基于ADE7878芯片的谐波电能表的设计方案

发布时间:2012-04-20 阅读量:1458 来源: 我爱方案网 作者:

中心议题:
    *  基于ADE7878芯片的谐波电能表的设计


1.引言

随着中国的社会用电量迅速增长,全国特高压电网建设,百万千瓦级发电机并网,家居网络化进程,以及电网经营管理改进和计量新技术应用等要素,电能表市场发展迅猛,中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。电能表市场需求正迈向前所未由的高速增长期,电能表也从普通功能型向长寿命、高精度、分时段、多功能、网络化等高科技含量和高附加值的方向发展。本文主要介绍了ADI公司的三相高精度多功能电能计量芯片ADE7878,以及其在谐波计量中的应用,重点阐述了ADE7878的功能特点,典型电路以及电能计量方法.

2.ADE7878电能计量精度

该ADE7878是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片,超越了工业上对电能计量0.2级表的精度和动态的要求。ADE7878的电压和电流通道为24bit Σ-△型ADC,电压和电流有效值在动态范围为1000:1的动态下小于0.1%,电能在动态1000:1下小于0.1%,在动态3000:1下小于0.2%。具体性能如图1所示。ADE7878提供I2C,SPI,HSDC多种数据接口和3个灵活的脉冲输出,ADE7878可以同时提供基波有功和无功功率,总(基波+谐波)有功和无功功率,视在电能计量,基波有功和无功电能计量和RMS计算。

ADE7878适合测量各种三相配置下有功,无功和视在电能,如三相三线(角接)、三相四线(星形)以及其他的计量方式,同时也支持电流互感器(CT)和微分线圈电流传感器,支持所有通道的波形数据输出。该ADE7878支持多种校表方式,每一相阶段,也就是有效值偏移校正,相位校准和增益校准。该CF1 , CF2和CF3逻辑输出提供了多种可供选择:总/基波有功/无功功率,总视在功率,或总当前有效值。

图1. ADE7878 误差动态范围有功电能性能

3. ADE7878工作原理与功能结构图

ADE7878功能框图如图2所示,ADE7878是一种高精确度的,支持EN50470-1,EN50470-3的标准,兼容三相三线,三相四线以及其他接线的多功能测量IC,带有二路独立的中断申请输出口,三路独立的脉冲输出口,更多的通讯接口(I2C, SPI, HSDC)。ADE7878集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等,内置成熟的专用电能计量功能数字信号处理器,有可用于电流/电压有效值测量,基波有功功率和无功功率、总(基波+谐波) 有功和无功功率,视在功率计量,同时提供有功和无功(基波+谐波)总能量,和基波有功和无功能量,谐波能量可通过简单减法运算获得。提供电池供电模式下的电流监测,可用于防窃电检测。ADE7878大部分内部电路工作在 2.5V 电源上(芯片内置的 LDO), 宽电源输入范围2.4-3.7V供电。

ADE7878有七路模拟量输入,分成电流和电压两个通道。电流通道由四对差分电压输入,分别是IAP,IAN;IBP,IBN;ICP,ICN,INP,INN。INP,INN可提供零线电流的有效值及瞬时值测量。这四个电流通道最大的信号电压变化范围为±0.5V。电流通道有一个可编程增益放大器(PGA1),放大器增益为1,2,4,8或16。除了PGA功能外,用于A/D转换时,通道1还具有输入信号满刻度选择的功能。
电压通道具有三路单端电压输入通道,分别为VAP,VBP和VCP。这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为±0.5V。相对于VN来说,电压通道有一个可编程放大器PGA3,放大器增益为1,2,4,8或16。由用户编程来决定,所有的输入通道的增益相同。
 



ADE7878提供系统校准功能,每一相阶段,也就是有效值偏移校正,相位校准和增益校准, 提供了三路可配置脉冲输出CF1 , CF2和CF3,他们的逻辑输出提供了多种可供选择:总/基波有功/无功功率,总视在功率,或总的当前有效值,在IRQ0中有三个独立的中断标志位对应3路脉冲,当CF脉冲发生时,能量寄存器中的内容可以被锁存,从而确保多个相关的能量寄存器的内容和CF发生时刻同步。ADE7878提供四种不同的电源模式,引脚PM0和PM1可以控制ADE7878进入不同的功耗模式,如表1所示。



ADE7878提供了防窃电功能,可以在全失压情况下提供电流信息,其零线可以提供瞬时值和有效值电流检测,可计算各相电流瞬时值总和并与零线电流比较是否匹配。所有角度测量使用电压和电流从负到正时的过零点,同时提供3个角度寄存器,可通过不同配置方式以获取各种角度测量信息。

ADE7878提供三种串行通讯口: 复位后默认为I2C 接口,其最高的通讯速度为400KHz, 读操作最大64位数据被传送速率= 64/400KHz = 160us. 在上电或硬件复位后,通过SS引脚上连续拉高置地三次,ADE7878进入SPI通讯模式,其最高的通讯速度为2.5MHz. 主模式HSDC接口的最高的通讯速度为8MHz, 可以采集电压、电流瞬时值以用于谐波分析计算, HSDC模式可以配置成只传送三相电流+零线电流+三相电压模式,也可以配置成只传送九相功率瞬时值,在8MHz的时钟下最快通讯耗时=16*32/8MHz=64us.

4.ADE7878典型硬件电路设计:

ADE7878的电压电流通道输入信号范围为±0.5V,推荐加额定电压Un时电压通道输入信号为250mV左右, 加最大电流Imax时电流通道输入信号为300mV左右。笔者此次设计的电表额定电压Un=220V,电压通道用4个330KΩ电阻和一个1KΩ电阻分压,加额定电压Un时输入信号为249mV,但在实际的应用中,笔者推荐客户至少用7个以上电阻分压,以提高抗干扰性能;电流互感器变比200:1,取样电阻为2个5Ω电阻,加最大电流Imax(6A)时输入信号为300mV。图3为ADE7878的外围电路图。
 



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