Ein einziges IC löst die Herausforderung der einphasigen Energiemessung

Heutzutage sind Diskussionen über „Energie“ und „Leistung“ allgegenwärtig. Es geht nicht nur um die „Mikroebene“, also darum, wie viel ein Schaltkreis oder ein System verbraucht, sondern es gibt auch Überlegungen im Zusammenhang mit der Energie und der Leistung im Wechselstromnetz, vor allem im Hinblick auf die Energienutzung, das Energiesparen und erneuerbare Quellen. Sehen wir uns an, was diese Begriffe tatsächlich bedeuten und wie man sie effektiv messen kann.

Eine der ersten Lektionen, die Studierende der Ingenieurwissenschaften lernen, ist, was mit „Energie“ und „Leistung“ gemeint ist Diese beiden Begriffe sind zwar miteinander verwandt, unterscheiden sich aber deutlich voneinander. Dennoch werden sie in Gesprächen und Berichten (sogar unter Ingenieuren!) oft synonym verwendet.

Formal gesehen ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, und Leistung ist die Geschwindigkeit, mit der Energie verbraucht oder gewonnen wird. Mathematisch gesehen ist die Leistung die zeitliche Ableitung der Energie, während die Energie das Zeitintegral der Leistung ist.

Der Effektivwert von Spannung und Strom ist für die Leistungs- und Energieanalyse von wesentlicher Bedeutung. Mathematisch wird der Effektivwert einer zeitlich veränderlichen Spannung f(t) wie folgt berechnet:

Gleichung 1

Dabei ist T = die Wellenformperiode.

Beachten Sie, dass für eine unverzerrte Sinuswelle eine einfache Beziehung zwischen der Spitzenwechselspannung und dem Effektivwert besteht:

Gleichung 2

Welche Bedeutung hat der Effektivwert im allgemeinen Fall? Der Effektivwert eines Wechselstromsignals vergleicht den Heizwert eines unbekannten Wechselstromsignals mit dem eines bekannten Gleichstromsignals an identischen Lasten und entspricht der Menge an Gleichstrom, die erforderlich ist, um die gleiche Wärmemenge in der Last zu erzeugen. Wenn die in den Verbrauchern verbrauchte Leistung gleich ist, entspricht die bekannte Gleichspannung dem Effektivwert des unbekannten Wechselstromsignals.

Wenn zum Beispiel ein Effektivwert von 1 Volt Wechselstrom an ein Widerstandsheizelement angelegt wird, würde es die gleiche Wärmemenge erzeugen wie 1 Volt Gleichstrom. Bei einigen vorelektronischen Effektivwert-Gleichstrommessgeräten wurde eine Anordnung verwendet, bei der eine Gleichstromquelle und die unbekannte Effektivwert-Quelle identische Widerstände beheizten. Die Gleichstromquelle wurde dann so eingestellt, dass die Temperaturen der Widerstände übereinstimmten; dies würde den Effektivwert anzeigen.

Glücklicherweise machten ICs die Bestimmung des Effektivwerts mit Hilfe von rein analogen Berechnungskonfigurationen recht einfach (Abbildung 1). In dieser Schaltung skaliert der programmierbare Differenzverstärker AD628 von Analog Devices (hier für einen Dämpfungsfaktor von 25 konfiguriert) das Versorgungssignal herunter, bevor es an den Effektivwertwandler AD8436 von Analog Devices weitergeleitet wird.

Abbildung 1: Diese vollständig analoge Schaltung mit zwei ICs liefert einen Gleichstromausgang, der dem Effektivwert des AC-Eingangssignals entspricht. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Differenzverstärker verfügt über einen ±120-Volt-Gleichtakt-Eingangs- und Gegentaktbereich, wodurch er sich gut für die Abwärtsteilung der Hochspannungsleitung eignet. Das genaue DC-Äquivalent des Effektivwertes der AC-Wellenform wird an RMS OUT bereitgestellt.

Die heutige AC-Realität erfordert viel mehr

Der rein analoge Effektivwert-DC-Ansatz funktioniert zwar, kann aber nur wenig aussagen. In der heutigen Energiemanagementumgebung muss das System neben dem Effektivwert noch viel mehr über die einphasige AC-Wellenform wissen.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Wechselspannung keine schöne, saubere Sinuskurve ist, sondern viele Abweichungen vom Nennwert sowie Verzerrungen aufweist. Außerdem ist die Last (der Verbraucher) selten ein reiner Widerstand, so dass es Phasenverschiebungen zwischen der Spannungs- und der Stromwellenform gibt. Insgesamt gibt es Attribute, die nur mit zusätzlicher digitaler numerischer Analyse ermittelt werden können.

In dieser AC-Netzrealität zeichnet sich das Energie messende IC ADE9153A von Analog Devices mit Autokalibrierung aus (Abbildung 2). Es zielt auf Anwendungen wie einphasige Energiezähler, Energie- und Leistungsmessung, Straßenbeleuchtung, intelligente Stromverteilungssysteme und die Überwachung des Maschinenzustands. Die 10 Megahertz (MHz) schnelle serielle Peripherieschnittstelle (SPI) des ADE9153A ermöglicht den Zugriff auf die Register des ADE9153A. Er wird mit einer 3,3-Volt-Versorgung betrieben und ist in einem 32-poligen LFCSP-Gehäuse erhältlich.

Abbildung 2: Das Energie messende IC ADE9153A mit Autokalibrierung zielt auf einphasige Anwendungen und verfügt über interne analoge und digitale Funktionsblöcke für detaillierte Analysen. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADE9153A bietet weit mehr als nur die Grundfunktion der Digitalisierung der Spannungs- und Stromwerte der Wechselstromleitung. Die fortschrittliche Mess-Engine berechnet die wichtigsten energie- und leistungsbezogenen Ergebnisse und kann Netzspannung und -strom, Wirkenergie (Wattstunden (Wh)), grundlegende Blindenergie (Volt-Ampere-Blindenergie (VARh)), Scheinenergie sowie Strom- und Spannungs-Effektivwerte berechnen.

Der ADE9153A umfasst auch Messungen der Netzqualität, wie z. B. Nulldurchgangserkennung, Berechnung der Netzperiode, Winkelmessung, Einbruch und Schwellung, Spitzen- und Überstromerkennung sowie Leistungsfaktormessungen. Dabei werden die von den Regulierungsbehörden festgelegten Normen unterstützt, wie z. B. die Wirk-Energie-Normen (IEC 62053-21; IEC 62053-22; EN50470-3; OIML R46; und ANSI C12.20) und die Blind-Energie-Normen (IEC 62053-23 und IEC 62053-24).

Performance beginnt bei den Sensorkanälen

Die tatsächliche Performance, die mit den Funktionen eines modernen Energiemessgeräts erzielt wird, hängt stark von effektiven und glaubwürdigen Sensorkanälen ab. Der ADE9153A begegnet diesen Problemen mit zwei Ansätzen: einer geeigneten physikalischen Verbindung für die Strom- und Spannungssensoren und einem einzigartigen Kalibrierungsschema.

Der ADE9153A bietet zwei Stromkanäle. Kanal A ist ein hochentwickelter Datenpfad, der für die Verwendung mit einem Shunt optimiert wurde und in Abbildung 3 sowohl in vereinfachter als auch in detaillierter Form dargestellt ist.

Abbildung 3: Dargestellt ist die vereinfachte Anwendungsschaltung mit einem Shunt-Stromsensor auf Stromkanal A (oben); ebenfalls dargestellt ist der detaillierte Datenpfad für Stromkanal A (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

Kanal B ist für die Verwendung mit einem Stromwandler vorgesehen, der ebenfalls in vereinfachter und detaillierter Form in Abbildung 4 dargestellt ist. Beachten Sie, dass im Stromkanal B ein digitaler Integrator für den Anschluss eines di/dt-Stromsensors wie z. B. einer Rogowski-Spule enthalten ist.

Abbildung 4: Gezeigt wird eine Anwendungsschaltung mit einem Stromwandler als Stromsensor auf Stromkanal B (oben); ebenfalls gezeigt wird ein detaillierter Datenpfad für Stromkanal B (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

In ähnlicher Weise verfügt der ADE9153A über einen einzelnen Spannungskanal mit eigenem Datenpfad, der in Abbildung 5 in vereinfachter und detaillierter Form dargestellt ist.

Abbildung 5: Gezeigt wird eine vereinfachte Anwendungsschaltung, bei der die Spannung über einen Widerstandsteiler erfasst wird (oben); außerdem ist ein detaillierterer Schaltplan des Spannungskanal-Datenpfads zu sehen (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

Für die ständige Herausforderung der Kanalkalibrierung ist der ADE9153A mit der mSure-Autokalibrierungsfunktion ausgestattet, die die Kalibrierungszeit, den Arbeitsaufwand und die Ausrüstungskosten erheblich reduziert. Mit dieser Funktion kann ein Messgerät die Strom- und Spannungskanäle automatisch kalibrieren, ohne dass eine genaue Quelle oder ein Referenzmessgerät erforderlich ist, wenn ein Shunt-Widerstand als Stromsensor verwendet wird.

Die Wandlungskonstante (CC) jedes Kanals kann durch Einschalten des Messgeräts gemessen werden. Dieser Wert allein reicht aus, um die Autokalibrierung durchzuführen (CC ist der Wert, den mSure bei der Schätzung der Übertragungsfunktion von Sensor und Frontend zurückgibt).Die Autokalibrierung von mSure unterstützt Messgeräte der Klassen 1 und 2 nach Industriestandard. Auch wenn keine einzelne Zahl die vielen Facetten der Genauigkeit dieses ICs erfassen kann, ist eine Genauigkeit von etwa einem Prozent ein guter Richtwert für die Ergebnisse.

Das Gesamtbild

Ein moderner IC wie der ADE9153A ist leistungsstark und anspruchsvoll, aber es ist nicht trivial, ihn einzurichten und sein volles Potenzial zu nutzen. Um dieses Problem zu lösen, unterstützt Analog Devices den ADE9153A mit einem 50-seitigen Datenblatt sowie weiteren Dokumenten, die Einzelheiten zu bewährten Verfahren für das Leiterplattenlayout sowie zusätzliche technische Informationen enthalten (siehe Verwandte Inhalte).

Weitere Unterstützung für die Implementierung bietet das Evaluierungs-Erweiterungsboard EV-ADE9153ASHIELDZ, das auf der Arduino-Shield-Plattform basiert (Abbildung 6). Das Shield-Board verfügt über einen integrierten Shunt-Widerstand für die Netzstrommessung und ermöglicht die schnelle Evaluierung und das Prototyping von Energiemesssystemen, die den ADE9153A verwenden.

Abbildung 6: Das Evaluierungs-Erweiterungsboard EV-ADE9153ASHIELDZ ist ein Arduino-Shield, das die Evaluierung und das Prototyping von Energiemesssystemen, die den ADE9153A verwenden, beschleunigt. (Bildquelle: Analog Devices)

Der integrierte Shunt für die Netzstrommessung verarbeitet einen Nennstrom von 5 A und einen maximalen Strom von 10 A. Er unterstützt Messungen der Netz-Neutralspannung bis zu 240 Volt effektiv (nominal).

Eine Arduino-Bibliothek und Anwendungsbeispiele für den ADE9153A sind ebenfalls verfügbar, um die Implementierung größerer Systeme zu vereinfachen. Mit der mSure-Autokalibrierung kann das Shield-Board so kalibriert werden, dass es die Energie mit einer Genauigkeit von 1 % über den gesamten dynamischen Bereich misst, ohne dass eine teure Kalibrierungsausrüstung erforderlich ist.

Fazit

Die Herausforderungen bei der energiebewussten Erfüllung der heutigen Anforderungen an AC-Netzmessungen, können nicht mit einem einfachen Effektivwertwandler erfüllt werden. Stattdessen müssen Spannungs- und Stromwerte der Wechselstromleitung digitalisiert und dann Berechnungsfunktionen verwendet werden, um die vielen erforderlichen Leistungs- und Energieparameter zu ermitteln. Der ADE9153A von Analog Devices bietet mit seinen Datenpfaden für Spannungs- und Stromeingangssignale, einem internen Metrologie-Engine-Kern und einer Standard-SPI-Schnittstelle die dafür erforderlichen Funktionen und die erforderliche Genauigkeit.

Verwandte Inhalte

1: AN-1562, Layout-Überlegungen beim Hinzufügen von Energieüberwachung zu einem System mit dem ADE9153A

2: UG-1253, EV-ADE9153ASHIELDZ - Benutzerhandbuch

3: UG-1247, ADE9153A - Technisches Referenzhandbuch