magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

arrow lidA 21. században a világ kormányai cselekvési terveken dolgoznak a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére irányuló összetett és hosszú távú kihívások kezelése érdekében. A CO2-kibocsátás bizonyítottan felelős az éghajlatváltozás pusztító hatásaiért, ezért az új hatékony energiaátalakítási technológia és az akkumulátor-kémia javításával kapcsolatos igények gyors ütemben növekszenek.

 

 

Miért fontos az egyenáramú energia mérése?

A megújuló és nem megújuló energiaforrásokat is beleértve, a világ népessége csak az elmúlt évben mintegy 18 billió kWh-t fogyasztott, és a kereslet folyamatosan növekszik; valójában a valaha előállított energia több mint felét az elmúlt 15 évben fogyasztottuk el.
Elektromos hálózataink és áramfejlesztőink folyamatosan bővülnek, ezért a hatékonyabb és környezetbarát áramellátás iránti igény soha nem volt nagyobb. A könnyebb alkalmazhatóság miatt a korai hálózatfejlesztők a váltakozó áramú (AC) ellátást részesítették előnyben, hogy energiát juttassanak a világba, azonban sok területen az egyenáram (DC) alkalmazása jelentős mértékben javíthatja a hatékonyságot.
A Wide-Bandgap (WBG) – széles tiltott sávú technológiával készült – félvezetőkön, például GaN és SiC eszközökön alapuló hatékony és gazdaságos energiaátalakítási technológia fejlesztésének köszönhetően számos alkalmazás ma előnyöket lát az egyenáramú energiacserére való átállásban. (A korszerű SiC konverterek elérhetik a 97% feletti hatékonyságot.) Ennek következtében a precíziós egyenáramú energiamérés aktuálissá válik, különösen ott, ahol energiaszámlázásról is szó van.
Ebben a cikkben megvitatjuk az egyenáramú mérés lehetőségeit az elektromos járművek töltőállomásainál, a megújuló-energia-termelésben, a szerverfarmoknál, a mikrohálózatoknál és a felek közötti (peer-to-peer) energiamegosztásban, emellett javaslatot teszünk egy egyenáramú energiamérő kialakítására.

 

arrow 1 jav

1. ábra DC energia mérése a jövő EV üzemanyagtöltő állomásán

 

DC energiamérési alkalmazások

 

DC elektromos járművek töltőállomásai

Az elektromos hálózatra csatlakoztatható járművek (EV) éves növekedési üteme a 2017-től 2024-ig terjedő időszakra vetítve az előrejelzések szerint +25%-os. Ezt a töltőállomások piaca 2018-tól +41,8%-os éves növekedési ütemmel követi. A magánközlekedés által okozott CO2-hatás csökkenésének felgyorsítása érdekében az elektromos járműveknek az autóipari piac első választásává kell válniuk.
Az elmúlt években nagy erőfeszítések történnek az akkumulátorok kapacitásának és élettartamának javítására, de a széles körű EV töltési hálózat szintén alapvető feltétele a hatótávolságnak és a töltési időnek. Sok energiaszolgáltató és magánvállalkozás 150 kW-ig terjedő gyorstöltőket telepít, de nagy az érdeklődés a legfeljebb 500 kW teljesítményű ultragyors töltők iránt is. Figyelembe véve az ultragyors töltőállomásokat, ahol a megawattig terjedő lokális töltési csúcsteljesítmény és a kapcsolódó gyors feltöltési energiadíjak jelennek meg, az EV töltés hatalmas piaccá válik, aminek következtében pontos energiaszámlázásra van szükség.
Jelenleg a szabványos EV töltőket az AC oldalon mérik, aminek a hátránya, hogy nem mérhető az AC-DC átalakítás során elveszett energia, következésképpen a végfelhasználó számára pontatlan lesz a számlázás. 2019 óta az új uniós előírások arra kényszerítik az energiaszolgáltatókat, hogy az ügyfélnek csak az elektromos járműhöz továbbított energiáért számlázzanak, eszerint az energiaátalakítási és elosztási veszteségeket az energiaszolgáltató viseli.
A jármű akkumulátorához közvetlenül csatlakozó – DC energiát továbbító – gyors és ultragyors töltők esetében egyértelmű szükség van a pontos számlázásra. A nyilvános EV töltésmérési érdekek mellett a magán- és a lakossági felek közötti EV töltési rendszerek még inkább ösztönözhetik a pontos energiaszámlázást a DC oldalon.

 

arrow 2

2. ábra Egyenáramú energia mérése fenntartható mikrohálózati infrastruktúrában

 

DC elosztás – mikrohálózatok

Lényegében a mikrohálózat a közüzemi rendszer kisebb verziója, ahol biztonságos, megbízható és hatékony áramellátásra van szükség. Mikrohálózatok találhatók a kórházakban, katonai támaszpontokon, sőt a közüzemi rendszerek részeként is, ahol a megújulóenergia-termelés, az üzemanyag-generátorok és az energiatárolás együtt dolgoznak egy megbízható energiaelosztó rendszer létrehozásáért. A mikrohálózatok további példái az épületek. A megújuló-energia-termelők széles körű telepítésével az épületek akár önellátóvá is válhatnak, a tetőn lévő napelemek és a kis méretű szélturbinák annyi energiát termelnek, amennyit felhasználnak, függetlenek, de a hálózat támogatja azokat.
Az épületek elektromos terhelésének akár 50%-a egyenfeszültségen működhet. Jelenleg minden elektronikus eszköznek át kell alakítania a váltakozó áramot egyenárammá, és a folyamat során az energia 20%-a is elveszhet, ezért a megtakarítások becsült összege akár 28% is lehet a hagyományos váltakozó áramú elosztással szemben. Egy egyenáramú épületben az energiafogyasztás csökkenthető a váltakozó áram egyenárammá alakításával, és az egyenáram közvetlen – a szükséges eszközökhöz, például LED-es lámpákhoz és számítógépekhez való – táplálásával. Az egyenáramú mikrohálózatok iránti érdeklődés, valamint a szabványosítás iránti igény gyorsan növekszik.
Az IEC 62053-41 egy függőben lévő szabvány, amely javaslatot tesz a lakossági egyenáramú rendszerek követelményeire és névleges szintjeire, valamint a zárt típusú mérőkhöz hasonló értékeket határoz meg az egyenáramú energia mérésére szolgáló váltakozó áram egyenértékéhez. Az egyenáramú mikrohálózat-szegmens értéke 2017-től körülbelül 7 milliárd dollárral emelkedett, és a trend további növekedést mutat.

 

arrow 3

3. ábra Az adatközpontok egyenáramú ellátásában kevesebb alkatrészre van szükség, és kisebbek a veszteségek, mint a hagyományos váltakozó áramú elosztásnál

 

DC adatközpont

Az adatközpont-üzemeltetők aktívan fontolgatják a különböző technológiák és megoldások által működtetett létesítmények energiahatékonyságának javítását, mivel az áramfogyasztás az egyik legnagyobb költségük.Lényeges előnyöket látnak az egyenáramú elosztásban, mivel csökken a váltakozó áram és az egyenáram közötti minimális konverziószám, és a megújuló energiákkal való integráció könnyebb és hatékonyabb. A konverziós szakaszok csökkenését a következőképpen becsülik:

 

  • 5-25% energiamegtakarítás: az átviteli és átalakítási hatékonyság növekedése és kevesebb hőtermelés;

  • Kétszeres megbízhatóság és rendelkezésre állás;

  • 33% alapterület-csökkentés.

 

Az elosztó busz feszültsége 380 VDC körüli, és a pontos egyenáramú energiamérés iránt egyre nagyobb érdeklődés mutatkozik, mivel sok üzemeltető áttér a mérhetőbb megközelítésre, amely szerint az ügyfeleket a fogyasztott teljesítmény alapján terhelik.
A két legnépszerűbb mód az ügyfelek energiafogyasztása utáni számlázásra:

  • leágazásonként (átalánydíj minden egyes fogyasztói csatlakozásnál),

  • fogyasztott energia (mért kimenet – minden fogyasztott kWh-ra feltöltött teljesítmény) alapján.

 

Az energiahatékonyság ösztönzése érdekében a fogyasztott energia szerinti megközelítés egyre népszerűbb. Az ügyfelek fogyasztásának árazása a következőképpen írható le:

Ismétlődő költség = helydíj + (mérőóra leolvasása az informatikai berendezések számára × PUE)

  • Helydíj: fix, magában foglalja a biztonságot és az épület összes üzemeltetési költségét.

  • Mérőóra leolvasása az informatikai berendezések számára: az informatikai berendezések által elfogyasztott kWh száma szorozva az energia költségével.

  • Energiafelhasználás hatékonysága (PUE – Power usage effectiveness): figyelembe veszi az informatika mögött álló infrastruktúra, például a hűtés hatékonyságát.

 

Egy tipikus modern rack-szekrény akár 40 kW egyenáramot is fogyaszthat, ezért a 100 A-ig terjedő áramok számlázására alkalmas egyenárammérők szükségesek.

 

arrow 4

4. ábra Megújuló energia integrációja egy egyenáramú adatközpontban

 

Kihívások a precíziós egyenáramú energia mérésében
Az 1900-as évek elején a hagyományos váltakozó áramú mérők teljesen elektro-mechanikusak voltak. A feszültség és az áramtekercs kombinációját alkalmazták örvényáramok indukálására egy forgó alumíniumtárcsában. A tárcsán keletkező nyomaték arányos volt a feszültség- és áramtekercsek által létrehozott mágneses fluxus szorzatával. Végül a tárcsa fékezőmágnesének hozzáadásával a forgási sebesség egyenesen arányos a terhelés által elfogyasztott tényleges teljesítménnyel. Ezen a ponton az elfogyasztott energia mérése egyszerűen annyit jelent, hogy megszámoljuk az adott időtartamú forgások számát. A modern váltakozó áramú mérők lényegesen összetettebbek, pontosabbak és védettek a manipulációktól. Ma egy korszerű intelligens mérőkészülék képes akár a saját abszolút pontosságát megfigyelni, és felismerni a beavatkozás jeleit, a terepre telepített állapotban is. Ez a helyzet az mSure®-technológiával ellátott Analog Devices ADE9153B okosmérő IC-vel. Az energiamérőket – akár modern, hagyományos, váltakozó áramú, akár egyenáramú – az állandó impulzusok és a százalékos osztály pontossága alapján osztályozzuk. Az impulzusok száma/kWh az energiafrissítési sebességet vagy felbontást jelöli. A pontossági osztály tanúsítja az energia maximális mérési hibáját.
A régi mechanikus mérőhöz hasonlóan az adott időintervallumban lévő energiát ezen impulzusok számlálásával számítják ki; minél nagyobb az impulzusfrekvencia, annál nagyobb a pillanatnyi teljesítmény, és fordítva.

 

arrow 5

5. ábra DC energiamérő rendszer felépítése

 

DC mérőstruktúra
Az egyenáramú mérő alapfelépítését az 5. ábra mutatja be. A terhelés által fogyasztott teljesítmény (P = V × I) méréséhez legalább egy áramérzékelőre és egy feszültségérzékelőre van szükség. Amikor az alacsony oldal földpotenciálon van, a mérőn átfolyó áramot általában a magas oldalon mérik, hogy minimalizálják a nem mérhető szivárgások kockázatát, de az áramot az alacsony oldalon vagy mindkét oldalon is meg lehet mérni, ha a tervezési architektúra megköveteli. A terhelés mindkét oldalán lévő áramok mérésének és összehasonlításának technikáját gyakran használják, hogy a mérőt alkalmassá tegyék a hiba és manipulálás felismerésére. Ha azonban az áramot mindkét oldalon mérjük, legalább egy áramérzékelőt izolálni kell annak érdekében, hogy értékeljük a vezetők közötti potenciált.

 

Feszültségmérés
A feszültséget általában egy rezisztív potenciálosztóval mérik, ahol létraellenállás segítségével a potenciált arányosan csökkentik a rendszer ADC bemenetével kompatibilis szintre. A bemeneti jel nagy amplitúdója miatt a pontos feszültségmérés könnyen elérhető szabványos alkatrészekkel. Figyelmet kell azonban fordítani a kiválasztott alkatrészek hőmérsékleti és feszültség-együtthatóira, hogy garantáljuk a szükséges pontosságot a teljes hőmérséklet-tartományban.
Amint arról korábban tárgyaltunk, az egyenáramú fogyasztásmérőknek olyan alkalmazásoknál, mint az EV töltőállomások csak a járműbe továbbított energiát kell számlázniuk. A mérési követelmények teljesítéséhez szükség lehet arra, hogy az EV töltők egyenfeszültség-mérői több feszültségcsatornával rendelkezzenek, ami lehetővé teszi a mérő számára a feszültség érzékelését a jármű belépési pontjánál is (4 vezetékes mérés). Az egyenáramú energia mérése 4 vezetékes konfigurációban biztosítja, hogy a töltőoszlop és a kábel teljes ellenállási vesztesége levonásra kerüljön az energiaszámlából.

 

arrow6

6. ábra Hőgradiens által okozott hőelektromos hatás söntökben

 

Árammérés a DC energia mérésére
Az elektromos áram mérhető akár közvetlen csatlakozással, akár közvetett módon, a töltéshordozó áramlásából származó mágneses mező érzékelésével. A következő szakasz a DC áram mérésének legnépszerűbb érzékelőit tárgyalja.

 

Söntellenállás
A közvetlen csatlakozási áram érzékelése egy bejáratott módszer az AC és DC áram mérésére. Az áramot egy söntellenálláson vezetik át. A söntellenálláson a feszültségesés egyenesen arányos az áramló árammal, ahogy azt a jól ismert Ohm-törvény írja le (V = R × I), felerősíthető és digitalizálható, pontosan jelezve az áramkörben átfolyó áramot. A söntellenállással való érzékelés olcsó, pontos és hatékony módszer az áram mérésére mA-től kA-ig, elméletileg korlátlan sávszélességgel. A módszernek azonban van néhány hátránya.
Egy ellenálláson átfolyó áram hatására az áram négyzetével arányos Joule-hő keletkezik. Ez nemcsak a hatékonyság szempontjából rossz, hanem az önmelegedés következtében megváltozik a sönt ellenállása, csökken a pontosság. Az önmelegedés korlátozásához alacsony értékű ellenállást alkalmaznak. Ha azonban kis ellenállást alkalmazunk, akkor az érzékelőelemen átmenő feszültség is kicsi, és néha összehasonlítható a rendszer egyenáram-driftjével. Ilyen körülmények között a szükséges pontosság elérése a dinamikus tartomány alsó részén nem biztos, hogy egyszerű feladat. A nagyon alacsony DC ofszet és drift tulajdonságú, legkorszerűbb analóg front end áramkörök alkalmasak a kis értékű söntellenállások korlátjainak leküzdésére. Mivel azonban a műveleti erősítők állandó erősítés-sávszélesség-szorzattal rendelkeznek, a nagy erősítés korlátozza a rendelkezésre álló sávszélességet.
A kis értékű áramérzékelő söntök általában meghatározott fémötvözetekből, például mangán-rézből vagy nikkel-krómból készülnek, amelyek kiegyenlítik alkotórészeik ellentétes hőmérsékleti driftjét, és ezzel néhány tíz ppm / °C nagyságrendű általános driftet eredményeznek.
A közvetlen csatlakozású egyenárammérés másik hibaforrása a hő-elektromotoros erő (EMF) jelensége, más néven Seebeck-effektus lehet. A Seebeck-effektus olyan jelenség, amelyben a hőmérséklet-különbség két egymástól eltérő és érintkező elektromos vezető vagy félvezető között potenciálkülönbséget eredményez. A Seebeck-effektus egyébként jól ismert jelenség, széles körben használják a hőelemek hőmérsékletének érzékelésére.
Az érzékelő áramkör különböző anyagok szimmetrikus eloszlása; ezért a negatív és pozitív érzékelő vezetékek csomópontjaiban lévő potenciál megszűnik. Bármilyen különbség a hőkapacitásban, például egy negatív érzékelő vezeték nagyobb réztömeghez (alapsíkhoz) csatlakoztatva, eltérést okozhat a hőmérséklet eloszlásában, ami mérési hibát eredményezhet a hőelektromos hatás miatt – ezért figyelmet kell fordítani a sönt csatlakozására és a keletkező hő elosztására.

 

arrow7

7. ábra A nyílt hurkú áramátalakító fluxuskoncentrátoron és mágneses érzékelőn alapul

 

Mágneses mező érzékelése – közvetett árammérés

 

Nyílt hurkú Hall-effektus
Az érzékelő egy nagy mágneses permeabilitású gyűrű, amelyen az érzékelt áramvezeték halad át. Ez a mért vezetőt körülvevő mágneses mező vonalait egy Hall-effektus-érzékelőre koncentrálja, amely a mágneses mag keresztmetszetén belül helyezkedik el. Ennek az érzékelőnek a kimenete prekondicionált, és általában különböző jellemzőkkel rendelkezik.
A leggyakoribbak: 0–5 V, 4–20 mA vagy digitális interfész. Bár a szigetelés és a magas áramtartomány viszonylag alacsony költségek mellett elérhető, az abszolút pontosság általában nem jobb mint 1%.

 

Zárt hurkú Hall-effektus
Az áteresztőmagon egy áramerősítő által hajtott többmenetes szekunder tekercs negatív visszacsatolást biztosít a teljes fluxus nulla eléréséhez. A kompenzáló áram mérésével javul a linearitás, és nincs maghiszterézis, amelynek következtében kiváló hőmérséklet-drift és nagyobb pontosság érhető el a nyílt hurkú megoldáshoz képest. A tipikus hibatartomány legfeljebb 0,5%, de a kiegészítő kompenzációs áramkör drágábbá teszi az érzékelőt, és néha korlátozza a sávszélességet.

 

arrow8

8. ábra Példa a zárt hurkú áramátalakítók működési elvére

 

Fluxgate – telíthető induktív áramérzékelők
A Fluxgate egy komplex nyitott vagy zárt hurkú rendszer, ahol az áramot egy szándékosan telített mágnes fluxusváltozásainak figyelemmel kísérésével mérik. A tekercs egy nagy áteresztőképességű ferromágneses mag körül helyezkedik el, amelyet telítésbe visz egy szekunder tekercs, amit szimmetrikus négyzethullám-feszültség hajt. A tekercs induktivitása minden alkalommal összeomlik, amikor a mag pozitív vagy negatív telítettséghez jut, és az áram változásának sebessége növekszik. A tekercs hullámalakja szimmetrikus marad, amíg nem alkalmazunk külső mágneses teret, amely esetben a hullámforma aszimmetrikussá válik. Ennek az aszimmetriának a mérésével meg lehet becsülni a külső mágneses tér intenzitását és következésképpen az azt generáló áramot. A Fluxgate jó hőmérséklet-stabilitást és pontosságot biztosít 0,1%-ig. Az érzékelő összetett elektronikája azonban drága megoldást jelent, amelynek ára tízszer magasabb, mint a többi izolált megoldásé.

 

arrow9

9. ábra DC mérőrendszer felépítése

 

 

1. táblázat Maximális százalékos áramhiba az EN 50463-2 szerint

tablazat1

 

2. táblázat Maximális százalékos feszültséghiba az EN 50463-2 szerint

tablazat2

 

3. táblázat Egyenáramú energiamérő specifikációi – a koncepció igazolása

tablazat3 

 

 

DC energia mérése – követelmények és szabványosítás
Noha az egyenáramú energia mérésének szabványosítása nem tűnik túl nehéznek a meglévő váltakozó árammérési szabványok ökoszisztémájához képest, az iparági érdekelt felek még mindig a különböző alkalmazások követelményeiről vitatkoznak, több időt kérve a DC mérés pontos részleteinek tisztázására.
Az IEC az IEC 62053-41 szabványon dolgozik annak érdekében, hogy meghatározza az egyenáramú statikus mérőkre vonatkozó követelményeket az aktív energiára, 0,5% és 1% pontossági osztályokkal. A szabvány javaslatot tesz a névleges feszültségek és áramok tartományára, és korlátokat szab a mérő feszültség- és áramcsatornáinak maximális energiafogyasztására. Ezenkívül a váltakozó áramú mérés követelményéhez hasonlóan, a dinamikus tartományban meghatározzák a konkrét pontosságot, valamint a terhelés nélküli állapot áramküszöbét. A tervezetben nincs külön követelmény a rendszer sávszélességére, de a gyors terhelésváltozási teszt sikeres végrehajtása szükséges, meghatározva a rendszer minimális sávszélességének implicit követelményét.
Az egyenáramú mérés az EV töltési alkalmazásokban részben megfelel a német VDE-AR-E 2418 szabványnak vagy az EN 50463-2 szabványnak. Az EN 50463-2 szerint a pontosságot jeladók szerint adják meg, és a kombinált energiahiba ekkor a feszültség, az áram és a számítási hiba kvadrátösszege:

 

keplet

 

Következtetés – az egyenáramú fogyasztásmérő koncepciójának igazolása
Az Analog Devices a precíziós érzékelés terén az iparág egyik élenjáró cége, egy teljes jelláncot kínálva a precíziós áram- és feszültségmérésekhez, a korlátozó szabványok követelményeinek megfelelően.
A következő szakasz bemutatja az egyenáramú fogyasztásmérő koncepciójának igazolását, amely megfelel a közelgő alkalmazásspecifikus IEC 62053-41 szabványnak.
Figyelembe véve a számlázási fokozatú egyenáramú energia mérésének helyét mikrohálózatokban és adatközpontokban, feltételezhetjük a 3. táblázatban bemutatott követelményeket.
Olcsó és pontos áramérzékelés érhető el kis értékű és alacsony hőelektromos hatású sönt (<1 µVEMF / °C) használatával. Alacsony értékű söntellenállás megtartása alapvető fontosságú az önmelegedési hatás csökkentése és a teljesítményszint a szabvány által előírt határértékek alatt tartása érdekében. A kereskedelmi forgalomban kapható 75 µΩ-os sönt a leadott teljesítményt 0,5 W alatt tartja. Ugyanakkor a 80 A névleges áram 1%-a kicsi, 60 µV-os jelet generál egy 75 µΩ-os söntnél, amelyhez egy jelláncra van szükség a mikrovolt alatti ofszet-drift teljesítménytartományában.
Az ADA4528 2,5 µV maximális ofszetfeszültséggel és 0,015 µV / °C maximális ofszet-drifttel kiválóan megfelel kis értékű söntellenállásoknál, nagyon kis driftű 100 V / V erősítés létrehozására.
A szimultán mintavételezésű, 24 bites ADC AD7779 közvetlenül csatlakoztatható az erősítőfokozathoz, 5 nV / °C bemenettel jellemzett ofszet-drifttel. A nagy értékű egyenfeszültséget pontosan meg lehet mérni 1000:1 arányú ellenállásosztóval, közvetlenül az AD7779 ADC bemenetéhez csatlakoztatva.
Végül egy mikrovezérlő egyszerű mintavételezéssel, megszakítással vezérelt metrológiai funkciót valósít meg, ahol minden ADC minta esetében a megszakítási rutin:

  • feszültség- és árammintákat olvas le,kiszámítja a pillanatnyi teljesítményt (P = I × V),

  • a pillanatnyi teljesítményt egy energiatárolóban halmozza fel,

  • ellenőrzi, hogy az energiatároló túllépi-e az energiaküszöböt, hogy létrehoz-e egy impulzust, és kitisztítja az energiatároló regisztert.

 

A metrológiai funkciók mellett a mikrovezérlő olyan rendszerszintű interfészekkel rendelkezik, mint az RS-485, az LCD kijelző és a nyomógombok.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

 arrow10

 

10. ábra A koncepció igazolása – prototípus

 

Szerző: Luca Martini – Rendszermérnök, Analog Devices Inc.

 

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: tbihari@arroweurope.com
Tel.: +36 30 748 04 57