力參數(shù)監(jiān)測(cè)的智能型交流配電柜，在電力及通訊行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。使用專用電能計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電力參數(shù)的采集和測(cè)量有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，它克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中元器件數(shù)量多，電路復(fù)雜，成本高等缺點(diǎn)。ATT7022B是一款三相多功能電能計(jì)量芯片，具有精密測(cè)量多種電力參數(shù)功能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于三相電度表或其他三相電能計(jì)量?jī)x表中。本文介紹在電力配電系統(tǒng)中對(duì)較大電流監(jiān)控中應(yīng)用該芯片的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，供讀者參考。
l ATT7022B特性
1．1 功能簡(jiǎn)介
ATr7022B是一顆精度高且功能強(qiáng)的多功能防竊電基波諧波三相電能專用計(jì)量芯片，它集成了六路二階sigma—delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣，輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用十分方便。該芯片適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。
該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波(基波+諧波)的各項(xiàng)電參數(shù)測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路。ATT7022B能夠測(cè)量各相以及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。
ATF7022B支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CFl、CF2提供瞬時(shí)有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正?？梢詫?duì)基波有功、無功功率進(jìn)行測(cè)量，提供脈沖輸出CF3和CF4提供瞬時(shí)基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校正。提供兩類視在能量輸出，RMS視在能量以及PQS視在能量，CF3和CF4也可被配置為視在能量脈沖輸出。
ATT7022B內(nèi)部的電壓檢測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)芯片正常工作。提供一個(gè)SPI接口，方便于外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。
1．2 芯片特性
內(nèi)部集成七通道(ATT7022A為六通道)的16位高精度ADC和24位高速DSP，在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1000：1)內(nèi)，非線性測(cè)量誤差小于0．1％；
有功測(cè)量滿足0．2S、0．5S，支持IEC 62053—22、GB/T 17883—1998；
無功測(cè)量滿足2級(jí)、3級(jí)，支持IEC 62053—23、GB/T 17882—1999；
提供基波、諧波電能以及總電能測(cè)量功能。可單獨(dú)計(jì)量基波電能，消除諧波影響，公平計(jì)費(fèi)；
電壓通道輸入有效值為10mV到1V信號(hào)，或電流通道輸入有效值為2mV到1V信號(hào)時(shí)輸出電壓或電流有效值的誤差小于0．5％；
第七路ADC提供零線電流檢測(cè)，也可用于防竊電(ATT7022A只有六路)；
提供失壓判斷功能，具有反向功率指示；
提供有功、無功、視在校表脈沖輸出；
提供基波有功、基波無功校表脈沖輸出；
合相能量絕對(duì)值相加與代數(shù)相加可選；
電表常數(shù)、起動(dòng)電流可調(diào)；
可準(zhǔn)確測(cè)量到含21次諧波的有功、無功和視在功率；
支持增益和相位補(bǔ)償、小電流非線性補(bǔ)償；
具有SPI接口，方便與單片機(jī)或其它設(shè)備通訊；
適用于三相三線和三相四線模式，可選擇；
電壓、電流信號(hào)均以交流差動(dòng)電壓方式輸入，外部電路極為簡(jiǎn)單；
提供2．45V基準(zhǔn)電壓作為外部交流輸入信號(hào)的直流偏置電壓，避免輸入失真；
采用QFP44封裝，單+5V供電。
1．3 內(nèi)部框圖
內(nèi)部框圖如圖1所示。
2 配電柜電力參數(shù)監(jiān)控整體電路設(shè)計(jì)
2．1 總體設(shè)計(jì)
交流配電柜主要檢測(cè)的電力參數(shù)有三相電壓、電流有效值，各相或合相的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、相位等，同時(shí)對(duì)開關(guān)狀態(tài)、熔絲通斷等開關(guān)量進(jìn)行檢測(cè)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用集成運(yùn)算放大器等分立電子器件實(shí)現(xiàn)上述功能，這樣的電路一般是一套非常復(fù)雜、龐大的電路，不但成本很高，而且設(shè)計(jì)、調(diào)試都可能遇到很大困難，甚至有的功能很難實(shí)現(xiàn)。
本文提出一種用ATT7022B智能芯片設(shè)計(jì)400A三相交流配電柜電力參數(shù)監(jiān)控的方案，如圖2所示，其工作原理如下所述。
ATT7022B智能芯片應(yīng)用到交流配電柜監(jiān)控系統(tǒng)中則非常方便地測(cè)量各項(xiàng)電力參數(shù)，特別是三相電壓、三相電流信號(hào)均為交流電壓差動(dòng)輸入方式，只要將被測(cè)系統(tǒng)的電壓經(jīng)過電壓互感器降壓到芯片允許范圍，并經(jīng)電流互感器或電流一電壓轉(zhuǎn)換器將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成芯片允許范圍內(nèi)的電壓值，以差動(dòng)方式輸入芯片，即可完成各種參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。
系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩部分。模擬信號(hào)是來自電壓互感器的三路相電壓差動(dòng)信號(hào)；來自電流互感器的三路線電流差動(dòng)信號(hào)和一路零線電流差動(dòng)信號(hào)。數(shù)字信號(hào)主要是來自標(biāo)識(shí)各輸出分路開關(guān)是否接通的二次電壓信號(hào)，或開關(guān)上輔助觸點(diǎn)和跳閘報(bào)警觸點(diǎn)的開關(guān)信號(hào)；鍵盤控制信號(hào)；避雷器失效信號(hào)等。
模擬信號(hào)經(jīng)輸入整定電路調(diào)整后，再輸入ATT7022B芯片。芯片進(jìn)行取樣、運(yùn)算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)的寄存器。每秒完成3次數(shù)據(jù)更新。單片機(jī)通過SPI總線讀取片內(nèi)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換、處理后在LCD上顯示出結(jié)果來。
LCD液晶顯示器上以菜單和數(shù)據(jù)列表或圖形模式顯示數(shù)據(jù)，如各種參數(shù)測(cè)量結(jié)果、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、分路開關(guān)狀態(tài)、系統(tǒng)非正常運(yùn)行或故障報(bào)警等等。
根據(jù)人為設(shè)定的各參數(shù)極限值，單片機(jī)通過報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警。
系統(tǒng)通過232／485串行通訊模塊與上位機(jī)或其它設(shè)備通信。如果需要轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)TCP／IP協(xié)議，則可以在RS232串口上接一個(gè)“串行服務(wù)器”(模塊化商品)，即可以提供RL45網(wǎng)絡(luò)接口了。
鍵盤輸入主要用于輸入校表數(shù)據(jù)，設(shè)置報(bào)警極限參數(shù)，查詢運(yùn)行數(shù)據(jù)等。
2．2 ATT7022B電壓輸入電路設(shè)計(jì)
ATF7702B電壓采樣輸入電路如圖3所示，其中三相電壓輸入電路中元件參數(shù)相同。根據(jù)電壓互感器二次電壓是0．5V還是幾伏來確定電壓信號(hào)輸入回路中的電阻和電位器。原則是電位器兩端的電壓能調(diào)整到不超過ATT7022B最大輸入電壓有效值范圍。
本系統(tǒng)選用220／6V電壓互感器，輸入電路中的電阻值如圖3中所示，電位器兩端電壓調(diào)整范圍為0~0．86V，在實(shí)際中1kΩ電位器兩端電壓調(diào)整到0．22V左右。簡(jiǎn)單的調(diào)整方法是，在某相電路上接上標(biāo)準(zhǔn)電壓表，調(diào)整對(duì)應(yīng)的1kΩ電位器，使LCD上顯示的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)表上讀數(shù)相同。當(dāng)然，要在軟件運(yùn)行正確、輸入準(zhǔn)確校表數(shù)據(jù)后才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
2．3 ATT7022B電流輸入電路設(shè)計(jì)
ATT7702B電流采樣輸入電路如圖4所示，三相電流輸入電路中元件參數(shù)也相同。如果不需要檢測(cè)零線電流，可以不安裝零線電流互感器，而將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸入端短接起來。零線電流互感器根據(jù)零線電流大小的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。所有的電流互感器都要根據(jù)二次電流是lA還是5A來確定電流互感器二次線圈并接的電阻。原則是二次電流在該電阻上的壓降不超過ATT7022B電流輸入最大有效值。
本設(shè)計(jì)選用400／5A電流互感器，二次線圈并接電阻為O．2Ω／10W，線路滿載400A時(shí)輸入電壓為lV。在輸入電壓為2mV～1V時(shí)，ATIT022B非線性誤差小于0．5％。當(dāng)然，為了減小非線性誤差，可以將輸入到芯片的電壓降低。例如選用400／1A的電流互感器，不過價(jià)格要高許多，并接電阻選用0．5Ω／2W，線路滿載400A時(shí)互感器輸出電壓為0．5V。調(diào)整電流輸入電路中的lkΩ電位器，使電位器兩端電壓為400mV時(shí)，對(duì)于滿載400A電流來說，每mV輸入電壓即可對(duì)應(yīng)lA電流。這里所說的輸入電壓指的是lkΩ電位器兩端的電壓。因?yàn)樾酒斎胱杩箻O高，所以1．2kΩ電阻前面的電壓基本上就是芯片管腳上的輸入電壓。該電位器可以方便地調(diào)整輸入電壓，在系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)和校表時(shí)具有重要作用?；ジ衅鞫尉€圈并接的電阻、電位器及輸入電路的其它電阻都應(yīng)該選擇精密的、熱穩(wěn)定性好的元件，以保證測(cè)量精度和穩(wěn)定性。
廠家推薦電壓輸入信號(hào)最好在0．2V；電流輸入信號(hào)在O．1V。這個(gè)范圍線性度最好。如果芯片使用在普通小電流三相電度表時(shí)，采用推薦的輸入范圍是最好的。但用于配電系統(tǒng)較大電流的監(jiān)控時(shí)，輸入電壓太小會(huì)降低測(cè)量值的分辨率。所以只能根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡考慮。
3 在信號(hào)采樣、輸入電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題
芯片各輸入引腳的VxP和VxN的直流偏置電壓為2．45V左右，偏置電壓由芯片的第1l腳REFOUT提供，也可由外電路提供，否則不能準(zhǔn)確計(jì)量。
為保證測(cè)量精度，芯片第5腳外接濾波電容應(yīng)盡量靠近管腳處，走線粗短，遠(yuǎn)離其它信號(hào)線，且兩個(gè)電容均不可省去。電容的接地點(diǎn)應(yīng)與采樣信號(hào)的地線盡可能短的連在一起。
VxP和VxN輸入電路中電阻1．2kΩ和電容0．01μF構(gòu)成了抗混疊濾波器，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)要講究對(duì)稱，并采用溫度性能較好的元器件，從而保證電表獲得良好的溫度特性。
任意一相電流與電壓反向時(shí)，芯片第40腳REVP輸出高電平，據(jù)此可以判斷接線是否有錯(cuò)。
芯片的輸入腳SEL接高電平為選擇三相四線接線方式，接低電平為選擇三相三線接線方式。
電源電壓VCC、AVCC應(yīng)在5(1±5％)V以內(nèi)。GND與AGND為數(shù)字和模擬電源參考點(diǎn)，在PCB布線時(shí)應(yīng)將他們就近接大面積地，不要區(qū)分GND和AGND，更不要在GND和AGND之間接電感、電阻和磁珠等元件。
4 結(jié)語
筆者在400A交流配電柜監(jiān)控系統(tǒng)中成功地使用了ATT7022B芯片，取得了令人滿意的運(yùn)行效果。利用該設(shè)計(jì)能夠很好地測(cè)量各項(xiàng)電力參量，極大地減小了計(jì)算上的誤差和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。測(cè)試的結(jié)果表明，在交流配電柜中用該芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)電力參數(shù)采集的應(yīng)用具有精度高、性價(jià)比高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
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