Цифровий вимірювальний прилад для моніторингу основних показників електричної мережі

Abstract

В електричних мережах під час експлуатації різноманітного обладнання спостерігається відхилення від нормованого значення напруги, а також відбуваються постійні зміни величини струму та споживаної потужності. У зв'язку з цим виникає необхідність у постійному моніторингу основних параметрів електричної мережі, на основі яких можуть бути прийняті рішення щодо оптимізації роботи її складових частин. Для вирішення цієї задачі в роботі розглянуті методи та засоби вимірювання основних показників електричної мережі, розроблено методику вимірювання та створено цифрову вимірювальну систему для моніторингу основних показників однофазної електричної мережі напругою 220 В з використанням мікроконтролеру PIC18F2525 фірми Microchip. Для вимірювання кута зсуву фаз між сигналами напруги та струму застосовано схему виявлення переходу сигналу через нуль Zero Crossing Detector з використанням компараторів. Програмний код написаний у середовищі розробки MPLAB X IDE від Microchip з використанням компілятора XC8 мови програмування C++ та наведено лістинги базових функцій для розрахунку параметрів електричної мережі. Запропонований пристрій здійснює вимірювання середньо квадратичного значення напруги та струму; повної, активної та реактивної потужності; коефіцієнту потужності та частоти вхідної напруги. Вимірювальна система дозволяє в реальному часі визначати основні показники енергомережі з діючим значенням напруги величиною до 280 В та діючим значенням струму величиною до 50 А та їх відображенням на символьному LCD дисплеї. В статті проведено демонстрацію роботи приладу в програмах для симуляції електронних схем NI Multisim та Proteus Design при різному характері навантаження: резистивному, резистивно-індуктивному та резистивно-ємнісному.

During the operation of various equipment in electrical grids, there is a deviation from the rated voltage value, as well as continuous changes in current and power consumption. In this case, there is a requirement for regular monitoring of the power grid main parameters, which can be used to make decisions on optimizing the operation of its components. To solve this task, the research analyzed the methods and equipment for measuring the main indicators of the electrical grid, developed a measurement methodology and created a digital measuring system for monitoring the main indicators of a single-phase electrical grid with a voltage of 220 V using the PIC18F2525 microcontroller from Microchip. To measure the phase angle between the voltage and current signals, the signal crossing detection scheme Zero Crossing Detector with comparators is used. The program code was written in Microchip's MPLAB X IDE using the XC8 compiler of the C++ programming language and lists of basic functions for calculating the parameters of the electrical grid are given. The proposed device measures the root mean square value of voltage and current; total, active and reactive power; power factor and frequency of the input voltage. The measuring system allows real-time determination of the main characteristics of the power grid with an effective voltage value up to 280 V and an effective current value up to 50 A and their visualization on a symbolic LCD display. The article demonstrates the operation of the device in the programs for simulating electronic circuits NI Multisim and Proteus Design with different types of loads: resistive, resistiveinductive, and resistive-capacitive.