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三相雙向功率/電度表芯片SA9105F的原理與應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:SA9105F是SAMES公司推出的一種新型三相雙向功率/電度表芯片,它內(nèi)部集成了三相功率/電能測量所需的電壓和電流檢測、A/D轉(zhuǎn)換器和功率計(jì)算等功能。SA9105F在外圍連接少量的元件,即可構(gòu)成一個(gè)功率/電能儀表或一個(gè)控制系統(tǒng)中的部件。文中給出了SA9105F的原理、特性、功能及應(yīng)用電路。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/255691.htm

關(guān)鍵詞:SA9105F 三相功率 電能儀表 計(jì)量

SA9105F三相電能儀表集成芯片非常適用于工業(yè)/民用或電能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它輸出的脈沖串可用來指示能量的傳送方向,由于其脈沖頻率正比于能量消耗的大小,因此一段時(shí)間內(nèi)所累積測量的功率結(jié)果就確定了能量消耗。因而可用于有功功率的測量方面,同時(shí),SA9105F還考慮到了功率因素。

1 封裝及管腳描述

SA9105F集成電路有兩種封裝形式,其中SA9105FPA為DIP-40封裝,SA9105FFA為PLCC-44封裝,圖1是DIP-40封裝的管腳分布圖,表1所列為其引腳功能說明。

表1 SA9105F的管腳功能描述

管腳序號(hào) 標(biāo)號(hào) 功能描述 管腳序號(hào) 標(biāo)號(hào) 功能描述
35 GND 36 COP2 連接A/D轉(zhuǎn)換電容的外部循環(huán)電容
28 VDD 正電源電壓 30 CON3
16 VSS 負(fù)電源電壓 31 COP3
6 IIN1 電流檢測輸入:A相 13 CONP
7 IIP1 12 COPP
34 IVP1 電壓模擬量輸入:A相
電壓模擬量輸入:B相
電壓模擬量輸入:C相
1 CIN1 連接A/D轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)部循環(huán)電容
33 IVP2 40 CIP1
32 IVP3 3 CIN2
8 IIN2 電流檢測輸入:B相 2 CIP2
9 IIP2 5 CIN3
10 IIN3 電流檢測輸入:C相 4 CIP3
11 IIP3 15 CINP
25 DIR 方向指示輸出 14 CIPP
19 OSC1 連接到晶體或陶瓷振蕩器(OSC1:輸入;OSC2:輸出) 29 VREF 連接到電流調(diào)節(jié)電阻
20 OSC2 27 TP27 測試管腳,與VSS相連
21 FOUT1 脈沖輸出 17 TP17 廠家測試管腳
23 FOUT2 18 TP18
38 CON1 連接A/D轉(zhuǎn)換電路的外部循環(huán)電容 22 TP22
39 COP1 24 TP24
37 CON2 26 TP26

2 主要特征

SA9105F的主要特征如下:

●可進(jìn)行雙向一、二、三相功率/電能測量;

●符合IEC521/1036的1組交流電能表技術(shù)要求;

●工作溫度范圍寬;

●用電流互感器作電流檢測元件;

●具有良好的長期穩(wěn)定性;

●調(diào)試方便;

●內(nèi)置電壓基準(zhǔn);

●具有兩路輸出脈沖格式可選;

●具有防靜電保護(hù)功能。

3 功能描述

SA9105F是數(shù)字/模擬混合型集成電路,可進(jìn)行三相電能的計(jì)算,在1000:1的范圍內(nèi),其精度優(yōu)于1級(jí)。

SA9105A芯片內(nèi)集成了三相電能測量所需的全部功能,如電壓、電流檢測端的A/D轉(zhuǎn)換器、功率的計(jì)算和能量的積分等。其內(nèi)部的偏移誤差可通過程序加以修正。

SA9105F產(chǎn)生的脈沖頻率正比于測量所得的功率,它有兩種頻率輸出格式(FOUT1、FOUT2)可供選擇。并能以脈沖頻率形式輸出有功功率的瞬時(shí)值,其功率的方向則以脈寬的變化來反應(yīng)。

3.1 功率的計(jì)算

圖2是SA9105F的應(yīng)用電路圖。從電路中可以看出,來自A、B、C三相的電壓信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電流并加到電壓檢測端口IVP1、IVP2和IVP3。

電路中的主電壓(3×230VAC)被分壓電路分壓至14V,通過電阻R15、R16和R17加到電壓檢測端口,以使得輸入到電壓檢測端口的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電流為14μA。

在額定條件下,電流互感器的匹配電阻上的電壓降通過電阻R8、R9(A相),R10、R11(B相),R12、R13(C相)轉(zhuǎn)換成16μA的電流傳送給電流檢測端口IIN1、IIP1;IIN2、IIP2;IIN3、IIP3。

在這種結(jié)構(gòu)條件下,當(dāng)主電壓為3×230V、額定電流為80A時(shí),SA9105F集成電路的FOUT1和FOUT2的輸出頻率是64Hz。此時(shí)1個(gè)脈沖相當(dāng)于3×18.4kHz=862.5Ws的功率消耗。

3.2 模擬輸入

把SA9105F的電流或電壓檢測端(IIP、IIN或IVP)通過保護(hù)二極管與VDD或VSS相加,可有效地防止在模擬運(yùn)放輸入端出現(xiàn)的過壓現(xiàn)象。

3.3 靜電保護(hù)和功耗

集成電路SA9105F的輸入/輸出端口勻有靜電放電保護(hù)。在5V供電時(shí),SA9105F的總功耗小于50mW。

3.4 脈沖信號(hào)輸出

在上述額定條件下,累計(jì)的功率消耗被轉(zhuǎn)換成64Hz的脈沖串,從FOUT1和FOUT2輸出。脈沖輸出信號(hào)提供電能和方向的信息,F(xiàn)OUT1和FOUT2是兩種脈沖輸出形式,它們的區(qū)別在于:電能流動(dòng)的方向在FOUT1上表現(xiàn)為占空比的倒置,而在FOUT2上表現(xiàn)為脈沖寬度的變化。

計(jì)算輸出頻率(f)的公式為:

f=11.16×FOUTX{(FOSC/3.58MHz)[(II1IV1)+(II2IV2)+(II3IV3)]/3I 2 R}

式中,F(xiàn)OUTX是額定條件下的頻率值(64Hz);FOSC為振蕩器頻率(2MHz......4MHz);II1、II2、II3為電流檢測端的輸入電流(在額定條件下為16μA);IV1、IV2、IV3為電壓檢測端的輸入電流(在額定條件下為14μA);IR:參考電流(典型值為50μA)。

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)

在圖2 所示的應(yīng)用中,已標(biāo)出了所需元件,電流信號(hào)的檢測使用電流互感器。以下是SA9105F應(yīng)用電路中的一些元件的典型值和主要作用:其中,C7、C9、C10和C11是外部循環(huán)電容,用于A/D轉(zhuǎn)換器。C7的典型值為2.2nF,C9、C10和C11的典型值取560pF。在實(shí)際應(yīng)用中,電容的取值決定信號(hào)的穩(wěn)定性,所有電容的誤差均應(yīng)在±10%以內(nèi);C4、C5、C6和C8是內(nèi)循環(huán)電容,用于A/D轉(zhuǎn)換器,容量一般在0.5nF~5nF之間,典型值可取3.3nF。

電流互感器的輸出通過限流電阻(R8~R13)接到SA9105F的電流信號(hào)檢測端。電阻阻值的選擇應(yīng)考慮額定條件下輸入到SA9105F電流檢測端的電流(均方根值為16μA),其值計(jì)算如下:

A相:

R8=R9=(IL1/16μARMS)×R18/2

B相:

R10=R11=(IL2/16μARMS)×R19/2

C相:

R12=R13=(IL3/16μARMS)×R20/2

這里:ILX是額定條件下電流互感器的二次電流;R18、R19、R20為電流互感器輸出端的負(fù)載電阻;R1、R1A和R15可用來確定A相電壓檢測端的電流;R2、R2A、R5、P5和R16用于確定B相電壓檢測端的電流;R3、R3A、R6、P6和R17用來確定C相電壓檢測端的電流。它們的阻值選擇應(yīng)使電壓檢測輸入端的輸入電流在額定條件下為14μARMS。電容C1、C2和C3主要用來耦合和相位補(bǔ)償。

R14和P14用來為芯片提供偏置和基準(zhǔn)電流。其推薦值為:R14+P14=24kΩ,R14的改變會(huì)引起輸出頻率的改變(注:ΔR=+5%,Δf=+10%)。

XTAL是彩電振蕩電路的晶體振蕩器,該振蕩器的頻率在片內(nèi)被分頻至1.7897MHz,并提供給數(shù)字電路和A/D轉(zhuǎn)換器。

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