Lidando com os desafios do projeto na medição de energia DC de precisão

Graças ao desenvolvimento de tecnologia de conversão de energia eficiente com base em ampla lacuna de banda semicondutores, a medição de energia cc de precisão está se tornando relevante, especialmente onde o faturamento de energia está envolvido. Este artigo discute os desafios da medição CC e oferece uma proposta para um projeto de medidor de energia CC.
Os primeiros desenvolvedores de grade trabalharam com corrente alternada (ac) para alimentar o mundo porque era mais fácil de usar. Em muitas áreas, entretanto, a corrente contínua (CC) pode melhorar drasticamente a eficiência, e muitas aplicações agora veem benefícios na mudança para a troca de energia CC, graças ao desenvolvimento de uma tecnologia de conversão de energia eficiente e econômica baseada em semicondutores de gap largo. Como consequência disso, a medição de energia CC de precisão está se tornando relevante, especialmente onde o faturamento de energia está envolvido.

No primeiro artigo desta série de duas partes, discutimos as oportunidades para medição CC em estações de carregamento de veículos elétricos, geração de energia renovável, fazendas de servidores, microrredes e compartilhamento de energia ponto a ponto. Este artigo discute os desafios da medição CC e oferece uma proposta para um projeto de medidor de energia CC.

No início dos anos 1900, os medidores de energia CA tradicionais eram inteiramente eletromecânicos. A combinação de uma bobina de tensão e corrente foi usada para induzir correntes parasitas em um disco de alumínio giratório. O torque resultante no disco foi proporcional ao produto do fluxo magnético gerado pelas bobinas de tensão e corrente. Finalmente, a adição de um ímã de quebra para o disco tornou a velocidade de rotação diretamente proporcional à potência real consumida pela carga. Neste ponto, medir a energia consumida é simplesmente uma questão de contar o número de rotações durante um período de tempo.

Os medidores de CA modernos são significativamente mais complexos, precisos e protegidos de adulteração. Agora, um medidor inteligente de última geração pode até monitorar sua precisão absoluta e detectar sinais de adulteração 24 horas por dia, 7 dias por semana, enquanto estiver instalado em campo. Este é o caso do CI de medição Analog Devices ADE9153B, habilitado com m Claro ^® tecnologia. Os medidores de energia - modernos, tradicionais, ac ou dc - são todos classificados por seus impulsos por constante de kWh e precisão de classe de porcentagem. O número de impulsos por kWh denota a taxa de atualização de energia, ou resolução. A precisão da classe certifica o erro máximo de medida da energia.

Semelhante ao antigo medidor mecânico, a energia em um determinado intervalo de tempo é calculada contando esses impulsos; quanto mais alta a frequência de pulso, maior a potência instantânea e vice-versa.

Arquitetura do Medidor DC

A arquitetura básica de um medidor CC está representada na Figura 1. Para medir a potência consumida pela carga (P =V × I), são necessários pelo menos um sensor de corrente e um sensor de tensão.

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Figura 1. Arquitetura do sistema de medição de energia DC. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Quando o lado baixo está no potencial de terra, a corrente que flui através do medidor é comumente medida no lado alto para minimizar o risco de vazamentos não medidos, mas a corrente também pode ser medida no lado baixo, ou em ambos os lados, se exigido pela arquitetura do projeto. A técnica de medição e comparação de correntes em ambos os lados da carga é freqüentemente usada para habilitar o medidor com capacidade de detecção de falha e violação. No entanto, quando a corrente é medida em ambos os lados, pelo menos um sensor de corrente precisa ser isolado para lidar com o alto potencial entre os condutores.

Medição de tensão

A tensão é normalmente medida com um divisor de potencial resistivo, onde uma escada de resistores é usada para reduzir proporcionalmente o potencial a um nível compatível com a entrada ADC do sistema.

Devido à grande amplitude do sinal de entrada, uma medição precisa de tensão pode ser facilmente obtida com componentes padrão. No entanto, deve-se prestar atenção aos coeficientes de temperatura e coeficientes de tensão do componente escolhido, a fim de garantir a precisão necessária em toda a faixa de temperatura.

Conforme discutido no artigo anterior, os medidores de energia CC para aplicações como estações de carregamento de EV às vezes são obrigados a cobrar exclusivamente pela energia transferida para o veículo. Para cumprir o requisito de medição, os medidores de energia CC para carregadores EV podem ser obrigados a ter vários canais de tensão, permitindo que o medidor detecte a tensão também no ponto de entrada do veículo (medição de 4 fios). A medição de energia DC em uma configuração de 4 fios garante que todas as perdas resistivas da pilha de carga e do cabo sejam descontadas da conta de energia total.

Medição atual para medição de energia DC

A corrente elétrica pode ser medida por conexão direta ou indireta, detectando o campo magnético gerado pelo fluxo do portador de carga. A próxima seção discute os sensores mais populares para medição de corrente CC.

Resistor Shunt

A detecção de corrente de conexão direta é um método experimentado e testado de medição de corrente CA e CC. O fluxo de corrente é direcionado através de um resistor shunt de valor conhecido. A queda de tensão através do resistor de shunt é diretamente proporcional à corrente fluindo, conforme descrito pela conhecida lei de Ohm (V =R × I), e pode ser amplificada e digitalizada, fornecendo uma representação precisa da corrente fluindo no circuito .

A detecção do resistor de derivação é um método barato, preciso e poderoso para medir a corrente de mA a kA, com largura de banda teoricamente ilimitada. No entanto, o método apresenta algumas desvantagens.

Quando a corrente flui em um resistor, o calor Joule é gerado proporcionalmente ao quadrado da corrente. Isso causará não apenas perdas em termos de eficiência, mas o autoaquecimento irá alterar o próprio valor resistivo do shunt com uma conseqüente degradação da precisão. Para limitar o efeito de autoaquecimento, uma resistência de valor baixo é usada. No entanto, quando uma pequena resistência é usada, a tensão no elemento de detecção também é pequena e, às vezes, comparável ao desvio CC do sistema. Nessas condições, atingir a precisão necessária na extremidade inferior da faixa dinâmica pode não ser uma tarefa trivial. Front-ends analógicos de última geração, com desvio CC ultralow e variação de temperatura ultrabaixa, podem ser usados ​​para superar as limitações dos resistores shunt de valor pequeno. No entanto, como os amplificadores operacionais têm um produto de largura de banda de ganho constante, um ganho alto limitará a largura de banda disponível.

Os shunts de detecção de corrente de baixo valor são geralmente feitos de ligas metálicas específicas, como manganês-cobre ou níquel-cromo, que cancelam os desvios de temperatura opostos de seus constituintes para resultar em um desvio geral da ordem de dezenas de ppm / ° C.

Outro fator que contribui para o erro na medição CC de conexão direta pode ser o fenômeno da força eletromotriz térmica (EMF), também conhecido como efeito Seebeck. O efeito Seebeck é um fenômeno no qual uma diferença de temperatura entre pelo menos dois condutores elétricos diferentes ou semicondutores formando uma junção produz uma diferença de potencial entre os dois. O efeito Seebeck é um fenômeno bem conhecido e amplamente utilizado para detecção de temperatura em termopares.

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Figura 2. EMF térmico em shunts causados ​​por gradiente de temperatura. (Fonte:Dispositivos analógicos)

No caso de shunts de corrente conectados a 4 fios, o calor Joule se formará no centro do elemento de liga resistivo, propagando-se enquanto os fios de detecção de cobre, que podem ser conectados a um PCB (ou um meio diferente), e que podem ter uma temperatura diferente.

O circuito de detecção formará uma distribuição simétrica de diferentes materiais; portanto, o potencial nas junções dos fios de detecção negativo e positivo será aproximadamente cancelado. No entanto, qualquer diferença na capacidade térmica, como um fio de detecção negativo sendo conectado a uma massa de cobre maior (plano de aterramento), pode produzir uma incompatibilidade na distribuição de temperatura, resultando em um erro de medida causado pelo efeito EMF térmico.

Por isso, atenção deve ser reservada à conexão do shunt e à distribuição do calor gerado.

Sensor de campo magnético - medição de corrente indireta

Efeito Hall de malha aberta

O sensor é construído com um anel de alta permeabilidade magnética, através do qual o fio de corrente detectada é passado. Isso concentra as linhas do campo magnético ao redor do condutor medido em um sensor de efeito Hall, que é inserido na área da seção transversal do núcleo magnético. A saída deste sensor é pré-condicionada e geralmente disponível em diferentes sabores. Os mais comuns são:0 V a 5 V, 4 mA a 20 mA ou interface digital. Embora forneça isolamento e faixa de alta corrente com custo relativamente baixo, as precisões absolutas normalmente não variam abaixo de 1%.

Efeito Hall de malha fechada

Um enrolamento secundário multivoltas no núcleo permeável conduzido por um amplificador de corrente fornece feedback negativo para atingir a condição de fluxo total zero. Ao medir a corrente de compensação, a linearidade é aprimorada e não há histerese de núcleo com variação de temperatura geral superior e maior precisão em comparação com a solução de malha aberta. As faixas de erro típicas são de até 0,5%, mas o circuito de compensação adicional torna o sensor mais caro e às vezes limitado em largura de banda.

Fluxgate

É um sistema complexo de malha aberta ou fechada onde a corrente é medida monitorando as variações do fluxo magnético de um núcleo intencionalmente saturado. Uma bobina é enrolada em torno de um núcleo ferromagnético de alta permeabilidade que é intencionalmente saturado por uma bobina secundária acionada por uma voltagem de onda quadrada simétrica.

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Figura 3. Um transdutor de corrente em malha aberta baseado em um concentrador de fluxo e sensor magnético. (Fonte:Dispositivos analógicos)

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Figura 4. Um exemplo do princípio de funcionamento de transdutores de corrente em malha fechada. (Fonte:Dispositivos analógicos)

A indutância da bobina entra em colapso toda vez que o núcleo se aproxima da saturação positiva ou negativa, e a taxa de variação de sua corrente aumenta. A forma de onda atual da bobina permanece simétrica, a menos que um campo magnético externo seja adicionalmente aplicado, caso em que a forma de onda se torna assimétrica. Medindo o tamanho dessa assimetria, pode-se estimar a intensidade do campo magnético externo e, conseqüentemente, a corrente que o gerou. Fornece boa estabilidade de temperatura e precisão de até 0,1%. Porém, a complexa eletrônica do sensor torna-o uma solução cara com preços 10 vezes mais altos do que as outras soluções isoladas.

Medição de energia DC:requisitos e padronização

Embora a padronização da medição de energia CC possa não parecer muito difícil de alcançar em comparação com o ecossistema de padrões de medição CA existente, as partes interessadas da indústria ainda estão debatendo os requisitos para diferentes aplicações, pedindo mais tempo para definir os detalhes exatos da medição CC.

A IEC está trabalhando na IEC 62053-41 a fim de definir requisitos específicos para medidores estáticos CC para energia ativa com classes de precisão de 0,5% e 1%.

A norma propõe uma gama de tensões e correntes nominais e estabelece limites para o consumo máximo de energia dos canais de tensão e corrente do medidor. Além disso, como o requisito de medição CA, a precisão específica é definida em toda a faixa dinâmica, bem como o limite de corrente para a condição sem carga.

No draft, não existe um requisito específico para a largura de banda do sistema, mas um teste de variação rápida de carga é necessário para ser realizado com sucesso, definindo o requisito implícito sobre a largura de banda mínima do sistema.

A medição DC em aplicações de carregamento de EV às vezes é compatível com o padrão alemão VDE-AR-E 2418 ou o antigo padrão ferroviário EN 50463-2. De acordo com EN 50463-2, as precisões são especificadas por transdutor, e o erro de energia combinado é, então, uma soma de quadratura de tensão, corrente e erro de cálculo:

Tabela 1. Erro atual percentual máximo de acordo com EN 50463-2
Faixa Atual Classe 0.2R Classe 0.5R Classe 1R 1% a 5% I _N 1% 2,5% 5% 5% a 10% I _N 0,4% 1% 1,5% 10% a 120% I _N 0,2% 0,5% 1%
Tabela 2. Erro de Tensão de Porcentagem Máxima de acordo com EN 50463-2
Faixa de tensão Classe 0.2R Classe 0.5R Classe 1R <66% V _N 0,4% 1% 2% 66% a 130% V _N 0,2% 0,5% 1%

Uma prova de conceito DC compatível com o padrão Metro

A Analog Devices é líder do setor em tecnologia de detecção de precisão, oferecendo uma cadeia de sinal completa para medições precisas de corrente e tensão para atender aos requisitos de padrões restritivos. A próxima seção mostrará uma prova de conceito para um medidor de energia CC compatível com o próximo padrão específico de aplicação IEC 62053-41.

Considerando o espaço de medição de energia dc de nível de faturamento em microrredes e data centers, podemos hipotetizar os requisitos mostrados na Tabela 3.

Tabela 3. Especificações do medidor de energia CC - Prova de conceito

Avaliação
Nominal Faixa
Dinâmica Medição
(intervalo máximo) Tensão ± 400 V _DC 100:1 ± 600 VCurrent ± 80 A100:1 ± 240 AA precisão 1% a 5% I _NOM 1% 5% a 120% I _NOM 0,5% Temperatura –25 ° C a + 55 ° C – 40 ° C a
+ 70 ° C de armazenamento Medidor Constante1000 imp / kWh Tensão e
Largura de banda atual 2,5 kHz
A detecção de corrente barata e precisa pode ser alcançada usando um valor pequeno e um shunt de EMF baixo (<1 μV _EMF / ° C). Manter a resistência do shunt pequena é fundamental para reduzir o efeito de autoaquecimento e manter o nível de potência abaixo dos limites exigidos pela norma.

Um shunt comercial de 75 μΩ manterá a potência dissipada abaixo de 0,5 W.

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Figura 5. Arquitetura do sistema do medidor DC. (Fonte:Dispositivos analógicos)

No entanto, 1% da corrente nominal de 80 A gerará um pequeno sinal de 60 μV em um shunt de 75 μΩ, exigindo uma cadeia de sinal na faixa de desempenho de desvio de deslocamento de sub-microvolt.

O ADA4528, com uma tensão de deslocamento máxima de 2,5 μV e um desvio de tensão de deslocamento máximo de 0,015 μV / ° C, é adequado para fornecer desvio ultrabaixo, amplificação de 100 V / V para o pequeno sinal de shunt. Portanto, a amostragem simultânea, ADC AD7779 de 24 bits pode ser conectada diretamente ao estágio de amplificação, com uma entrada de 5 nV / ° C referida como contribuição de desvio de deslocamento.

A alta tensão DC pode ser medida com precisão com um divisor de potencial resistivo de relação 1000:1 diretamente conectado à entrada AD7779 do ADC.

Finalmente, um microcontrolador implementa uma funcionalidade de metrologia orientada por interrupção simples amostra por amostra, onde para cada amostra ADC a rotina de interrupção:

• Lê amostras de tensão e corrente
• Calcula a potência instantânea (P =I × V)
• Acumula a potência instantânea em um acumulador de energia
• Verifica se o acumulador de energia excede o limite de energia para gerar um pulso de energia e limpa o registro de acumulação de energia

Além disso, além da funcionalidade de metrologia, o microcontrolador permite interfaces de nível de sistema, como RS-485, display LCD e botões.

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Figura 6. Prova de conceito - protótipo. (Fonte:Dispositivos analógicos)

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Luca Martini recebeu um M.Eng. Licenciado em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações para Energia pela Universidade de Bolonha, Itália, em 2016. Como parte de seu M.Eng. Ele passou sete meses na Fraunhofer IIS, Nuremberg, Alemanha, desenvolvendo um sistema de controle de precisão em tempo real para a caracterização de coletores de energia piezoelétricos. De 2006 a 2016, Luca trabalhou como desenvolvedor de sistemas e hardware no setor biomédico. Em 2016, Luca se juntou ao Grupo de Sistema Industrial e Energia da Analog Devices, em Edimburgo, Reino Unido. Ele pode ser contatado em [email protected].

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