Het aanpakken van ontwerpuitdagingen bij nauwkeurige DC-energiemeting

Dankzij de ontwikkeling van efficiënte stroomconversietechnologie op basis van brede bandafstand halfgeleiders, wordt precisie-dc-energiemeting relevant, vooral waar het gaat om energiefacturering. Dit artikel bespreekt de uitdagingen van gelijkstroommeting en biedt een voorstel voor een ontwerp van een gelijkstroommeter.

Vroege netontwikkelaars werkten met wisselstroom (ac) om de wereld van stroom te voorzien, omdat het gebruiksvriendelijker was. Op veel gebieden kan gelijkstroom (dc) de efficiëntie echter drastisch verbeteren, en veel toepassingen zien nu voordelen in het overschakelen naar gelijkstroom-energie-uitwisseling dankzij de ontwikkeling van efficiënte en economische stroomconversietechnologie op basis van halfgeleiders met een brede bandafstand. Als gevolg daarvan wordt precisie-dc-energiemeting relevant, vooral waar het gaat om energiefacturering.

In het eerste artikel van deze tweedelige serie hebben we de mogelijkheden besproken voor DC-meting in oplaadstations voor elektrische voertuigen, opwekking van hernieuwbare energie, serverparken, microgrids en peer-to-peer delen van energie. Dit artikel bespreekt uitdagingen voor DC-meting en biedt een voorstel voor een ontwerp voor een DC-energiemeter.

In de vroege jaren 1900 waren traditionele AC-energiemeters volledig elektromechanisch. De combinatie van een spanning en een stroomspoel werd gebruikt om wervelstromen te induceren in een roterende aluminium schijf. Het resulterende koppel op de schijf was evenredig met het product van de magnetische flux gegenereerd door de spannings- en stroomspoelen. Ten slotte maakte de toevoeging van een breekmagneet voor de schijf de rotatiesnelheid recht evenredig met het werkelijke vermogen dat door de belasting werd verbruikt. Op dit moment is het meten van de verbruikte energie gewoon een kwestie van het aantal omwentelingen over een bepaalde periode tellen.

Moderne wisselstroommeters zijn aanzienlijk complexer, nauwkeuriger en beschermd tegen manipulatie. Nu kan een ultramoderne slimme meter zelfs de absolute nauwkeurigheid bewaken en 24/7 tekenen van manipulatie detecteren terwijl deze in het veld is geïnstalleerd. Dit is het geval voor de Analog Devices ADE9153B-meet-IC, ingeschakeld met m Zeker ^® technologie. Energiemeters - modern, traditioneel, ac of dc - worden allemaal geclassificeerd op basis van hun impulsen per kWh-constante en procentuele nauwkeurigheid. Het aantal impulsen per kWh geeft de energie-updatesnelheid of resolutie aan. De klassenauwkeurigheid certificeert de maximale meetfout van de energie.

Net als bij de oude mechanische meter wordt energie in een bepaald tijdsinterval berekend door deze impulsen te tellen; hoe hoger de pulsfrequentie, hoe hoger het momentane vermogen en omgekeerd.

DC-meterarchitectuur

De basisarchitectuur van een dc-meter wordt weergegeven in figuur 1. Om het door de belasting verbruikte vermogen (P =V × I) te meten, zijn ten minste één stroomsensor en één spanningssensor vereist.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 1. Architectuur van het DC-energiemetersysteem. (Bron:Analoge apparaten)

Wanneer de lage kant op aardpotentiaal is, wordt de stroom die door de meter vloeit gewoonlijk gemeten aan de hoge kant om het risico op niet-gemeten lekkages te minimaliseren, maar de stroom kan ook aan de lage kant worden gemeten, of beide kanten indien vereist door de ontwerparchitectuur. De techniek van het meten en vergelijken van stromen aan beide zijden van de belasting wordt vaak gebruikt om de meter storings- en sabotagedetectie mogelijk te maken. Wanneer de stroom echter aan beide zijden wordt gemeten, moet er ten minste één stroomsensor worden geïsoleerd om het hoge potentiaal over de geleiders op te vangen.

Spanningsmeting

Spanning wordt meestal gemeten met een resistieve potentiaaldeler, waarbij een ladder van weerstanden wordt gebruikt om de potentiaal proportioneel te verlagen tot een niveau dat compatibel is met de ADC-ingang van het systeem.

Door de grote amplitude van het ingangssignaal kan met standaard componenten eenvoudig een nauwkeurige spanningsmeting worden gerealiseerd. Er moet echter aandacht worden besteed aan temperatuurcoëfficiënten en spanningscoëfficiënten van het gekozen onderdeel, om de vereiste nauwkeurigheid over het gehele temperatuurbereik te garanderen.

Zoals besproken in het vorige artikel, moeten dc-energiemeters voor toepassingen zoals EV-laadstations soms uitsluitend factureren voor de energie die naar het voertuig wordt overgebracht. Om aan de meetvereiste te voldoen, kan het nodig zijn dat DC-energiemeters voor EV-laders meerdere spanningskanalen hebben, zodat de meter de spanning ook bij het ingangspunt van het voertuig kan detecteren (4-draads meting). DC-energiemeting in een 4-draads configuratie zorgt ervoor dat alle weerstandsverliezen van de laadpaal en de kabel worden verdisconteerd van de totale energierekening.

Huidige meting voor DC-energiemeting

Elektrische stroom kan worden gemeten door directe verbinding of indirect, door het magnetische veld te voelen dat wordt gegenereerd door de stroom van de ladingsdrager. In het volgende gedeelte worden de meest populaire sensoren voor het meten van gelijkstroom besproken.

Shuntweerstand

Directe verbindingsstroommeting is een beproefde methode voor het meten van wissel- en gelijkstroom. De stroom van stroom wordt geleid door een shuntweerstand van bekende waarde. De spanningsval over de shuntweerstand is recht evenredig met de stroom die vloeit zoals beschreven door de bekende wet van Ohm (V =R × I), en kan worden versterkt en gedigitaliseerd, waardoor een nauwkeurige weergave wordt verkregen van de stroom die in het circuit vloeit .

Shuntweerstandsdetectie is een goedkope, nauwkeurige en krachtige methode voor het meten van stroom van mA tot kA, met theoretisch onbeperkte bandbreedte. De methode heeft echter enkele nadelen.

Wanneer er stroom in een weerstand vloeit, wordt Joule-warmte gegenereerd in verhouding tot het kwadraat van de stroom. Dit veroorzaakt niet alleen verliezen in termen van efficiëntie, maar de zelfverhitting zal de shuntweerstandswaarde zelf veranderen met als gevolg een verslechtering van de nauwkeurigheid. Om het zelfverhittingseffect te beperken, wordt een weerstand met een lage waarde gebruikt. Wanneer echter een kleine weerstand wordt gebruikt, is de spanning over het meetelement ook klein en soms vergelijkbaar met de dc-offset van het systeem. In deze omstandigheden is het misschien geen triviale taak om de vereiste nauwkeurigheid aan de onderkant van het dynamische bereik te bereiken. State-of-the-art analoge front-ends, met ultralage DC-offset en ultralage temperatuurdrift, kunnen worden gebruikt om de beperkingen van shuntweerstanden met een kleine waarde te overwinnen. Aangezien operationele versterkers echter een product met een constante versterkingsbandbreedte hebben, zal een hoge versterking de beschikbare bandbreedte beperken.

Laagwaardige stroomgevoelige shunts worden meestal gemaakt van specifieke metaallegeringen zoals mangaan-koper of nikkel-chroom, die de tegengestelde temperatuurschommelingen van hun bestanddelen opheffen, wat resulteert in een algemene afwijking in de orde van tientallen ppm/°C.

Een andere fout die bijdraagt ​​aan het meten van gelijkstroom met directe verbinding kan het fenomeen van thermische elektromotorische kracht (EMF) zijn, ook wel bekend als het Seebeck-effect. Het Seebeck-effect is een fenomeen waarbij een temperatuurverschil tussen ten minste twee ongelijke elektrische geleiders of halfgeleiders die een junctie vormen, een potentiaalverschil tussen de twee veroorzaakt. Het Seebeck-effect is een bekend fenomeen en wordt veel gebruikt voor het meten van temperatuur in thermokoppels.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 2. Thermische EMV in shunts veroorzaakt door temperatuurgradiënt. (Bron:Analoge apparaten)

In het geval van 4-draads aangesloten stroomshunts, zal de Joule-warmte zich vormen in het midden van het resistieve legeringselement, zich voortplantend terwijl de koperen detectiedraden, die kunnen zijn aangesloten op een PCB (of een ander medium), en die mogelijk een andere temperatuur.

Het detectiecircuit zal een symmetrische verdeling van verschillende materialen vormen; daarom zal de potentiaal bij de knooppunten op de negatieve en positieve detectiedraden ongeveer worden geannuleerd. Elk verschil in thermische capaciteit, zoals een negatieve detectiedraad die wordt aangesloten op een grotere kopermassa (aardingsvlak), kan echter een mismatch in de temperatuurverdeling veroorzaken, wat resulteert in een meetfout veroorzaakt door thermisch EMF-effect.

Daarom moet aandacht worden besteed aan de aansluiting van de shunt en aan de verdeling van de opgewekte warmte.

Magnetic Field Sensing:indirecte stroommeting

Open-Loop Hall-effect

De sensor is geconstrueerd met een ring met hoge magnetische permeabiliteit waardoor de gedetecteerde stroomdraad wordt gevoerd. Dit concentreert de magnetische veldlijnen rond de gemeten geleider op een Hall-effectsensor, die in het dwarsdoorsnedegebied van de magnetische kern wordt ingebracht. De output van deze sensor is voorgeconditioneerd en meestal verkrijgbaar in verschillende smaken. De meest voorkomende zijn:0 V tot 5 V, 4 mA tot 20 mA of digitale interface. Hoewel ze isolatie en een hoog stroombereik bieden tegen relatief lage kosten, liggen de absolute nauwkeurigheden doorgaans niet onder de 1%.

Closed-Loop Hall-effect

Een multiturn secundaire wikkeling op de permeabele kern aangedreven door een stroomversterker zorgt voor negatieve feedback om een ​​totale fluxtoestand van nul te bereiken. Door de compenserende stroom te meten, wordt de lineariteit verbeterd en is er geen kernhysterese met een algehele superieure temperatuurdrift en hogere nauwkeurigheid in vergelijking met de open-lusoplossing. Typische foutbereiken zijn tot 0,5%, maar de extra compensatieschakelingen maken de sensor duurder en soms beperkt in bandbreedte.

Fluxgate

Is een complex open- of gesloten-lussysteem waarbij de stroom wordt gemeten door de magnetische fluxvariaties van een opzettelijk verzadigde kern te bewaken. Een spoel is gewikkeld rond een ferromagnetische kern met hoge permeabiliteit die opzettelijk is verzadigd door een secundaire spoel die wordt aangedreven door een symmetrische blokgolfspanning.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3. Een open-lus stroomtransducer op basis van een fluxconcentrator en magnetische sensor. (Bron:Analoge apparaten)

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 4. Een voorbeeld van het werkingsprincipe van closed-loop stroomopnemers. (Bron:Analoge apparaten)

De inductantie van de spoel stort in telkens wanneer de kern positieve of negatieve verzadiging nadert, en de snelheid van verandering van zijn stroom neemt toe. De huidige golfvorm van de spoel blijft symmetrisch tenzij er aanvullend een extern magnetisch veld wordt aangelegd, in welk geval de golfvorm asymmetrisch wordt. Door de grootte van deze asymmetrie te meten, kan de intensiteit van het externe magnetische veld, en bijgevolg de stroom die het opwekte, worden geschat. Het biedt een goede temperatuurstabiliteit en nauwkeurigheid tot 0,1%. De complexe elektronica van de sensor maakt het echter een dure oplossing met prijzen die 10 keer hoger zijn dan de andere geïsoleerde oplossingen.

DC-energiemeting:vereisten en standaardisatie

Hoewel de standaardisatie van dc-energiemeting misschien niet zo moeilijk te bereiken lijkt in vergelijking met het bestaande ecosysteem van ac-meternormen, discussiëren belanghebbenden in de industrie nog steeds over de vereisten voor verschillende toepassingen en vragen ze om meer tijd om de exacte details van dc-meting glad te strijken.

IEC werkt aan IEC 62053-41 om specifieke vereisten te definiëren voor statische gelijkstroommeters voor actieve energie met nauwkeurigheidsklassen van 0,5% en 1%.

De norm stelt een reeks nominale spanningen en stromen voor en stelt grenzen aan het maximale stroomverbruik van de spannings- en stroomkanalen van de meter. Bovendien wordt, net als de vereiste voor AC-meting, specifieke nauwkeurigheid gedefinieerd over het dynamische bereik, evenals de huidige drempel voor onbelaste toestand.

In het concept is er geen specifieke vereiste voor de bandbreedte van het systeem, maar om met succes te worden uitgevoerd, is een snelle belastingsvariatietest vereist, waarbij impliciete vereisten voor de minimale bandbreedte van het systeem worden gedefinieerd.

DC-meting in EV-laadtoepassingen voldoet soms aan de Duitse norm VDE-AR-E 2418 of de oude spoorwegnorm EN 50463-2. Volgens EN 50463-2 worden nauwkeurigheden gespecificeerd per transducer, en de gecombineerde energiefout is dan een kwadratuursom van spanning, stroom en rekenfout:

Tabel 1. Maximaal percentage stroomfout volgens EN 50463-2

Huidige bereik Klasse 0.2R Klasse 0.5R Klasse 1R 1% tot 5% I_N 1%2.5%5%5% tot 10% I_N 0,4%1%1,5%10% tot 120% I_N 0,2%0,5%1%

Tabel 2. Maximale procentuele spanningsfout volgens EN 50463-2

Spanningsbereik Klasse 0.2R Klasse 0.5R Klasse 1R <66% V_N 0,4%1%2%66% tot 130% V_N 0.2%0.5%1%

A Proof of Concept Standard Compliant DC Meter

Analog Devices is marktleider op het gebied van precisiedetectietechnologie en biedt een complete signaalketen voor nauwkeurige stroom- en spanningsmetingen om te voldoen aan de beperkende standaardvereisten. Het volgende gedeelte toont een proof-of-concept voor een DC-energiemeter die voldoet aan de aanstaande toepassingsspecifieke norm IEC 62053-41.

Gezien de ruimte van gelijkstroom-energiemeting op factuurniveau in microgrids en datacenters, kunnen we de vereisten in tabel 3 veronderstellen.

Tabel 3. Specificaties DC-energiemeter:Proof of Concept

Beoordeling

Nominaal Dynamisch
Bereik Meting
(max. bereik) Spanning ±400 V_DC 100:1±600 Vstroom±80 A100:1±240 AAnauwkeurigheid1% tot 5% I_NOM 1% 5% tot 120% I_NOM 0,5% Temperatuur–25°C tot +55°C–40°C tot
+70°C opslag Meter Constante 1000 imp/ kWh Spanning en
Huidige bandbreedte2,5 kHz

Goedkope en nauwkeurige stroommeting kan worden bereikt door gebruik te maken van een kleine waarde en een lage EMF-shunt (<1 μV_EMF /°C). Het is van fundamenteel belang om de shuntweerstand klein te houden om het zelfverhittingseffect te verminderen en het vermogensniveau onder de door de norm vereiste limieten te houden.

Een commerciële 75 shunt houdt het gedissipeerde vermogen onder 0,5 W.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 5. Architectuur van DC-metersysteem. (Bron:Analoge apparaten)

1% van de nominale stroom van 80 A genereert echter een klein signaal van 60 μV op een 75 μΩ-shunt, waarvoor een signaalketen nodig is in het bereik van sub-microvolt offset-driftprestaties.

De ADA4528, met een maximale offset-spanning van 2,5 V en een maximale offset-spanningsdrift van 0,015 μV/°C, is zeer geschikt om ultralage drift, 100 V/V-versterking te bieden voor het kleine shuntsignaal. Daarom kan de simultane bemonstering, 24-bit ADC AD7779, direct worden aangesloten op de versterkingstrap, met een 5 nV/°C ingangsverwijzing naar offset-driftbijdrage.

Hoge gelijkspanning kan nauwkeurig worden gemeten met een resistieve potentiaaldeler met een verhouding van 1000:1 die rechtstreeks is aangesloten op de AD7779 ADC-ingang.

Ten slotte implementeert een microcontroller een eenvoudige sample-by-sample, interrupt-gedreven metrologiefunctionaliteit, waarbij voor elke ADC-sample de interruptroutine:

• Leest spannings- en stroommonsters
• Berekent momentaan vermogen (P =I × V)
• Verzamelt het momentane vermogen in een energieaccumulator
• Controleert of de energieaccumulator de energiedrempel overschrijdt om een ​​energiepuls te genereren en wist het energieaccumulatieregister

Bovendien maakt de microcontroller, naast de metrologische functionaliteit, interfaces op systeemniveau mogelijk, zoals RS-485, LCD-display en drukknoppen.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 6. Proof of concept—prototype. (Bron:Analoge apparaten)

---

Luca Martini ontving een M.Eng. diploma in elektronica en telecommunicatie-engineering voor energie van de Universiteit van Bologna, Italië, in 2016. Als onderdeel van zijn M.Eng. graad, bracht hij zeven maanden door bij Fraunhofer IIS, Neurenberg, Duitsland, waar hij een nauwkeurig realtime besturingssysteem ontwikkelde voor de karakterisering van piëzo-elektrische energieoogstmachines. Van 2006 tot 2016 werkte Luca als systeem- en hardwareontwikkelaar in de biomedische sector. In 2016 trad Luca toe tot de Energy and Industrial System Group bij Analog Devices, in Edinburgh, VK. Hij is te bereiken via [email protected].

---

Verwante inhoud:

• De groeiende behoefte aan nauwkeurige DC-energiemeting
• Het verbeteren van privacy en veiligheid in de levenscyclus van slimme meters
• De belofte van echte draadloze energietechnologie waarmaken
• Anti-sabotagesensoren ondersteunen slimme meting
• Opkomende oplossingen verbeteren het energiebeheer van elektrische voertuigen
• Basismeterontwerpen voorbereiden voor het Smart Grid

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.