Преодоление вызовов дизайна в точном DC энергометрировании

Благодаря развитию эффективной технологии преобразования мощности на базе wide band gap полупроводников, точное DC энергометрирование становится актуальным, особенно там, где задействовано энергобиллинг. Эта статья обсуждает вызовы DC метрирования и предлагает предложение для дизайна DC энергометра.

Ранние разработчики сетей работали с alternating current (ac) для питания мира, потому что это было проще. Во многих областях, однако, direct current (dc) может драматически улучшить эффективность, и многие приложения теперь видят выгоды в переходе на DC энергообмен благодаря развитию эффективной и экономичной технологии преобразования мощности на wide band gap полупроводниках. Как следствие, точное DC энергометрирование становится актуальным, особенно где задействовано энергобиллинг.

В первой статье этой двухчастной серии мы обсуждали возможности для DC метрирования в станциях зарядки EV, возобновляемой генерации, серверных фермах, микросетях и peer-to-peer энергообмене. Эта статья обсуждает вызовы DC метрирования и предлагает предложение для дизайна DC энергометра.

В начале 1900-х традиционные AC энергометры были полностью электромеханическими. Комбинация катушки напряжения и катушки тока использовалась для индуцирования вихревых токов в вращающемся алюминиевом диске. Полученный крутящий момент на диске был пропорционален произведению магнитного потока, генерируемого катушками напряжения и тока. Наконец, добавление тормозного магнита для диска сделало вращательную скорость прямо пропорциональной реальной мощности, потребляемой нагрузкой. В этот момент измерение потреблённой энергии — просто подсчёт числа вращений за период времени.

Современные AC метры значительно более сложные, точные и защищённые от вмешательства. Теперь state-of-the-art умный метр может даже мониторить свою абсолютную точность и детектировать признаки вмешательства 24/7 пока установлен в поле. Это الحال для Analog Devices ADE9153B metering IC, enabled с технологией mSure^®. Энергометры — будь то современные, традиционные, AC или DC — все классифицируются их импульсами на kWh константой и процентным классом точности. Число импульсов на kWh обозначает скорость обновления энергии, или разрешение. Класс точности сертифицирует максимальную ошибку измерения энергии.

Похоже на старый механический метр, энергия в заданном интервале времени вычисляется подсчётом этих импульсов; выше частота импульсов — выше мгновенная мощность, и наоборот.

Архитектура DC метра

Базовая архитектура DC метра представлена на Рисунке 1. Для измерения мощности, потребляемой нагрузкой (P = V × I), требуется как минимум один токовый сенсор и один вольтажный сенсор.

click for full size image

Рисунок 1. Архитектура системы DC энергометра. (Источник: Analog Devices)

Когда низкая сторона на земельном потенциале, ток, текущий через метр, обычно измеряют на высокой стороне для минимизации риска неучтённых утечек, но ток также можно измерять на низкой стороне, или на обеих, если требуется архитектурой дизайна. Техника измерения и сравнения токов на обеих сторонах нагрузки часто используется для dotarивания метра возможностями fault и tamper detection. Однако когда ток измеряется на обеих сторонах, как минимум один токовый сенсор должен быть изолирован для работы с высоким потенциалом через проводники.

Измерение напряжения

Напряжение обычно измеряют резистивным потенциальным делителем, где лестница резисторов пропорционально снижает потенциал до уровня, совместимого с входом системного ADC.

Из-за большой амплитуды входного сигнала точное измерение напряжения легко достигается стандартными компонентами. Однако внимание должно уделяться температурным и вольтным коэффициентам выбранного компонента для гарантии требуемой точности по всему температурному диапазону.

Как обсуждалось в предыдущей статье, DC энергометры для приложений вроде станций зарядки EV иногда требуют биллить исключительно за энергию, переданную в автомобиль. Для выполнения измерительного требования DC энергометры для EV зарядок могут требовать множественные вольтажные каналы, позволяя метру чувствовать напряжение также в точке входа автомобиля (4-wire измерение). DC энергометрирование в 4-wire конфигурации обеспечивает скидку всех резистивных потерь зарядной стойки и кабеля от общего энергобилла.

Измерение тока для DC энергометрирования

Электрический ток можно измерять либо прямым соединением, либо косвенно, сенся магнитное поле, генерируемое потоком заряженных частиц. Следующий раздел обсуждает самые популярные сенсоры для DC токового измерения.

Шунтовый резистор

Прямое токовое сенсирование — проверенный метод измерения AC и DC тока. Поток тока проходит через шунтовый резистор известного значения. Падение напряжения на шунте прямо пропорционально току по закону Ома (V = R × I), и может быть усилено и оцифровано, давая точное представление тока в цепи.

Шунтовое сенсирование — дешёвый, точный и мощный метод измерения тока от мА до кА, с теоретически неограниченной полосой. Однако метод страдает некоторыми недостатками.

Когда ток течёт в резисторе, джоулево тепло генерируется пропорционально квадрату тока. Это вызовет не только потери эффективности, но самонагрев изменит резистивное значение шунта с последующей деградацией точности. Для ограничения эффекта самонагрева используется низкое сопротивление. Однако когда используется малое сопротивление, напряжение на сенсирующем элементе также мало и иногда сравнимо с DC offset системы. В этих условиях достижение требуемой точности на низком конце динамического диапазона может быть нетривиальной задачей. State-of-the-art analog front ends с ультра-низким DC offset и ультра-низким температурным дрифтом могут преодолеть ограничения малых шунтовых резисторов. Однако, как у операционных усилителей постоянный gain-bandwidth продукт, высокий gain ограничит доступную полосу.

Малые токовые шунты обычно делают из специфических металлических сплавов вроде манган-меди или никель-хрома, которые компенсируют противоположные температурные дрифты своих составляющих для получения общего дрифта в порядке десятков ppm/°C.

Другой источник ошибки в прямом DC измерении может быть феномен термоэлектродвижущей силы (EMF), также известный как эффект Зеебека. Эффект Зеебека — феномен, при котором разница температур между как минимум двумя dissimilar электрическими проводниками или полупроводниками, образующими соединение, производит разность потенциалов между ними. Эффект Зеебека хорошо известен и широко используется для сенсирования температуры в термопарах.

click for full size image

Рисунок 2. Термический EMF в шунтах из-за температурного градиента. (Источник: Analog Devices)

В случае 4-wire подключённых токовых шунтов, джоулевое тепло образуется в центре резистивного сплавового элемента, распространяясь в то время как медные сенсорные провода, которые могут быть подключены к PCB (или другой среде), и которые могут иметь другую температуру.

Сенсорная схема образует симметричное распределение разных материалов; поэтому потенциал на соединениях на негативном и позитивном сенсорных проводах приблизительно компенсируется. Однако любая разница в теплоёмкости, например, негативный сенсорный провод, подключённый к более крупной медной массе (ground plane), может вызвать mismatch в температурном распределении, приводящий к измерительной ошибке из-за термического EMF эффекта.

Поэтому внимание должно уделяться подключению шунта и распределению генерируемого тепла.

Магнитное сенсирование — косвенное измерение тока

Open-Loop Hall Effect

Сенсор построен с high magnetic permeability кольцом, через которое проходит измеряемый токовый провод. Это концентрирует линии магнитного поля вокруг измеряемого проводника на Hall effect сенсоре, вставленном в площадь поперечного сечения магнитного ядра. Выход этого сенсора предкондиционирован и обычно доступен в разных вариантах. Наиболее распространённые: 0 В до 5 В, 4 мА до 20 мА, или цифровой интерфейс. Пока предоставляя изоляцию и высокий токовый диапазон за относительно низкую стоимость, абсолютная точность обычно не ниже 1%.

Closed-Loop Hall Effect

Многовитковое вторичное намотка на проницаемом ядре, драйвимое токовым усилителем, обеспечивает негативную обратную связь для достижения нулевого total flux условия. Измеряя компенсирующий ток, линейность улучшается и нет core hysteresis с общим превосходным температурным дрифтом и более высокой точностью по сравнению с open-loop решением. Типичные ошибки до 0,5%, но дополнительная компенсационная схема делает сенсор дороже и иногда ограниченным по полосе.

Fluxgate

Это сложная open- или closed-loop система, где ток измеряется мониторингом вариаций магнитного потока намеренно насыщенного ядра. Катушка намотана на high permeability ферромагнитное ядро, намеренно насыщаемое вторичной катушкой, драйвимой симметричной квадратной волной напряжения.

click for full size image

Рисунок 3. Open-loop токовый трансдюсер на базе flux concentrator и магнитного сенсора. (Источник: Analog Devices)

click for full size image

Рисунок 4. Пример рабочего принципа closed-loop токовых трансдюсеров. (Источник: Analog Devices)

Индуктивность катушки коллапсирует каждый раз, когда ядро приближается к положительному или отрицательному насыщению, и скорость изменения её тока увеличивается. Токовая волна катушки остаётся симметричной, если внешнее магнитное поле не применяется дополнительно, в этом случае волна становится асимметричной. Измеряя размер этой асимметрии, интенсивность внешнего магнитного поля, и следовательно ток, его сгенерировавший, можно оценить. Обеспечивает хорошую температурную стабильность и точность до 0,1%. Однако сложная электроника сенсора делает его дорогим решением с ценами в 10 раз выше других изолированных решений.

DC Энергометрирование: Требования и Стандартизация

Пока стандартизация DC энергометрирования может не казаться слишком сложной по сравнению с существующей экосистемой AC метрических стандартов, отраслевые стейкхолдеры всё ещё дебатят требования для разных приложений, прося больше времени для выработки точных деталей DC метрирования.

IEC работает над IEC 62053-41 для определения требований, специфичных для DC статических метров активной энергии с классами точности 0,5% и 1%.

Стандарт предлагает диапазон номинальных напряжений и токов и устанавливает лимиты на максимальное потребление мощности вольтажных и токовых каналов метра. Более того, как и AC метрическое требование, специфическая точность определена по динамическому диапазону, а также токовый порог для no-load условия.

В драфте нет специфического требования для полосы системы, но требуется успешное выполнение теста быстрой вариации нагрузки, определяющего неявное требование на минимальную полосу системы.

DC метрирование в EV зарядке иногда compliant с немецким стандартом VDE-AR-E 2418 или старым железнодорожным стандартом EN 50463-2. Согласно EN 50463-2, точности специфицированы на трансдюсер, и комбинированная энергетическая ошибка — квадратурная сумма вольтажной, токовой и вычислительной ошибки:

Таблица 1. Максимальная процентная ошибка тока по EN 50463-2

Токовый диапазон Class 0.2R Class 0.5R Class 1R 1% to 5% I_N 1% 2.5% 5% 5% to 10% I_N 0.4% 1% 1.5% 10% to 120% I_N 0.2% 0.5% 1%

Таблица 2. Максимальная процентная ошибка напряжения по EN 50463-2

Напряжение диапазон Class 0.2R Class 0.5R Class 1R <66% V_N 0.4% 1% 2% 66% to 130% V_N 0.2% 0.5% 1%

Proof of Concept стандарт-соответствующий DC метр

Analog Devices — индустриальный лидер в прецизионной сенсорной технологии, предлагая полную цепочку сигналов для прецизионных токовых и вольтажных измерений для встречи рестриктивных требований стандартов. Следующий раздел покажет proof of concept для DC энергометра, compliant с предстоящим application-specific стандартом IEC 62053-41.

Рассматривая пространство billing-grade DC энергометрирования в микросетях и дата-центрах, мы можем гипотезировать требования, показанные в Таблице 3.

Таблица 3. Спецификации DC Энергометра — Proof of Concept

Рейтинг

Номинал Динамический
Диапазон Измерение
(Макс. Диапазон) Напряжение ±400 V_DC 100:1 ±600 V Ток ±80 A 100:1 ±240 A Точность 1% to 5% I_NOM 1%   5% to 120% I_NOM 0.5%   Температура –25°C to +55°C –40°C to
+70°C storage Meter Constant 1000 imp/ kWh     Напряжение и
Ток Полоса 2.5 kHz    

Дешёвое и точное токовое сенсирование достижимо использованием малого и низко-EMF шунта (<1 μV_EMF/°C). Малое шунтовое сопротивление фундаментально для снижения эффекта самонагрева и удержания уровня мощности ниже лимитов, требуемых стандартом.

Коммерческий 75 μΩ шунт удержит рассеиваемую мощность ниже 0,5 Вт.

click for full size image

Рисунок 5. Архитектура системы DC метра. (Источник: Analog Devices)

Однако 1% от 80 А номинального тока сгенерирует малый сигнал 60 μВ на 75 μΩ шунте, требуя сигнальную цепочку в диапазоне sub-microvolt offset drift производительности.

ADA4528, с max offset voltage 2,5 μВ и max offset voltage drift 0,015 μВ/°C, хорошо подходит для ультра-низкого дрифта, 100 V/V усиления малого шунтового сигнала. Следовательно, simultaneous sampling 24-бит ADC AD7779 может быть напрямую подключён к стадии усиления, с 5 nV/°C input referred offset drift вкладом.

Высокое DC напряжение можно точно измерить резистивным потенциальным делителем 1000:1 отношения напрямую подключённым к входу ADC AD7779.

Наконец, микроконтроллер реализует простую sample-by-sample, interrupt driven метрологическую функциональность, где для каждого ADC сэмпла interrupt рутина:

• Читает вольтажные и токовые сэмплы
• Вычисляет мгновенную мощность (P = I × V)
• Накопивает мгновенную мощность в энергетическом аккумуляторе
• Проверяет, превышает ли энергетический аккумулятор энергетический порог для генерации энергетического импульса и очищает регистр энергетического накопления

Более того, в дополнение к метрологической функциональности, микроконтроллер обеспечивает системные интерфейсы вроде RS-485, LCD дисплея и кнопок.

click for full size image

Рисунок 6. Proof of concept — прототип. (Источник: Analog Devices)

---

Лука Мартини получил M.Eng. в электронике и телекоммуникационной инженерии для энергетики от Университета Болоньи, Италия, в 2016. Как часть M.Eng., он провёл семь месяцев в Fraunhofer IIS, Нюрнберг, Германия, разрабатывая прецизионную real-time систему контроля для характеристики пьезоэнергетических harvesters. С 2006 по 2016 Лука работал как системный и hardware разработчик в биомедицинском секторе. В 2016 Лука присоединился к Energy and Industrial System Group в Analog Devices, Эдинбург, UK. Контакт: luca.martini@analog.com.

---

Связанный контент:

• Растущая потребность в прецизионном DC энергометрировании
• Улучшение приватности и безопасности в жизненном цикле smart meter
• Достижение обещания true wireless power technology
• Anti-tamper сенсоры поддерживают smart metering
• Emerging solutions улучшают electric-vehicle power management
• Подготовка базовых utility meter дизайнов для Smart Grid

Для получения большего контента по Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.