STMicroelectronics предлагает готовую платформу, на которой трёхфазный счётчик электроэнергии строится на дешёвых токовых шунтах вместо трансформаторов тока, а изолированные участки схемы связывает не оптопара, а цифровой изолятор. Плата рассчитана на тех, кто проектирует измерительную технику и не хочет начинать метрологический тракт с чистого листа.
Плата собрана как законченный референс трёхфазного ваттметра переменного тока. В ней объединены три компонента: прецизионная измерительная микросхема-фронтенд STPMS2, цифровой изолятор STISO621 и микроконтроллер семейства STM32, на котором работает готовая прошивка, считающая метрологические параметры и показатели качества электроэнергии. Прошивка поставляется в виде turn-key решения, но допускает изменение под конкретный прибор.
Ключевая идея конструкции — отказ от дорогих трансформаторов тока в пользу токовых шунтов. Шунт дёшев и по своей природе нечувствителен к внешним магнитным полям, то есть его сложнее «обмануть» магнитом, но он даёт очень слабый сигнал, поэтому всё решает качество тракта вокруг него. Схемотехника входных цепей и топология печатной платы в EVALSTPM-3PHISO проработаны именно под эту задачу: обеспечить устойчивость к электромагнитным помехам и высокое отношение сигнал/шум, без которого ни точное измерение, ни последующая цифровая обработка невозможны.
Измерительный тракт: STPMS2 и сигма-дельта модуляция
STPMS2 — двухканальный сигма-дельта модулятор второго порядка с разрядностью 24 бита. Один канал снимает напряжение фазы через резистивный делитель, расположенный на плате, второй — ток через шунт. Сигнал передискретизируется тактовой частотой 4 МГц, которую раздаёт микроконтроллер: общий синхронизирующий клок важен, потому что фазовое рассогласование между каналами напряжения и тока напрямую превращается в ошибку измерения мощности.
Оба битовых потока — по напряжению и по току — мультиплексируются микросхемой на один-единственный выходной вывод. Такой приём заметно упрощает разводку и, что важнее в этой архитектуре, сокращает число линий, которые придётся проводить через гальваническую развязку. Для трёхфазной системы на плате установлены три микросхемы STPMS2 — по одной на фазу.
Обработка данных в STM32
Шесть битовых потоков (напряжение и ток трёх фаз) поступают в микроконтроллер, где их разбирают аппаратные цифровые фильтры для сигма-дельта модуляторов — блоки DFSDM, интегрированные в выбранный STM32. Фильтры превращают плотность единиц в потоке в 24-битные значения напряжения и тока, после чего прошивка в реальном времени пересчитывает весь набор метрологических данных с периодом 200 мкс.
Для внешнего взаимодействия прошивка поднимает виртуальный COM-порт. Через него можно читать измеренные величины, менять внутреннюю конфигурацию и калибровать плату — то есть вся отладка и настройка ведутся с обычного компьютера без дополнительного программатора в цикле.
Гальваническая развязка на STISO621
Измерительная часть счётчика сидит на потенциале сети, вычислительная и интерфейсная — нет, поэтому между ними нужен барьер. Его роль выполняет STISO621 — первая микросхема новой серии, построенной на фирменной технологии ST с толстым оксидом, рассчитанным на 6 кВ гальванической изоляции, и предназначенной для передачи данных между изолированными доменами в промышленной аппаратуре.
два независимых канала со входами на триггерах Шмитта — отсюда высокая помехоустойчивость;
искажение длительности импульса удерживается ниже 3 нс;
максимальное повторяющееся напряжение изоляции (VIORM) — 1200 В.
По сравнению с классическими оптронами такой изолятор даёт более быструю передачу, больший срок службы и более высокую надёжность — у светодиода оптопары деградация яркости со временем является принципиальным ограничением, у ёмкостного барьера с толстым оксидом этого механизма старения нет.
Что плата измеряет и каким стандартам соответствует
Решение аттестовано под требования к счётчикам активной энергии переменного тока по EN 50470-x, IEC 62053-2x и ANSI 12.2x. Приложение выдаёт активную широкополосную мощность и энергию, активную мощность по основной гармонике, реактивную и полную мощность — как отдельно по каждой фазе, так и суммарно по системе.
По точности достигнуты класс 0,5 согласно IEC 62053-22 при трёхфазном измерении активной и полной мощности и класс 1 согласно IEC 62053-21 при измерении реактивной мощности. Дополнительно для каждого сигнала напряжения и тока вычисляются действующие значения (RMS) и опционально коэффициент гармонических искажений (THD), а также выполняются измерения постоянной составляющей, периода сети, фазового сдвига и задержки фазного напряжения для каждой фазы.
Область применения и доступность
Помимо собственно коммерческого учёта электроэнергии, EVALSTPM-3PHISO позиционируется как эталонная конструкция для промышленных многофазных измерительных задач: зарядные станции электромобилей, серверное оборудование, солнечные инверторы. Везде, где нужно с метрологической точностью знать, сколько энергии прошло по трём фазам, архитектура повторяется практически без изменений.
Плата уже доступна к заказу на st.com и у дистрибьюторов по цене 118 долларов. Подробная документация — на сайте www.st.com.
