Leistungs- und Energiemessstation - C

HTL-Donaustadt
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Leistungs- und
Energiemessstation
Projektteilnehmer:
Projektbetreuer:
Engin CINAR
DI Peter SEIDEL
Michael KUDRNA
DI Norbert RESCH
Academia Nova
Leistungs- und Energiemessstation
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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.
2.2. 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
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Zeitfenster:
Augenblicksleistungswert  50µs bis 100ms
Energiemessung  Stundenmittelwert
Überlastfestigkeit:
30A für 3 Sekunden
Potentialtrennung:
zwischen Messeinheit und Schnittstellen
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3. Funktionsprinzip
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4.Blockschaltbild
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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.
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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:
𝑃𝑆ℎ𝑢𝑛𝑡 = 𝐼 2 ∗ 𝑅 = 16𝐴2 ∗ 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.
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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.
7.2. 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.
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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.
7.4. 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.
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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.
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