POLITECHNIKA OPOLSKA

P R O J E K T

PRZEDMIOT: Technika mikroprocesorowa

Kierunek studiów: Elektronika i Telekomunikacja

Rok stud.: III

Specjalność:

Systemy elektroniczne

Rok akad.: 2007/2008

Semestr.:zimowy

NUMER TEMATU:

2.16.

TEMAT PROJEKTU:

Wykonać projekt układu mikroprocesorowego do bieżącego
pomiaru i rejestracji jakości energii elektrycznej. Podać schemat
układu oraz schemat blokowy programu. (RAM i ROM
zewnętrzne).
Dane: źródło: sieć energetyczna, napięcie pomiarowe 100V,
pomiar zgodny z obowiązującymi przepisami (norma), wynik
pomiaru wyświetlany na wyświetlaczu LCD.

P r o j e k t w y k o n a ł

nazwisko

imię

1.

Dras

Paweł

ocena

data

1.

2.

Zajęcia odbywały się w dniu: środa

o godz. 14.40

Termin oddania projektu:

Projekt oddano:

1. SPRECYZOWANIE TEMATU

Tematem projektu jest badanie jakości energii elektrycznej.

Poniższa tabela przedstawia

Parametry jakości energii wg EN50160.

Pomiar jakości energii elektrycznej w pełnym zakresie jest niewykonalny na procesorze z
rodziny ’51 dlatego w celu realizacji projektu zajmuję się tylko:

- współczynnikiem THD
- częstotliwością ,
- wartość napięcia zasilania

2. Sposób realizacji założeń

2.1. Pomiar napięcia skutecznego (True RMS).

Pomiar z zastosowanie FFT

Zależność u(t)
Sygnał okresowo zmienny można zapisać w postaci szeregu Fouriera następująco:

gdzie U

0

- składowa stała,

U

n

- amplituda n-tej harmonicznej,

Φ

n

- przesunięcie fazowe n-tej harmonicznej.

Mając sygnał w postaci powyższego wzoru do obliczenia wartości skutecznej możemy zastosować wzór.

2.2. Współczynnik zniekształceń harmonicznych – THD (Total Harmonic Distortion)

Z definicji: stosunek energii harmonicznych wytworzonych do energii wszystkich harmonicznych (łącznie z
podstawową).



 







 





  







 





  



· 100%

U

n

– amplituda m-tej harmonicznej

Pomiar wartości THD jest kłopotliwy, wymaga:

• zmierzenia amplitudy składowej podstawowej oraz kolejnych harmonicznych, przy użyciu
wąskopasmowego filtru,
• filtr musi być przestrajany i precyzyjnie dostrajany,
• obliczenie wartości THD – w sposób matematyczny.

Z tego wynika:

• skomplikowana budowa przyrządu pomiarowego,
• długi czas pomiaru,
• wymagana duża moc obliczeniowa procesora.

Współczynnik THD+N

Współczynnik zmierzony tą metodą uwzględnia nie tylko składowe widma, ale również szum.
Z tego względu współczynnik ten określa się mianem Total Harmonic Distortion and Noise (THD+N).
Pomiar THD+N jest znacznie szybszy i prostszy niż pomiar „czystego” THD.
Pomiary współczynnika zniekształceń harmonicznych prawie zawsze dotyczą THD+N.

Uproszczona metoda pomiaru współczynnika zniekształceń harmonicznych:
• filtr pasmowo-zaporowy o wąskim paśmie (notch) dostraja się do częstotliwości podstawowej, usuwając ją z
sygnału,
• mierzy się poziom sygnału po odfiltrowaniu,
• oblicza się współczynnik zniekształceń harmonicznych jako stosunek sygnału z usuniętą składową podstawową
do sygnału nie przefiltrowanego

.

   









Rys 1. Filtr typu notch, usuwający składową podstawową oraz znane zakłócenia.

Wymagania dotyczące urządzeń mierzących THD+N:
• bardzo małe zniekształcenia wprowadzane przez filtry,
• dostępny zestaw filtrów do tłumienia zakłóceń.

Rys 3. Schemat blokowy dla pomiaru THD+N



Pomiar z zastosowanie FFT.



W moim projekcie do pomiaru współczynnika THD skorzystałem z tej właśnie metody pomiaru, która
mierzy faktyczne THD bez szumu.
Algorytmy szybkich transformat Fouriera (FFT) wymagają 2

n

próbek pobranych ze znaną częstotliwością

próbkowania.
Według twierdzenia Shannona każdy sygnał można jednoznacznie opisać próbkując go z częstotliwością dwa
razy większą, niż jego największa częstotliwość składowa.
Innymi słowy, jeżeli mamy sygnał próbkowany z częstotliwością Fs = 1280Hz, to największą częstotliwość, jaką
można opisać takim próbkowaniem jest 640Hz co daje nam pomiar z dokładnością do 12 harmonicznej
częstotliwości sieci 50Hz

W projekcie stosuję FFT o długości 256 próbek pobieranych z częstotliwością F

s

=1280Hz, co daje rozdzielczość

transformaty 1280Hz / 256 = 5Hz czyli prążek dla 50Hz będzie w uzyskanej tablicy na 50Hz/5Hz = 10 miejscu a
każda następna harmoniczna 10 elementów dalej.

Z racji, że wynikiem FFT są wartości zespolone, aby uzyskać faktyczna moc sygnału w danej częstotliwości
muszę policzyć moduły wartości zespolonych widma.

Rys.5 Działania na pobranych próbkach w celu uzyskania zależności faktycznej mocy od częstotliwości.

Przedstawiony tutaj rysunek obrazuje w jaki sposób obliczana jest moc poszczególnych harmonicznych.
Pierwszy wzór jest dla częstotliwości podstawowej i dla częstotliwości 50Hz przedstawia tok obliczeń dla
wartości skutecznej z amplitudy 4 prążków w przód i w tył co daje wartość skuteczna obliczona z częstotliwości
20Hz-70Hz

Dla Harmonicznych w jest to 1 próbka w przód i w tył.

Mając w ten sposób policzone wartości skuteczne możemy użyć uproszczonego wzoru na THD

2.3. Częstotliwość podstawowa źródła.

Pomiar częstotliwości odbywa się przy użyciu detektora przejścia przez zero podaje on zbocze opadające raz na
okres sygnału i narastające raz na okres sygnału. Mikroprocesor jest ustawiony aby reagował na zbocze
opadające a w obsłudze przerwania zeruje się ustawiony w tryb 1 czyli licznik 16bitowy, a w nastepnym
przerwaniu odczytuje się zawartość.

Przy skalowaniu









!"#$% &$

'

ć

i kwarcu 24MHz, licznik inkrementuje się co 1µs. Okres częstotliwość podstawowej wynosi 0,02s a
maksymalny czas który może zmierzyć w ten sposób ustawiony licznik wynosi 0,06s wiec założenia są
wystarczające.
Wg normy częstotliwość podstawowa sygnału może wahać się w granicach 47Hz – 53Hz.

Rys. Detektor przejścia przez zero.

3. Algorytmy

4. Schemat blokowy i ideowy.