Bewältigen von Designherausforderungen bei der Präzisions-DC-Energiemessung

Dank der Entwicklung einer effizienten Leistungsumwandlungstechnologie basierend auf einer breiten Bandlücke Halbleiter, wird die Präzisionsmessung von Gleichstrom immer relevanter, insbesondere wenn es um die Energieabrechnung geht. In diesem Artikel werden die Herausforderungen der Gleichstrommessung erörtert und ein Vorschlag für das Design eines Gleichstromzählers vorgestellt.

Frühe Netzentwickler arbeiteten mit Wechselstrom (AC), um die Welt mit Strom zu versorgen, weil es einfacher zu handhaben war. In vielen Bereichen kann Gleichstrom (Gleichstrom) jedoch die Effizienz dramatisch verbessern, und viele Anwendungen sehen jetzt dank der Entwicklung einer effizienten und wirtschaftlichen Leistungsumwandlungstechnologie auf der Grundlage von Halbleitern mit großer Bandlücke Vorteile im Wechsel zum Gleichstrom-Energieaustausch. Infolgedessen wird die präzise Gleichstrommessung relevant, insbesondere wenn es um die Energieabrechnung geht.

Im ersten Artikel dieser zweiteiligen Serie haben wir Möglichkeiten für die Gleichstrommessung in Ladestationen für Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energieerzeugung, Serverfarmen, Microgrids und Peer-to-Peer-Energieaustausch diskutiert. In diesem Artikel werden Herausforderungen bei der Gleichstrommessung erörtert und ein Vorschlag für ein Design von Gleichstromzählern vorgestellt.

In den frühen 1900er Jahren waren traditionelle Wechselstromzähler vollständig elektromechanisch. Die Kombination einer Spannungs- und einer Stromspule wurde verwendet, um Wirbelströme in einer rotierenden Aluminiumscheibe zu induzieren. Das resultierende Drehmoment auf der Scheibe war proportional zum Produkt des von den Spannungs- und Stromspulen erzeugten magnetischen Flusses. Schließlich wurde durch das Hinzufügen eines Brechmagneten für die Scheibe die Drehzahl direkt proportional zur von der Last aufgenommenen Wirkleistung. An diesem Punkt ist die Messung der verbrauchten Energie einfach eine Frage der Anzahl der Umdrehungen über einen bestimmten Zeitraum.

Moderne Wechselstrommesser sind deutlich komplexer, genauer und vor Manipulation geschützt. Jetzt kann ein hochmoderner Smart Meter sogar seine absolute Genauigkeit überwachen und Anzeichen von Manipulationen rund um die Uhr erkennen, während er im Feld installiert ist. Dies ist beim Mess-IC ADE9153B von Analog Devices der Fall, aktiviert mit m Sicher ^® Technologie. Energiezähler – entweder modern, traditionell, Wechselstrom oder Gleichstrom – werden alle nach ihren Impulsen pro kWh-Konstante und der prozentualen Klassengenauigkeit klassifiziert. Die Anzahl der Impulse pro kWh bezeichnet die Energieaktualisierungsrate oder Auflösung. Die Klassengenauigkeit bescheinigt den maximalen Messfehler der Energie.

Ähnlich wie beim alten mechanischen Zähler wird die Energie in einem bestimmten Zeitintervall durch Zählen dieser Impulse berechnet; je höher die Pulsfrequenz, desto höher die Momentanleistung und umgekehrt.

DC-Messgerätarchitektur

Die grundlegende Architektur eines Gleichstromzählers ist in Abbildung 1 dargestellt. Um die von der Last aufgenommene Leistung (P =V × I) zu messen, sind mindestens ein Stromsensor und ein Spannungssensor erforderlich.

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Abbildung 1. DC-Energiezählersystemarchitektur. (Quelle:Analog Devices)

Wenn die untere Seite auf Erdpotential liegt, wird der durch das Messgerät fließende Strom normalerweise auf der oberen Seite gemessen, um das Risiko von nicht gemessenen Leckagen zu minimieren, aber der Strom kann auch auf der unteren Seite oder auf beiden Seiten gemessen werden, wenn dies die Konstruktionsarchitektur erfordert. Die Technik des Messens und Vergleichens von Strömen auf beiden Seiten der Last wird häufig verwendet, um dem Messgerät die Fähigkeit zur Fehler- und Manipulationserkennung zu verleihen. Wenn der Strom jedoch auf beiden Seiten gemessen wird, muss mindestens ein Stromsensor isoliert werden, um das hohe Potenzial an den Leitern zu bewältigen.

Spannungsmessung

Die Spannung wird normalerweise mit einem Widerstands-Potentialteiler gemessen, bei dem eine Leiter von Widerständen verwendet wird, um das Potenzial proportional auf ein Niveau zu reduzieren, das mit dem ADC-Eingang des Systems kompatibel ist.

Aufgrund der großen Amplitude des Eingangssignals ist eine genaue Spannungsmessung mit Standardkomponenten problemlos möglich. Allerdings müssen Temperaturkoeffizienten und Spannungskoeffizienten des gewählten Bauteils beachtet werden, um die geforderte Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich zu gewährleisten.

Wie im vorherigen Artikel besprochen, müssen Gleichstromzähler für Anwendungen wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge manchmal ausschließlich die an das Fahrzeug übertragene Energie abrechnen. Um die Messanforderung zu erfüllen, müssen Gleichstromzähler für EV-Ladegeräte möglicherweise über mehrere Spannungskanäle verfügen, sodass der Zähler die Spannung auch am Eingangspunkt des Fahrzeugs messen kann (4-Leiter-Messung). Die DC-Energiemessung in einer 4-Leiter-Konfiguration stellt sicher, dass alle ohmschen Verluste der Ladesäule und des Kabels von der Gesamtenergierechnung abgezogen werden.

Strommessung für die DC-Energiemessung

Elektrischer Strom kann entweder durch direkte Verbindung oder indirekt durch Erfassen des durch den Ladungsträgerfluss erzeugten Magnetfelds gemessen werden. Im nächsten Abschnitt werden die gängigsten Sensoren für die Gleichstrommessung diskutiert.

Shunt-Widerstand

Die Strommessung mit direktem Anschluss ist eine bewährte Methode zur Messung von Wechsel- und Gleichstrom. Der Stromfluss wird durch einen Shunt-Widerstand mit bekanntem Wert geleitet. Der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand ist direkt proportional zum fließenden Strom, wie durch das bekannte Ohmsche Gesetz (V =R × I) beschrieben, und kann verstärkt und digitalisiert werden, um eine genaue Darstellung des im Stromkreis fließenden Stroms zu erhalten .

Die Shunt-Widerstandsmessung ist eine kostengünstige, genaue und leistungsstarke Methode zur Strommessung von mA bis kA mit theoretisch unbegrenzter Bandbreite. Das Verfahren weist jedoch einige Nachteile auf.

Wenn Strom durch einen Widerstand fließt, wird Joulesche Wärme proportional zum Quadrat des Stroms erzeugt. Dies führt nicht nur zu Effizienzverlusten, sondern die Selbsterhitzung ändert auch den Shunt-Widerstandswert selbst mit einer daraus folgenden Genauigkeitsverschlechterung. Um den Eigenerwärmungseffekt zu begrenzen, wird ein niederohmiger Widerstand verwendet. Wenn jedoch ein kleiner Widerstand verwendet wird, ist die Spannung am Sensorelement ebenfalls klein und manchmal mit dem DC-Offset des Systems vergleichbar. Unter diesen Bedingungen ist das Erreichen der erforderlichen Genauigkeit am unteren Ende des Dynamikbereichs möglicherweise keine triviale Aufgabe. Hochmoderne analoge Frontends mit extrem niedrigem DC-Offset und extrem niedriger Temperaturdrift können verwendet werden, um die Einschränkungen von Shunt-Widerständen mit kleinem Wert zu überwinden. Da Operationsverstärker jedoch ein konstantes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt haben, begrenzt eine hohe Verstärkung die verfügbare Bandbreite.

Strommess-Shunts mit niedrigem Wert werden normalerweise aus bestimmten Metalllegierungen wie Mangan-Kupfer oder Nickel-Chrom hergestellt, die die gegensätzlichen Temperaturdriften ihrer Bestandteile aufheben, was zu einer Gesamtdrift in der Größenordnung von mehreren zehn ppm/°C führt.

Ein weiterer Fehlerfaktor bei der Gleichstrommessung mit direkter Verbindung kann das Phänomen der thermischen elektromotorischen Kraft (EMF), auch bekannt als Seebeck-Effekt, sein. Der Seebeck-Effekt ist ein Phänomen, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern, die einen Übergang bilden, eine Potentialdifferenz zwischen den beiden erzeugt. Der Seebeck-Effekt ist ein bekanntes Phänomen und wird häufig zur Temperaturmessung in Thermoelementen verwendet.

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Abbildung 2. Thermische EMF in Shunts, verursacht durch Temperaturgradienten. (Quelle:Analog Devices)

Im Fall von 4-adrig angeschlossenen Strom-Shunts bildet sich die Joulesche Wärme in der Mitte des Widerstandslegierungselements und breitet sich aus, während die Kupfermessdrähte, die an eine PCB (oder ein anderes Medium) angeschlossen sein können und haben können eine andere Temperatur.

Die Sensorschaltung bildet eine symmetrische Verteilung verschiedener Materialien; daher wird sich das Potential an den Verbindungsstellen an den negativen und positiven Abtastdrähten ungefähr aufheben. Jedoch kann jeder Unterschied in der Wärmekapazität, wie z. B. ein negativer Sensordraht, der mit einer größeren Kupfermasse (Masseplatte) verbunden ist, zu einer Fehlanpassung in der Temperaturverteilung führen, was zu einem Messfehler durch den thermischen EMF-Effekt führt.

Aus diesem Grund muss auf den Anschluss des Shunts und auf die Verteilung der erzeugten Wärme geachtet werden.

Magnetfeldmessung – Indirekte Strommessung

Open-Loop-Hall-Effekt

Der Sensor ist mit einem Ring mit hoher magnetischer Permeabilität konstruiert, durch den der erfasste Stromdraht geführt wird. Dieser bündelt die den gemessenen Leiter umgebenden magnetischen Feldlinien auf einen Hall-Effekt-Sensor, der im Querschnittsbereich des Magnetkerns eingefügt ist. Die Ausgabe dieses Sensors ist vorkonditioniert und normalerweise in verschiedenen Geschmacksrichtungen erhältlich. Die gängigsten sind:0 V bis 5 V, 4 mA bis 20 mA oder digitale Schnittstelle. Obwohl die Isolierung und der hohe Strombereich relativ kostengünstig bereitgestellt werden, liegen die absoluten Genauigkeiten in der Regel nicht unter 1 %.

Closed-Loop-Hall-Effekt

Eine Sekundärwicklung mit mehreren Windungen auf dem durchlässigen Kern, die von einem Stromverstärker angesteuert wird, liefert eine negative Rückkopplung, um einen Null-Gesamtflusszustand zu erreichen. Durch die Messung des Kompensationsstroms wird die Linearität verbessert und es gibt keine Kernhysterese mit insgesamt überlegener Temperaturdrift und höherer Genauigkeit im Vergleich zur Open-Loop-Lösung. Typische Fehlerbereiche liegen bei bis zu 0,5 %, aber die zusätzliche Kompensationsschaltung macht den Sensor teurer und manchmal in seiner Bandbreite eingeschränkt.

Fluxgate

Ist ein komplexes System mit offenem oder geschlossenem Regelkreis, bei dem der Strom durch Überwachung der magnetischen Flussschwankungen eines absichtlich gesättigten Kerns gemessen wird. Eine Spule ist um einen ferromagnetischen Kern mit hoher Permeabilität gewickelt, der absichtlich von einer Sekundärspule gesättigt wird, die von einer symmetrischen Rechteckspannung angetrieben wird.

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Abbildung 3. Ein Stromwandler mit offener Schleife basierend auf einem Flusskonzentrator und einem magnetischen Sensor. (Quelle:Analog Devices)

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Abbildung 4. Ein Beispiel für das Funktionsprinzip von Stromwandlern mit geschlossenem Regelkreis. (Quelle:Analog Devices)

Die Induktivität der Spule kollabiert jedes Mal, wenn sich der Kern einer positiven oder negativen Sättigung nähert, und die Änderungsgeschwindigkeit seines Stroms nimmt zu. Der Stromverlauf der Spule bleibt symmetrisch, wenn nicht zusätzlich ein externes Magnetfeld angelegt wird, in diesem Fall wird der Verlauf asymmetrisch. Durch Messen der Größe dieser Asymmetrie kann die Intensität des externen Magnetfelds und folglich der Strom, der es erzeugt hat, geschätzt werden. Es bietet eine gute Temperaturstabilität und Genauigkeit von bis zu 0,1%. Die komplexe Elektronik des Sensors macht ihn jedoch zu einer teuren Lösung mit 10x höheren Preisen als die anderen Insellösungen.

DC-Energiemessung:Anforderungen und Standardisierung

Während die Standardisierung der Gleichstrommessung im Vergleich zum bestehenden Ökosystem für Wechselstrommessnormen nicht allzu schwer zu erreichen scheint, diskutieren die Interessenvertreter der Branche immer noch über die Anforderungen für verschiedene Anwendungen und fordern mehr Zeit, um die genauen Details der Gleichstrommessung zu klären.

IEC arbeitet an IEC 62053-41, um spezifische Anforderungen für statische Gleichstromzähler für Wirkenergie mit Genauigkeitsklassen von 0,5 % und 1 % zu definieren.

Die Norm schlägt eine Reihe von Nennspannungen und -strömen vor und legt Grenzen für die maximale Leistungsaufnahme der Spannungs- und Stromkanäle des Zählers fest. Darüber hinaus wird wie bei der Wechselstrommessung die spezifische Genauigkeit über den gesamten Dynamikbereich sowie der Stromschwellenwert für den Leerlaufzustand definiert.

Im Entwurf gibt es keine spezifischen Anforderungen an die Bandbreite des Systems, aber für eine erfolgreiche Durchführung ist ein schneller Laständerungstest erforderlich, der eine implizite Anforderung an die minimale Bandbreite des Systems definiert.

Die Gleichstrommessung in Ladeanwendungen von Elektrofahrzeugen entspricht teilweise der deutschen Norm VDE-AR-E 2418 oder der alten Bahnnorm EN 50463-2. Nach EN 50463-2 werden Genauigkeiten pro Aufnehmer angegeben und der kombinierte Energiefehler ist dann eine Quadratursumme aus Spannung, Strom und Rechenfehler:

Tabelle 1. Maximaler prozentualer Stromfehler gemäß EN 50463-2

Aktueller Bereich Klasse 0.2R Klasse 0,5R Klasse 1R 1 % bis 5 % I_N 1%2,5%5%5% bis 10% I_N 0,4%1%1,5%10% bis 120% I_N 0,2%0,5%1%

Tabelle 2. Maximaler prozentualer Spannungsfehler gemäß EN 50463-2

Spannungsbereich Klasse 0.2R Klasse 0,5R Klasse 1R <66 % V_N 0,4%1%2%66% bis 130% V_N 0.2%0.5%1%

A Proof of Concept Standardkonformer DC Messgerät

Analog Devices ist ein Branchenführer in der Präzisionssensortechnologie und bietet eine vollständige Signalkette für präzise Strom- und Spannungsmessungen, um die restriktiven Normenanforderungen zu erfüllen. Der nächste Abschnitt zeigt einen Machbarkeitsnachweis für einen Gleichstromzähler, der der kommenden anwendungsspezifischen Norm IEC 62053-41 entspricht.

In Anbetracht des Platzes von abrechnungsgerechter Gleichstrommessung in Mikronetzen und Rechenzentren können wir die in Tabelle 3 gezeigten Anforderungen annehmen.

Tabelle 3. Spezifikationen des DC-Energiezählers – Machbarkeitsnachweis

Bewertung

Nominal Dynamischer
Bereich Messung
(Max. Bereich) Spannung ±400 V_DC 100:1±600 VStrom±80 A100:1±240 AGenauigkeit1 % bis 5 % I_NOM 1 % 5 % bis 120 % I_NOM 0.5% Temperatur–25 °C bis +55 °C–40 °C bis
+70 °C Lagerung Meterkonstante1000 imp/ kWh Spannung und
Strombandbreite2.5 kHz

Durch die Verwendung eines kleinen Wertes und eines niedrigen EMF-Shunts (<1 μV_EMF .) kann eine kostengünstige und genaue Strommessung erreicht werden /°C). Den Shunt-Widerstand klein zu halten ist von grundlegender Bedeutung, um den Eigenerwärmungseffekt zu reduzieren und den Leistungspegel unter den von der Norm geforderten Grenzwerten zu halten.

Ein handelsüblicher 75-μΩ-Shunt hält die Verlustleistung unter 0,5 W.

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Abbildung 5. DC-Meter-Systemarchitektur. (Quelle:Analog Devices)

1% des Nennstroms von 80 A erzeugt jedoch ein kleines Signal von 60 μV auf einem 75 μΩ-Shunt, was eine Signalkette im Bereich der Offset-Driftleistung im Submikrovoltbereich erfordert.

Der ADA4528 mit einer maximalen Offsetspannung von 2,5 µV und einer maximalen Offsetspannungsdrift von 0,015 µV/°C ist gut geeignet, um eine extrem geringe Drift und eine Verstärkung von 100 V/V für das kleine Shunt-Signal bereitzustellen. Daher kann der 24-bit ADC AD7779 mit simultaner Abtastung direkt an die Verstärkerstufe angeschlossen werden, mit einem 5 nV/°C eingangsbezogenen Offset-Drift-Beitrag.

Hohe Gleichspannungen können mit einem direkt an den AD7779-ADC-Eingang angeschlossenen Widerstands-Potentialteiler mit einem Verhältnis von 1000:1 genau gemessen werden.

Schließlich implementiert ein Mikrocontroller eine einfache Interrupt-gesteuerte Metrologiefunktionalität, bei der die Interrupt-Routine für jede ADC-Probe die Interrupt-Routine:

• liest Spannungs- und Stromproben
• Berechnet die Momentanleistung (P =I × V)
• Akkumuliert die momentane Leistung in einem Energiespeicher
• Überprüft, ob der Energiespeicher die Energieschwelle überschreitet, um einen Energieimpuls zu erzeugen und löscht das Energiespeicherregister

Darüber hinaus ermöglicht der Mikrocontroller neben der Metrologie-Funktionalität Schnittstellen auf Systemebene wie RS-485, LCD-Display und Drucktasten.

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Abbildung 6. Proof of Concept – Prototyp. (Quelle:Analog Devices)

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Luca Martini erhielt einen M.Eng. Abschluss in Elektronik und Nachrichtentechnik für Energie an der Universität Bologna, Italien, im Jahr 2016. Im Rahmen seines M.Eng. Während seines Studiums verbrachte er sieben Monate am Fraunhofer IIS in Nürnberg mit der Entwicklung eines Präzisions-Echtzeit-Steuerungssystems zur Charakterisierung von piezoelektrischen Energy Harvester. Von 2006 bis 2016 war Luca als System- und Hardwareentwickler im biomedizinischen Bereich tätig. Im Jahr 2016 trat Luca der Energy and Industrial System Group bei Analog Devices in Edinburgh, Großbritannien, bei. Er ist erreichbar unter [email protected].

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