Dlaczego pomiar zużycia energii DC jest tak ważny? W XXI wieku rządy na całym świecie pracują nad działaniami, pozwalającymi sprostać złożonym i długoterminowym wyzwaniom związanym z redukcją emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Udowodniono, że emisja tego gazu jest odpowiedzialna za zmiany klimatyczne i ich niszczycielskie skutki. Wraz z tymi działaniami gwałtownie rośnie zapotrzebowanie na nowe, wydajne technologie przetwarzania energii i ulepszenia w zakresie chemii akumulatorów.
Uwzględniając zarówno odnawialne, jak i nieodnawialne źródła energii, tylko w zeszłym roku światowa populacja zużyła prawie 18 miliardów kWh, a popyt cały czas rośnie; w rzeczywistości ponad połowa kiedykolwiek wytworzonej energii elektrycznej została zużyta zaledwie w ciągu ostatnich 15 lat.
Nasze sieci elektryczne i systemy generacji energii elektrycznej stale się rozwijają; potrzeba coraz sprawniejszych i przyjaźniejszych dla środowiska źródeł energii nigdy nie była większa. Ponieważ był on łatwiejszy w wykorzystaniu, pierwsi twórcy sieci energetycznych wybrali prąd przemienny (AC), aby dostarczać energię do świata, jednakże teraz w wielu obszarach prąd stały (DC) może radykalnie poprawić sprawność systemów.
Napędzane rozwojem wydajnej i ekonomicznej technologii konwersji mocy opartej na półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak elementy wykonane z GaN (azotek galu) czy SiC (węglik krzemu), w wielu zastosowaniach korzystniejsze wydaje się obecnie przejścia na przesył energii w postaci prądu stałego. W konsekwencji, precyzyjne pomiary energii DC stają się istotne, zwłaszcza w przypadku np. rozliczeń za energię elektryczna. W poniższym artykule zostaną omówione możliwości pomiaru prądu stałego w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych, miejscach wytwarzanie energii odnawialnej, na farmach serwerów, w mikrosieciach energetycznych i współdzielonych oraz, finalnie, zaproponowany zostanie projekt koncepcji licznika energii prądu stałego.
Aplikacje systemów pomiaru energii elektrycznej DC
Stacje ładowania pojazdów elektrycznych na prąd stały
Tempo wzrostu sektora pojazdów elektrycznych typu plug-in (EV) szacuje się na 70% CAGR w okresie od 2018 roku i prognozuje się wzrost o kolejne 25% CAGR rok do roku w latach od 2017 do 2024 r. Rynek stacji ładowania osiągnąć ma 41,8% CAGR w latach od 2018 do 2023. Jednak aby przyspieszyć redukcję śladu węglowego powodowanego przez transport prywatny, pojazdy elektryczne muszą stać się pierwszym wyborem na rynku motoryzacyjnym.
W ostatnich latach duży wysiłek włożono w poprawę pojemności i żywotności akumulatorów, ale powszechna sieć ładowarek dla pojazdów elektrycznych jest również kluczowym warunkiem umożliwiającym długie podróże bez obaw o zasięg i czas ładowania. Wielu dostawców energii i firm prywatnych wdraża szybkie ładowarki o mocy do 150 kW, a istnieje również duże zainteresowanie ultraszybkimi ładowarkami o mocy do 500 kW. Biorąc pod uwagę ultraszybkie stacje ładowania z lokalną mocą szczytową ładowania sięgającą megawatów i związanymi z tym taryfami opłat za energię za szybkie ładowanie, ładowanie pojazdów elektrycznych stanie się ogromnym rynkiem wymiany energii, w związku z czym konieczne będzie dokładne rozliczanie energii.
Obecnie standardowe ładowarki EV są monitorowane po stronie prądu przemiennego, co wiąże się z wadą polegającą na braku pomiaru energii traconej podczas przetwarzania DC/DC, w związku z czym rozliczenia są niedokładne, ze stratą dla klienta końcowego. Od 2019 roku nowe przepisy unijne zmuszają dostawców energii do wystawiania rachunków odbiorcom tylko za energię przekazaną do ich pojazdów, co powoduje, że koszt strat w przetwornicy i ładowarce ponosi dostawca energii.
Podczas gdy najnowocześniejsze przetwornice z elementami SiC do ładowania pojazdów elektrycznych mogą osiągnąć sprawność powyżej 97%, istnieje wyraźna potrzeba umożliwienia dokładnego rozliczania po stronie prądu stałego dla szybkich i ultraszybkich ładowarek, w których energia jest przenoszona w DC po bezpośrednim podłączeniu do akumulatora pojazd. Oprócz publicznych wskaźników ładowania pojazdów elektrycznych, prywatne i mieszkaniowe systemy ładowania pojazdów elektrycznych mogą być jeszcze większą zachętę do precyzyjnego rozliczania energii po stronie prądu stałego.
Rys.1. Pomiar energii elektrycznej DC na stacji ładowania pojazdu elektrycznego.
Rys.2. Pomiar energii elektrycznej DC w zrównoważonej infrastrukturze mikrosieci energetycznej.
Dystrybucja DC – mikrosieci
Co to jest mikrosieć? Zasadniczo mikrosieć jest mniejszą wersją normalnego systemu przesyłowego. W związku z tym wymagane jest bezpieczeństwo, niezawodność i sprawne dostarczanie mocy. Przykłady mikrosieci można znaleźć w szpitalach, w bazach wojskowych, a nawet jako część systemów użyteczności publicznej, w których wytwarzana jest energia ze źródeł odnawialnych, generatorów z silnikami diesla i wykorzystywane są magazyny energii, aby stworzyć niezawodny system dystrybucji energii.
Inne przykłady mikrosieci można znaleźć w budynkach. Dzięki szerokiemu wykorzystaniu źródeł energii odnawialnej, budynki mogą nawet stać się samowystarczalne energetycznie, dzięki panelom słonecznym na dachu i niewielkim turbinom wiatrowym wytwarzającym tyle energii, ile jest aktualnie używane. Systemy takie działają niezależnie, ale są wspierane przez sieć przesyłową. W tego rodzaju instalacjach, aż do 50% obciążenia budynku jest zasilane prądem stałym. Obecnie każde urządzenie elektroniczne musi konwertować prąd zmienny na prąd stały, co powoduje utratę do 20% energii w procesie przetwarzania i prostowania. Wykorzystanie instalacji DC pozwoli na uzyskanie oszczędności, szacowanych na 28% (w porównaniu z tradycyjną dystrybucją prądu przemiennego).
Zainteresowanie mikrosieciami prądu stałego gwałtownie rośnie, podobnie jak potrzeba standaryzacji. IEC 62053-41 to norma, która czeka obecnie na wprowadzenie. Określa ona wymagania i poziomy nominalne dla domowych systemów prądu stałego i liczników zamkniętych, podobnych do ich odpowiedników na prądu zmiennego.
Segment mikrosieci prądu stałego jest wyceniany obecnie na około 7 miliardów dolarów i wzrasta od 2017. Analitycy wskazują, że będzie się obserwować dalszy jego wzrost wynikający z pojawiającego się trendu do dystrybucji prądu stałego.
Centra danych z zasilaniem DC
Operatorzy centrów danych aktywnie rozważają różne technologie i rozwiązania w celu poprawy sprawności energetycznej wykorzystywanych obiektów, ponieważ energia jest jednym z ich największych kosztów operacyjnych.
Operatorzy centrów danych dostrzegają istotne korzyści w dystrybucji prądu stałego, ponieważ zmniejsza się liczba punktów konwersji między prądem zmiennym a stałym, a integracja z systemami energii odnawialnej jest łatwiejsza i sprawniejsza. Redukcję punktów przetwarzania pozwala na:
* 5% do 25% oszczędność energii dzięki wzrostowi sprawności transmisji i konwersji oraz mniejszemu wytwarzaniu ciepła
* Podwojenie niezawodność i dostępność systemu
* Redukcję o około 33% powierzchni zajmowanej przez system zasilania
Rys.3. Mniejsza ilość elementów jest wymaganych w systemie zasilania prądu stałego dla centrów danych, a straty są mniejsze niż w przypadku tradycyjnej sieci dystrybucji energii, korzystającej z prądu przemiennego.
Rys.4. Integracja źródeł energii odnawialnej w centrum danych z siecią prądu stałego.
Napięcia szyn dystrybucyjnych sięgają do około 380 V DC, a dokładne pomiary energii DC stają się coraz istotniejsze, ponieważ wielu operatorów decyduje się na oparte na realnym poborze prądu szacowanie kosztów kolokacji i obciążanie nimi klienta końcowego.
Dwa najpopularniejsze sposoby pobierania opłat od klientów kolokacyjnych za zużycie energii to:
* Za gniazdko (opłata zryczałtowana za każdy punkt poboru energii)
* Za zużytą energię (gniazdko z pomiarem zużycia energii- opłata pobierana jest za każdy zużyty kWh)
Mając na celu zachęcanie do energooszczędności, popularność zyskuje podejście z pomiarem mocy wyjściowej, a ceny dla klientów można opisać prostym wyrażeniem:
Opłata za przestrzeń to stała kwota, obejmująca ochronę i wszystkie koszty eksploatacji budynku. Pobór energii mierzony jest w każdym gniazdku i mnożony jest przez efektywność zużycia energii (PUE), która uwzględnia wydajność infrastruktury IT, na przykład energochłonność systemów chłodzenia itp.
Typowa nowoczesna szafa rack zużywa do 40 kW prądu stałego. Dlatego prądy do 100 A muszą być monitorowane za pomocą liczników prądu stałego klasy rozliczeniowej, które montowane są niezależnie dla każdej szafy.
Wyzwania w precyzyjnym pomiarze energii DC
Na początku XX wieku tradycyjne liczniki energii prądu przemiennego były systemami w pełni elektromechanicznymi. Połączenie cewki napięciowej i prądowej zastosowano do indukowania prądów wirowych w obracającym się dysku aluminiowym. Wynikowy moment obrotowy tarczy był proporcjonalny do iloczynu strumienia magnetycznego generowanego przez cewki. Wreszcie, dodanie magnesu do tarczy sprawia, że prędkość obrotowa jest wprost proporcjonalna do rzeczywistej mocy pobieranej przez obciążenie. W tym momencie mierzenie zużytej energii polega po prostu na policzeniu liczby obrotów tarczy w okresie czasu.
Nowoczesne mierniki zużycia prądu przemiennego są znacznie bardziej złożone, dokładne i chronione przed manipulacjami. Teraz najnowocześniejsze, inteligentne licznik zużycia energii elektrycznej mogą nawet monitorować swoją dokładność i wykrywać oznaki manipulacji pomiarem - 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, gdy jest zainstalowany w dowolnym miejscu w terenie. Tak jest w przypadku pomiarowego układu scalonego firmy Analog Devices ADE9153B z technologią mSure®. Liczniki energii - nowoczesne, tradycyjne, AC lub DC - są klasyfikowane według stałej liczby impulsów na kWh i procentowej dokładności ich klasy. Liczba impulsów na kWh oznacza szybkość aktualizacji pomiaru energii lub jego rozdzielczość. Klasa dokładności mówi o tym jaki jest maksymalny błąd dla pomiaru zużytej energii.
Podobnie jak w klasycznym liczniku mechanicznym, energia w danym przedziale czasu jest obliczana poprzez zliczanie impulsów; im wyższa częstotliwość impulsów, tym wyższa moc chwilowa i odwrotnie.
Architektura miernika prądu stałego
Podstawową architekturę miernika prądu stałego przedstawiono na rysunku 5. Do pomiaru mocy pobieranej przez obciążenie (P = V × I) wymagany jest co najmniej jeden czujnik prądu i jeden czujnik napięcia. Gdy strona niska ma potencjał masy, prąd przepływający przez licznik jest zwykle mierzony po stronie wysokiej, aby zminimalizować ryzyko niemierzonych upływów, ale prąd można również mierzyć po stronie niskiej lub nawet po obu stronach, jeśli jest to wymagane przez architekturę projektu. Technika pomiaru i porównywania prądów po obu stronach obciążenia jest często stosowane, aby umożliwić miernikowi wykrywanie uszkodzeń i sabotażu instalacji. Jednak gdy prąd mierzony jest po obu stronach obciążenia, co najmniej jeden czujnik prądu musi być odizolowany, aby poradzić sobie z wysokim potencjałem, występującym na przewodach zasilających.
Pomiar napięcia
Napięcie jest zwykle mierzone za pomocą dzielnika rezystancyjnego, w którym drabinka rezystorów jest używana do proporcjonalnego zmniejszenia potencjału do poziomu zgodnego z wejściem typowego układu ADC.
Ze względu na dużą amplitudę sygnału wejściowego, dokładny pomiar napięcia można łatwo uzyskać za pomocą standardowych komponentów. Należy jednak zwrócić uwagę na współczynniki temperaturowe i napięciowe wybranych elementów, aby zagwarantować wymaganą dokładność w całym zakresie temperatur pracy systemu.
Jak wspomniano wcześniej, liczniki energii prądu stałego do zastosowań takich jak stacje ładowania pojazdów elektrycznych czasami muszą wystawiać rachunki wyłącznie za energię przekazaną do pojazdu. Aby spełnić wymóg pomiaru, liczniki energii prądu stałego do ładowarek EV mogą wymagać posiadania wielu kanałów pomiarów napięciowych, umożliwiających miernikowi pomiar napięcia również w punkcie podłączenia pojazdu (tzw. pomiar 4-przewodowy). Pomiar energii DC w konfiguracji 4-przewodowej zapewnia, że wszystkie straty rezystancyjne połączenia ładującego są odliczane od całkowitego rachunku za energię elektryczną.
Rys.5. Architektura systemu liczników energii DC.
Pomiar prądu do pomiaru energii DC
Prąd elektryczny można mierzyć bezpośrednio lub pośrednio, mierząc np. pole magnetyczne generowane przez przepływ nośników ładunku. W następnym rozdziale zostaną omówione najpopularniejsze czujniki do pomiaru prądu stałego.
Rezystor bocznikowy
Bezpośredni pomiar prądu jest wypróbowaną i przetestowaną metodą pomiaru tak dla AC i DC. Przepływ prądu jest kierowany przez rezystor bocznikowy o znanej wartości rezystancji. Spadek napięcia na rezystorze bocznikowym jest wprost proporcjonalny do przepływającego prądu, zgodnie z dobrze znanym prawem Ohma (V = R × I). Napięcie to może być następnie wzmacniane i digitalizowane z pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), zapewniając dokładną, cyfrową reprezentację prądu płynącego w obwodzie .
Pomiar prądu z pomocą rezystora bocznikowego jest tanią, dokładną i wydajną metodą pomiaru prądu w szerokim zakresie od mA do kA, z teoretycznie nieograniczoną szerokością pasma. Jednak metoda ma pewne wady.
Gdy prąd płynie w rezystorze, ciepło Joula jest generowane proporcjonalnie do kwadratu prądu. Powoduje to nie tylko straty w zakresie sprawności, ale samonagrzewanie się opornika zmienia wartość rezystancji bocznika, co w konsekwencji powoduje pogorszenie dokładności pomiaru. Aby ograniczyć efekt samonagrzewania, stosuje się rezystancję o niskiej wartości. Jednakże, gdy używana jest mała rezystancja, napięcie na elemencie czujnikowym jest również małe i czasami porównywalne z przesunięciem DC toru analogowego systemu pomiarowego. W takich warunkach osiągnięcie wymaganej dokładności pomiaru przy dolnym końcu zakresu dynamiki może nie być zadaniem trywialnym. Najnowocześniejsze analogowe front-endy pomiarowe, z ultraniskim offsetem DC i minimalnym dryfem temperaturowym, mogą być wykorzystane do przezwyciężenia ograniczeń rezystorów bocznikowych o małej wartości. Jednakże, ponieważ wzmacniacze operacyjne mają stałą iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma, wysokie wzmocnienie ogranicza dostępną szerokość pasma pomiaru.
Boczniki prądowe o niskiej wartości rezystancji są zwykle wykonywane ze specjalnych stopów metali, takich jak mangan-miedź lub nikiel-chrom, które niwelują dryfty temperaturowe ich składników, powodując całkowity wypadkowy dryf rzędu dziesiątek ppm/°C.
Innym czynnikiem przyczyniającym się do powstawania błędu w bezpośrednim pomiarze prądu stałego może być zjawisko termicznej siły elektromotorycznej (EMF), znane również jako efekt Seebecka. Efekt Seebecka to zjawisko, w którym różnica temperatur między co najmniej dwoma odmiennymi przewodnikami elektrycznymi (lub półprzewodnikami) tworzącymi złącze wytwarza różnicę potencjałów między nimi. Efekt Seebecka jest dobrze znanym zjawiskiem i jest szeroko stosowany do pomiaru temperatury z wykorzystaniem termopar czy też, jego odwrotność, efekt Peltiera, wykorzystywany jest w systemach chłodzących lub grzejnych.
W przypadku boczników prądowych podłączonych 4-przewodowo, ciepło Joula będzie się tworzyć na środku elementu rezystancyjnego, propagując na zewnątrz podczas gdy miedziane przewody czujnikowe, które mogą być podłączone do PCB (lub innego medium) mogą mieć inną temperaturę.
Obwód pomiarowy utworzy symetryczny rozkład różnych materiałów; w związku z tym potencjał na złączach ujemnych i dodatnich przewodów czujnikowych będzie w przybliżeniu taki sam. Jednak każda różnica w pojemności cieplnej, na przykład ujemny przewód czujnikowy podłączony do większej masy miedzi (wylewki masy), może powodować niedopasowanie w rozkładzie temperatury, powodując błąd pomiaru spowodowany efektem termicznym. Z tego powodu należy zwrócić uwagę na sposób podłączenia bocznika i odprowadzenie wytworzonego na nim ciepła.
Rys. 6. Termiczny EMF w bocznikach wywołanych gradientem temperatury.
Pomiar pola magnetycznego - pośredni pomiar prądu
Czujnik oparty na efekcie Halla, działający w otwartej pętli
Czujnik jest zbudowany z pierścienia z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej, przez który przepuszczany jest przewód pomiarowy. To koncentruje linie pola magnetycznego otaczające mierzony na czujniku Halla, który jest wstawiany w przekrój rdzenia magnetycznego. Wyjście tego czujnika jest wstępnie kondycjonowane i zwykle dostępne w różnych wersjach. Najpopularniejsze to: 0 V do 5 V, 4 mA do 20 mA lub interfejs cyfrowy. Zapewnia on izolację galwaniczną i duży zakres mierzonego prądu przy stosunkowo niskich kosztach. Bezwzględne dokładności tego rodzaju sensorów nie schodzą jednakże raczej poniżej 1%.
Czujnik oparty na efekcie Halla, działający w zamkniętej pętli
Uzwojenie wtórne owinięte jest wokół rdzenia. Podawany jest na nie prąd, zapewniający ujemne sprzężenie zwrotne w celu uzyskania zerowego całkowitego strumienia magnetycznego w sensorze. Dzięki pomiarowi prądu kompensacyjnego poprawia się liniowość układu i eliminowana jest histereza rdzenia. Tego rodzaju sensor oferuje niższy dryft temperaturowym i większą dokładnością w porównaniu z rozwiązaniem z otwartą pętlą. Typowe zakresy błędów spadają nawet do 0,5%, ale dodatkowe obwody kompensacji powodują, że czujnik jest droższy i charakteryzuje się ograniczoną przepustowość i zredukowanym pasmem.
Fluxgate
Tego rodzaju sensor jest złożonym systemem z otwartą lub zamkniętą pętlą, w którym prąd jest mierzony poprzez monitorowanie zmian strumienia magnetycznego celowo nasyconego rdzenia. Cewka jest owinięta wokół rdzenia ferromagnetycznego o wysokiej przepuszczalności, który jest celowo nasycany przez cewkę wtórną napędzaną symetrycznym napięciem prostokątnym. Indukcyjność cewki spada za każdym razem, gdy rdzeń zbliża się do dodatniego lub ujemnego nasycenia, a szybkość zmian jego prądu wzrasta. Przebieg prądu cewki pozostaje symetryczny, chyba że zostanie dodatkowo przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, w którym to przypadku przebieg staje się asymetryczny. Mierząc wielkość tej asymetrii, można oszacować natężenie zewnętrznego pola magnetycznego, a co za tym idzie prąd, który je wytworzył. Zapewnia to dobrą stabilność temperatury i dokładność na poziomie do 0,1%. Jednak złożona elektronika czujnika sprawia, że jest to drogie rozwiązanie, którego ceny są typowo 10 razy wyższe niż inne rozwiązania. Oferuje on za to izolację galwaniczną, jak inne metody megnetyczne.
Rys.7. Przetwornik prądu z otwartą pętlą oparty na koncentratorze strumienia i czujniku magnetycznym.
Rys.8. Zasada działania przetworników prądowych w pętli zamkniętej.
Pomiar energii DC: wymagania i standaryzacja
Chociaż standaryzacja pomiaru energii dla prądu stałego może nie wydawać się zbyt trudna do osiągnięcia w porównaniu z istniejącym ekosystemem standardów pomiaru prądu stałego, interesariusze z tej branży wciąż debatują nad wymaganiami dla różnych zastosowań, prosząc o więcej czasu na doprecyzowanie dokładnych szczegółów pomiaru prądu stałego.
IEC pracuje nad normą IEC 62053-41, która wprowadzona ma być w celu określenia wymagań specyficznych dla statycznych liczników prądu stałego dla energii czynnej o klasach dokładności 0,5% i 1%.
Norma proponuje zakres napięć i prądów znamionowych oraz określa ograniczenia maksymalnego poboru mocy przez kanały napięciowe i prądowe miernika. Ponadto, podobnie jak w przypadku pomiaru prądu przemiennego, określona dokładność jest definiowana w całym zakresie dynamicznym. Definiowany jest także próg prądu dla stanu bez obciążenia.
W projekcie nie ma konkretnych wymagań co do przepustowości systemu, ale do pomyślnego przeprowadzenia szybkiego testu zmienności obciążenia wymagany jest domyślny wymóg dotyczący minimalnego pasma systemu.
Pomiar prądu stałego w zastosowaniach związanych z ładowaniem pojazdów elektrycznych jest częściowo zgodny z niemiecką normą VDE-AR-E 2418 lub starą normą kolejową EN 50463-2. Zgodnie z normą EN 50463-2 dokładności są określane dla każdego przetwornika, a połączony błąd energii jest wówczas sumą kwadraturową napięcia, prądu i błędu obliczeniowego:
$$\sigma = \sqrt {\sigma^2_V + \sigma^2_I + \sigma^2_{calc}} \qquad (1)$$
Podsumowanie: Miernik prądu stałego zgodny z normą potwierdzający koncepcję
Analog Devices jest liderem w branży technologii precyzyjnych czujników prądu, oferującym kompletny tor sygnałowy do precyzyjnych pomiarów prądu i napięcia w celu spełnienia restrykcyjnych wymagań norm branżowych. W następnej sekcji zostanie przedstawiony dowód słuszności na przedstawioną koncepcję licznika energii prądu stałego, zgodnego z normą IEC 62053-41, która niebawem zacznie obowiązywać.
Biorąc pod uwagę przestrzeń rozliczeniowych pomiarów energii prądu stałego w mikrosieciach i centrach danych, możemy postawić hipotezę dotyczącą wymagań przedstawioną w tabeli 3.
Tanie i dokładne mierzenie prądu można zrealizować, stosując małą wartość i niski bocznik EMF (<1 μVEMF/°C). Utrzymanie rezystancji bocznikowej na niskim poziomie ma zasadnicze znaczenie dla zmniejszenia efektu samonagrzewania się rezystora pomiarowego i utrzymania poziomu mocy poniżej limitów wymaganych przez stosowną normę.
Dostępny w handlu bocznik 75 μΩ utrzymuje rozpraszanie mocy na poziomie poniżej 0,5 W.
Rys.9. Architektura systemu licznika prądu stałego.
Jednak 1% prądu znamionowego 80 A generuje bardzo mały sygnał (60 μV na boczniku 75 μΩ), co wymaga złożonego toru sygnałowego, uzyskującego parametry m.in. w zakresie dryftu offsetu napięciowego poniżej mikrowolta.
ADA4528, z maksymalnym napięciem offsetu równym 2,5 μV i maksymalnym dryftem termicznym tej wartości na poziomie 0,015 μV/°C, jest dobrze przystosowany do zapewnienia ultraniskiego dryftu i wzmocnienia 100 V/V dla małego sygnału bocznikowego. Dzięki temu 24-bitowy przetwornik ADC AD7779 może być bezpośrednio podłączony do stopnia wyjściowego wzmacniacza, z wkładem przesunięcia offsetu (względem wejścia) na poziomie 5 nV/°C.
Wysokie napięcie DC można dokładnie zmierzyć za pomocą rezystancyjnego dzielnika napięcia o podziale 1000:1 bezpośrednio podłączonego do wejścia przetwornika AD7779.
Finalnym elementem systemu jest mikrokontroler, który implementuje prostą funkcjonalność metrologiczną, analizując zebrany sygnał próbka po próbce. Układ jest sterowany przerwaniami, w których dla każdego analizowane są odczyty, zgodnie z prostym algorytmem:
* Odczyt próbki napięcia i prądu
* Obliczenie mocy chwilowej (P = I × V)
* Zliczanie sum chwilowych mocy w zmiennej zwanej akumulatorem
* Gromadzi chwilową moc w zmiennej, zwanej akumulatorem
* Sprawdza, czy akumulator przekracza próg, potrzebny aby wygenerować impuls na wyjściu pomiarowym. Jeśli tak, generuje rzeczony impuls i resetuje rejestr akumulacji energii.
Ponadto, oprócz funkcji metrologicznych, mikrokontroler udostępnia interfejsy na poziomie systemu, takie jak RS-485, wyświetlacza LCD i przyciski sterujące.
Rys.10. Koncepcyjny prototyp miernika energii elektrycznej DC.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/dc-energy-metering-applications.html
Uwzględniając zarówno odnawialne, jak i nieodnawialne źródła energii, tylko w zeszłym roku światowa populacja zużyła prawie 18 miliardów kWh, a popyt cały czas rośnie; w rzeczywistości ponad połowa kiedykolwiek wytworzonej energii elektrycznej została zużyta zaledwie w ciągu ostatnich 15 lat.
Nasze sieci elektryczne i systemy generacji energii elektrycznej stale się rozwijają; potrzeba coraz sprawniejszych i przyjaźniejszych dla środowiska źródeł energii nigdy nie była większa. Ponieważ był on łatwiejszy w wykorzystaniu, pierwsi twórcy sieci energetycznych wybrali prąd przemienny (AC), aby dostarczać energię do świata, jednakże teraz w wielu obszarach prąd stały (DC) może radykalnie poprawić sprawność systemów.
Napędzane rozwojem wydajnej i ekonomicznej technologii konwersji mocy opartej na półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak elementy wykonane z GaN (azotek galu) czy SiC (węglik krzemu), w wielu zastosowaniach korzystniejsze wydaje się obecnie przejścia na przesył energii w postaci prądu stałego. W konsekwencji, precyzyjne pomiary energii DC stają się istotne, zwłaszcza w przypadku np. rozliczeń za energię elektryczna. W poniższym artykule zostaną omówione możliwości pomiaru prądu stałego w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych, miejscach wytwarzanie energii odnawialnej, na farmach serwerów, w mikrosieciach energetycznych i współdzielonych oraz, finalnie, zaproponowany zostanie projekt koncepcji licznika energii prądu stałego.
Aplikacje systemów pomiaru energii elektrycznej DC
Stacje ładowania pojazdów elektrycznych na prąd stały
Tempo wzrostu sektora pojazdów elektrycznych typu plug-in (EV) szacuje się na 70% CAGR w okresie od 2018 roku i prognozuje się wzrost o kolejne 25% CAGR rok do roku w latach od 2017 do 2024 r. Rynek stacji ładowania osiągnąć ma 41,8% CAGR w latach od 2018 do 2023. Jednak aby przyspieszyć redukcję śladu węglowego powodowanego przez transport prywatny, pojazdy elektryczne muszą stać się pierwszym wyborem na rynku motoryzacyjnym.
W ostatnich latach duży wysiłek włożono w poprawę pojemności i żywotności akumulatorów, ale powszechna sieć ładowarek dla pojazdów elektrycznych jest również kluczowym warunkiem umożliwiającym długie podróże bez obaw o zasięg i czas ładowania. Wielu dostawców energii i firm prywatnych wdraża szybkie ładowarki o mocy do 150 kW, a istnieje również duże zainteresowanie ultraszybkimi ładowarkami o mocy do 500 kW. Biorąc pod uwagę ultraszybkie stacje ładowania z lokalną mocą szczytową ładowania sięgającą megawatów i związanymi z tym taryfami opłat za energię za szybkie ładowanie, ładowanie pojazdów elektrycznych stanie się ogromnym rynkiem wymiany energii, w związku z czym konieczne będzie dokładne rozliczanie energii.
Obecnie standardowe ładowarki EV są monitorowane po stronie prądu przemiennego, co wiąże się z wadą polegającą na braku pomiaru energii traconej podczas przetwarzania DC/DC, w związku z czym rozliczenia są niedokładne, ze stratą dla klienta końcowego. Od 2019 roku nowe przepisy unijne zmuszają dostawców energii do wystawiania rachunków odbiorcom tylko za energię przekazaną do ich pojazdów, co powoduje, że koszt strat w przetwornicy i ładowarce ponosi dostawca energii.
Podczas gdy najnowocześniejsze przetwornice z elementami SiC do ładowania pojazdów elektrycznych mogą osiągnąć sprawność powyżej 97%, istnieje wyraźna potrzeba umożliwienia dokładnego rozliczania po stronie prądu stałego dla szybkich i ultraszybkich ładowarek, w których energia jest przenoszona w DC po bezpośrednim podłączeniu do akumulatora pojazd. Oprócz publicznych wskaźników ładowania pojazdów elektrycznych, prywatne i mieszkaniowe systemy ładowania pojazdów elektrycznych mogą być jeszcze większą zachętę do precyzyjnego rozliczania energii po stronie prądu stałego.
Rys.1. Pomiar energii elektrycznej DC na stacji ładowania pojazdu elektrycznego.
Rys.2. Pomiar energii elektrycznej DC w zrównoważonej infrastrukturze mikrosieci energetycznej.
Dystrybucja DC – mikrosieci
Co to jest mikrosieć? Zasadniczo mikrosieć jest mniejszą wersją normalnego systemu przesyłowego. W związku z tym wymagane jest bezpieczeństwo, niezawodność i sprawne dostarczanie mocy. Przykłady mikrosieci można znaleźć w szpitalach, w bazach wojskowych, a nawet jako część systemów użyteczności publicznej, w których wytwarzana jest energia ze źródeł odnawialnych, generatorów z silnikami diesla i wykorzystywane są magazyny energii, aby stworzyć niezawodny system dystrybucji energii.
Inne przykłady mikrosieci można znaleźć w budynkach. Dzięki szerokiemu wykorzystaniu źródeł energii odnawialnej, budynki mogą nawet stać się samowystarczalne energetycznie, dzięki panelom słonecznym na dachu i niewielkim turbinom wiatrowym wytwarzającym tyle energii, ile jest aktualnie używane. Systemy takie działają niezależnie, ale są wspierane przez sieć przesyłową. W tego rodzaju instalacjach, aż do 50% obciążenia budynku jest zasilane prądem stałym. Obecnie każde urządzenie elektroniczne musi konwertować prąd zmienny na prąd stały, co powoduje utratę do 20% energii w procesie przetwarzania i prostowania. Wykorzystanie instalacji DC pozwoli na uzyskanie oszczędności, szacowanych na 28% (w porównaniu z tradycyjną dystrybucją prądu przemiennego).
Zainteresowanie mikrosieciami prądu stałego gwałtownie rośnie, podobnie jak potrzeba standaryzacji. IEC 62053-41 to norma, która czeka obecnie na wprowadzenie. Określa ona wymagania i poziomy nominalne dla domowych systemów prądu stałego i liczników zamkniętych, podobnych do ich odpowiedników na prądu zmiennego.
Segment mikrosieci prądu stałego jest wyceniany obecnie na około 7 miliardów dolarów i wzrasta od 2017. Analitycy wskazują, że będzie się obserwować dalszy jego wzrost wynikający z pojawiającego się trendu do dystrybucji prądu stałego.
Centra danych z zasilaniem DC
Operatorzy centrów danych aktywnie rozważają różne technologie i rozwiązania w celu poprawy sprawności energetycznej wykorzystywanych obiektów, ponieważ energia jest jednym z ich największych kosztów operacyjnych.
Operatorzy centrów danych dostrzegają istotne korzyści w dystrybucji prądu stałego, ponieważ zmniejsza się liczba punktów konwersji między prądem zmiennym a stałym, a integracja z systemami energii odnawialnej jest łatwiejsza i sprawniejsza. Redukcję punktów przetwarzania pozwala na:
* 5% do 25% oszczędność energii dzięki wzrostowi sprawności transmisji i konwersji oraz mniejszemu wytwarzaniu ciepła
* Podwojenie niezawodność i dostępność systemu
* Redukcję o około 33% powierzchni zajmowanej przez system zasilania
Rys.3. Mniejsza ilość elementów jest wymaganych w systemie zasilania prądu stałego dla centrów danych, a straty są mniejsze niż w przypadku tradycyjnej sieci dystrybucji energii, korzystającej z prądu przemiennego.
Rys.4. Integracja źródeł energii odnawialnej w centrum danych z siecią prądu stałego.
Napięcia szyn dystrybucyjnych sięgają do około 380 V DC, a dokładne pomiary energii DC stają się coraz istotniejsze, ponieważ wielu operatorów decyduje się na oparte na realnym poborze prądu szacowanie kosztów kolokacji i obciążanie nimi klienta końcowego.
Dwa najpopularniejsze sposoby pobierania opłat od klientów kolokacyjnych za zużycie energii to:
* Za gniazdko (opłata zryczałtowana za każdy punkt poboru energii)
* Za zużytą energię (gniazdko z pomiarem zużycia energii- opłata pobierana jest za każdy zużyty kWh)
Mając na celu zachęcanie do energooszczędności, popularność zyskuje podejście z pomiarem mocy wyjściowej, a ceny dla klientów można opisać prostym wyrażeniem:
Koszt okresowy = opłata za miejsce + (pobór energii sprzętu IT × PUE)
Opłata za przestrzeń to stała kwota, obejmująca ochronę i wszystkie koszty eksploatacji budynku. Pobór energii mierzony jest w każdym gniazdku i mnożony jest przez efektywność zużycia energii (PUE), która uwzględnia wydajność infrastruktury IT, na przykład energochłonność systemów chłodzenia itp.
Typowa nowoczesna szafa rack zużywa do 40 kW prądu stałego. Dlatego prądy do 100 A muszą być monitorowane za pomocą liczników prądu stałego klasy rozliczeniowej, które montowane są niezależnie dla każdej szafy.
Wyzwania w precyzyjnym pomiarze energii DC
Na początku XX wieku tradycyjne liczniki energii prądu przemiennego były systemami w pełni elektromechanicznymi. Połączenie cewki napięciowej i prądowej zastosowano do indukowania prądów wirowych w obracającym się dysku aluminiowym. Wynikowy moment obrotowy tarczy był proporcjonalny do iloczynu strumienia magnetycznego generowanego przez cewki. Wreszcie, dodanie magnesu do tarczy sprawia, że prędkość obrotowa jest wprost proporcjonalna do rzeczywistej mocy pobieranej przez obciążenie. W tym momencie mierzenie zużytej energii polega po prostu na policzeniu liczby obrotów tarczy w okresie czasu.
Nowoczesne mierniki zużycia prądu przemiennego są znacznie bardziej złożone, dokładne i chronione przed manipulacjami. Teraz najnowocześniejsze, inteligentne licznik zużycia energii elektrycznej mogą nawet monitorować swoją dokładność i wykrywać oznaki manipulacji pomiarem - 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, gdy jest zainstalowany w dowolnym miejscu w terenie. Tak jest w przypadku pomiarowego układu scalonego firmy Analog Devices ADE9153B z technologią mSure®. Liczniki energii - nowoczesne, tradycyjne, AC lub DC - są klasyfikowane według stałej liczby impulsów na kWh i procentowej dokładności ich klasy. Liczba impulsów na kWh oznacza szybkość aktualizacji pomiaru energii lub jego rozdzielczość. Klasa dokładności mówi o tym jaki jest maksymalny błąd dla pomiaru zużytej energii.
Podobnie jak w klasycznym liczniku mechanicznym, energia w danym przedziale czasu jest obliczana poprzez zliczanie impulsów; im wyższa częstotliwość impulsów, tym wyższa moc chwilowa i odwrotnie.
Architektura miernika prądu stałego
Podstawową architekturę miernika prądu stałego przedstawiono na rysunku 5. Do pomiaru mocy pobieranej przez obciążenie (P = V × I) wymagany jest co najmniej jeden czujnik prądu i jeden czujnik napięcia. Gdy strona niska ma potencjał masy, prąd przepływający przez licznik jest zwykle mierzony po stronie wysokiej, aby zminimalizować ryzyko niemierzonych upływów, ale prąd można również mierzyć po stronie niskiej lub nawet po obu stronach, jeśli jest to wymagane przez architekturę projektu. Technika pomiaru i porównywania prądów po obu stronach obciążenia jest często stosowane, aby umożliwić miernikowi wykrywanie uszkodzeń i sabotażu instalacji. Jednak gdy prąd mierzony jest po obu stronach obciążenia, co najmniej jeden czujnik prądu musi być odizolowany, aby poradzić sobie z wysokim potencjałem, występującym na przewodach zasilających.
Pomiar napięcia
Napięcie jest zwykle mierzone za pomocą dzielnika rezystancyjnego, w którym drabinka rezystorów jest używana do proporcjonalnego zmniejszenia potencjału do poziomu zgodnego z wejściem typowego układu ADC.
Ze względu na dużą amplitudę sygnału wejściowego, dokładny pomiar napięcia można łatwo uzyskać za pomocą standardowych komponentów. Należy jednak zwrócić uwagę na współczynniki temperaturowe i napięciowe wybranych elementów, aby zagwarantować wymaganą dokładność w całym zakresie temperatur pracy systemu.
Jak wspomniano wcześniej, liczniki energii prądu stałego do zastosowań takich jak stacje ładowania pojazdów elektrycznych czasami muszą wystawiać rachunki wyłącznie za energię przekazaną do pojazdu. Aby spełnić wymóg pomiaru, liczniki energii prądu stałego do ładowarek EV mogą wymagać posiadania wielu kanałów pomiarów napięciowych, umożliwiających miernikowi pomiar napięcia również w punkcie podłączenia pojazdu (tzw. pomiar 4-przewodowy). Pomiar energii DC w konfiguracji 4-przewodowej zapewnia, że wszystkie straty rezystancyjne połączenia ładującego są odliczane od całkowitego rachunku za energię elektryczną.
Rys.5. Architektura systemu liczników energii DC.
Pomiar prądu do pomiaru energii DC
Prąd elektryczny można mierzyć bezpośrednio lub pośrednio, mierząc np. pole magnetyczne generowane przez przepływ nośników ładunku. W następnym rozdziale zostaną omówione najpopularniejsze czujniki do pomiaru prądu stałego.
Rezystor bocznikowy
Bezpośredni pomiar prądu jest wypróbowaną i przetestowaną metodą pomiaru tak dla AC i DC. Przepływ prądu jest kierowany przez rezystor bocznikowy o znanej wartości rezystancji. Spadek napięcia na rezystorze bocznikowym jest wprost proporcjonalny do przepływającego prądu, zgodnie z dobrze znanym prawem Ohma (V = R × I). Napięcie to może być następnie wzmacniane i digitalizowane z pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), zapewniając dokładną, cyfrową reprezentację prądu płynącego w obwodzie .
Pomiar prądu z pomocą rezystora bocznikowego jest tanią, dokładną i wydajną metodą pomiaru prądu w szerokim zakresie od mA do kA, z teoretycznie nieograniczoną szerokością pasma. Jednak metoda ma pewne wady.
Gdy prąd płynie w rezystorze, ciepło Joula jest generowane proporcjonalnie do kwadratu prądu. Powoduje to nie tylko straty w zakresie sprawności, ale samonagrzewanie się opornika zmienia wartość rezystancji bocznika, co w konsekwencji powoduje pogorszenie dokładności pomiaru. Aby ograniczyć efekt samonagrzewania, stosuje się rezystancję o niskiej wartości. Jednakże, gdy używana jest mała rezystancja, napięcie na elemencie czujnikowym jest również małe i czasami porównywalne z przesunięciem DC toru analogowego systemu pomiarowego. W takich warunkach osiągnięcie wymaganej dokładności pomiaru przy dolnym końcu zakresu dynamiki może nie być zadaniem trywialnym. Najnowocześniejsze analogowe front-endy pomiarowe, z ultraniskim offsetem DC i minimalnym dryfem temperaturowym, mogą być wykorzystane do przezwyciężenia ograniczeń rezystorów bocznikowych o małej wartości. Jednakże, ponieważ wzmacniacze operacyjne mają stałą iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma, wysokie wzmocnienie ogranicza dostępną szerokość pasma pomiaru.
Boczniki prądowe o niskiej wartości rezystancji są zwykle wykonywane ze specjalnych stopów metali, takich jak mangan-miedź lub nikiel-chrom, które niwelują dryfty temperaturowe ich składników, powodując całkowity wypadkowy dryf rzędu dziesiątek ppm/°C.
Innym czynnikiem przyczyniającym się do powstawania błędu w bezpośrednim pomiarze prądu stałego może być zjawisko termicznej siły elektromotorycznej (EMF), znane również jako efekt Seebecka. Efekt Seebecka to zjawisko, w którym różnica temperatur między co najmniej dwoma odmiennymi przewodnikami elektrycznymi (lub półprzewodnikami) tworzącymi złącze wytwarza różnicę potencjałów między nimi. Efekt Seebecka jest dobrze znanym zjawiskiem i jest szeroko stosowany do pomiaru temperatury z wykorzystaniem termopar czy też, jego odwrotność, efekt Peltiera, wykorzystywany jest w systemach chłodzących lub grzejnych.
W przypadku boczników prądowych podłączonych 4-przewodowo, ciepło Joula będzie się tworzyć na środku elementu rezystancyjnego, propagując na zewnątrz podczas gdy miedziane przewody czujnikowe, które mogą być podłączone do PCB (lub innego medium) mogą mieć inną temperaturę.
Obwód pomiarowy utworzy symetryczny rozkład różnych materiałów; w związku z tym potencjał na złączach ujemnych i dodatnich przewodów czujnikowych będzie w przybliżeniu taki sam. Jednak każda różnica w pojemności cieplnej, na przykład ujemny przewód czujnikowy podłączony do większej masy miedzi (wylewki masy), może powodować niedopasowanie w rozkładzie temperatury, powodując błąd pomiaru spowodowany efektem termicznym. Z tego powodu należy zwrócić uwagę na sposób podłączenia bocznika i odprowadzenie wytworzonego na nim ciepła.
Rys. 6. Termiczny EMF w bocznikach wywołanych gradientem temperatury.
Pomiar pola magnetycznego - pośredni pomiar prądu
Czujnik oparty na efekcie Halla, działający w otwartej pętli
Czujnik jest zbudowany z pierścienia z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej, przez który przepuszczany jest przewód pomiarowy. To koncentruje linie pola magnetycznego otaczające mierzony na czujniku Halla, który jest wstawiany w przekrój rdzenia magnetycznego. Wyjście tego czujnika jest wstępnie kondycjonowane i zwykle dostępne w różnych wersjach. Najpopularniejsze to: 0 V do 5 V, 4 mA do 20 mA lub interfejs cyfrowy. Zapewnia on izolację galwaniczną i duży zakres mierzonego prądu przy stosunkowo niskich kosztach. Bezwzględne dokładności tego rodzaju sensorów nie schodzą jednakże raczej poniżej 1%.
Czujnik oparty na efekcie Halla, działający w zamkniętej pętli
Uzwojenie wtórne owinięte jest wokół rdzenia. Podawany jest na nie prąd, zapewniający ujemne sprzężenie zwrotne w celu uzyskania zerowego całkowitego strumienia magnetycznego w sensorze. Dzięki pomiarowi prądu kompensacyjnego poprawia się liniowość układu i eliminowana jest histereza rdzenia. Tego rodzaju sensor oferuje niższy dryft temperaturowym i większą dokładnością w porównaniu z rozwiązaniem z otwartą pętlą. Typowe zakresy błędów spadają nawet do 0,5%, ale dodatkowe obwody kompensacji powodują, że czujnik jest droższy i charakteryzuje się ograniczoną przepustowość i zredukowanym pasmem.
Fluxgate
Tego rodzaju sensor jest złożonym systemem z otwartą lub zamkniętą pętlą, w którym prąd jest mierzony poprzez monitorowanie zmian strumienia magnetycznego celowo nasyconego rdzenia. Cewka jest owinięta wokół rdzenia ferromagnetycznego o wysokiej przepuszczalności, który jest celowo nasycany przez cewkę wtórną napędzaną symetrycznym napięciem prostokątnym. Indukcyjność cewki spada za każdym razem, gdy rdzeń zbliża się do dodatniego lub ujemnego nasycenia, a szybkość zmian jego prądu wzrasta. Przebieg prądu cewki pozostaje symetryczny, chyba że zostanie dodatkowo przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, w którym to przypadku przebieg staje się asymetryczny. Mierząc wielkość tej asymetrii, można oszacować natężenie zewnętrznego pola magnetycznego, a co za tym idzie prąd, który je wytworzył. Zapewnia to dobrą stabilność temperatury i dokładność na poziomie do 0,1%. Jednak złożona elektronika czujnika sprawia, że jest to drogie rozwiązanie, którego ceny są typowo 10 razy wyższe niż inne rozwiązania. Oferuje on za to izolację galwaniczną, jak inne metody megnetyczne.
Rys.7. Przetwornik prądu z otwartą pętlą oparty na koncentratorze strumienia i czujniku magnetycznym.
Rys.8. Zasada działania przetworników prądowych w pętli zamkniętej.
Pomiar energii DC: wymagania i standaryzacja
Chociaż standaryzacja pomiaru energii dla prądu stałego może nie wydawać się zbyt trudna do osiągnięcia w porównaniu z istniejącym ekosystemem standardów pomiaru prądu stałego, interesariusze z tej branży wciąż debatują nad wymaganiami dla różnych zastosowań, prosząc o więcej czasu na doprecyzowanie dokładnych szczegółów pomiaru prądu stałego.
IEC pracuje nad normą IEC 62053-41, która wprowadzona ma być w celu określenia wymagań specyficznych dla statycznych liczników prądu stałego dla energii czynnej o klasach dokładności 0,5% i 1%.
Norma proponuje zakres napięć i prądów znamionowych oraz określa ograniczenia maksymalnego poboru mocy przez kanały napięciowe i prądowe miernika. Ponadto, podobnie jak w przypadku pomiaru prądu przemiennego, określona dokładność jest definiowana w całym zakresie dynamicznym. Definiowany jest także próg prądu dla stanu bez obciążenia.
W projekcie nie ma konkretnych wymagań co do przepustowości systemu, ale do pomyślnego przeprowadzenia szybkiego testu zmienności obciążenia wymagany jest domyślny wymóg dotyczący minimalnego pasma systemu.
Pomiar prądu stałego w zastosowaniach związanych z ładowaniem pojazdów elektrycznych jest częściowo zgodny z niemiecką normą VDE-AR-E 2418 lub starą normą kolejową EN 50463-2. Zgodnie z normą EN 50463-2 dokładności są określane dla każdego przetwornika, a połączony błąd energii jest wówczas sumą kwadraturową napięcia, prądu i błędu obliczeniowego:
$$\sigma = \sqrt {\sigma^2_V + \sigma^2_I + \sigma^2_{calc}} \qquad (1)$$
Tabela.1. Procentowy błąd pomiaru prądu, zgodnie z EN 50463-2.
| Zakres prądu | Klasa 0.2R | Klasa 0.5R | Klasa 1R |
| 1% do 5% IN | 1% | 2.5% | 5% |
| 5% do 10% IN | 0.4% | 1% | 1.5% |
| 10% do 120% IN | 0.2% | 0.5% | 1% |
Tabela.2. Maksymalny procentowy błąd pomiaru napięcia, zgodnie z EN 50463-22.
| Zakres napięcia | Klasa 0.2R | Klasa 0.5R | Klasa 1R |
| <66% VN | 0.4% | 1% | 2% |
| 66% do 130% VN | 0.2% | 0.5% | 1% |
Podsumowanie: Miernik prądu stałego zgodny z normą potwierdzający koncepcję
Analog Devices jest liderem w branży technologii precyzyjnych czujników prądu, oferującym kompletny tor sygnałowy do precyzyjnych pomiarów prądu i napięcia w celu spełnienia restrykcyjnych wymagań norm branżowych. W następnej sekcji zostanie przedstawiony dowód słuszności na przedstawioną koncepcję licznika energii prądu stałego, zgodnego z normą IEC 62053-41, która niebawem zacznie obowiązywać.
Biorąc pod uwagę przestrzeń rozliczeniowych pomiarów energii prądu stałego w mikrosieciach i centrach danych, możemy postawić hipotezę dotyczącą wymagań przedstawioną w tabeli 3.
Tabela.3. Specyfikacje miernika energii DC - dowód poprawności koncepcji.
| Parametr | Nominalnie | Zakres dynamiczny | Maksymalny zakres |
| Napięcie | ±400 VDC | 100:01:00 | ±600 V |
| Prąd | ±80 A | 100:01:00 | ±240 A |
| Dokładność w zakresie od 1% do 5% INOM | 1% | 1% | |
| Dokładność w zakresie od 5% do 120% INOM | 0.5% | 0.5% | |
| Temperatura | od –25°C do +55°C | od –25°C do +55°C | od –40°C do +70°C (przechowywanie) |
| Stała licznika | 1000 imp/ kWh | ||
| Pasmo pomiaru prądu i napięcia | 2.5 kHz |
Tanie i dokładne mierzenie prądu można zrealizować, stosując małą wartość i niski bocznik EMF (<1 μVEMF/°C). Utrzymanie rezystancji bocznikowej na niskim poziomie ma zasadnicze znaczenie dla zmniejszenia efektu samonagrzewania się rezystora pomiarowego i utrzymania poziomu mocy poniżej limitów wymaganych przez stosowną normę.
Dostępny w handlu bocznik 75 μΩ utrzymuje rozpraszanie mocy na poziomie poniżej 0,5 W.
Rys.9. Architektura systemu licznika prądu stałego.
Jednak 1% prądu znamionowego 80 A generuje bardzo mały sygnał (60 μV na boczniku 75 μΩ), co wymaga złożonego toru sygnałowego, uzyskującego parametry m.in. w zakresie dryftu offsetu napięciowego poniżej mikrowolta.
ADA4528, z maksymalnym napięciem offsetu równym 2,5 μV i maksymalnym dryftem termicznym tej wartości na poziomie 0,015 μV/°C, jest dobrze przystosowany do zapewnienia ultraniskiego dryftu i wzmocnienia 100 V/V dla małego sygnału bocznikowego. Dzięki temu 24-bitowy przetwornik ADC AD7779 może być bezpośrednio podłączony do stopnia wyjściowego wzmacniacza, z wkładem przesunięcia offsetu (względem wejścia) na poziomie 5 nV/°C.
Wysokie napięcie DC można dokładnie zmierzyć za pomocą rezystancyjnego dzielnika napięcia o podziale 1000:1 bezpośrednio podłączonego do wejścia przetwornika AD7779.
Finalnym elementem systemu jest mikrokontroler, który implementuje prostą funkcjonalność metrologiczną, analizując zebrany sygnał próbka po próbce. Układ jest sterowany przerwaniami, w których dla każdego analizowane są odczyty, zgodnie z prostym algorytmem:
* Odczyt próbki napięcia i prądu
* Obliczenie mocy chwilowej (P = I × V)
* Zliczanie sum chwilowych mocy w zmiennej zwanej akumulatorem
* Gromadzi chwilową moc w zmiennej, zwanej akumulatorem
* Sprawdza, czy akumulator przekracza próg, potrzebny aby wygenerować impuls na wyjściu pomiarowym. Jeśli tak, generuje rzeczony impuls i resetuje rejestr akumulacji energii.
Ponadto, oprócz funkcji metrologicznych, mikrokontroler udostępnia interfejsy na poziomie systemu, takie jak RS-485, wyświetlacza LCD i przyciski sterujące.
Rys.10. Koncepcyjny prototyp miernika energii elektrycznej DC.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/dc-energy-metering-applications.html
Cool? Ranking DIY
