Ontwerputdagingen in precisie DC-energiemeting overwinnen

Dankzij de ontwikkeling van efficiënte stroomconversietechnologie gebaseerd op wide-bandgap halfgeleiders, wordt precisie DC-energiemeting relevant, vooral waar energiefacturering betrokken is. Dit artikel bespreekt DC-metering-uitdagingen en biedt een voorstel voor een DC-energiemeter-ontwerp.

Vroegere netontwikkelaars werkten met wisselstroom (ac) om energie aan de wereld te leveren omdat het gemakkelijker was te gebruiken. In veel gebieden kan echter gelijkstroom (dc) de efficiëntie aanzienlijk verbeteren, en veel toepassingen zien nu voordelen in het overschakelen naar DC-energie-uitwisseling dankzij de ontwikkeling van efficiënte en economische stroomconversietechnologie gebaseerd op wide-bandgap halfgeleiders. Als gevolg daarvan wordt precisie DC-energiemeting relevant, vooral waar energiefacturering betrokken is.

In het eerste artikel van deze twee-delige serie bespraken we kansen voor DC-metering in laadstations voor elektrische voertuigen, hernieuwbare energie-opwekking, serverfarms, microgrids, en peer-to-peer energie-delen. Dit artikel bespreekt uitdagingen voor DC-metering en biedt een voorstel voor een DC-energiemeter-ontwerp.

In de vroege 1900's waren traditionele AC-energiemeters volledig electromechanisch. De combinatie van een spanning- en een stroomspoel werd gebruikt om wervelstromen te induceren in een rotterende aluminium-schijf. De resulterende koppel op de schijf was evenredig aan het product van de magnetische flux gegenereerd door de spanning- en stroomspoelen. Ten slotte maakte de toevoeging van een remmagnet voor de schijf de rotatiesnelheid direct evenredig aan het reële vermogen verbruikt door de last. Op dit punt is het meten van de verbruikte energie simpelweg een kwestie van het tellen van het aantal rotaties over een periode.

Moderne AC-meters zijn significant complexer, nauwkeuriger, en beschermd tegen manipulaties. Nu kan een state-of-the-art slimme meter zelfs de absolute nauwkeurigheid monitoren en tekens van manipulatie 24/7 detecteren terwijl geïnstalleerd in het veld. Dit is het geval voor de Analog Devices ADE9153B-metering IC, ingeschakeld met mSure^® technologie. Energiemeters – of modern, traditioneel, AC, of DC – worden allemaal geclassificeerd door hun impulsen per kWh-constante en percentage-klasse-nauwkeurigheid. Het aantal impulsen per kWh geeft de energie-update-snelheid, of resolutie. De klasse-nauwkeurheid certificeert de maximale meetfout van de energie.

Vergelijkbaar met de oude mechanische meter, wordt energie in een gegeven tijdsinterval berekend door deze impulsen te tellen; hoe hoger de puls-frequentie, hoe hoger het instantane vermogen, en vice versa.

DC-Meter Architectuur

De basisarchitectuur van een DC-meter wordt weergegeven in Figuur 1. Om het vermogen verbruikt door de last te meten (P = V × I), zijn tenminste één stroomsensor en één spanningsensor vereist.

klik voor full size image

Figuur 1. DC-energiemeter-systeemarchitectuur. (Bron: Analog Devices)

Wanneer de lage kant op aardpotentieel is, wordt stroom door de meter gemeenlijk aan de hoge kant gemeten om het risico op ongemeten lekkages te minimaliseren, maar stroom kan ook aan de lage kant gemeten worden, of aan beide kanten als vereist door de ontwerp-architectuur. De techniek van meten en vergelijken van stromen aan beide kanten van de last wordt vaak gebruikt om de meter te voorzien van fout- en manipulatie-detectie-mogelijkheden. Echter, wanneer de stroom aan beide kanten gemeten wordt, moet tenminste één stroomsensor geïsoleerd zijn om te kunnen omgaan met het hoge potentieel over de geleiders.

Spanningsmeting

Spanning wordt typisch gemeten met een resistieve potentiaal-deler, waar een ladder van weerstanden gebruikt wordt om het potentieel proportioneel te reduceren naar een niveau compatibel met de systeem-ADC-input.

Vanwege de grote amplitude van het invoersignaal, kan een nauwkeurige spanningsmeting eenvoudig bereikt worden met standaardcomponenten. Echter, aandacht moet besteed worden aan temperatuurcoëfficiënten en spanningcoëfficiënten van het gekozen component, om de vereiste nauwkeurigheid over het gehele temperatuurbereik te garanderen.

Zoals besproken in het vorige artikel, zijn DC-energiemeters voor toepassingen zoals EV-laadstations soms vereist om exclusief te factureren voor de energie overgedragen aan het voertuig. Om de meetvereiste te voldoen, kunnen DC-energiemeters voor EV-laadpalen vereist zijn om meerdere spanningskanalen te hebben, waardoor de meter de spanning ook aan het instap-punt van het voertuig kan meten (4-draad meting). DC-energiemeting in een 4-draad-configuratie zorgt ervoor dat alle weerstandsverliezen van de laadpaal en de kabel afgetrokken worden van de totale energiefactuur.

Stroommeting voor DC-energiemeting

Elektrische stroom kan gemeten worden ofwel door directe verbinding of indirect, door het magnetische veld te voelen gegenereerd door de stroom van de ladingdrager. De volgende sectie bespreekt de populairste sensoren voor DC-stroommeting.

Shunt-weerstand

Directe verbinding stroomsensing is een bewezen methode om AC- en DC-stroom te meten. De stroomstroom wordt gerouteerd door een shunt-weerstand van bekende waarde. De spanningsval over de shunt-weerstand is direct evenredig aan de stroom die vloeit zoals beschreven door de bekende wet van Ohm (V = R × I), en kan versterkt en gedigitaliseerd worden, wat een nauwkeurige weergave geeft van de stroom die in het circuit vloeit.

Shunt-weerstand sensing is een goedkope, nauwkeurige, en krachtige methode om stroom te meten van mA tot kA, met theoretisch onbeperkte bandbreedte. Echter, de methode lijdt onder enkele nadelen.

Wanneer stroom vloeit in een weerstand, wordt Joule-warmte gegenereerd proportioneel aan het kwadraat van de stroom. Dit zal niet alleen verlies in termen van efficiëntie veroorzaken, maar de zelf-verhitting zal de shunt-weerstandswaarde zelf veranderen met een consequent nauwkeurigheidsdegradering. Om het zelf-verhittingseffect te beperken, wordt een lage weerstandswaarde gebruikt. Echter, wanneer een kleine weerstand gebruikt wordt, is de spanning over het meet-element ook klein en soms vergelijkbaar met de DC-offset van het systeem. In deze omstandigheden kan het bereiken van de vereiste nauwkeurigheid op het lage einde van het dynamische bereik geen triviale taak zijn. State-of-the-art analog front-ends, met ultralage DC-offset en ultralage temperatuurdrift, kunnen gebruikt worden om de beperkingen van kleine-waarde shunt-weerstanden te overwinnen. Echter, aangezien operationele versterkers een constant gain-bandwidth-product hebben, zal een hoge gain de beschikbare bandbreedte beperken.

Lage-waarde stroomsensing-shunts worden meestal gemaakt van specifieke metaallegeringen zoals mangaan-koper of nikkel-chroom, die de tegengestelde temperatuurdriften van hun constituenten annuleren om een algehele drift in de orde van tientallen ppm/°C te resulteren.

Een andere foutbijdrager in directe verbinding DC-meting kan het fenomeen van thermische elektromotorische kracht (EMK) zijn, ook bekend als het Seebeck-effect. Het Seebeck-effect is een fenomeen waarbij een temperatuursverschil tussen tenminste twee ongelijke elektrische geleiders of halfgeleiders die een verbinding vormen, een potentiaalsverschil tussen de twee produceert. Het Seebeck-effect is een bekend fenomeen en wordt wijd gebruikt voor het meten van temperatuur in thermocouples.

klik voor full size image

Figuur 2. Thermische EMK in shunts veroorzaakt door temperatuurgradiënt. (Bron: Analog Devices)

In het geval van 4-draad aangesloten stroom-shunts, vormt de Joule-warmte zich in het centrum van het weerstandslegeringselement, voortplantend zich terwijl de koperen meetdraden, die verbonden kunnen zijn met een PCB (of een ander medium), en die een andere temperatuur kunnen hebben.

De meetschakeling zal een symmetrische distributie van verschillende materialen vormen; daarom zal het potentiaal aan de verbindingen op de negatieve en positieve meetdraden ongeveer annuleren. Echter, elk verschil in thermische capaciteit, zoals een negatieve meetdraad verbonden met een groter koperen massa (grondvlak), kan een mismatch in de temperatuurdistributie produceren, wat resulteert in een meetfout veroorzaakt door thermisch EMK-effect.

Om die reden moet aandacht besteed worden aan de aansluiting van de shunt en aan de distributie van de gegenereerde warmte.

Magnetisch Veld Sensing – Indirecte Stroommeting

Open-Lus Hall-effect

De sensor is geconstrueerd met een hoge magnetische permeabiliteitsring waardurch de gemeten stroomdraad wordt doorgevoerd. Dit concentreert de magnetische veldlijnen rond de gemeten geleider op een Hall-effect-sensor, die geplaatst is binnen het doorsnedegebied van de magnetische kern. De uitgang van deze sensor is voorbereid en meestal beschikbaar in verschillende smaken. De meest voorkomende zijn: 0 V tot 5 V, 4 mA tot 20 mA, of digitale interface. Hoewel isolatie en hoge stroombereik voor relatief lage kosten biedend, liggen absolute nauwkeurigheden typisch niet onder 1%.

Gesloten-Lus Hall-effect

Een multi-slag secundaire winding op de permeabele kern aangedreven door een stroomversterker biedt negatieve feedback om een nul-totale-flux-conditie te bereiken. Door de compenserende stroom te meten, wordt lineariteit verbeterd en is er geen kernhysterese met overal superieure temperatuurdrift en hogere nauwkeurigheid vergeleken met de open-lus-oplossing. Typische foutbereiken zijn tot 0,5%, maar de additionele compensatieschakeling maakt de sensor duurder en soms bandbreedte-beperkt.

Fluxgate

Is een complex open- of gesloten-lus-systeem waar de stroom gemeten wordt door de magnetische flux-variaties van een opzettelijk verzadigde kern te monitoren. Een spoel is gewonden om een hoge-permeabiliteit ferromagnetische kern die opzettelijk verzadigd wordt door een secundaire spoel aangedreven door een symmetrische blokgolf-spanning.

klik voor full size image

Figuur 3. Een open-lus stroomtransducer gebaseerd op een flux-concentrater en magnetische sensor. (Bron: Analog Devices)

klik voor full size image

Figuur 4. Een voorbeeld van het werkprincipe van gesloten-lus stroomtransducers. (Bron: Analog Devices)

De inductie van de spoel instort elk keer dat de kern de positieve of negatieve verzadiging benadert, en de veranderingssnelheid van de stroom neemt toe. De stroomgolf van de spoel blijft symmetrisch tenzij een extern magnetisch veld additioneel toegepast wordt, in welk geval de golf asymmetrisch wordt. Door de grootte van deze asymmetrie te meten, kan de intensiteit van het externe magnetische veld, en consequent de stroom die het genereerde, geschat worden. Het biedt goede temperatuurstabiliteit en nauwkeurigheid tot 0,1%. Echter, de complexe elektronica van de sensor maakt het een dure oplossing met prijzen 10 keer hoger dan de andere geïsoleerde oplossingen.

DC-Energiemeting: Vereisten en Standaardisatie

Terwijl de standaardisatie van DC-energiemeting niet te moeilijk lijkt te bereiken vergeleken met het bestaande AC-metering-standaarden-ecosysteem, debatteren industrie-stakeholders nog steeds over de vereisten voor verschillende toepassingen, vraagend om meer tijd om de exacte details van DC-metering uit te werken.

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

De standaard stelt een bereik van nominale spanningen en stromen voor en stelt limieten op het maximale stroomverbruik van de spanning- en stroomkanalen van de meter. Bovendien, zoals de AC-metering-vereiste, is specifieke nauwkeurigheid gedefinieerd over het dynamische bereik, alsmede de stroomdrempel voor geen-laad-conditie.

In het concept is er geen specifieke vereiste voor de bandbreedte van het systeem, maar een snelle laadvariatie-test is vereist om met succes te worden voltooid, wat impliciete vereiste op de minimale bandbreedte van het systeem definieert.

DC-metering in EV-laadtoepassingen is soms compliant met de Duitse standaard VDE-AR-E 2418 of oude spoorwegstandaard EN 50463-2. Volgens EN 50463-2, worden nauwkeurigheden per transducer gespecificeerd, en de gecombineerde energiefout is dan een kwadratische som van spanning-, stroom-, en berekeningsfout:

Tabel 1. Maximum Percentage Stroomfout per EN 50463-2

Stroombereik 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. Maximum Percentage Spanningfout per 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%

Een Proof-of-Concept Standaard-Compliant DC-Meter

Analog Devices is een industrie-leider in precisie-sensing-technologie, die een complete signaalketen biedt voor precisie stroom- en spanningmetingen om de restrictieve standaardvereisten te halen. De volgende sectie toont een proof-of-concept voor een DC-energiemeter compliant met de komende toepassingsspecifieke standaard IEC 62053-41.

Overwegend de ruimte van facturering-graad DC-energiemeting in microgrids en datacenters, kunnen we de vereisten in Tabel 3 hypothese.

Tabel 3. DC-Energiemeter Specificaties – Proof-of-Concept

Rating

Nominaal Dynamisch
Bereik Meting
(Max Bereik) Spanning ±400 V_DC 100:1 ±600 V Stroom ±80 A 100:1 ±240 A Nauwkeurigheid 1% 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 Stroom Bandbreedte 2,5 kHz

Goedkope en nauwkeurige stroomsensing kan bereikt worden door een kleine waarde en lage EMK-shunt (<1 μV_EMK/°C) te gebruiken. Het klein houden van de shunt-weerstand is fundamenteel om het zelf-verhittingseffect te reduceren en het vermogensniveau onder de door de standaard vereiste limieten te houden.

Een commerciële 75 μΩ-shunt houdt het vermogen gedissipeerd onder 0,5 W.

klik voor full size image

Figuur 5. DC-meter systeemarchitectuur. (Bron: Analog Devices)

Echter, 1% van de 80 A nominale stroom genereert een klein signaal van 60 μV op een 75 μΩ-shunt, wat een signaalketen in het bereik van sub-microvolt offset-drift-prestaties vereist.

De ADA4528, met een max offset-spanning van 2,5 μV en een max offset-spanningsdrift van 0,015 μV/°C, is goed geschikt om ultralage drift, 100 V/V-versterking voor het kleine shunt-signaal te leveren. Daarom kan de gelijktijdige sampling, 24-bit ADC AD7779 direct verbonden worden met de versterkingsfase, met een 5 nV/°C input-referred offset-drift-bijdrage.

Hoge DC-spanning kan nauwkeurig gemeten worden met een resistieve potentiaal-deler van 1000:1-verhouding direct aangesloten op de AD7779 ADC-input.

Ten slotte implementeert een microcontroller een eenvoudige sample-per-sample, interrupt-gedreven metrologie-functionaliteit, waar voor elk ADC-sample de interrupt-routine:

• Spanning- en stroomsamples leest
• Instantaan vermogen berekent (P = I × V)
• Het instantane vermogen accumuleert in een energie-accumulator
• Controleert of de energie-accumulator de energie-drempel overschrijdt om een energie-puls te genereren en de energie-accumulatie-register te wissen

Bovendien, naast de metrologie-functionaliteit, stelt de microcontroller systeem-niveau-interfaces in zoals RS-485, LCD-display, en drukknoppen.

klik voor full size image

Figuur 6. Proof-of-concept – prototype. (Bron: Analog Devices)

Gerelateerde inhoud:

• De groeiende behoefte aan precisie DC-energiemeting
• Privacy en beveiliging verbeteren in de slimme-meter-levenscyclus
• De belofte van echte draadloze stroomtechnologie waarmaken
• Anti-manipulatie sensoren ondersteunen slimme meting
• Opkomende oplossingen verbeteren elektrisch-voertuig stroombeheer
• Basis utility-meter-ontwerpen klaarmaken voor de Smart Grid

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.