Решение проблем проектирования при прецизионном измерении энергии постоянного тока

Благодаря разработке эффективной технологии преобразования энергии на основе широкой запрещенной зоны полупроводников, точный учет энергии постоянного тока становится актуальным, особенно когда речь идет о счетах за электроэнергию. В этой статье обсуждаются проблемы измерения постоянного тока и предлагается конструкция счетчика электроэнергии постоянного тока.

Первые разработчики электросетей работали с переменным током (ac) для подачи энергии в мир, потому что это было проще в использовании. Однако во многих областях постоянный ток (dc) может значительно повысить эффективность, и многие приложения теперь видят преимущества в переходе на обмен энергией постоянного тока благодаря разработке эффективной и экономичной технологии преобразования энергии на основе широкозонных полупроводников. Вследствие этого становится актуальным прецизионный учет электроэнергии постоянного тока, особенно когда речь идет о счетах за электроэнергию.

В первой статье этой серии, состоящей из двух частей, мы обсудили возможности измерения постоянного тока на станциях зарядки электромобилей, генерации возобновляемой энергии, серверных ферм, микросетей и однорангового распределения энергии. В этой статье обсуждаются проблемы измерения постоянного тока и предлагается конструкция счетчика электроэнергии постоянного тока.

В начале 1900-х годов традиционные счетчики электроэнергии переменного тока были полностью электромеханическими. Комбинация катушки напряжения и тока использовалась для индукции вихревых токов во вращающемся алюминиевом диске. Результирующий крутящий момент на диске был пропорционален произведению магнитного потока, создаваемого катушками напряжения и тока. Наконец, добавление тормозного магнита для диска сделало скорость вращения прямо пропорциональной реальной мощности, потребляемой нагрузкой. На данный момент измерение потребляемой энергии - это просто подсчет количества оборотов за определенный период времени.

Современные счетчики переменного тока намного сложнее, точнее и защищены от взлома. Теперь современный интеллектуальный счетчик может даже контролировать свою абсолютную точность и обнаруживать признаки взлома 24/7 при установке в полевых условиях. Это относится к измерительной ИС Analog Devices ADE9153B, включенной с помощью m Конечно ^® технологии. Счетчики энергии - современные, традиционные, переменного или постоянного тока - все классифицируются по количеству импульсов на кВтч постоянной и процентной точности. Количество импульсов на кВтч обозначает частоту обновления энергии или разрешение. Класс точности удостоверяет максимальную погрешность измерения энергии.

Подобно старому механическому счетчику, энергия в заданном временном интервале рассчитывается путем подсчета этих импульсов; чем выше частота импульсов, тем выше мгновенная мощность и наоборот.

Архитектура измерителя постоянного тока

Базовая архитектура измерителя постоянного тока представлена ​​на рисунке 1. Для измерения мощности, потребляемой нагрузкой (P =V × I), требуются по крайней мере один датчик тока и один датчик напряжения.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 1. Архитектура системы счетчиков электроэнергии постоянного тока. (Источник:Analog Devices)

Когда сторона низкого напряжения имеет потенциал земли, ток, протекающий через измеритель, обычно измеряется на стороне высокого напряжения, чтобы минимизировать риск неизмеренных утечек, но ток также может быть измерен на стороне низкого напряжения или на обеих сторонах, если это требуется архитектурой проекта. Метод измерения и сравнения токов на обеих сторонах нагрузки часто используется для того, чтобы измеритель имел возможность обнаружения неисправностей и несанкционированного доступа. Однако, когда ток измеряется с обеих сторон, по крайней мере один датчик тока должен быть изолирован, чтобы иметь дело с высоким потенциалом на проводниках.

Измерение напряжения

Напряжение обычно измеряется с помощью резистивного делителя потенциала, где лестница резисторов используется для пропорционального уменьшения потенциала до уровня, совместимого с входом системного АЦП.

Из-за большой амплитуды входного сигнала точное измерение напряжения может быть легко достигнуто с помощью стандартных компонентов. Однако следует обратить внимание на температурные коэффициенты и коэффициенты напряжения выбранного компонента, чтобы гарантировать требуемую точность во всем температурном диапазоне.

Как обсуждалось в предыдущей статье, от счетчиков электроэнергии постоянного тока для таких приложений, как зарядные станции для электромобилей, иногда требуется выставлять счет исключительно за энергию, передаваемую транспортному средству. Для выполнения требований к измерениям может потребоваться, чтобы счетчики энергии постоянного тока для зарядных устройств электромобилей имели несколько каналов напряжения, что позволяет счетчику измерять напряжение также в точке входа в автомобиль (4-проводное измерение). Измерение энергии постоянного тока в 4-проводной конфигурации гарантирует, что все резистивные потери в зарядной батарее и кабеле не включены в общий счет за электроэнергию.

Текущее измерение для измерения энергии постоянного тока

Электрический ток можно измерить либо путем прямого подключения, либо косвенно, путем измерения магнитного поля, создаваемого потоком носителя заряда. В следующем разделе обсуждаются наиболее популярные датчики для измерения постоянного тока.

Шунтирующий резистор

Измерение тока прямого подключения - это испытанный метод измерения переменного и постоянного тока. Ток проходит через шунтирующий резистор известного номинала. Падение напряжения на шунтирующем резисторе прямо пропорционально протекающему току, как описано известным законом Ома (V =R × I), и его можно усилить и оцифровать, обеспечивая точное представление тока, протекающего в цепи. .

Измерение шунтирующего резистора - дешевый, точный и мощный метод измерения тока от мА до кА с теоретически неограниченной полосой пропускания. Однако у этого метода есть ряд недостатков.

Когда через резистор протекает ток, генерируется джоулево тепло пропорционально квадрату тока. Это вызовет не только потери с точки зрения эффективности, но и самонагревание изменит само сопротивление шунта с последующим ухудшением точности. Чтобы ограничить эффект самонагрева, используется низкое сопротивление. Однако, когда используется небольшое сопротивление, напряжение на чувствительном элементе также мало и иногда сравнимо со смещением постоянного тока системы. В этих условиях достижение требуемой точности на нижнем конце динамического диапазона может оказаться нетривиальной задачей. Современные аналоговые интерфейсы со сверхнизким смещением по постоянному току и сверхмалым температурным дрейфом могут быть использованы для преодоления ограничений, присущих шунтирующим резисторам малой стоимости. Однако, поскольку операционные усилители имеют постоянное произведение коэффициента усиления и полосы пропускания, высокое усиление ограничивает доступную полосу пропускания.

Чувствительные шунты с малым током обычно изготавливаются из специальных металлических сплавов, таких как марганец-медь или никель-хром, которые компенсируют противоположные температурные дрейфы их составляющих, что приводит к общему дрейфу порядка десятков ppm / ° C.

Другой причиной ошибок при измерении постоянного тока при прямом подключении может быть явление тепловой электродвижущей силы (ЭДС), также известное как эффект Зеебека. Эффект Зеебека - это явление, при котором разница температур, по крайней мере, между двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками, образующими соединение, создает разность потенциалов между ними. Эффект Зеебека - хорошо известное явление, и он широко используется для измерения температуры в термопарах.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 2. Термическая ЭДС в шунтах, вызванная перепадом температур. (Источник:Analog Devices)

В случае 4-проводных токовых шунтов джоулева тепло будет образовываться в центре резистивного элемента из сплава, распространяясь по медным чувствительным проводам, которые могут быть подключены к печатной плате (или другой среде) и которые могут иметь другая температура.

Чувствительная цепь будет формировать симметричное распределение различных материалов; следовательно, потенциал на стыках отрицательного и положительного чувствительных проводов будет приблизительно нейтрализован. Однако любая разница в теплоемкости, например, подключение отрицательного чувствительного провода к большей медной массе (заземляющая пластина), может вызвать несоответствие в распределении температуры, что приведет к ошибке измерения, вызванной эффектом термо-ЭДС.

По этой причине необходимо уделить внимание подключению шунта и распределению выделяемого тепла.

Определение магнитного поля - измерение косвенного тока

Эффект Холла с разомкнутым контуром

Датчик сконструирован с кольцом с высокой магнитной проницаемостью, через которое пропускается провод измеряемого тока. Это концентрирует силовые линии магнитного поля, окружающие измеряемый проводник, на датчике Холла, который вставляется в область поперечного сечения магнитопровода. Выход этого датчика предварительно подготовлен и обычно доступен в различных вариантах. Наиболее распространены:от 0 до 5 В, от 4 до 20 мА или цифровой интерфейс. Несмотря на то, что обеспечивается изоляция и большой диапазон токов при относительно низкой стоимости, абсолютная точность, как правило, не ниже 1%.

Замкнутый эффект Холла

Многооборотная вторичная обмотка на проницаемом сердечнике, управляемая усилителем тока, обеспечивает отрицательную обратную связь для достижения нулевого полного магнитного потока. При измерении компенсирующего тока повышается линейность и отсутствует гистерезис сердечника с общим превосходным температурным дрейфом и более высокой точностью по сравнению с решением с разомкнутым контуром. Типичный диапазон ошибок составляет 0,5%, но дополнительные схемы компенсации делают датчик более дорогим и иногда ограничивают полосу пропускания.

Fluxgate

Это сложная система с открытым или замкнутым контуром, в которой ток измеряется путем отслеживания изменений магнитного потока намеренно насыщенного сердечника. Катушка намотана вокруг ферромагнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью, который намеренно насыщен вторичной катушкой, управляемой симметричным прямоугольным напряжением.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 3. Преобразователь тока без обратной связи на основе концентратора потока и магнитного датчика. (Источник:Analog Devices)

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 4. Пример принципа работы преобразователей тока с обратной связью. (Источник:Analog Devices)

Индуктивность катушки падает каждый раз, когда сердечник приближается к положительному или отрицательному насыщению, и скорость изменения его тока увеличивается. Форма волны тока катушки остается симметричной, если дополнительно не применяется внешнее магнитное поле, и в этом случае форма волны становится асимметричной. Измеряя размер этой асимметрии, можно оценить интенсивность внешнего магнитного поля и, следовательно, ток, который его породил. Он обеспечивает хорошую температурную стабильность и точность до 0,1%. Однако сложная электроника датчика делает его дорогим решением с ценой в 10 раз выше, чем у других изолированных решений.

Измерение энергии постоянного тока:требования и стандартизация

Хотя стандартизация измерения энергии постоянного тока может показаться не слишком сложной по сравнению с существующей экосистемой стандартов измерения переменного тока, заинтересованные стороны все еще обсуждают требования для различных приложений, прося больше времени, чтобы сгладить точные детали измерения постоянного тока. P>

МЭК работает над МЭК 62053-41, чтобы определить требования, специфичные для статических счетчиков постоянного тока для активной энергии с классами точности 0,5% и 1%.

Стандарт предлагает диапазон номинальных напряжений и токов и устанавливает ограничения на максимальную потребляемую мощность каналов напряжения и тока счетчика. Более того, как и в случае измерения переменного тока, конкретная точность определяется во всем динамическом диапазоне, а также пороговое значение тока для состояния холостого хода.

В проекте нет конкретных требований к пропускной способности системы, но для успешного выполнения требуется быстрый тест изменения нагрузки, определяющий неявные требования к минимальной пропускной способности системы.

Измерение постоянного тока в приложениях для зарядки электромобилей иногда соответствует немецкому стандарту VDE-AR-E 2418 или старому железнодорожному стандарту EN 50463-2. В соответствии с EN 50463-2 точность указывается для каждого преобразователя, и тогда суммарная ошибка энергии представляет собой квадратурную сумму напряжения, тока и ошибки вычисления:

Таблица 1. Максимальный процент ошибки по току согласно EN 50463-2

Текущий диапазон Класс 0,2R Класс 0.5R Класс 1R От 1% до 5% I _N 1% 2,5% 5% от 5% до 10% I _N 0,4% 1% 1,5% от 10% до 120% I _N 0,2% 0,5% 1%

Таблица 2. Максимальный процент погрешности напряжения согласно EN 50463-2

Диапазон напряжения Класс 0,2R Класс 0.5R Класс 1R <66% В _N 0,4% 1% 2% от 66% до 130% V _N 0,2% 0,5% 1%

Рейтинг

Номинальный Динамический
диапазон Измерение
(максимальный диапазон) Напряжение ± 400 В _DC 100:1 ± 600 В Ток ± 80 A 100:1 ± 240 A Точность от 1% до 5% I _NOM 1% от 5% до 120% I _NOM 0,5% Температура –25 ° C до + 55 ° C – 40 ° C до
+ 70 ° C Постоянная измерителя1000 имп / кВтч Напряжение и
Полоса пропускания тока2,5 кГц

Недорогое и точное измерение тока может быть достигнуто за счет использования шунта с малым значением и низкой ЭДС (<1 мкВ _ЭДС / ° C). Сохранение небольшого сопротивления шунта имеет принципиальное значение для уменьшения эффекта самонагрева и поддержания уровня мощности ниже пределов, требуемых стандартом.

Стандартный шунт на 75 мкОм будет поддерживать рассеиваемую мощность ниже 0,5 Вт.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 5. Архитектура системы счетчиков постоянного тока. (Источник:Analog Devices)

Однако 1% от номинального тока 80 А будет генерировать слабый сигнал 60 мкВ на шунте 75 мкОм, что потребует сигнальной цепи в диапазоне характеристик дрейфа смещения субмикровольт.

ADA4528 с максимальным напряжением смещения 2,5 мкВ и максимальным дрейфом напряжения смещения 0,015 мкВ / ° C хорошо подходит для обеспечения сверхмалого дрейфа, усиления 100 В / В для слабого шунтирующего сигнала. Таким образом, 24-битный АЦП AD7779 с одновременной выборкой может быть напрямую подключен к каскаду усиления с вкладом дрейфа смещения, приведенного к входу 5 нВ / ° C.

Высокое постоянное напряжение можно точно измерить с помощью резистивного делителя потенциала с соотношением 1000:1, напрямую подключенного ко входу АЦП AD7779.

Наконец, микроконтроллер реализует простую метрологическую функцию для каждого образца, управляемую прерываниями, где для каждого образца АЦП выполняется процедура обработки прерывания:

• Считывает образцы напряжения и тока.
• Вычисляет мгновенную мощность (P =I × V).
• Накапливает мгновенную мощность в аккумуляторе энергии.
• Проверяет, превышает ли аккумулятор энергии пороговое значение для генерации импульса энергии, и очищает регистр накопления энергии.

Более того, помимо метрологических функций, микроконтроллер поддерживает интерфейсы системного уровня, такие как RS-485, ЖК-дисплей и кнопки.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 6. Подтверждение концепции - прототип. (Источник:Analog Devices)

---

Лука Мартини получил M.Eng. степень в области электроники и телекоммуникаций для энергетики, полученная в Болонском университете, Италия, в 2016 году. В рамках его M.Eng. Получив степень, он провел семь месяцев в Fraunhofer IIS, Нюрнберг, Германия, разрабатывая прецизионную систему управления в реальном времени для определения характеристик пьезоэлектрических сборщиков энергии. С 2006 по 2016 год Лука работал разработчиком систем и оборудования в биомедицинском секторе. В 2016 году Лука присоединился к группе энергетических и промышленных систем компании Analog Devices в Эдинбурге, Великобритания. С ним можно связаться по адресу [email protected].

---

Связанное содержание:

• Растущая потребность в точном измерении энергии постоянного тока.
• Повышение конфиденциальности и безопасности в жизненном цикле интеллектуального счетчика
• Реализация обещаний, связанных с настоящей беспроводной технологией электропитания.
• Датчики защиты от несанкционированного доступа поддерживают интеллектуальный учет
• Новые решения улучшают управление питанием электромобилей.
• Подготовка базовых проектов счетчиков коммунальных услуг для Smart Grid

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.