Un singolo CI risolve la sfida della misurazione dell'energia monofase

Oggi, "energia" e "potenza" sono termini di discussione sulla bocca di tutti. Non solo a livello "micro" legato al consumo di un circuito o di un sistema, ma ci sono anche considerazioni relative all'energia e alla potenza della linea c.a., soprattutto per quanto riguarda l'uso di energia, il risparmio energetico e le fonti rinnovabili. Vediamo cosa significano questi termini e come misurarli in modo efficace.

Una delle prime lezioni che gli studenti di ingegneria imparano è cosa si intende per "energia" e "potenza". Questi due concetti sono correlati ma nettamente diversi, eppure spesso vengono utilizzati in modo intercambiabile nelle conversazioni e nei rapporti informali (anche tra gli ingegneri).

Tecnicamente, l'energia è la capacità di svolgere il lavoro, mentre la potenza è la velocità con cui l'energia viene acquisita o spesa. Matematicamente, la potenza è la derivata temporale dell'energia, mentre l'energia è l'integrale temporale della potenza.

I valori quadratici medi (rms) di tensione e corrente sono fondamentali nell'analisi dell'energia e della potenza. Matematicamente, il valore rms di una tensione variabile nel tempo f(t) viene calcolato utilizzando:

Equazione 1

Dove T = il periodo della forma d'onda.

Tenere presente che per un'onda sinusoidale di base non distorta esiste una relazione semplice tra la tensione c.a. di picco e il valore rms:

Equazione 2

Qual è il significato del valore rms nel caso generale? Il valore rms di un segnale c.a. confronta il valore di riscaldamento di un segnale c.a. sconosciuto con quello di un segnale c.c. noto su carichi identici ed è pari alla quantità di c.c. necessaria per produrre la stessa quantità di riscaldamento del carico. Quando la potenza dissipata nei carichi è uguale, la tensione c.c. nota è uguale al valore rms del segnale c.a. sconosciuto.

Ad esempio, un rms c.a. di 1 V applicato a un elemento riscaldante resistivo, produrrà la stessa quantità di calore prodotta da c.c. a 1 V. Di fatto, alcuni strumenti c.c. rms pre-elettronici utilizzavano una disposizione in cui una sorgente c.c. e quella rms sconosciuta riscaldavano resistori identici. La fonte c.c. è stata quindi regolata per far corrispondere le temperature dei resistori; questo indicherà il valore rms.

Fortunatamente, i circuiti integrati hanno reso abbastanza semplice determinare il valore rms utilizzando configurazioni di calcolo completamente analogiche (Figura 1). In questo circuito, l'amplificatore differenziale a guadagno programmabile AD628 di Analog Devices (qui configurato per un fattore di attenuazione di 25) riduce in scala il segnale della linea di alimentazione prima di applicarlo al convertitore rms-c.c. AD8436 di Analog Devices.

Figura 1: Questi due integrati con circuiti totalmente analogici, forniscono un'uscita c.c. che rappresenta l'ingresso rms della linea di alimentazione c.a. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'amplificatore differenziale ha un ingresso di modo comune di ±120 V e un intervallo di modo differenziale che lo rendono idoneo per dividere la linea di alimentazione ad alta tensione. L'equivalente preciso in corrente continua del valore rms della forma d'onda c.a viene fornito sull'uscita rms.

I requisiti odierni da una linea c.a. sono molto più alti

L'approccio rms-c.c. completamente analogico funziona, ma può dare solo un'informazione. Nell'attuale ambiente di gestione dell'energia, il sistema deve conoscere molto di più della forma d'onda c.a. monofase, oltre al suo valore rms.

A complicare il problema c'è il fatto che la tensione c.a. non è un'onda sinusoidale bella e pulita, ma presenta molte deviazioni dal valore nominale e anche distorsioni. Inoltre, raramente il carico è una resistenza pura, per cui si verificano variazioni di fase tra la forma d'onda della tensione e quella della corrente. Nel complesso, ci sono attributi che è possibile stabilire solo con un'ulteriore analisi numerica digitale.

Questa realtà della linea c.a. è dove eccelle il CI autocalibrato per la misurazione dell'energia ADE9153A di Analog Devices (Figura 2). È pensato per applicazioni come i contatori di energia monofase, la misurazione dell'energia e della corrente, l'illuminazione stradale, i sistemi di distribuzione intelligente dell'energia elettrica e il monitoraggio delle condizioni delle macchine. La porta dell'interfaccia periferica seriale (SPI) ad alta velocità da 10 MHz di ADE9153A consente di accedere ai suoi registri. Funziona con un'alimentazione di 3,3 V ed è disponibile in un contenitore LFCSP a 32 conduttori.

Figura 2: Il CI autocalibrato per la misurazione dell'energia ADE9153A è destinato ad applicazioni monofase e dispone di blocchi funzionali analogici e digitali interni per un'analisi dettagliata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADE9153A fa molto di più che fornire la funzione di base di digitalizzazione dei valori di tensione e corrente della linea in c.a. Il suo avanzato motore metrologico calcola i principali risultati relativi all'energia e alla potenza e può calcolare la tensione e la corrente di linea, l'energia attiva (wattora (Wh)), l'energia reattiva fondamentale (volt-ampere-ora reattiva (VARh)), l'energia apparente ed effettuare i calcoli rms di corrente e tensione.

ADE9153A include anche misurazioni della qualità dell'alimentazione, come il rilevamento di zero-crossing, il calcolo del periodo di linea, la misurazione dell'angolo, abbassamento e innalzamento, il rilevamento dei picchi e delle sovracorrenti e le misurazioni del fattore di potenza (PF). Tutto ciò, supportando gli standard definiti dalle agenzie di regolamentazione, come quelli sull'energia attiva (IEC 62053-21; IEC 62053-22; EN50470-3; OIML R46; ANSI C12.20) e sull'energia reattiva (IEC 62053-23 e IEC 62053-24).

Le prestazioni iniziano dai canali dei sensori

Le prestazioni effettive ottenute utilizzando le caratteristiche e le funzionalità di qualsiasi dispositivo avanzato di misurazione dell'energia dipendono fortemente da canali di sensori efficaci e affidabili. ADE9153A affronta questi problemi con due approcci: una connettività fisica adeguata per i sensori di corrente e tensione e un esclusivo schema di calibrazione.

ADE9153A ha due canali di corrente. Il canale A è un sofisticato percorso dati ottimizzato per l'uso di uno shunt ed è illustrato in forma sia semplificata che dettagliata nella Figura 3.

Figura 3: Circuito semplificato dell'applicazione con un sensore di corrente a derivazione sul canale di corrente A (in alto). Viene inoltre mostrato il percorso dati dettagliato del canale di corrente A (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il canale B è destinato all'uso di un trasformatore di corrente, anch'esso illustrato in versione semplificata e dettagliata nella Figura 4. Tenere presente che nel canale di corrente B è incluso un integratore digitale per l'interfacciamento con un sensore di corrente di/dt come una bobina di Rogowski.

Figura 4: Circuito dell'applicazione con un trasformatore di corrente come sensore di corrente sul canale di corrente A (in alto). È illustrato anche il percorso dati dettagliato del canale di corrente B (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Analogamente, ADE9153A dispone di un singolo canale di tensione con un proprio percorso dati, mostrato in versione sia semplificata che dettagliata nella Figura 5.

Figura 5: Circuito semplificato dell'applicazione con tensione rilevata tramite un divisore resistivo (in alto). Viene inoltre mostrato uno schema più dettagliato del percorso dati del canale di tensione (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per far fronte alla sfida continua della calibrazione dei canali, ADE9153A incorpora la funzione di autocalibrazione mSure per ridurre significativamente i tempi di calibrazione, la manodopera e i costi delle apparecchiature. Questa funzione consente a un misuratore di calibrare automaticamente i canali di corrente e tensione senza bisogno di una sorgente accurata o di un misuratore di riferimento quando si utilizza un resistore di shunt come sensore di corrente.

La costante di conversione (CC) di ciascun canale può essere misurata accendendo lo strumento. Questo valore è sufficiente per eseguire l'autocalibrazione (CC è il valore restituito da mSure quando stima la funzione di trasferimento del sensore e del front-end).I misuratori di Classe 1 e Classe 2, standard del settore, sono supportati dall'autocalibrazione mSure. Sebbene nessun singolo numero possa cogliere le molteplici sfaccettature dell'accuratezza di questo CI, un buon valore di primo ordine per i risultati corrisponde a un'accuratezza dell'1% circa.

Assemblaggio di tutti i componenti

Un CI avanzato come ADE9153A è potente e sofisticato, ma configurarlo e utilizzarlo al massimo delle sue potenzialità non è semplice. Per risolvere questo problema, Analog Devices supporta ADE9153A con una scheda tecnica di 50 pagine e altri documenti che forniscono dettagli sulle migliori pratiche per il layout del circuito stampato e ulteriori approfondimenti tecnici (vedere Contenuto correlato).

Un ulteriore supporto alla progettazione è offerto dalla scheda di espansione di valutazione EV-ADE9153ASHIELDZ, basata sulla piattaforma shield Arduino (Figura 6). Lo shield ha un resistore di shunt integrato per la misurazione della corrente di linea e consente la valutazione e la prototipazione rapide dei sistemi di misurazione dell'energia che utilizzano ADE9153A.

Figura 6: La scheda di espansione di valutazione EV-ADE9153ASHIELDZ è uno shield Arduino che accelera la valutazione e la prototipazione dei sistemi di misurazione dell'energia che utilizzano ADE9153A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Lo shunt incorporato per la misurazione della corrente di linea gestisce una corrente nominale di 5 A e una corrente massima di 10 A. Supporta misurazioni della tensione linea-neutro fino a 240 V rms (nominali).

Per semplificare l'implementazione di sistemi più grandi, sono disponibili anche librerie Arduino ed esempi applicativi per ADE9153A. Grazie all'autocalibrazione mSure, lo shield può essere calibrato per misurare l'energia con un'accuratezza dell'1% sulla gamma dinamica senza dover ricorrere a costose apparecchiature di calibrazione.

Conclusione

Le sfide che i progettisti devono affrontare per soddisfare gli odierni requisiti di misurazione della linea c.a. a risparmio energetico non possono essere vinte con un convertitore rms-c.c. di base. Occorre infatti digitalizzare i valori di tensione e corrente della linea c.a. e poi applicare funzioni di calcolo per stabilire i numerosi parametri di potenza ed energia richiesti. ADE9153A di Analog Devices fornisce le caratteristiche e l'accuratezza necessarie a questo scopo, grazie ai percorsi dati di interfacciamento dei segnali di ingresso di tensione e corrente, a un core di metrologia interna e a un'interfaccia SPI standard.

Contenuto correlato

1: AN-1562, Layout Considerations when Adding Energy Monitoring to a System Using the ADE9153A

2: UG-1253, EV-ADE9153ASHIELDZ User Guide

3: UG-1247, ADE9153A Technical Reference Manual