Schemat licznika energii elektrycznej – indukcyjny i elektroniczny, 1F/3F, CT, S0, DLMS

Pytanie

Schemat licznika energii elektrycznej

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• „Schemat licznika energii elektrycznej” zależy od typu (indukcyjny vs elektroniczny), liczby faz (1F/3F) oraz sposobu pomiaru (bezpośredni do 63–100 A, półpośredni/pośredni z przekładnikami prądowymi CT/VT).
• Kluczowe bloki nowoczesnego licznika: czujniki prądu i napięcia (bocznik/CT/rogowski + dzielnik), kondycjonowanie sygnału, precyzyjny ADC (często sigma‑delta), układ metrologiczny (MCU/DSP/ASIC), zasilacz izolowany, pamięć, zegar RTC, interfejsy (optyczny IEC 62056‑21, RS‑485/DLMS/Modbus, PLC/RF/LTE‑M/NB‑IoT), wyjście impulsowe S0 i opcjonalny przekaźnik odłączający.
• Typowy układ zacisków: 1F (1‑2 L IN/OUT, 3‑4 N IN/OUT). 3F bezpośredni: (1‑2 L1, 3‑4 L2, 5‑6 L3, 7‑8 N). W pomiarze CT: zaciski S1/S2 każdego CT idą na wejścia prądowe licznika.

Szczegółowa analiza problemu

• Rozwinięcie głównych aspektów
  • Dwa archetypy:
    • Licznik indukcyjny (Ferraris): napęd tarczy z prądów wirowych proporcjonalnie do P=U·I·cosφ; hamowanie magnesem trwałym; liczydło mechaniczne.
    • Licznik elektroniczny (statyczny): próbkowanie u(t), i(t), obliczanie p(t)=u·i i całkowanie E=∫p(t)dt; brak części ruchomych; wysoka dokładność i bogate funkcje.
• Teoretyczne podstawy (elektroniczny)
  • Model 1F: u[n]=UADC, i[n]=IADC; moc chwilowa p[n]=u[n]·i[n]; filtry antyaliasing przed ADC; synchronizacja z siecią (PLL/zero‑cross).
  • Obliczenia energii i mocy:
    • P (czynna) = średnia p[n]; E (kWh) = Σ p[n]·Ts / 3.6e6.
    • Q (bierna) z przesunięcia fazowego lub przez filtr kwadraturowy (Hilberta/90°).
    • S (pozorna) = Urms·Irms; cosφ = P/S; THD z DFT okna 200 ms…1 s.
  • Dokładność i klasy: wg EN 50470 (MID) klasy A/B/C oraz IEC 62053‑21/22/23 (np. kl. 1/0.5S). W praktyce dla liczników komunalnych typowo B lub C.
• Architektury pomiaru prądu
  • Bocznik (shunt, 100–500 µΩ): +niski koszt, bardzo dobra liniowość; −strata mocy i wymóg izolacji sygnału (pływający front‑end i izolowane ADC/amp, np. AMC130x).
  • CT (przekładnik prądowy): +galwanicznie izoluje, małe straty; −nieliniowość przy nasyceniu, konieczny rezystor obciążenia (burden), wpływ częstotliwości.
  • Cewka Rogowskiego: +szerokie pasmo, brak nasycenia; −wymaga całkowania, wrażliwość na pozycję.
• Zasilanie i bezpieczeństwo
  • Zasilacz: izolowany flyback/LLC (wymagane w licznikach rozliczeniowych), odporność na przepięcia (MOV 275 VAC, GDT, NTC), filtry EMI, klasy C/X/Y.
  • Izolacja i odstępy: kategorie przepięciowe CAT III 300/600 V, odstępy powietrzne i pełzania zgodne z PN‑EN 61010/60664; separacja metrologii od interfejsów.
• Interfejsy i funkcje
  • Port optyczny IEC 62056‑21, DLMS/COSEM (odczyt/parametryzacja).
  • Wyjście S0 (EN 62053‑31), np. 1000 imp/kWh.
  • AMI: PLC (PRIME/G3), RF (wM‑Bus), LTE‑M/NB‑IoT; zdalne odłączanie (przekaźnik bistabilny).
  • Anty‑tamper: czujnik otwarcia pokrywy, detekcja pola magnetycznego, odwrócenia przewodów, asymetrii, sabotażu CT/N.

Schematy ideowe (blokowe i przyłączeniowe)

• Licznik jednofazowy – blokowy:

  L ── bezpiecznik ─ filtr EMI ─► dzielnik U ─┐
                                            ├─► ADC ΣΔ ─► układ metrologiczny (MCU/DSP/ASIC) ─► pamięć/RTC/komunikacja
  N ───────────────────────────────────────────┘
  L (lub N) ── bocznik/CT ─ wzmacniacz/izolowany ADC ─┘
               ↑
           burden (CT)
  Zasilacz izolowany ◄── L,N
  Wyjście S0, port optyczny, RS‑485, przekaźnik

• Licznik 1F – przyłącza (pomiar bezpośredni):

  ZASILANIE         LICZNIK (zaciski)                  ODBIORY
  L ────────────────(1)───(CEWKA PRĄDOWA)───(2)─────────► L
  N ────────────────(3)─────────────────────(4)─────────► N
  PE ─────────────────────────────► szyna PE (poza licznikiem)

• Licznik 3F bezpośredni (np. do 63–100 A):

  ZASILANIE      LICZNIK                       ODBIORY
  L1 ─────────── (1)──(2) ───────────────────► L1
  L2 ─────────── (3)──(4) ───────────────────► L2
  L3 ─────────── (5)──(6) ───────────────────► L3
  N  ─────────── (7)──(8) ───────────────────► N
  PE ─────────────────────────────► szyna PE

• Licznik 3F półpośredni (z CT):

  Przewód L1 ────[CT1]──► odbiory        CT1: S1,S2 ─► wejście I1 licznika
  Przewód L2 ────[CT2]──► odbiory        CT2: S1,S2 ─► wejście I2 licznika
  Przewód L3 ────[CT3]──► odbiory        CT3: S1,S2 ─► wejście I3 licznika
  N ───────────────► N licznika i instalacji
  U (napięcia) licznika: L1‑N, L2‑N, L3‑N (dzielniki/VT)
  Burden R dla każdego CT zgodnie z katalogiem
  Polaryzacja CT: S1 do zacisku „kierunku źródła”, S2 do „odbioru”

• Licznik indukcyjny – uproszczony ideowy:

  L ── cewka prądowa ──► odbiory
      │
      └──► strumień ΦI        Tarcza Al ── magnes hamujący ── przekładnia ── liczydło
  L‑N ─ cewka napięciowa ─► strumień ΦU (≈90° przesunięte)
  N ──────────────────────► odbiory

Aktualne informacje i trendy

• Powszechna migracja do inteligentnych liczników AMI z łącznością PLC/RF/LTE‑M/NB‑IoT oraz protokołem DLMS/COSEM; zdalne aktualizacje i funkcja zdalnego odłączenia.
• Układy metrologiczne SoC (np. trójfazowe AFE + DSP w jednym) redukują BOM i upraszczają kalibrację (automatyczna kompensacja dryftu, autokalibracja stałej energii).
• Coraz szersza analityka jakości energii (harmoniczne, zapady, asymetria) i mechanizmy anty‑tamper (detekcja magnesu, odwrócenia N/L, przepięć, akcelerometry obudowy).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dobór czujnika prądu:
  • CT: należy tak dobrać burden, by uniknąć nasycenia rdzenia przy Imax i zachować zapas na przepięcia; typowo pasmo do kilkuset Hz wystarcza (50/60 Hz + harmoniczne).
  • Shunt: moc strat P=I²·R; dla 100 A i 250 µΩ to 2.5 W (wymaga miedzianych szyn, radiatora, pomiar temp. i kompensacji).
• ADC i filtracja:
  • ADC sigma‑delta 16–24 bity, fS 2–8 kS/s/kanał; analogowy RC antyaliasing 1‑biegunowy ~1 kHz; cyfrowe CIC/FIR.
• Kalibracja:
  • Punkty kalibracyjne co najmniej: (Uref, Imin, Itr, Imax) dla P i Q, korekcja przesunięcia fazowego (CT + dzielnik U), kompensacja temperatury.
• Wyjście impulsowe S0:
  • Stała np. 1000–10 000 imp/kWh; separacja transoptorem; polaryzacja zgodna z EN 62053‑31.

Aspekty etyczne i prawne

• Licznik rozliczeniowy jest własnością operatora sieci (OSD); montaż, wymiana, zerwanie plomb i parametryzacja są prawnie zastrzeżone. Samodzielne modyfikacje są nielegalne i niebezpieczne.
• Projekt edukacyjny/atestacyjny możesz wykonać tylko jako nie‑rozliczeniowy przyrząd pomiarowy, z zachowaniem norm bezpieczeństwa.

Praktyczne wskazówki

• Jeśli celem jest demonstrator laboratoryjny 1F (nie do rozliczeń):
  • Użyj CT 50/1 A lub 100/50 mA + burden 10–100 Ω oraz miniaturowego transformatora napięciowego 230/6 V (galwanicznie izoluje), aby nie prowadzić sieci na PCB.
  • Front‑end: wzmacniacz operacyjny pomiarowy, filtry RC, ADC ≥16 bit lub gotowy AFE metrologiczny; zasilanie z izolowanego AC/DC 230→5 V.
• Jeśli celem jest 3F z CT:
  • Dwa warianty napięcia: trzy dzielniki Lx‑N (koniecznie rezystory klasy HV i zabezpieczenia) lub trzy małe VT 230/3–6 V.
  • Zadbaj o spójność kierunku CT i napięcia (wektorowość) – błędna polaryzacja spowoduje zaniżanie/zawyżanie P i Q.
• EMC i odporność:
  • Stosuj MOV 14D/20D 275 VAC, GDT na liniach L/N, tłumienie dV/dt, filtry CM/DM; testy ESD/EFT/surge wg IEC 61000‑4‑2/4/5.
• Mechanika:
  • Dziel sekcje: „sieć” (HV), „metrologia” i „logika”; prowadź szczeliny w laminacie pod odstępy; stosuj wyraźne baryery izolacyjne.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Budowa urządzenia sieciowego bez doświadczenia grozi porażeniem i pożarem; nawet demonstrator musi być izolowany i testowany pod nadzorem.
• Dokładność klasy rozliczeniowej wymaga wzorcowania na źródłach referencyjnych (klasa 0.02/0.05) i rygorystycznej kontroli temperaturowej – poza zasięgiem amatorskiego warsztatu.
• CT podatny na nasycenie przy rozruchach silników; shunt podnosi temperaturę wnętrza – kompromis do rozważenia.

Sugestie dalszych badań

• Normy i wytyczne: EN 50470‑1/‑3 (MID), IEC 62052/62053 (wymagania metrologiczne), IEC 62056 (DLMS/COSEM), EN 62053‑31 (S0), IEC 61000‑4‑x (EMC).
• Dokumentacje układów metrologicznych (np. 1F/3F AFE/SoC) i noty aplikacyjne producentów CT/shuntów.
• Praktyka kalibracji wielopunktowej i kompensacji fazy w metrologii energii.

Krótkie podsumowanie

• Schemat licznika to kombinacja bezpiecznego poboru sygnałów U/I, precyzyjnej konwersji A/C, obliczeń energii i interfejsów – wszystko w obudowie o wysokiej odporności EMC i z izolowanym zasilaniem.
• Dla 1F i 3F podałem typowe zaciski i warianty (bezpośredni/CT) oraz blokowe schematy. Do zastosowań rozliczeniowych trzymaj się urządzeń certyfikowanych MID; do celów edukacyjnych – używaj elementów izolujących (CT/VT) i zasilacza izolowanego.
• Jeśli określisz: jednofazowy czy trójfazowy, bezpośredni czy CT oraz czy to ma być demonstrator czy projekt przemysłowy, przygotuję dopasowany schemat elektryczny (z wartościami elementów, budową PCB i listą komponentów).