井明忠，趙穎異，曾潔

（大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

隨著我國鐵路電氣化的快速發(fā)展，電力牽引機(jī)車越來越普及，軌道交通運(yùn)輸對(duì)電能的消耗也越來越大。為了降低軌道交通運(yùn)輸所造成的能耗以及減排，對(duì)電力牽引機(jī)車能效提出更高要求。為此，對(duì)軌道車輛運(yùn)行的電能消耗進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量非常有必要。由于我國現(xiàn)存軌道車輛數(shù)量龐大，研究開發(fā)一款能夠準(zhǔn)確計(jì)量軌道車輛電能消耗的計(jì)量裝置在鐵路現(xiàn)場具有很大的需求和發(fā)展空間。準(zhǔn)確計(jì)量軌道車輛電能消耗對(duì)于科學(xué)統(tǒng)計(jì)軌道交通運(yùn)輸成本、機(jī)車技術(shù)改造以及科學(xué)地指導(dǎo)司機(jī)節(jié)能駕駛有非常重要的意義[1-3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

文中設(shè)計(jì)的電能計(jì)量裝置的無功功率精度要求達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有功功率要求達(dá)到國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于所設(shè)計(jì)的裝置要適應(yīng)全天候和強(qiáng)電磁工作環(huán)境，因此該裝置要求具有高可靠性、高測量精度以及較強(qiáng)的抗電磁干擾能力等特性。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)電能表的實(shí)際工作環(huán)境以及設(shè)計(jì)要求，該款電能表的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 電能表總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)的主要參數(shù)

1）系統(tǒng)工作電源：直流5 V，經(jīng)由直流110 V 電源降壓產(chǎn)生；

2）電壓通道輸入范圍：交流0～150 V，額定電壓為100 V；

3）電流通道輸入范圍:交流0～8 A，額定電流為5 A；

4）電壓變比：25 000/100；

5）電流變比：400/5；

6）精度等級(jí)：有功功率一級(jí)，無功功率二級(jí)；

7）顯示模式：100 V 交流電壓輸入，經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)量變換在顯示屏對(duì)應(yīng)輸出25 000 V；5 A 交流電流輸入，經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)量變換在顯示屏對(duì)應(yīng)輸出400 A；顯示有功能耗和無功能耗、功率因數(shù)以及頻率。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)量芯片基本電路

由于該款電能計(jì)量芯片自身的特點(diǎn)原因，只需要給其輸入電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)的電壓以及電流信號(hào)，芯片內(nèi)部自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)計(jì)算出電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)的電能消耗以及瞬時(shí)功率等數(shù)據(jù)。因此，只需設(shè)計(jì)出安全、合理的交流電壓及交流電流的基本輸入電路，便可測得電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)功率以及總的電能消耗。該款電能表的電能計(jì)量芯片基本電路原理如圖2 所示。

圖2 電能計(jì)量芯片基本電路圖

2.2 交流電壓采集電路

由總體設(shè)計(jì)框圖可以看出，交流電壓經(jīng)電壓采樣電路后給電能計(jì)量芯片輸入電壓信號(hào)，由圖2電能計(jì)量芯片的基本電路可以看出，電壓采樣電路采用HKPT 31C 電流型電壓互感器，該型號(hào)電壓互感器一方面起到安全隔離作用，另外，其初、次級(jí)匝比為1∶1，輸入的100 V 交流電壓不能直接施加于初級(jí)繞組，需串入阻值為120 kΩ的限流電阻將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為毫安級(jí)電流，次級(jí)輸出的毫安級(jí)電流信號(hào)經(jīng)并聯(lián)的150 Ω電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后由并聯(lián)電阻分壓，經(jīng)濾波電容后接入CS5463電能計(jì)量芯片的VIN+和VIN-引腳。

2.3 交流電流采集電路

由總體框圖可以看出，交流電流經(jīng)電流采樣電路后給電能計(jì)量芯片輸入電流信號(hào)，出于安全考慮，由圖2 電能計(jì)量芯片的基本電路可以看出，該設(shè)計(jì)電流采樣電路的電流互感器HKCT21BM，由于CS5463 的電流檢測實(shí)際上是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后的電壓檢測，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)會(huì)在電流互感器的二次側(cè)并聯(lián)一電阻，將一次側(cè)輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過限流電阻和濾波電容將電壓信號(hào)輸入到電能計(jì)量芯片的電流檢測管腳IIN+和IIN-[4-6]。

交流電壓和電流信號(hào)輸入CS5463 電能計(jì)量芯片后，電壓信號(hào)會(huì)經(jīng)10 倍增益放大器放大，然后由其內(nèi)部集成的Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化；電流信號(hào)會(huì)經(jīng)過芯片內(nèi)部的PGA，使輸入峰值電壓可選擇為±250 mV 或±50 mV，再通過芯片內(nèi)部集成Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化[7-10]。

2.4 電能計(jì)量芯片輸出模式控制電路

CS5463 芯片的18、21 和22 引腳分 別控制 著該款電能計(jì)量芯片的不同工作模式，當(dāng)外部電路分別給不同引腳輸入脈沖時(shí)，電能計(jì)量芯片向單片機(jī)傳輸不同的測量量。其外部脈沖輸入電路設(shè)計(jì)如圖3 所示，該模塊采用HEF40106 六反相施密特觸發(fā)器與光耦PIC817，連接到電能計(jì)量芯片的E1、E2、E3 引腳，電能計(jì)量芯片內(nèi)部含有電能轉(zhuǎn)換脈沖模塊，對(duì)應(yīng)分別輸出有功電能、視在電能和無功電能[11-13]。

圖3 外部脈沖輸入電路

2.5 系統(tǒng)工作電源變換電路

在中央處理器電源供電模塊中，列車上直流110 V 電壓經(jīng)過壓敏電阻、保險(xiǎn)絲與兩個(gè)共模電感連接，壓敏電阻與保險(xiǎn)絲的存在可以防止輸入電壓過大損壞元器件，共模電感的存在會(huì)過濾電磁干擾，然后接到降壓電源模塊，將110 V 電壓降到單片機(jī)用5 V 直流電壓，再接到單片機(jī)供其正常工作使用，電路原理圖如圖4 所示。

圖4 直流電源降壓模塊

2.6 微處理器

電能表的微處理器采用了Dspic30f4011 芯片，該芯片的最小系統(tǒng)電路原理如圖5 所示。系統(tǒng)采用微處理器來控制CS5463 的檢測過程和數(shù)值顯示，電能表上電后處理器首先讀取存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)，會(huì)直接顯示于顯示屏上，按下復(fù)位按鍵系統(tǒng)初始化，電能計(jì)量芯片對(duì)輸入的交流電壓以及交流電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過芯片內(nèi)部Δ-Σ 數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理，微處理器讀取數(shù)據(jù)后顯示于顯示屏。由圖5 可以看到，電能計(jì)量芯片CS5463 的5、6、7 腳通過串行總線的方式分別與微處理器的24、26、30 引腳連接。另外，微處理器與顯示屏通過SPI 總線的方式進(jìn)行連接，由圖5 也可以看出，顯示器與位處理器的2～9 引腳通過總線連接[14-16]。

2.7 按鍵模塊

電能表的按鍵模塊電路原理如圖6 所示，系統(tǒng)上電后顯示屏?xí)苯语@示微處理器讀取有功電能的數(shù)據(jù)，通過按動(dòng)按鍵，顯示屏顯示數(shù)據(jù)會(huì)翻頁顯示出所測量的不同數(shù)據(jù)：有功功率、無功功率、無功電能以及有功電能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 微處理器最小系統(tǒng)

圖6 按鍵模塊

該系統(tǒng)采用MPLAB IDE 編程環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境使用內(nèi)部編輯器創(chuàng)建和編輯源代碼，可在線調(diào)試程序，在觀察窗口觀測變量，調(diào)試完成可使用MPLAB IDE2 編程器對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫。系統(tǒng)主程序主要包含模塊初始化子程序、電能計(jì)量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、按鍵模塊以及精度調(diào)節(jié)子程序等，該部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可以實(shí)時(shí)測量瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流，經(jīng)電能計(jì)量芯片處理實(shí)時(shí)輸出瞬時(shí)功率，并計(jì)算出實(shí)時(shí)能耗。其主流程圖如圖7 所示。

4 實(shí)物調(diào)試

電能計(jì)量裝置實(shí)物如圖8 所示。此次設(shè)計(jì)的電能表采用YT3301 便攜式電能表檢驗(yàn)裝置（如圖9）來檢驗(yàn)產(chǎn)品的精度，首先該檢驗(yàn)裝置可以根據(jù)需要設(shè)置為列車在各種不同的負(fù)載情況下運(yùn)行，其次輸入的交流電壓、電流也可以根據(jù)不同運(yùn)行條件設(shè)置為不同參考值。檢測輸入交流電壓100 V,交流電流5 A，直流電壓110 V，調(diào)節(jié)系統(tǒng)使輸入交流電流分別為0.05Ib、0.1Ib、0.2Ib，再在輸入電流不變的情況下，使功率因數(shù)分別為1.0、0.5L、0.5C、0.8L、0.8C，測試結(jié)果如表1 所示（Ib=5 A，Imax=8 A）。由測量數(shù)據(jù)可以看出，該電能計(jì)量裝置測量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7 系統(tǒng)主流程圖

圖8 電能表實(shí)物圖

圖9 電能表精度檢驗(yàn)裝置

5 結(jié)論

文中主要介紹了電能表電能計(jì)量模塊硬件電路的設(shè)計(jì)，采用電能計(jì)量芯片CS5463 和微處理器Dspic30f4011，并在MPLAB IDE 編程環(huán)境下編寫程序。該電能表經(jīng)過專用設(shè)備在各種負(fù)載情況下檢測，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有功、無功功率精度均達(dá)到國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且運(yùn)行穩(wěn)定，該電能表具有精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，此款電能表現(xiàn)已成功應(yīng)用到電力機(jī)車上。此外，該電能表還可根據(jù)不同需求來改進(jìn)功能，如加入通訊模塊、以太網(wǎng)等。

表1 電能表精度檢測