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. ZIÓŁKOWSKI 11 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 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 ADE7752 Układy jednofazowe dwużyłowe + + + + + Układy trójfazowe, 3- lub 4-żyłowe, (gwiazda, trójkąt) + Boczniki prądowe + + + Przekładniki prądowe transformatorowe + + + + + + Pomiar energii czynnej + + + + + + Kalibracja sprzętowa + + + + + + Wewnętrzny oscylator + + + Tabela 2 przedstawia skróconą charakterystykę zastosowań układów scalonych z internfejsem szeregowym. Tabela 2. Podstawowe cechy układów z interfejsem szeregowym [1]. Opis Układ scalony ADE7753 ADE7756 ADE7759 ADE7763 ADE7754 ADE7758 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 + + + + + + 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.
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
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.
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]. Model Klasa, Przełożenie Zakres prądu, Częstotliwość, Hz % prądowe A TZ77V / TZ77L 5A / 2mA 5 20 TZ71V / TZ71L 40A / 16mA 40 80 TZ76V / TZ76L 80A / 32mA 60 120 TZ31L 0.2 20 400 10A / 2mA 10 150 TZ105V / TZ105L 200A / 80mA 100 250 TZ79L 200A / 80mA 100 250 TZ110L 400A / 160mA 400 600 161
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze 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 Klasa, Przełożenie Zakres prądu, Częstotliwość, Hz % prądowe A TC172V / TZ172L 20A / 8mA 20 TC173V / TC173L 60A / 24mA 60 TC174V / TC174L 120A / 48mA 120 1.0 20 400 TC143V / TC143L 200A / 50mA 200 TC175V / TC175L 400A / 200mA 400 TC176L 800A / 320mA 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. Podsumowanie. Rys. 6. Cewki Rogowskiego z serii TR [2]. 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. 7. Literatura. Opracowano w ramach realizacji pracy statutowej w Katedrze Mechanizacji, Automatyzacji i Projektowania Odlewni w roku 2004. [1] www.analog.com [2] www.taehwatrans.co.kr 162 Nowa Sól 3-4.06.2004 r.