Интегрални схеми и компоненти за измерване на енергопотребление

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2/2022 • 11.04.2022

  • Днес все по-често електромерите се използват и за измерване на енергия, предадена през DC мрежи (за постояннотокови консуматори)

  • Токът се измерва контактно чрез шунтови съпротивления, а безконтактно чрез токови трансформатори, бобини и датчици на Хол

  • Напрежението се измерва директно с резисторен делител или изолирано с трансформатор

 

Димитър Колев

През 2019 година в световен мащаб са монтирани над 130 милиона интелигентни електромери, като цифрите за следващите години очаквано намаляват вследствие на пандемията от COVID-19 и последвалите проблеми с доставките на електронни и други елементи. За разлика от класическия и вече позабравен AC (променливотоков) индукционен електромер с алуминиев диск и механичен брояч, който не можеше да комуникира с околния свят, и се нуждаеше от физическо посещение за инсталиране, калибриране, ремонт и отчитане, интелигентният електромер изпраща направените измервания всеки ден или дори в реално време – както на доставчика, така и на клиента (с цел оптимизиране и икономия на консумираната енергия). Освен това той може да приема допълнителни настройки, да следи и предава информация за повреди и нередности, като например неразрешени промени и модификации. Връзката може да се осъществява през захранващата мрежа (PLC модеми), както и чрез различни типове радиокомуникация (GSM, NB-IoT, LoRa и др.).

Днес все по-често електромерите се използват и за измерване на енергия, предадена през DC мрежи (за постояннотокови консуматори). Измерването се извършва и в двете посоки – както на консумираната, така и на локално произведената (например от слънчеви панели или ветрогенератори) енергия. Електрическите мрежи постоянно се разширяват, както и расте нуждата от по-ефективно разпространение и “зелена” енергия. Доскоро изграждането на променливотокови мрежи беше единствената алтернатива, но днес в много области постояннотоковите мрежи могат да подобрят значително ефективността. Развитието на мощните полупроводникови прибори, базирани на GaN (галиев нитрид) и SiC (силициев карбид), и съответно приложението им в автомобили, камиони, автобуси, индустриални платформи и дори самолети с електрическо и хибридно задвижване откриват нови възможности за развитие на постояннотоковите мрежи и системи. Това, от своя страна, изисква прецизно измерване на доставената енергия (за което вече има законови регламенти в ЕС) – фиг. 1.

 

Методи за измерване и сензори

Съществуват електромери за измерване на енергия в променливотокови и постояннотокови мрежи или за локално измерване в определени приложения. Те могат да бъдат едно- или многоканални, като за променливотоковите мрежи се наричат също еднофазни и полифазни (само за активна енергия или и за трите вида – активна – Active, реактивна – Reactive и привидна – Apparent).

В зависимост от вградените функции и възможности интегралните схеми (ИС), които са свързани с измерване на енергия, могат да бъдат разделени на няколко категории – специализирани микроконтролери и ИС, специализирани аналогово-цифрови преобразуватели и блокове с тях (Analog Frontend) – AFE, сензори, ИС за локално наблюдение (Power Monitoring), както и комуникационни ИС с допълнителни функции, като например радиокомуникация и комуникация през захранващата мрежа (Powerline Communication) PLC.

При избора на ИС и сензори трябва да се обърне внимание на възможността за доставка и продуктовия статус на елементите – много от по-старите елементи са със статус NRND (Not Recommended for New Designs), a други понякога не могат да бъдат доставени навреме.

 


Измерването на електроенергия най-общо е базирано на формулата P=U x I, или мощността е пропорционална на напрежението по тока. Начините и сензорите за измерване може да разделим на контактни и безконтактни (изолирани). Напрежението обикновено се измерва директно – през резисторен делител, или изолирано – през трансформатор. Токът се измерва контактно чрез обикновени шунтови съпротивления (съществуват и интегрирани такива с вградени усилватели и аналогов или цифров изход), а безконтактно – чрез токови трансформатори, бобини и датчици на Хол. Съвременните ИС за измерване на енергия поддържат всички възможности за измерване – AC/DC, както и шунтове, трансформатори и т.н.

Шунтовете (Current Shunt, CS) най-често са изработени от сплав от манган и мед. Предлагат се в стандартни размери за SMD монтаж, с различни отвори за механичен монтаж или като вече опроводени компоненти. Те работят като обикновен резистор с минимално съпротивление. Падът на напрежение върху този резистор е правопропорционален на тока, който тече през него. Паразитните индуктивности на CS (при AC измерване) водят до честотно зависими падове на напрежение и разлики между каналите. Това може да доведе и до нежелани резонанси, които да не могат да бъдат филтрирани и потенциално да нарушат електромагнитната съвместимост на крайния продукт. Типичното съпротивление на шунтовите резистори е между 100 микроома и 500 милиома, със съответни индуктивности 1 – 5 nH.

Въпреки че CS са обикновено с ниска цена, приложението им е ограничено заради собственото загряване и обстоятелството, че не могат да бъдат използвани в продукти, където има големи работни токове (Imax >>100 A). Освен това енергоконсумацията на решения с шунтови съпротивления е много по-голяма в сравнение с тази на схеми с токови трансформатори. При CS

Tоковите трансформатори (Current Transformer, CT) осигуряват галванична изолация, като токът, който преминава през първичната намотка на CT, генерира съответно изменение на тока във вторичната му намотка. CT може да работи с големи токове и има по-ниска консумация от CS. Компромисът е по-висока цена и в някои случаи – точност. Токовият трансформатор също може да има проблем с насищането при значителна DC съставка или при много по-голям ток от максималния по спецификация. Когато сърцевината се насити, токовият трансформатор се превръща в нелинеен компонент, което води до некоректно измерване. Някои CT предлагат по-добра защита от насищане, но се получават нелинейни фазови грешки и се налага те да бъдат компенсирани софтуерно.

Бобина на Роговски (Rogowski Coil, RC). Основната разлика между токовия трансформатор и RC, е че бобината няма магнитна сърцевина и първична намотка. Първичната намотка е самият проводник, чийто ток се измерва, а вторичната намотка има въздушна сърцевина, при която проблемът с насищането отпада.

 

Статията продължава
в следващия брой на сп. Инженеринг ревю



ЕКСКЛУЗИВНО

Top