Skip to main content

Tervezési megfontolások egy szabványoknak megfelelő teljesítmény­minőség-mérőhöz

Megjelent: 2023. március 16.

Arrow lidTeljesítményminőség-felügyelet 2. rész

Ez a cikk bemutatja, hogyan lehet hatékonyan megtervezni egy szabványoknak megfelelő teljesítményminőségi (PQ) mérőműszert egy használatra kész platform segítségével, amely felgyorsítja a fejlesztést. Különböző megoldásokat tárgyal az A és S osztályú mérőeszközök tervezéséhez, beleértve egy új S osztályú teljesítményminőség-mérő integrált megoldást, amely jelentősen csökkenti a teljesítményminőség-monitorozó termékek fejlesztési idejét és költségeit.

 

A teljesítményminőségi megoldás megvalósításának kihívásai

A teljesítményminőség mérésére tervezett műszer alapvető összetevőit az 1. ábra mutatja. Először is, az áram- és feszültség­átalakítóknak figyelembe kell venniük a műszer működési tartományát, és a bemeneti jelet az analóg-digitális átalakító (ADC) bemenetének dinamikájához kell igazítaniuk. A hagyományos átalakítók a mérés első bizonytalansági forrását jelentik, ezért a helyes kiválasztás nagy jelentőséggel bír. Ezután a jel az ADC-be kerül, aminek az egyedi jellemzői – például az ofszet, az erősítés és a nemlinearitási hibák – a bizonytalanság második forrását jelentik. A megfelelő ADC kiválasztása ehhez a funkcióhoz komoly megfontolást igényel egy teljesítményminőségi műszer megtervezéséhez. Végül egy sor jelfeldolgozó algoritmust kell létrehozni, hogy a bemeneti jelekből elektromos és teljesítményminőségi méréseket kapjunk.

 

AD Arrow teljesítményminőség mérők 1

1. ábra A teljesítményminőségi mérésekhez használt műszer fő alkotóelemei

  

Feszültség- és áramátalakítók

A teljesítményminőségi műszer helyétől és alkalmazásától függően változik a névleges tápfeszültség (UNOM), a névleges áram (INOM) és a frekvencia. A műszer által mért névleges értékektől függetlenül az IEC 61000-4-7 szabvány megköveteli, hogy a teljesítményminőség-mérő műszerek elérjék az 1. táblázatban bemutatott pontosságot; ezért a jelátalakítókat úgy kell kiválasztani, hogy a műszer megfeleljen a pontossági követelményeknek.

 

Arrow teljesítmény mérés tábla1

1. táblázat Az áramra és feszültségre vonatkozó pontossági és teljesítménymérésekkel szemben támasztott követelmények az IEC 61000-4-7 szabvány szerint
(INOM: A mérőműszer névleges áramtartománya
UNOM: A mérőműszer névleges feszültségtartománya
UM, IM és PM: Mért értékek)

 
Az IEC61000-4-71 szabvány azt javasolja, hogy a bemeneti áramköröket a névleges feszültségek (UNOM) és a névleges áramok (INOM) szerint tervezzék meg:

  • 50 Hz-es rendszerek esetén: 66 V, 115 V, 230 V, 400 V, 690 V
  • 60 Hz-es rendszerek esetén: 69 V, 120 V, 240 V, 277 V, 347 V, 480 V, 600 V
  • 0,1 A, 0,2 A, 0,5 A, 1 A, 2 A, 5 A, 10 A, 20 A, 50 A, 100 A

A feszültség és az áram méréséhez kiválasztott mérőátalakítóknak változatlanul meg kell őrizniük jellemzőiket és pontosságukat: 1,2 × UNOM és INOM folyamatos jelenléte esetén is. A műszeren nem vezethet károsodáshoz a névleges feszültség négyszerese vagy az 1 kV effektív érték (a kettő közül amelyik kisebb) megjelenése 1 másodpercig. Hasonlóképpen, egy 10 × INOM áram 1 másodpercig nem okozhat károsodást.

 

Analóg-digitális átalakító

Bár az IEC 61000-4-30 szabvány nem ír elő minimális mintavételi sebességet, az ADC-nek elegendő mintavételi sebességgel kell rendelkeznie egyes oszcilláló és gyors teljesítményminőségi jelenségek méréséhez. Az elégtelen mintavételi sebesség a teljesítményminőségi esemény téves osztályozását vagy fel nem ismerését eredményezheti. Az IEC 61000-4-30 szabvány szerint a műszer feszültség- és áramérzékelőinek 9 kHz-ig kell megfelelőnek lenniük. Így az ADC mintavételi frekvenciáját a jelelemzés szabályai szerint úgy kell megválasztani, hogy 9 kHz-ig bezárólag frekvenciakomponensek mérését is el lehessen végezni. A 2. ábra szemlélteti annak következményeit, ha a mintavételi frekvencia nem megfelelő. A bal felső hullámforma 10 ciklusonként (200 ms) 64 mintát tartalmaz, a jobb felső hullámforma pedig 1024 mintát 10 ciklusonként. Amint a 2. ábrán látható, a bal felső grafikon egy feszültségesést mutat, míg a jobb felső grafikon azt mutatja, hogy az esést tranziens okozta.
Az IEC szabvány egyfázisú és háromfázisú rendszerekre vonatkozik; ezért a kiválasztott ADC-nek képesnek kell lennie a szükséges számú feszültség- és áramcsatorna egyidejű mintavételezésére. Azzal, hogy a műszeren egyidejűleg az összes feszültség- és áramcsatorna mérése megtörténik, minden paraméter megvizsgálható és azonnal kiváltható, amikor egy áramminőségi esemény bekövetkezik.

 

AD Arrow teljesítményminőség mérők 2

2. ábra Az ADC mintavételi sebesség hatása a teljesítmény­minőségi mérésekre

  

Digitális jelfeldolgozás (DSP)

Bár a teljesítményminőségi mérésekhez szükséges átalakítók és ADC kiválasztása átfogó mérnöki munkát igényel, mégis kétségtelenül a nyers ADC-mérések feldolgozására szolgáló algoritmusok kifejlesztése az a feladat, amely a legtöbb időt és erőforrást igényli egy teljesítményminőségi műszer elkészítéséhez. A szabványnak megfelelő műszer megvalósításához ki kell választani a megfelelő DSP hardvert, és ki kell fejleszteni, majd az előírásoknak megfelelően tesztelni kell a hullámformamintákból a teljesítményminőségi paramétereket kiszámító algoritmusokat. A szabvány nemcsak számításokat, hanem különböző időfüggő aggre­gációkat is előír, amelyek időbeli pontossága az A osztály esetében 24 órás időszakonként kevesebb, mint ±1 másodperc; az S osztály esetében pedig 24 órás időszakonként ±5 másodperc. Ezeknek az algoritmusoknak harmonikus elemzést kell végezniük. Ezenkívül a teljesítményminőségi paraméterek a gyors Fourier-transzformáció (FFT) elemzésén alapulnak (felharmonikusok, interhar­monikusok, hálózati jelzőfeszültség, szimmetria), amelyek megvalósítása kihívást jelent. Az FFT-elemzéshez a hullámformák mintavételezéséhez legalább 1024 mintát kell venni 200 ms-onként (10 ciklusonként). Az ADC-ből származó nyers hullámformák újra-mintavételezésének a szükséges frekvenciára történő elvégzése gondosságot igényel a harmonikus torzítás és az aliasing (átlapolás) elkerülése érdekében.
Az algoritmusok kifejlesztése után az IEC szabvány egy több mint 400 tesztből álló átfogó listát ír elő, amelyen a műszernek át kell esnie a teljes körű tanúsításhoz.
A 3. ábra egy blokkdiagramot mutat, amely tartalmazza a legfontosabb funkciókat, amelyekre egy DSP-rendszernek szüksége van a teljesítményminőségi mérések előállításához.

 

AD Arrow teljesítményminőség mérők 3

3. ábra Blokkdiagram: a DSP teljesítményminőségi rendszer lényeges funkciói

  

ANALOG DEVICES TELJESÍTMÉNYMINŐSÉGI MÉRÉSI MEGOLDÁSOK

Többcsatornás szimultán mintavételezésű ADC-k
az IEC 61000-4-30 A osztályhoz

Figyelembe véve a pontosság, a csatornák száma és a mintavételi sebesség követelményeit egy A osztályú PQ műszer kifejlesztéséhez, az AD777x és AD7606x termékcsaládot ajánljuk a jellánc/rendszer ADC konverziójához. Megjegyzendő, hogy ezek a megoldások csak a bemeneti jelek nyers digitalizált adatait szolgáltatják. A hitelesített PQ mérésekhez DSP rendszert kell kifejleszteni.

 

AD777x család Sigma-Delta ADC

Az AD777x egy 8 csatornás, 24 bites szimultán mintavételezésű ADC eszközcsalád. Nyolc teljes szigma-delta (∑-Δ) ADC található a chipen, amelyek 16 kSPS/32 kSPS/128 kSPS mintavételi sebességet tesznek lehetővé. Az AD777x alacsony bemeneti áramot biztosít a közvetlen érzékelőcsatlakozáshoz. Mindegyik bemeneti csatorna rendelkezik egy programozható erősítő fokozattal, amely lehetővé teszi az 1, 2, 4 és 8-as erősítést, hogy az alacsonyabb amplitúdójú érzékelőkimeneteket a teljes skálájú ADC bemeneti tartományba képezze le, maximalizálva a jellánc dinamikai tartományát. Az AD777x 1 V-tól 3,6 V-ig terjedő VREF feszültséget és analóg bemeneti tartományt fogad el: 0 V-tól 2,5 V-ig vagy ±1,25 V-ig. Az analóg bemenetek úgy konfigurálhatók, hogy valódi differenciális, pszeudo-differenciális vagy egyvégű jeleket fogadjanak a különböző érzékelőkimeneti konfigurációknak megfelelően. Az AD7770 finom felbontásszabályozásához egy mintavételezési-sebességátalakító áll rendelkezésre, és olyan alkalmazásokban használható, ahol az ODR felbontás a vonalfrekvencia 0,01 Hz-es változásai esetén a koherencia fenntartásához szükséges. Az AD777x nagy bemeneti, 5 kHz jelsávszélességet is biztosít (AD7771-nél 10 kHz). Adatkimeneti és SPI kommunikációs interfészekkel rendelkezik, bár az SPI a szigma-delta konverziós adatok kimenetére is konfigurálható. A hőmérséklet-tartomány -40 °C és +105 °C között van, a működési tartomány +125 °C-ig terjed, 3,3 V-os vagy ±1,65 V-os tápellátás mellett.
A 4. ábra az AD777x család ADC-inek 3 fázisú tipikus alkalmazási rendszerábráját mutatja egy PQ műszerhez, amely áramváltókat használ áramátalakítóként és ellenállásosztókat a feszültséghez.

 

AD7606x család 16-/18-bites ADC adatgyűjtő rendszer

Az AD7606x egy 16-/18-bites, egyidejű mintavételezésű, analóg-digitális adatgyűjtő rendszer (DAS) nyolc csatornával. Minden csatorna analóg bemeneti korlátozó védelmet, programozható erősítőt (PGA), alul­áteresztő szűrőt és 16-/18 bites szukcesszív approximációs regiszteres (SAR) ADC-t tartalmaz. Az AD7606x emellett flexibilis digitális szűrőt, alacsony driftet, 2,5 V-os precíziós referenciát és referenciapuffert tartalmaz az ADC meghajtásához, valamint rugalmas párhuzamos és soros interfészeket.
Az AD7606B egyetlen 5 V-os tápfeszültségről működik, és minden csatornán 800 kSPS (AD7606B)/1 MSPS (AD7606C) átviteli sebességű mintavételezés esetén ±10 V, ±5 V és ±2,5 V valódi bipoláris bemeneti tartományokat fogad. A bemeneti korlátozó védelem különböző feszültségeket tolerál a felhasználó által választható analóg bemeneti tartományokkal (±20 V, ±12,5 V, ±10 V, ±5 V és ±2,5 V). Az AD7606x egyetlen 5 V-os analóg tápfeszültséget igényel. Az egy tápfeszültségű működés, a chipen belüli szűrés és a nagy bemeneti impedancia kiküszöbölik a külső vezérlő műveleti erősítők szükségességét, amelyek kettős tápfeszültséget igényelnek.

 

Szoftveres üzemmódban a következő speciális funkciók állnak rendelkezésre:

  • További túlmintavételezési (OS) lehetőségek, akár OS × 256-ig,
  • rendszererősítés, rendszerofszet és rendszerfázis-kalibrálás csatornánként,
  • analóg bemeneti nyitott áramkör érzékelő,
  • diagnosztikai multiplexer,
  • monitoringfunkciók: SPI érvénytelen olvasás/írás, ciklikus redundanciaellenőrzés (CRC), túlfeszültség- és alulfeszültség­események, foglalt-elakadt
  • monitor- és reset-érzékelés.

A 4. ábra az AD7606x család ADC-inek 3 fázisú tipikus alkalmazási rendszerábráját mutatja egy olyan teljesítményminőségi műszerhez, amely áramváltókat használ áramátalakítóként és ellenállásosztókat a feszültséghez.

 

AD Arrow teljesítményminőség mérők 4

4. ábra A teljesítményminőségi 3-fázisú alkalmazások rendszerábrája az AD777X és AD7606x ADC-családokhoz

  

Az Analog Devices előminősített IEC S osztályú teljesítményminőségi megoldása

Az ADE9430 egy nagy pontosságú, teljesen integrált, többfázisú energiamérő IC, amely az ADSW-PQ-CLS szoftverkönyvtárral kombinálva – amely egy gazdamikrokontrolleren fut – egy teljes, az IEC 61000-4-30 S osztályú szabványnak megfelelő megoldást jelent. Ez az integráció jelentősen csökkenti a PQ felügyeleti termékek fejlesztési idejét és költségeit. Az ADE9430 + ADSW-PQ-CLS megoldás az adatgyűjtő és számítási motorok szoros integrációjával egyszerűsíti az energia- és PQ-monitorozó rendszerek megvalósítását és tanúsítását. Az 5. ábra az ADE9430 + ADSW-PQ-CLS megoldás 3 fázisú alkalmazási rendszerábráját mutatja egy olyan teljesítményminőség-mérő műszerhez, amely áramváltókat használ áramátalakítóként és ellenállásosztókat a feszültséghez.

 

ADE9430 S osztályú S teljesítményminőségi analóg frontend

A hét bemeneti csatornával az ADE9430 egy háromfázisú rendszerben vagy akár három egyfázisú rendszerben is használható. Támogatja az áramtranszformátorokat (CT-k) vagy Rogowski-tekercseket, külső analóg integrátorral az árammérésekhez. Integrált analóg front endet biztosít a teljesítményminőség-felügyelethez és az energiaméréshez. Az ADE9430 pin-kompatibilis az ADE9000 típussal és az ADE9078 analóg és méréstechnikai teljesítményével egyenértékű analóg és méréstechnikai teljesítménnyel.

Jellemzői közé tartoznak:

  • Hét nagy teljesítményű 24 bites szigma-delta ADC,
  • 101 dB SNR,
  • széles bemeneti feszültségtartomány: ±1 V, 707 mV effektív érték,
    teljes skálaerősítés = 1 mellett,
  • differenciális bemenetek,
  • 0,2 osztályú mérési pontosság,
  • egy ciklus effektív, vonalfrekvencia, nullpontátmenet, fejlett metrológia,
  • hullámformapuffer,
  • folyamatos újra-mintavételezett adatok: 1024 pont 10/12 vonali ciklusonként,
  • 50 Hz és 60 Hz alapfrekvenciákra kiterjedő fejlett mérés,
  • aktív energiaszabványok támogatása: IEC 62053-21 és IEC 62053-22; EN 50470-3 OIML R46; és ANSI C12.20,
  • a reaktív energiára vonatkozó szabványok támogatása: IEC 62053-23, IEC 62053-24,
  • nagy sebességű kommunikációs port: 20 MHz-es soros port interfész (SPI).

 

ADSW-PQ-CLS szoftverkönyvtár

Az ADSW-PQ-CLS szoftverkönyvtárat kifejezetten az ADE9430 készülékkel való integrálásra tervezték, hogy a szabványnak megfelelő IEC 61000-4-30 S osztályú PQ méréseket generáljon. Az IEC 61000-4-30 szabványban az S osztályú műszerek számára meghatározott összes paramétert megvalósítja. A felhasználók eldönthetik, hogy mely PQ paramétereket használják. Ez a könyvtár alacsony CPU/RAM erőforrásigényű és mag/OS-független (legalább Arm® Cortex®-M). A támogatott MCU-architektúrák közé tartozik az Arm Cortex-M0, Cortex-MO+, Cortex-M1, Cortex-M3 és Cortex-M4. A végfelhasználók számára történő terjesztéshez a könyvtárat a Keil Microvision, az IAR Embedded Work­bench 8.x verziójával vagy az Analog Devices CrossCore®Embedded Studio-val kompatibilis CMSIS-PACK fájlként (.pack) bocsátjuk rendelkezésre. A szoftverkönyvtár licencét az ADE9430 megvásárlása tartalmazza. A könyvtár és funkcióinak értékeléséhez egy PC-s soros parancssori interfész (CLI) -példát mellékelünk. A 6. ábra azt mutatja, hogy a PQ paraméterek hogyan jelennek meg ezen a CLI-n.

 

AD Arrow teljesítményminőség mérők 5

5. ábra Az ADE9430 és az ADSW-PQ-CLS PQ 3-fázisú rendszer diagramja

 AD Arrow teljesítményminőség mérők 6 

6. ábra ADSW-PQ-CLS szoftverkönyvtár soros CLI-felülete

 

Az ADE9xxx család teljesítményminőségi jellemzőinek összefoglalása

 

Arrow teljesítmény mérés tábla2

2. táblázat Az ADE9xxx család energiamérő IC-k energia- és teljesítményminőségi jellemzői; az S osztályú érték azt jelzi, hogy a jellemző megfelel az IEC 61000-4-30 S osztályú szabványoknak

  

ADE9430 fejlesztőkészlet

Az EVAL-ADE9430ARDZ lehetővé teszi az energia és az S osztályú teljesítményminőség-mérőrendszerek gyors értékelését és prototípuskészítését az ADE9430 és az ADSW-PQ-CLS Power Quality Library segítségével. A nagyobb rendszerek megvalósításának egyszerűsítése érdekében a teljesítményminőségi könyvtár és az alkalmazási példa rendelkezésre áll. Ez a készlet egy plug and play típusú élményt nyújt, amely könnyen használható egy 3 fázisú elektromos rendszer teljesítményminőségi paramétereinek vizsgálatához.

A készlet a következő hardverfunkciókkal rendelkezik:

  • Áramváltó bemenetek,
  • nagyfeszültség-/árambemenetek,
  • 240 V effektív névleges feszültség (potenciálosztóval),
  • 80 A rms max. (a mellékelt CT-érzékelőkkel),
  • 2,5 kV-os szigetelés,
  • beépített RTC a mérések időbélyegzéséhez,
  • előre hitelesített IEC 61000-4-30 S osztályra (a felhasználónak kalibrálnia kell),
  • ADSW-PQ-CLS könyvtár és példaalkalmazás, amely Arm Cortex-M4 MCU-n fut,
  • soros CLI a PC-hez a teljesítményminőségi paraméterek konfigurálásához és naplózásához.

 

A 7. ábra mutatja az EVAL-ADE9430ARDZ PC-vel való használatához szükséges csatlakozásokat

Az EVAL-ADE9430ARDZ négy áram- és három feszültség + semleges bemeneti csatlakozóval és fedélzeti ADE9430-cal, leválasztókkal, valós idejű órával, egy Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH fejlesztői kártyával, az ADSW-PQ-CLS könyvtár példaalkalmazásával és három áramérzékelővel ellátott NYÁK-ból áll.

 

AD Arrow teljesítményminőség mérők 7


7. ábra Az EVAL-ADE9430ARDZ számítógéphez csatlakoztatott EVAL-ADE9430ARDZ ábrája

  

Tanúsítás

Az ADE9430 + ADSW-PQ-CLS megoldás az IEC 61000-4-30 S osztályú szabvány követelményeinek megfelelő teljesítményminőségi paraméterek pontos mérésére kapott tanúsítványt.

 

Következtetés

A szabványoknak megfelelő teljesítményminőség-mérő megtervezése kihívást jelentő feladat. Az IEC 61000-4-30 S osztályú szabványnak megfelelő PQ mérőműszer előállításához szükséges idő és mérnöki erőforrások csökkentése érdekében az ADE9430 + ADSW-PQ-CLS egy olyan teljes körű megoldás, amely a tervezők számára egy azonnal használható platformot biztosít a fejlesztés felgyorsításához és számos kritikus tervezési kihívás megoldásához.

Szerző: Jose Mendia – vezető mérnök, termékalkalmazások, Analog Devices

 

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

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer

E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com

 

#7f4e9f