Superando Desafios de Design em Medição de Energia DC de Precisão

Graças ao desenvolvimento de tecnologia de conversão de potência eficiente baseada em semicondutores wide band gap, medição de energia DC de precisão está se tornando relevante, especialmente onde faturamento de energia está envolvido. Este artigo discute desafios de medição DC e oferece uma proposta para design de medidor de energia DC.

Desenvolvedores de grid iniciais trabalharam com corrente alternada (ac) para alimentar o mundo porque era mais fácil de usar. Em muitas áreas, no entanto, corrente contínua (dc) pode melhorar dramaticamente a eficiência, e muitas aplicações agora veem benefícios em mudar para troca de energia dc graças ao desenvolvimento de tecnologia de conversão de potência eficiente e econômica baseada em semicondutores wide band gap. Como consequência disso, medição de energia DC de precisão está se tornando relevante, especialmente onde faturamento de energia está envolvido.

No primeiro artigo desta série de duas partes, discutimos oportunidades para medição DC em estações de carregamento de veículos elétricos, geração de energia renovável, server farms, microgrids e compartilhamento de energia peer-to-peer. Este artigo discute desafios para medição DC e oferece uma proposta para design de medidor de energia DC.

No início dos anos 1900, medidores de energia ac tradicionais eram inteiramente eletromecânicos. A combinação de uma bobina de voltagem e uma bobina de corrente era usada para induzir correntes de Foucault em um disco de alumínio rotativo. O torque resultante no disco era proporcional ao produto do fluxo magnético gerado pelas bobinas de voltagem e corrente. Finalmente, a adição de um ímã de freio para o disco fez a velocidade rotacional diretamente proporcional à potência real consumida pela carga. Neste ponto, medir a energia consumida é simplesmente uma questão de contar o número de rotações ao longo de um período de tempo.

Medidores ac modernos são significativamente mais complexos, precisos e protegidos contra adulteração. Agora, um medidor inteligente state-of-the-art pode até monitorar sua precisão absoluta e detectar sinais de adulteração 24/7 enquanto instalado em campo. Este é o caso do IC de medição Analog Devices ADE9153B, habilitado com tecnologia mSure^®. Medidores de energia — seja modernos, tradicionais, ac ou dc — são todos classificados por sua constante de impulsos por kWh e precisão de classe percentual. O número de impulsos por kWh denota a taxa de atualização de energia, ou resolução. A precisão de classe certifica o erro máximo de medição da energia.

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

Arquitetura de Medidor DC

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

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Figura 1. Arquitetura de sistema de medidor de energia DC. (Fonte: Analog Devices)

Quando o lado baixo está no potencial terra, corrente fluindo através do medidor é comumente medida no lado alto para minimizar risco de vazamentos não medidos, mas corrente também pode ser medida no lado baixo, ou ambos os lados se requerido pela arquitetura de design. A técnica de medir e comparar correntes em ambos os lados da carga é frequentemente usada para habilitar o medidor com capacidade de detecção de falta e adulteração. 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 através dos condutores.

Medição de Voltagem

Voltagem é tipicamente 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 de voltagem precisa pode ser facilmente alcançada com componentes padrão. No entanto, atenção deve ser dada a coeficientes de temperatura e coeficientes de voltagem do componente escolhido, para garantir a precisão requerida across toda a faixa de temperatura.

Como discutido no artigo anterior, medidores de energia DC para aplicações como estações de carregamento EV são às vezes requeridos para faturar exclusivamente pela energia transferida ao veículo. Para cumprir o requisito de medição, medidores de energia DC para carregadores EV podem ser requeridos a ter múltiplos canais de voltagem, permitindo que o medidor sense a voltagem também no ponto de entrada do veículo (medição 4-fio). Medição de energia DC em configuração 4-fio garante que todas as perdas resistivas do carregador e do cabo sejam descontadas da conta total de energia.

Medição de Corrente para Medição de Energia DC

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

Resistor Shunt

Sensoriamento de corrente por conexão direta é um método testado e comprovado de medir corrente ac e dc. O fluxo de corrente é roteado através de um resistor shunt de valor conhecido. A queda de voltagem across o resistor shunt é diretamente proporcional à corrente fluindo como descrito pela conhecida lei de Ohm (V = R × I), e pode ser amplificada e digitalizada, fornecendo uma representação precisa da corrente fluindo no circuito.

Sensoriamento por resistor shunt é um método barato, preciso e poderoso para medir corrente de mA a kA, com largura de banda teoricamente ilimitada. No entanto, o método sofre de algumas desvantagens.

Quando corrente flui em um resistor, calor Joule é gerado proporcionalmente ao quadrado da corrente. Isso causará não apenas perdas em termos de eficiência, mas o auto-aquecimento mudará o valor resistivo do shunt com consequente degradação de precisão. Para limitar o efeito de auto-aquecimento, um valor de resistência baixo é usado. No entanto, quando uma resistência pequena é usada, a voltagem across o elemento de sensoriamento também é pequena e às vezes comparável com o offset DC do sistema. Nestes condições, alcançar a precisão requerida na extremidade baixa do range dinâmico pode não ser tarefa trivial. Front-ends analógicos state-of-the-art, com offset DC ultra-baixo e drift de temperatura ultra-baixo, podem ser usados para superar limitações de resistores shunt de valor pequeno. No entanto, como amplificadores operacionais têm produto ganho-largura de banda constante, um ganho alto limitará a largura de banda disponível.

Shunts de sensoriamento de corrente de valor baixo são geralmente feitos de ligas metálicas específicas como manganês-cobre ou níquel-cromo, que cancelam os drifts de temperatura opostos de seus constituintes para resultar em um drift overall na ordem de dezenas de ppm/°C.

Outro contribuidor de erro em medição DC por conexão direta pode ser o fenômeno de 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 ou semicondutores elétricos dissimilares formando uma junção produz uma diferença de potencial entre os dois. O efeito Seebeck é um fenômeno bem conhecido, e é amplamente usado para sensoriamento de temperatura em termopares.

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Figura 2. EMF térmico em shunts causado por gradiente de temperatura. (Fonte: Analog Devices)

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

O circuito de sensoriamento formará uma distribuição simétrica de materiais diferentes; portanto, o potencial nas junções nos fios de sensoriamento negativo e positivo aproximadamente se cancelarão. No entanto, qualquer diferença em capacidade térmica, como um fio de sensoriamento negativo conectado a uma massa de cobre maior (ground plane), pode produzir um mismatch na distribuição de temperatura, resultando em erro de medição causado por efeito EMF térmico.

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

Sensoriamento de Campo Magnético — Medição Indireta de Corrente

Efeito Hall Open-Loop

O sensor é construído com um anel de alta permeabilidade magnética através do qual o fio de corrente sensada é passado. Isso concentra as linhas de campo magnético ao redor do condutor medido onto um sensor de efeito Hall, inserido dentro da área de cross-section 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. Enquanto fornece isolamento e alta faixa de corrente por custo relativamente baixo, accurácias absolutas tipicamente não variam abaixo de 1%.

Efeito Hall Closed-Loop

Um enrolamento secundário multi-volta no núcleo permeável driven por um amplificador de corrente fornece feedback negativo para alcançar condição de fluxo total zero. Medindo a corrente compensadora, linearidade é melhorada e não há histerese de núcleo com drift de temperatura overall superior e maior precisão comparado à solução open-loop. Faixas de erro típicas chegam a 0,5%, mas a circuitaria de compensação adicional torna o sensor mais caro e às vezes limitado em largura de banda.

Fluxgate

É um sistema complexo open- ou closed-loop onde a corrente é medida monitorando variações de fluxo magnético de um núcleo intencionalmente saturado. Uma bobina é enrolada ao redor de um núcleo ferromagnético de alta permeabilidade que é intencionalmente saturado por uma bobina secundária driven por uma onda quadrada simétrica de voltagem.

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Figura 3. Transdutor de corrente open-loop baseado em concentrador de fluxo e sensor magnético. (Fonte: Analog Devices)

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Figura 4. Exemplo do princípio de funcionamento de transdutores de corrente closed-loop. (Fonte: Analog Devices)

A indutância da bobina colapsa toda vez que o núcleo se aproxima de saturação positiva ou negativa, e a taxa de mudança de sua corrente aumenta. A forma de onda da corrente 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 desta assimetria, a intensidade do campo magnético externo, e consequentemente a corrente que o gerou, pode ser estimada. Fornece boa estabilidade de temperatura e precisão até 0,1%. No entanto, a eletrônica complexa do sensor torna-o uma solução cara com preços 10 vezes maiores que outras soluções isoladas.

Medição de Energia DC: Requisitos e Padronização

Embora a padronização de medição de energia DC possa não parecer muito difícil de alcançar comparada ao ecossistema de padrões de medição ac existente, stakeholders da indústria ainda debatem requisitos para diferentes aplicações, pedindo mais tempo para definir os detalhes exatos de medição DC.

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

O padrão propõe uma gama de voltagens e correntes nominais e define limites no consumo máximo de potência dos canais de voltagem e corrente do medidor. Além disso, como o requisito de medição ac, precisão específica é definida across o range dinâmico, bem como o threshold de corrente para condição de no-load.

No rascunho, não há requisito específico para largura de banda do sistema, mas um teste de variação rápida de carga é requerido para ser realizado com sucesso, definindo requisito implícito na largura de banda mínima do sistema.

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

Tabela 1. Erro Percentual Máximo de Corrente por EN 50463-2

Faixa de Corrente 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 Percentual Máximo de Voltagem por EN 50463-2

Faixa de Voltagem 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%

Um Proof of Concept de Medidor DC Compliant com Padrão

A Analog Devices é líder da indústria em tecnologia de sensoriamento de precisão, oferecendo uma signal chain completa para medições de precisão de corrente e voltagem para atender aos requisitos restritivos de padrões. A próxima seção mostrará um proof of concept para um medidor de energia DC compliant com o padrão application-specific IEC 62053-41 vindouro.

Considerando o espaço de medição de energia DC billing-grade em microgrids e data centers, podemos hipotetizar os requisitos mostrados na Tabela 3.

Tabela 3. Especificações de Medidor de Energia DC — Proof of Concept

Rating

Nominal Dynamic
Range Measurement
(Max Range) Voltage ±400 V_DC 100:1 ±600 V Current ±80 A 100:1 ±240 A Accuracy 1% a 5% I_NOM 1% 5% a 120% I_NOM 0,5% Temperatura –25°C a +55°C –40°C a +70°C storage Meter Constant 1000 imp/ kWh Voltage and Current Bandwidth 2,5 kHz

Sensoriamento de corrente barato e preciso pode ser alcançado usando um shunt de valor pequeno e baixo EMF (<1 μV_EMF/°C). Manter a resistência do shunt pequena é fundamental para reduzir o efeito de auto-aquecimento e manter o nível de potência abaixo dos limites requeridos pelo padrão.

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

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Figura 5. Arquitetura de sistema de medidor DC. (Fonte: Analog Devices)

No entanto, 1% da corrente nominal de 80 A gerará um sinal pequeno de 60 μV em um shunt de 75 μΩ, requerendo uma signal chain na faixa de performance de drift de offset sub-microvolt.

O ADA4528, com voltagem de offset máxima de 2,5 μV e drift máximo de voltagem de offset de 0,015 μV/°C, é bem adequado para fornecer amplificação ultralow drift de 100 V/V para o pequeno sinal do shunt. Portanto, o ADC AD7779 de simultaneous sampling, 24-bit pode ser diretamente conectado ao estágio de amplificação, com contribuição de drift de offset input-referred de 5 nV/°C.

Alta voltagem DC pode ser medida com precisão com um divisor de potencial resistivo de razão 1000:1 diretamente conectado à entrada ADC AD7779.

Finalmente, um microcontrolador implementa uma funcionalidade de metrologia simples sample-by-sample, interrupt driven, onde para cada sample ADC a rotina de interrupção:

• Lê samples de voltagem e corrente
• Calcula potência instantânea (P = I × V)
• Acumula a potência instantânea em um acumulador de energia
• Verifica se o acumulador de energia excede o threshold 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 habilita interfaces de nível de sistema como RS-485, display LCD e botões.

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Figura 6. Proof of concept — protótipo. (Fonte: Analog Devices)

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Luca Martini recebeu grau de M.Eng. em engenharia eletrônica e telecomunicações para energia pela Universidade de Bologna, Itália, em 2016. Como parte de seu M.Eng., passou sete meses no Fraunhofer IIS, Nuremberg, Alemanha, desenvolvendo um sistema de controle real-time de precisão para caracterização de energy harvesters piezoelétricos. De 2006 a 2016, Luca trabalhou como desenvolvedor de sistema e hardware no setor biomédico. Em 2016, Luca juntou-se ao Energy and Industrial System Group da Analog Devices, em Edinburgh, UK. Pode ser contatado em luca.martini@analog.com.

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