وفقًا لمبدأ تصميم عداد الطاقة، يمكن تقسيمه أساسًا إلى 8 وحدات: وحدة الطاقة، ووحدة العرض، ووحدة التخزين، ووحدة أخذ العينات، ووحدة القياس، ووحدة الاتصال، ووحدة التحكم، ووحدة معالجة MCU. تؤدي كل وحدة وظائفها الخاصة بواسطة وحدة معالجة MCU لتحقيق التكامل والتنسيق الموحد، مما يُشكل وحدة متكاملة.
1. وحدة الطاقة الخاصة بعداد الطاقة
وحدة الطاقة في عداد الطاقة هي مركز الطاقة اللازم لتشغيله بشكل طبيعي. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في تحويل الجهد العالي للتيار المتردد (220 فولت) إلى جهد منخفض للتيار المستمر (12 فولت، 5 فولت، 3.3 فولت)، مما يوفر الطاقة اللازمة لتشغيل الشريحة والمكونات الأخرى في عداد الطاقة. وتُستخدم ثلاثة أنواع شائعة من وحدات الطاقة: المحولات، ووحدات خفض الجهد المقاومة-السعوية، ووحدات التغذية الكهربائية التبديلية.
نوع المحول: يتم تحويل مصدر الطاقة AC 220 فولت إلى AC 12 فولت عبر المحول، ويتم الوصول إلى نطاق الجهد المطلوب من خلال التقويم وخفض الجهد وتنظيمه. يتميز باستهلاك منخفض للطاقة، واستقرار عالٍ، ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي.
دائرة خفض الجهد باستخدام المقاومة والسعة هي دائرة تستخدم المفاعلة السعوية المتولدة من مكثف تحت تردد معين لإشارة التيار المتردد للحد من تيار التشغيل الأقصى. تتميز بصغر حجمها وانخفاض تكلفتها واستهلاكها المنخفض للطاقة.
تعتمد مصادر الطاقة ذات التبديل على أجهزة التبديل الإلكترونية (مثل الترانزستورات، وترانزستورات MOS، والثايرستورات القابلة للتحكم، وغيرها) عبر دائرة تحكم، بحيث يتم تشغيل وإيقاف هذه الأجهزة بشكل دوري. يؤدي ذلك إلى تعديل نبضات جهد الدخل، مما يحقق تحويل الجهد وضبط جهد الخرج، بالإضافة إلى وظيفة تنظيم الجهد التلقائي. تتميز هذه المصادر باستهلاك منخفض للطاقة، وحجم صغير، ونطاق جهد واسع، ولكنها تعاني من تداخل عالي التردد، وسعر مرتفع.
في تطوير وتصميم عدادات الطاقة، يتم تحديد نوع مصدر الطاقة وفقًا لمتطلبات وظيفة المنتج، وحجم العلبة، ومتطلبات التحكم في التكاليف، ومتطلبات السياسة الوطنية والإقليمية.
2. وحدة عرض عداد الطاقة
تُستخدم وحدة عرض عداد الطاقة بشكل أساسي لقراءة استهلاك الطاقة، وهناك أنواع عديدة من شاشات العرض بما في ذلك الشاشة الرقمية الأنبوبية، والعداد، والشاشة العادية.شاشة LCDشاشات LCD النقطية، وشاشات LCD اللمسية، وغيرها. تقتصر طرق العرض الرقمية والعدادات على عرض استهلاك الكهرباء فقط. مع تطور الشبكات الذكية، تزداد الحاجة إلى أنواع متعددة من عدادات الكهرباء لعرض بيانات الطاقة، ولا تستطيع الشاشات الرقمية والعدادات تلبية متطلبات الطاقة الذكية. تُعد شاشات LCD هي طريقة العرض السائدة في عدادات الطاقة الحالية، ويتم اختيار أنواع شاشات LCD المختلفة وفقًا لمدى تعقيد محتوى العرض أثناء التطوير والتصميم.
3. وحدة تخزين عداد الطاقة
تُستخدم وحدة تخزين عداد الطاقة لحفظ بيانات العداد، واستهلاك الكهرباء، والبيانات التاريخية. ومن بين أجهزة الذاكرة الشائعة الاستخدام: رقاقة EEP، والرقاقة الكهروإجهادية، ورقاقة الفلاش. ولكل نوع من هذه الرقاقات استخداماته الخاصة في عداد الطاقة. ذاكرة الفلاش هي نوع من أنواع ذاكرة الفلاش التي تخزن بعض البيانات المؤقتة، وبيانات منحنى الحمل، وحزم تحديث البرامج.
ذاكرة EEPROM هي ذاكرة قابلة للبرمجة والمسح والقراءة فقط، تتيح للمستخدمين مسح وإعادة برمجة المعلومات المخزنة فيها، سواءً على الجهاز نفسه أو عبر جهاز مخصص. وهذا ما يجعلها مفيدة في الحالات التي تتطلب تعديل البيانات وتحديثها بشكل متكرر. يمكن تخزين بيانات EEPROM مليون مرة، وتُستخدم لتخزين بيانات الطاقة، مثل كمية الكهرباء في عداد الطاقة. تُلبي مدة التخزين متطلبات عداد الطاقة طوال دورة حياته، كما أنها منخفضة التكلفة.
تستخدم الرقاقة الكهروإجهادية خاصية المادة الكهروإجهادية لتحقيق تخزين بيانات عالي السرعة، واستهلاك منخفض للطاقة، وموثوقية عالية، بالإضافة إلى عمليات منطقية متقدمة، حيث تصل سعة التخزين إلى مليار مرة. لا تُفقد البيانات بعد انقطاع التيار الكهربائي، مما يجعل هذه الرقاقات تتميز بكثافة تخزين عالية، وسرعة فائقة، واستهلاك منخفض للطاقة. تُستخدم الرقاقات الكهروإجهادية بشكل أساسي في عدادات الطاقة لتخزين بيانات الكهرباء وغيرها من بيانات الطاقة، وهي ذات سعر مرتفع، وتُستخدم فقط في المنتجات التي تتطلب تخزينًا عالي التردد للبيانات.
4- وحدة أخذ عينات عداد الطاقة
تتولى وحدة أخذ العينات في عداد الطاقة (واط/ساعة) مسؤولية تحويل إشارة التيار العالية وإشارة الجهد العالية إلى إشارة تيار منخفضة وإشارة جهد منخفضة لتسهيل عملية قراءة العداد. ومن أجهزة أخذ عينات التيار الشائعة الاستخدام:ناور, محول التيارفي ملفات روش، وما إلى ذلك، تعتمد عملية أخذ عينات الجهد عادةً على أخذ عينات الجهد الجزئي للمقاومة عالية الدقة.
5- وحدة قياس عداد الطاقة
تتمثل الوظيفة الرئيسية لوحدة قياس العداد في إكمال عملية الحصول على التيار والجهد التناظريين، وتحويل التناظري إلى رقمي؛ ويمكن تقسيمها إلى وحدة قياس أحادية الطور ووحدة قياس ثلاثية الطور.
6. وحدة اتصال عداد الطاقة
تُعدّ وحدة الاتصال الخاصة بعداد الطاقة أساسًا لنقل البيانات والتفاعل بينها، وأساسًا لبيانات الشبكة الذكية، والذكاء، والإدارة العلمية الدقيقة، وأساسًا لتطوير إنترنت الأشياء لتحقيق التفاعل بين الإنسان والحاسوب. في السابق، كانت طرق الاتصال المتاحة تقتصر بشكل أساسي على الأشعة تحت الحمراء وRS485، ولكن مع تطور تكنولوجيا الاتصالات وتكنولوجيا إنترنت الأشياء، أصبح اختيار طريقة الاتصال لعداد الطاقة واسعًا، حيث يشمل PLC وRF وRS485 وLoRa وZigbee وGPRS وNB-IoT وغيرها. ويتم اختيار طريقة الاتصال الأنسب لمتطلبات السوق بناءً على سيناريوهات التطبيق المختلفة ومزايا وعيوب كل طريقة اتصال.
7. وحدة التحكم في عداد الطاقة
تستطيع وحدة التحكم في عداد الطاقة إدارة حمل الطاقة والتحكم فيه بكفاءة. وتتمثل الطريقة الشائعة في تركيب مرحل مغناطيسي داخل العداد. ومن خلال بيانات الطاقة، ونظام التحكم، والأوامر الآنية، تتم إدارة حمل الطاقة والتحكم فيه. وتشمل الوظائف الشائعة في عداد الطاقة مرحل فصل التيار الزائد والحمل الزائد لتحقيق التحكم في الحمل وحماية الخط؛ والتحكم الزمني في تشغيل الطاقة؛ وفي حالة الدفع المسبق، يتم فصل المرحل عند عدم كفاية الرصيد؛ ويتم تحقيق وظيفة التحكم عن بُعد عن طريق إرسال الأوامر في الوقت الفعلي.
8، وحدة معالجة MCU لعداد الطاقة
وحدة معالجة MCU الخاصة بعداد الواط ساعة هي بمثابة عقل عداد الواط ساعة، حيث تقوم بحساب جميع أنواع البيانات، وتحويلها وتنفيذ جميع أنواع التعليمات، وتنسيق كل وحدة لتحقيق الوظيفة.
عداد الطاقة منتج إلكتروني معقد للقياس، يدمج مجالات متعددة من التكنولوجيا الإلكترونية، وتكنولوجيا الطاقة، وتكنولوجيا قياس الطاقة، وتكنولوجيا الاتصالات، وتكنولوجيا العرض، وتكنولوجيا التخزين، وغيرها. لذا، من الضروري دمج كل وحدة وظيفية وكل تقنية إلكترونية لتشكيل وحدة متكاملة، بهدف إنتاج عداد طاقة مستقر وموثوق ودقيق.
تاريخ النشر: 28 مايو 2024