Mengatasi tantangan desain dalam pengukuran energi DC presisi

Berkat pengembangan teknologi konversi daya yang efisien berdasarkan celah pita lebar semikonduktor, pengukuran energi dc presisi menjadi relevan, terutama di mana penagihan energi terlibat. Artikel ini membahas tantangan pengukuran dc dan menawarkan proposal untuk desain meteran energi dc.

Pengembang jaringan awal bekerja dengan arus bolak-balik (ac) untuk memasok daya ke dunia karena lebih mudah digunakan. Namun, di banyak bidang, arus searah (dc) dapat secara dramatis meningkatkan efisiensi, dan banyak aplikasi sekarang melihat manfaat dalam beralih ke pertukaran energi dc berkat pengembangan teknologi konversi daya yang efisien dan ekonomis berdasarkan semikonduktor celah pita lebar. Sebagai konsekuensinya, pengukuran energi dc presisi menjadi relevan, terutama jika melibatkan penagihan energi.

Dalam artikel pertama dari seri dua bagian ini, kami membahas peluang pengukuran arus searah di stasiun pengisian kendaraan listrik, pembangkit energi terbarukan, server farm, jaringan mikro, dan berbagi energi peer-to-peer. Artikel ini membahas tantangan pengukuran arus searah dan menawarkan proposal untuk desain pengukur energi arus searah.

Pada awal 1900-an meter energi ac tradisional sepenuhnya elektromekanis. Kombinasi tegangan dan kumparan arus digunakan untuk menginduksi arus eddy dalam piringan aluminium yang berputar. Torsi yang dihasilkan pada piringan sebanding dengan produk fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan tegangan dan arus. Akhirnya, penambahan magnet pemecah untuk disk membuat kecepatan rotasi berbanding lurus dengan daya nyata yang dikonsumsi oleh beban. Pada titik ini, mengukur energi yang dikonsumsi hanyalah masalah menghitung jumlah rotasi selama periode waktu tertentu.

Pengukur ac modern secara signifikan lebih kompleks, akurat, dan terlindungi dari gangguan. Sekarang, meteran pintar canggih bahkan dapat memantau akurasi absolutnya dan mendeteksi tanda-tanda gangguan 24/7 saat dipasang di lapangan. Ini adalah kasus untuk IC pengukuran ADE9153B Perangkat Analog, diaktifkan dengan m Tentu ^® teknologi. Pengukur energi—baik modern, tradisional, ac, atau dc—semua diklasifikasikan berdasarkan impuls per kWh, konstanta, dan akurasi kelas persentase. Jumlah impuls per kWh menunjukkan tingkat pembaruan energi, atau resolusi. Akurasi kelas menyatakan kesalahan pengukuran maksimum energi.

Mirip dengan meteran mekanik lama, energi dalam interval waktu tertentu dihitung dengan menghitung impuls ini; semakin tinggi frekuensi pulsa, semakin tinggi daya sesaat, dan sebaliknya.

Arsitektur Pengukur DC

Arsitektur dasar meter dc ditunjukkan pada Gambar 1. Untuk mengukur daya yang dikonsumsi oleh beban (P =V × I), diperlukan setidaknya satu sensor arus dan satu sensor tegangan.

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 1. Arsitektur sistem meter energi DC. (Sumber:Perangkat Analog)

Ketika sisi rendah berada pada potensial bumi, arus yang mengalir melalui meteran biasanya diukur pada sisi tinggi untuk meminimalkan risiko kebocoran yang tidak terukur, tetapi arus juga dapat diukur pada sisi rendah, atau kedua sisi jika diperlukan oleh arsitektur desain. Teknik mengukur dan membandingkan arus di kedua sisi beban sering digunakan untuk mengaktifkan meteran dengan kemampuan deteksi gangguan dan gangguan. Namun, saat arus diukur di kedua sisi, setidaknya satu sensor arus perlu diisolasi untuk menangani potensi tinggi di seluruh konduktor.

Pengukuran Tegangan

Tegangan biasanya diukur dengan pembagi potensial resistif, di mana tangga resistor digunakan untuk mengurangi potensi secara proporsional ke tingkat yang kompatibel dengan input ADC sistem.

Karena amplitudo sinyal input yang besar, pengukuran tegangan yang akurat dapat dengan mudah dicapai dengan komponen standar. Namun, perhatian harus diberikan pada koefisien suhu dan koefisien tegangan dari komponen yang dipilih, untuk menjamin akurasi yang diperlukan di seluruh rentang suhu.

Seperti yang dibahas dalam artikel sebelumnya, pengukur energi dc untuk aplikasi seperti stasiun pengisian EV terkadang diharuskan menagih secara eksklusif untuk energi yang ditransfer ke kendaraan. Untuk memenuhi persyaratan pengukuran, pengukur energi dc untuk pengisi daya EV mungkin diperlukan untuk memiliki beberapa saluran tegangan, memungkinkan pengukur untuk merasakan tegangan juga di titik masuk kendaraan (pengukuran 4 kabel). Pengukuran energi DC dalam konfigurasi 4-kawat memastikan bahwa semua kerugian resistif dari tumpukan pengisian dan kabel didiskon dari total tagihan energi.

Pengukuran Arus untuk Pengukuran Energi DC

Arus listrik dapat diukur baik dengan koneksi langsung atau tidak langsung, dengan merasakan medan magnet yang dihasilkan oleh aliran pembawa muatan. Bagian berikutnya membahas sensor paling populer untuk pengukuran arus dc.

Resistor Shunt

Penginderaan arus sambungan langsung adalah metode yang dicoba dan diuji untuk mengukur arus ac dan dc. Aliran arus disalurkan melalui resistor shunt yang nilainya diketahui. Penurunan tegangan melintasi resistor shunt berbanding lurus dengan arus yang mengalir seperti yang dijelaskan oleh hukum Ohm yang terkenal (V =R × I), dan dapat diperkuat dan didigitalkan, memberikan representasi akurat dari arus yang mengalir di rangkaian .

Penginderaan resistor shunt adalah metode yang murah, akurat, dan kuat untuk mengukur arus dari mA ke kA, dengan bandwidth yang secara teoritis tidak terbatas. Namun, metode ini memiliki beberapa kelemahan.

Ketika arus mengalir dalam sebuah resistor, panas Joule dihasilkan secara proporsional dengan kuadrat arus. Ini akan menyebabkan tidak hanya kerugian dalam hal efisiensi, tetapi pemanasan sendiri akan mengubah nilai resistif shunt itu sendiri dengan konsekuensi penurunan akurasi. Untuk membatasi efek pemanasan sendiri, resistansi bernilai rendah digunakan. Namun, ketika resistansi kecil digunakan, tegangan melintasi elemen penginderaan juga kecil dan kadang-kadang sebanding dengan offset dc sistem. Dalam kondisi ini, mencapai akurasi yang diperlukan pada rentang dinamis terendah mungkin bukan tugas yang sepele. Ujung depan analog yang canggih, dengan offset dc sangat rendah dan penyimpangan suhu sangat rendah, dapat digunakan untuk mengatasi keterbatasan resistor shunt bernilai kecil. Namun, karena penguat operasional memiliki produk bandwidth gain yang konstan, gain yang tinggi akan membatasi bandwidth yang tersedia.

Shunt penginderaan arus bernilai rendah biasanya dibuat dari paduan logam tertentu seperti mangan-tembaga atau nikel-krom, yang membatalkan penyimpangan suhu yang berlawanan dari konstituennya untuk menghasilkan penyimpangan keseluruhan dalam urutan puluhan ppm/°C.

Kontributor kesalahan lain dalam pengukuran dc koneksi langsung dapat menjadi fenomena gaya gerak listrik termal (EMF), juga dikenal sebagai efek Seebeck. Efek Seebeck adalah fenomena di mana perbedaan suhu antara setidaknya dua konduktor listrik yang berbeda atau semikonduktor membentuk persimpangan menghasilkan perbedaan potensial antara keduanya. Efek Seebeck adalah fenomena yang terkenal, dan banyak digunakan untuk mendeteksi suhu dalam termokopel.

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 2. EMF termal pada shunt yang disebabkan oleh gradien suhu. (Sumber:Perangkat Analog)

Dalam kasus shunt arus terhubung 4-kawat, panas Joule akan terbentuk di tengah elemen paduan resistif, merambat sementara kabel penginderaan tembaga, yang mungkin terhubung ke PCB (atau media yang berbeda), dan yang mungkin memiliki suhu yang berbeda.

Sirkuit penginderaan akan membentuk distribusi simetris dari bahan yang berbeda; oleh karena itu, potensi di persimpangan pada kabel penginderaan negatif dan positif kira-kira akan dibatalkan. Namun, setiap perbedaan dalam kapasitas termal, seperti kabel penginderaan negatif yang dihubungkan ke massa tembaga yang lebih besar (bidang tanah), dapat menghasilkan ketidaksesuaian dalam distribusi suhu, yang mengakibatkan kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh efek EMF termal.

Oleh karena itu, perhatian harus diberikan pada sambungan shunt dan distribusi panas yang dihasilkan.

Penginderaan Medan Magnet—Pengukuran Arus Tidak Langsung

Efek Hall Loop Terbuka

Sensor dibangun dengan cincin permeabilitas magnetik tinggi yang dilalui kabel arus yang dirasakan. Ini memusatkan garis medan magnet yang mengelilingi konduktor yang diukur ke sensor efek Hall, yang dimasukkan ke dalam area penampang inti magnet. Keluaran dari sensor ini sudah dikondisikan sebelumnya dan biasanya tersedia dalam berbagai rasa. Yang paling umum adalah:0 V hingga 5 V, 4 mA hingga 20 mA, atau antarmuka digital. Meskipun menyediakan isolasi dan rentang arus tinggi dengan biaya yang relatif rendah, akurasi absolut biasanya tidak berkisar di bawah 1%.

Efek Hall Loop Tertutup

Gulungan sekunder multi-putaran pada inti permeabel yang digerakkan oleh penguat arus memberikan umpan balik negatif untuk mencapai kondisi fluks total nol. Dengan mengukur arus kompensasi, linieritas ditingkatkan dan tidak ada histeresis inti dengan penyimpangan suhu yang unggul secara keseluruhan dan akurasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan solusi loop terbuka. Rentang kesalahan tipikal turun hingga 0,5%, tetapi sirkuit kompensasi tambahan membuat sensor lebih mahal dan terkadang bandwidthnya terbatas.

Fluxgate

Adalah sistem loop terbuka atau tertutup yang kompleks di mana arus diukur dengan memantau variasi fluks magnet dari inti yang sengaja dijenuhkan. Sebuah kumparan dililitkan di sekitar inti feromagnetik permeabilitas tinggi yang sengaja dijenuhkan oleh kumparan sekunder yang digerakkan oleh tegangan gelombang persegi simetris.

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 3. Transduser arus loop terbuka berdasarkan konsentrator fluks dan sensor magnetik. (Sumber:Perangkat Analog)

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 4. Contoh prinsip kerja transduser arus loop tertutup. (Sumber:Perangkat Analog)

Induktansi kumparan runtuh setiap kali inti mendekati saturasi positif atau negatif, dan laju perubahan arusnya meningkat. Bentuk gelombang arus kumparan tetap simetris kecuali medan magnet eksternal diterapkan tambahan, dalam hal ini bentuk gelombang menjadi asimetris. Dengan mengukur ukuran asimetri ini, intensitas medan magnet luar, dan akibatnya arus yang menghasilkannya, dapat diperkirakan. Ini memberikan stabilitas dan akurasi suhu yang baik hingga 0,1%. Namun, elektronik sensor yang kompleks menjadikannya solusi yang mahal dengan harga 10 kali lebih tinggi daripada solusi terisolasi lainnya.

Pengukuran Energi DC:Persyaratan dan Standarisasi

Meskipun standarisasi pengukuran energi dc mungkin tampak tidak terlalu sulit untuk dicapai dibandingkan dengan ekosistem standar pengukuran ac yang ada, pemangku kepentingan industri masih memperdebatkan persyaratan untuk aplikasi yang berbeda, meminta lebih banyak waktu untuk menyelesaikan detail yang tepat dari pengukuran dc.

IEC bekerja pada IEC 62053-41 untuk menentukan persyaratan khusus untuk meter statis dc untuk energi aktif dengan kelas akurasi 0,5% dan 1%.

Standar mengusulkan kisaran tegangan dan arus nominal dan menetapkan batas konsumsi daya maksimum dari saluran tegangan dan arus meter. Selain itu, seperti persyaratan pengukuran ac, akurasi spesifik ditentukan di seluruh rentang dinamis, serta ambang batas saat ini untuk kondisi tanpa beban.

Dalam draf, tidak ada persyaratan khusus untuk bandwidth sistem, tetapi uji variasi beban cepat diperlukan agar berhasil diselesaikan, mendefinisikan persyaratan implisit pada bandwidth minimum sistem.

Pengukuran DC dalam aplikasi pengisian EV terkadang sesuai dengan standar Jerman VDE-AR-E 2418 atau standar kereta api lama EN 50463-2. Menurut EN 50463-2, akurasi ditentukan per transduser, dan kesalahan energi gabungan adalah jumlah kuadrat dari tegangan, arus, dan kesalahan perhitungan:

Tabel 1. Persentase Maksimum Kesalahan Saat Ini per EN 50463-2

Rentang Saat Ini Kelas 0.2R Kelas 0.5R Kelas 1R 1% hingga 5% I_N 1%2,5%5%5% hingga 10% I_N 0,4%1%1,5%10% hingga 120% I_N 0,2%0,5%1%

Tabel 2. Kesalahan Tegangan Persentase Maksimum per EN 50463-2

Rentang Tegangan Kelas 0.2R Kelas 0.5R Kelas 1R <66% V_N 0,4%1%2%66% hingga 130% V_N 0.2%0.5%1%

A Proof of Concept Standard Compliant DC Meteran

Perangkat Analog adalah pemimpin industri dalam teknologi penginderaan presisi, menawarkan rantai sinyal lengkap untuk pengukuran arus dan tegangan presisi guna memenuhi persyaratan standar yang ketat. Bagian berikutnya akan menunjukkan bukti konsep untuk pengukur energi dc yang sesuai dengan standar khusus aplikasi mendatang IEC 62053-41.

Mempertimbangkan ruang pengukuran energi dc tingkat penagihan di jaringan mikro dan pusat data, kami dapat berhipotesis persyaratan yang ditunjukkan pada Tabel 3.

Tabel 3. Spesifikasi Pengukur Energi DC—Bukti Konsep

Peringkat

Nominal Dinamis
Rentang Pengukuran
(Rentang Maks) Tegangan±400 V_DC 100:1±600 VSaat ini±80 A100:1±240 AAkurasi1% hingga 5% I_NOM 1% 5% hingga 120% I_NOM 0,5% Temperatur–25°C hingga +55 °C–40°C hingga
+70°C penyimpanan Konstanta Meter1000 imp/ kWh Tegangan dan
Bandwidth Arus2,5 kHz

Penginderaan arus yang murah dan akurat dapat dicapai dengan menggunakan nilai kecil dan pirau EMF rendah (<1 V_EMF /°C). Menjaga resistansi shunt tetap kecil sangat penting untuk mengurangi efek pemanasan sendiri dan menjaga tingkat daya di bawah batas yang disyaratkan oleh standar.

Shunt komersial 75 akan menjaga daya disipasi di bawah 0,5 W.

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 5. Arsitektur sistem meteran DC. (Sumber:Perangkat Analog)

Namun, 1% dari arus nominal 80 A akan menghasilkan sinyal kecil sebesar 60 V pada shunt 75 , yang memerlukan rantai sinyal dalam kisaran kinerja penyimpangan offset sub-mikrovolt.

ADA4528, dengan tegangan offset maks 2,5 V dan drift tegangan offset maks 0,015 V/°C, sangat cocok untuk memberikan drift ultralow, amplifikasi 100 V/V untuk sinyal shunt kecil. Oleh karena itu, pengambilan sampel simultan, 24-bit ADC AD7779 dapat langsung dihubungkan ke tahap amplifikasi, dengan input 5 nV/°C yang dirujuk sebagai kontribusi offset drift.

Tegangan dc tinggi dapat diukur secara akurat dengan pembagi potensial resistif dengan rasio 1000:1 yang terhubung langsung ke input ADC AD7779.

Terakhir, mikrokontroler mengimplementasikan sampel demi sampel sederhana, fungsionalitas metrologi yang digerakkan oleh interupsi, di mana untuk setiap sampel ADC, rutinitas interupsi:

• Membaca sampel tegangan dan arus
• Menghitung daya sesaat (P =I × V)
• Mengumpulkan daya sesaat dalam akumulator energi
• Memeriksa apakah akumulator energi melebihi ambang energi untuk menghasilkan pulsa energi dan menghapus register akumulasi energi

Selain itu, selain fungsionalitas metrologi, mikrokontroler memungkinkan antarmuka tingkat sistem seperti RS-485, layar LCD, dan tombol tekan.

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 6. Bukti konsep—prototipe. (Sumber:Perangkat Analog)

---

Luca Martini menerima M.Eng. gelar di bidang teknik elektronika dan telekomunikasi untuk energi dari University of Bologna, Italia, pada tahun 2016. Sebagai bagian dari M.Eng. gelar, ia menghabiskan tujuh bulan di Fraunhofer IIS, Nuremberg, Jerman, mengembangkan sistem kontrol real-time presisi untuk karakterisasi pemanen energi piezoelektrik. Dari tahun 2006 hingga 2016, Luca bekerja sebagai pengembang sistem dan perangkat keras di sektor biomedis. Pada tahun 2016, Luca bergabung dengan Grup Sistem Energi dan Industri di Analog Devices, di Edinburgh, Inggris. Dia dapat dihubungi di [email protected].

---

Konten Terkait:

• Meningkatnya kebutuhan akan pengukuran energi DC presisi
• Meningkatkan privasi dan keamanan dalam siklus hidup meteran pintar
• Mencapai janji teknologi daya nirkabel sejati
• Sensor anti-gangguan mendukung pengukuran cerdas
• Solusi yang muncul meningkatkan manajemen daya kendaraan listrik
• Menyiapkan desain meteran utilitas dasar untuk Smart Grid

Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.