Leistungs- und Energiemessstation

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1 Leistungs- und Energiemessstation Projektteilnehmer: Engin CINAR Michael KUDRNA Projektbetreuer: DI Peter SEIDEL DI Norbert RESCH Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 1 von 10

2 1.Allgemein Unser Projekt ist eine Energie- und Leistungsmessstation. Das Modul soll an ein 230V Einphasenwechselstromnetz angeschlossen werden. Die Leistung und der Energieverbrauch sollen angezeigt werden. Die Messung sollte in einem bestimmten Zeitbereich liegen. Die Werte sollen über TCP/IP an den Server geschickt werden. Dort sollen die Werte auf einer Homepage angezeigt werden. 2. Pflichtenheft 2.1. Aufgabenstellung Das Modul soll an ein 230V Einphasenwechselstromnetz angeschlossen werden. Spannung und Strom der angeschlossenen Verbraucher sollen gemessen werden und anschließend eine daraus folgende Leistung errechnet werden. Es soll aber auch ein daraus resultierender Mittelwert berechnet werden. Der Leistungsmittelwert soll in einem Zeitbereich von 100ms angegeben werden. Die Energiemessstation soll aber auch einen Energieverbrauch angeben.. Der Energieverbrauch wird in kwh angezeigt. Der Leistungsmittelwert und der Energieverbrauch sollen anschließend über ein TCP/IP Netz mit dem Server kommunizieren, damit die Werte auf einer Homepage angezeigt werden können Technische Anforderungen Spannungsmessung: Maximal 380V Wechselspannungsmessung(entspricht dem Vollausschlag) bei einer Frequenz von ca. 50 Hz und einer Auflösung der Daten von 10 Bit Strommessung: Maximal 24A Wechselstrommessung(entspricht dem Vollausschlag) bei einer Frequenz von ca. 50 Hz und einer Auflösung der Daten von 10 Bit Eigenversorgung: Aufnahmeleistung: <6,5 Watt Versorgungsspannung: 230 Volt Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 2 von 10

3 Zeitfenster: Augenblicksleistungswert 50µs bis 100ms Energiemessung Stundenmittelwert Überlastfestigkeit: 30A für 3 Sekunden Potentialtrennung: zwischen Messeinheit und Schnittstellen Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 3 von 10

4 3. Funktionsprinzip Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 4 von 10

5 4.Blockschaltbild Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 5 von 10

6 5.Spannungsmessung 5.1. Schaltung 5.2 Erklärung Die Netzspannung, 230V Wechselspannung, wird mittels eines Spannungsteilers auf einen Wertebereich von ca. 1V gebracht. Zusätzlich zur Spannung am nicht invertierenden Eingang kommt eine Offsetspannung von 1,5V dazu. Dies erfolgt ebenfalls durch einen Spannungsteiler am nicht invertierenden Eingang. Verwendet wird ein Rail-to-Rail Operationsverstärker. Am Ausgang darf eine Spannung von 0V bis 3,3V herauskommen. Das entspricht der Versorgungsspannung des OPV, die zwischen 0V und 3,3V liegt. Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 6 von 10

7 6. Strommessung 6.1. Schaltung 6.2. Erklärung Der Strom soll in einem Bereich von -25A bis +25A gemessen werden können, dadurch soll eine Effektivwertmessung von bis zu 16A möglich sein. Um auch hier den Verlust gering zuhalten wird der Shunt-Widerstand sehr klein gewählt (10mΩ). Dadurch ergibt sich bei anliegen von 16A Effektivstrom folgende Verlustleistung: P Shunt = I 2 R = 16A 2 0,01Ω = 2,56W Die Spannung muss um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen verstärkt werden. Außerdem muss die Spannung wieder um 1,5V angehoben werden, da der Mikrokontroller keine negativen Werte einlesen kann. Dies geschieht wie bei der Spannungsmessung durch einen Rail-to-Rail Operationsverstärker an dessen nicht invertierenden Eingang +1,5V anliegen. Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 7 von 10

8 7. Programmierung 7.1. ADC Die erste Aufgabe war es die ADC Konfiguration festzulegen. Die Datenblätter des PIC die im Zusammenhang mit der ADC Konfiguration sind, wurden überarbeitet und die Konfiguration festgelegt. Danach wurde der Watchdog mit einigen Befehlen überarbeitet. Dann wurden alle Pins des Mikrocontrollers überprüft und zugeteilt ob der jeweilige Pin ein Ein- oder Ausgang ist. Anschließend konnten wir, nachdem wir die Ein- und Ausgänge festgelegt hatten, die jeweiligen TRIS Register festlegen. Dann stellten wir fest dass die Konfiguration für ADXPCFGL falsch war. Denn zuvor legten wir es mit 0x0000 fest. Da nur AN9 und AN10 Analogeingänge sind, mussten wir die anderen als Digitaleingänge annehmen. Deshalb ersetzten wir 0x0000 durch 0xF9FF. Anschließend missten wir am Pin 40 den Takt und erhielten die von uns gehofften 40MHz. Als wir damit fertig waren, erhielten wir die richtigen TRIS Ergebnisse. Dann ergänzten wir die Programmierung mit dem Befehl CH0SA und setzten für diesen Befehl einmal 10 und einmal 9 ein (wegen AN9 und AN10). Nun können wir die Spannung und den Strom einlesen SPI Um den internen Oszillator festzulegen, werden einige Werte benötigt die man in Rechnungen verwenden muss. Fosc berechnet sich aus Frc*40/N1*N2. Der Takt von Frc beträgt normalerweise 7,4 MHz, durch das Tuning kann er allerdings auf 8 MHz aufgestuft werden. Die Werte N1, N2 und M stehen im Oszillator Manual. Die Werte für N1 und N2 sind jeweils 2, für M wählt man 40. Daraus ergibt sich ein Takt von Fosc = 80 MHz. Um Fcy zu berechnen muss man Fosc/2 nehmen. Dadurch erhält man einen Takt von 40 MHz. Der Takt darf allerdings, in unserem Fall, nicht größer als 2MHz sein, deshalb muss man die 40MHz mit dem Faktor 20 dividieren und dadurch erhalten wir 2 MHz. Die SPI-Konfiguration wurde mit unserem Projektbetreuer(Hr. Prof. Seidl) besprochen, ebenso die Rechnungen und die Takte die zuvor ermittelt wurden. Durch die Ergänzungen SPRE und PPRE wurde die SPI-Programmierung komplettiert. Anschließend erhielten wir auch die für den SPI-Takt notwendigen 2MHz. Dies wurde am Oszilloskop kontrolliert und festgestellt, dass es richtig war. Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 8 von 10

9 7.3. Leistungsberechnung Es soll versucht werden die Leistung mittels Assembler zu berechnen, da dadurch einiges an Zeit eingespart werden kann. Zuerst mussten wir uns wieder mit Assembler zurechtfinden um die Programmierung fortsetzten zu können. Außerdem müssen wir einen Leistungsmittelwert und den Effektivwert erstellen, ebenfalls soll die Abtastzeit ermittelt werden. Wir stellten fest, dass wir als Abtastzeit 50µs benötigen, wobei wir 3µs für das Einlesen der Spannung und des Stromes, Leistungsberechnung und ADC - Initialisierung benötigen. Die restlichen 47µs bleiben für die IP Interface übrig, was ausreichen sollte. Wir mussten uns noch über die Timer Programmierung informieren. Wir einigten uns auf den Timer1, da für uns der 16-Bit Modus völlig ausreicht. Die 50µs erhielten wir durch die Aufzeichnung der einzelnen Spektren und zwar deshalb, damit wir nicht die halbe Abtastzeit überschreiten. Wir mussten 2 Kondensatoren und zwar wegen dem Alias-Effekt in der Spannungsmessung bzw. Strommessung hinzufügen. Der Alias-Effekt tritt nämlich in der Signalverarbeitung beim digitalisieren analoger Signale auf. Im abzutastenden Teil dürfen nämlich nur Frequenzanteile vorkommen, die kleiner als die Nyquist-Frequenz (halbe Abtastfrequenz) sind. Damit ein solcher Effekt nicht auftritt, wird das Eingangssignal gefiltert. Allerdings muss das vor der Digitalisierung passieren, denn ein nachträglicher Anti-Alias-Effekt ist nicht möglich. Die Kondensatoren berechneten wir mit T = R*C, T = 1/w C = 1/2*pi*fg*R. Die Ergebnisse ergaben folgende Werte: 47nF und 22nF. Dadurch wir nun die Abtastzeit zur Verfügung haben, können wir mit der eigentlichen Leistungsberechnung beginnen. Dadurch die Spannung und der Strom schon eingelesen werden kann, wird eine Multiplikation der beiden benötigt, dadurch ergibt sich die Augenblicksleistung Datenübertragung Die Leistungsberechnung und die SPI Konfiguration war abgeschlossen und so konnten wir die Datenübertragung testen. Zuerst wurde die Homepage aufgerufen. Damit wir sehen konnten ob unsere Sekundärseite mit dem Server über TCP/IP kommunizieren konnte. Dies funktionierte und deshalb gaben wir zu Beginn für den Energieverbrauch einen Testwert für die Datenübertragung ein. Dieser Wert betrug 30. Der 100ms-Wattwert betrug laut MPLab 12. Jetzt musste nur noch überprüft werden ob die Werte auch auf der Homepage angezeigt werden konnte und dies war erfreulicherweise s auch so. Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 9 von 10

10 Abschließend musste noch festgestellt werden, ob unser Modul auch mit Wechselspannung arbeiten kann. Dies überprüften wir, indem wir das Modul an einen Trennstelltrafo anschlossen (nicht gleich ans Netz, da es sicherer ist mit dem Trennstelltrafo zu arbeiten). Unser Leistungsmessgerät konnte auch mit Wechselspannung arbeiten. Auch die Genauigkeit wurde überprüft, indem wir einen Messvergleich zwischen einem Leistungsmessgerät aus dem Labor und unserem Modul herstellten. Dies hielten wir mit einem Foto fest und waren mit dem Ergebnis äußerst zufrieden. Hier sehen wir, dass unser Modul einen Leistungswert von 58 Watt anzeigt und das Leistungsmessgerät 60,7 Watt anzeigt. Ein zufrieden stellendes Ergebnis. Academia Nova Leistungs- und Energiemessstation Seite 10 von 10