정밀 DC 에너지 계량의 설계 문제 해결

광대역 갭 기반의 효율적인 전력 변환 기술 개발 덕분 반도체, 특히 에너지 청구가 관련된 경우 정밀 DC 에너지 계량이 관련되고 있습니다. 이 기사에서는 DC 계량 문제에 대해 논의하고 DC 에너지 계량기 설계에 대한 제안을 제공합니다.

초기 그리드 개발자는 사용하기 쉽기 때문에 교류(ac)를 사용하여 전 세계에 전력을 공급했습니다. 그러나 많은 영역에서 직류(dc)는 효율성을 극적으로 향상시킬 수 있으며, 광대역 갭 반도체를 기반으로 하는 효율적이고 경제적인 전력 변환 기술의 개발 덕분에 많은 응용 분야에서 이제 직류 에너지 교환으로 전환하는 이점을 보고 있습니다. 그 결과, 특히 에너지 청구가 관련된 경우 정밀 DC 에너지 측정이 중요해지고 있습니다.

이 2부작 시리즈의 첫 번째 기사에서는 전기 자동차 충전소, 재생 에너지 발전, 서버 팜, 마이크로그리드 및 P2P 에너지 공유의 DC 측정 기회에 대해 논의했습니다. 이 문서에서는 DC 측정의 문제점에 대해 논의하고 DC 에너지 측정기 설계에 대한 제안을 제공합니다.

1900년대 초에 전통적인 AC 에너지 미터는 완전히 전자 기계였습니다. 전압과 전류 코일의 조합은 회전하는 알루미늄 디스크에 와전류를 유도하는 데 사용되었습니다. 디스크의 결과 토크는 전압 및 전류 코일에 의해 생성된 자속의 곱에 비례했습니다. 마지막으로 디스크용 브레이킹 마그넷을 추가하여 회전 속도를 부하가 소비하는 실제 전력에 정비례하게 했습니다. 이때 소모된 에너지를 측정하는 것은 단순히 일정 시간 동안 회전 수를 세는 문제입니다.

최신 AC 미터는 훨씬 더 복잡하고 정확하며 변조로부터 보호됩니다. 이제 최첨단 스마트 미터는 절대 정확도를 모니터링하고 현장에 설치된 동안 연중무휴 24시간 변조 징후를 감지할 수 있습니다. m으로 활성화된 Analog Devices ADE9153B 측정 IC의 경우입니다. 물론 ^® 기술. 에너지 미터(현대식, 전통식, ac 또는 dc)는 모두 kWh 상수 및 백분율 등급 정확도당 임펄스로 분류됩니다. kWh당 임펄스 수는 에너지 업데이트 속도 또는 분해능을 나타냅니다. 등급 정확도는 에너지의 최대 측정 오차를 인증합니다.

오래된 기계식 계량기와 유사하게 주어진 시간 간격의 에너지는 이러한 충격을 계산하여 계산됩니다. 펄스 주파수가 높을수록 순시 전력이 높아지고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

DC 측정기 아키텍처

DC 미터의 기본 구조는 그림 1에 나와 있습니다. 부하에서 소비하는 전력(P =V × I)을 측정하려면 최소한 하나의 전류 센서와 하나의 전압 센서가 필요합니다.

전체 크기 이미지를 보려면 클릭하세요.

그림 1. DC 에너지 미터 시스템 아키텍처. (출처:Analog Devices)

낮은 쪽이 접지 전위일 때 미터를 통해 흐르는 전류는 측정되지 않은 누설의 위험을 최소화하기 위해 일반적으로 높은 쪽에서 측정되지만 전류는 낮은 쪽에서 또는 설계 아키텍처에서 요구하는 경우 양쪽에서 측정할 수도 있습니다. 부하의 양쪽에서 전류를 측정하고 비교하는 기술은 종종 오류 및 변조 감지 기능을 갖춘 미터를 활성화하는 데 사용됩니다. 그러나 전류가 양쪽에서 측정될 때 도체 양단의 높은 전위를 처리하기 위해 적어도 하나의 전류 센서를 절연해야 합니다.

전압 측정

전압은 일반적으로 시스템 ADC 입력과 호환되는 수준으로 전위를 비례적으로 줄이기 위해 저항 래더를 사용하는 저항성 전위 분배기로 측정됩니다.

입력 신호의 진폭이 크기 때문에 표준 구성 요소를 사용하여 정확한 전압 측정을 쉽게 달성할 수 있습니다. 그러나 전체 온도 범위에서 필요한 정확도를 보장하려면 선택한 구성 요소의 온도 계수와 전압 계수에 주의를 기울여야 합니다.

이전 기사에서 논의한 바와 같이 EV 충전소와 같은 애플리케이션을 위한 DC 에너지 미터는 차량에 전달된 에너지에 대해서만 요금을 청구해야 하는 경우가 있습니다. 측정 요구 사항을 충족하기 위해 EV 충전기용 DC 에너지 미터는 다중 전압 채널이 있어야 미터가 차량 진입점에서도 전압을 감지할 수 있습니다(4-와이어 측정). 4선식 구성의 DC 에너지 측정은 충전 더미와 케이블의 모든 저항 손실이 총 에너지 요금에서 할인되도록 합니다.

DC 에너지 측정을 위한 현재 측정값

전류는 직접 연결하거나 전하 캐리어의 흐름에 의해 생성된 자기장을 감지하여 간접적으로 측정할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 DC 전류 측정에 가장 많이 사용되는 센서에 대해 설명합니다.

분로 저항기

직접 연결 전류 감지는 ac 및 dc 전류를 측정하는 검증된 방법입니다. 전류 흐름은 알려진 값의 션트 저항을 통해 라우팅됩니다. 션트 저항의 전압 강하는 잘 알려진 옴의 법칙(V =R × I)에 설명된 대로 흐르는 전류에 정비례하며 증폭 및 디지털화되어 회로에 흐르는 전류의 정확한 표현을 제공합니다. .

션트 저항 감지는 이론적으로 무제한 대역폭으로 mA에서 kA까지 전류를 측정하는 저렴하고 정확하며 강력한 방법입니다. 그러나 이 방법에는 몇 가지 단점이 있습니다.

저항에 전류가 흐르면 전류의 제곱에 비례하여 줄열이 발생합니다. 이는 효율성 측면에서 손실을 유발할 뿐만 아니라 자체 발열로 인해 션트 저항 값 자체가 변경되어 결과적으로 정확도가 저하됩니다. 자체 발열 효과를 제한하기 위해 낮은 값의 저항이 사용됩니다. 그러나 작은 저항이 사용될 때 감지 소자 양단의 전압도 작아서 때때로 시스템의 dc 오프셋과 비슷합니다. 이러한 조건에서 동적 범위의 낮은 끝에서 필요한 정확도를 달성하는 것은 쉬운 일이 아닐 수 있습니다. 초저 dc 오프셋 및 초저 온도 드리프트가 있는 최첨단 아날로그 프런트 엔드를 사용하여 값이 작은 션트 저항기의 한계를 극복할 수 있습니다. 그러나 연산 증폭기에는 일정한 이득-대역폭 곱이 있으므로 높은 이득은 사용 가능한 대역폭을 제한합니다.

낮은 값의 전류 감지 션트는 일반적으로 망간-구리 또는 니켈-크롬과 같은 특정 금속 합금으로 만들어지며 구성 요소의 반대 온도 드리프트를 취소하여 수십 ppm/°C 정도의 전체 드리프트를 초래합니다.

직접 연결 dc 측정의 또 다른 오류 원인은 Seebeck 효과라고도 하는 열 기전력(EMF) 현상일 수 있습니다. Seebeck 효과는 접합을 형성하는 두 개 이상의 서로 다른 전기 전도체 또는 반도체 사이의 온도 차이로 인해 둘 사이에 전위차가 발생하는 현상입니다. Seebeck 효과는 잘 알려진 현상으로 열전대의 온도 감지에 널리 사용됩니다.

전체 크기 이미지를 보려면 클릭하세요.

그림 2. 온도 구배로 인한 션트의 열 EMF. (출처:Analog Devices)

4-와이어 연결된 전류 션트의 경우 줄 열은 저항성 합금 요소의 중심에 형성되어 PCB(또는 다른 매체)에 연결될 수 있는 구리 감지 와이어가 전파되는 동안 전파됩니다. 온도가 다릅니다.

감지 회로는 서로 다른 재료의 대칭 분포를 형성합니다. 따라서 네거티브 및 포지티브 감지 와이어의 접합부의 전위는 거의 상쇄됩니다. 그러나 더 큰 구리 덩어리(접지 평면)에 연결된 음의 감지 와이어와 같은 열 용량의 차이는 온도 분포의 불일치를 생성하여 열 EMF 효과로 인한 측정 오류를 초래할 수 있습니다.

이러한 이유로 션트의 연결과 생성된 열의 분포에 주의를 기울여야 합니다.

자기장 감지 - 간접 전류 측정

개방형 홀 효과

센서는 감지된 전류 와이어가 통과하는 높은 투자율 링으로 구성됩니다. 이것은 측정된 도체를 둘러싼 자기장 라인을 자기 코어의 단면 영역 내에 삽입되는 홀 효과 센서에 집중시킵니다. 이 센서의 출력은 사전 조정되며 일반적으로 다양한 맛으로 제공됩니다. 가장 일반적인 것은 0V ~ 5V, 4mA ~ 20mA 또는 디지털 인터페이스입니다. 비교적 저렴한 비용으로 절연 및 고전류 범위를 제공하지만 절대 정확도는 일반적으로 1% 미만입니다.

폐회로 홀 효과

전류 증폭기에 의해 구동되는 투과성 코어의 다중 회전 2차 권선은 총 자속이 0인 상태를 달성하기 위해 네거티브 피드백을 제공합니다. 보상 전류를 측정함으로써 선형성이 향상되고 개방 루프 솔루션에 비해 전반적으로 우수한 온도 드리프트 및 더 높은 정확도로 코어 히스테리시스가 없습니다. 일반적인 오류 범위는 최저 0.5%이지만 추가 보상 회로로 인해 센서가 더 비싸지고 때로는 대역폭이 제한됩니다.

플럭스게이트

의도적으로 포화된 코어의 자속 변화를 모니터링하여 전류를 측정하는 복잡한 개방 또는 폐쇄 루프 시스템입니다. 코일은 대칭 구형파 전압에 의해 구동되는 2차 코일에 의해 의도적으로 포화된 고투자율 강자성 코어 주위에 감겨 있습니다.

전체 크기 이미지를 보려면 클릭하세요.

그림 3. 자속 집중 장치와 자기 센서를 기반으로 하는 개방 루프 전류 변환기. (출처:Analog Devices)

전체 크기 이미지를 보려면 클릭하세요.

그림 4. 폐쇄 루프 전류 변환기의 작동 원리의 예. (출처:Analog Devices)

코일의 인덕턴스는 코어가 포지티브 또는 네거티브 포화에 도달할 때마다 붕괴되고 전류 변화율이 증가합니다. 코일의 전류 파형은 외부 자기장이 추가로 가해지면 파형이 비대칭이 되지 않는 한 대칭을 유지합니다. 이 비대칭의 크기를 측정함으로써 외부 자기장의 강도와 결과적으로 자기장을 생성한 전류를 추정할 수 있습니다. 0.1%까지 우수한 온도 안정성과 정확도를 제공합니다. 그러나 센서의 복잡한 전자 장치로 인해 다른 절연 솔루션보다 가격이 10배나 높은 고가의 솔루션입니다.

DC 에너지 측정:요구 사항 및 표준화

직류 에너지 계량의 표준화는 기존 교류 계량 표준 에코시스템에 비해 달성하기가 그리 어렵지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 업계 이해 관계자는 여전히 다양한 애플리케이션에 대한 요구 사항에 대해 논의하고 있으며 직류 계량의 정확한 세부 사항을 정리하는 데 더 많은 시간을 요구하고 있습니다.

IEC는 0.5% 및 1%의 정확도 등급으로 활성 에너지에 대한 dc 정적 미터에 대한 특정 요구 사항을 정의하기 위해 IEC 62053-41에 대해 작업하고 있습니다.

이 표준은 공칭 전압 및 전류 범위를 제안하고 미터의 전압 및 전류 채널의 최대 전력 소비에 대한 제한을 설정합니다. 또한 AC 측정 요구 사항과 마찬가지로 동적 범위 전체에 걸쳐 특정 정확도가 정의되며 무부하 조건에 대한 현재 임계값도 정의됩니다.

초안에서는 시스템의 대역폭에 대한 특정 요구 사항은 없지만 시스템의 최소 대역폭에 대한 암시적 요구 사항을 정의하여 성공적인 수행을 위해 빠른 부하 변동 테스트가 필요합니다.

EV 충전 애플리케이션의 DC 측정은 때때로 독일 표준 VDE-AR-E 2418 또는 기존 철도 표준 EN 50463-2를 준수합니다. EN 50463-2에 따르면 정확도는 변환기별로 지정되며 결합된 에너지 오류는 전압, 전류 및 계산 오류의 직교 합이 됩니다.

표 1. EN 50463-2에 따른 최대 백분율 전류 오류

현재 범위 클래스 0.2R 클래스 0.5R 클래스 1R 1% ~ 5% I_N 1%2.5%5%5% ~ 10% I_N 0.4%1%1.5%10% ~ 120% I_N 0.2%0.5%1%

표 2. EN 50463-2에 따른 최대 백분율 전압 오류

전압 범위 클래스 0.2R 클래스 0.5R 클래스 1R <66% V_N 0.4%1%2%66% ~ 130% V_N 0.2%0.5%1%

개념 증명 표준 준수 DC 미터

Analog Devices는 정밀 감지 기술의 업계 리더로서, 엄격한 표준 요구 사항을 충족하기 위해 정밀 전류 및 전압 측정을 위한 완전한 신호 체인을 제공합니다. 다음 섹션에서는 향후 애플리케이션별 표준 IEC 62053-41을 준수하는 DC 에너지 미터에 대한 개념 증명을 보여줍니다.

마이크로그리드 및 데이터 센터에서 청구 등급 DC 에너지 계량의 공간을 고려하면 표 3에 표시된 요구 사항을 가정할 수 있습니다.

표 3. DC 에너지 미터 사양 - 개념 증명

평점

명목 동적
범위 측정
(최대 범위) 전압±400 V_DC 100:1±600 VCurrent±80 A100:1±240 AAccuracy1% ~ 5% I_NOM 1% 5% ~ 120% I_NOM 0.5% 온도–25°C ~ +55°C–40°C ~+70°C 저장계 상수1000 imp/kWh 전압 및
현재 대역폭2.5kHz

작은 값과 낮은 EMF 션트(<1μV_EMF)를 사용하여 저렴하고 정확한 전류 감지를 달성할 수 있습니다. /°C). 션트 저항을 작게 유지하는 것은 자체 발열 효과를 줄이고 전력 수준을 표준에서 요구하는 한계 미만으로 유지하는 데 기본입니다.

상용 75μΩ 션트는 소비 전력을 0.5W 미만으로 유지합니다.

전체 크기 이미지를 보려면 클릭하세요.

그림 5. DC 미터 시스템 아키텍처. (출처:Analog Devices)

그러나 80A 공칭 전류의 1%는 75μΩ 분로에서 60μV의 작은 신호를 생성하므로 서브마이크로볼트 오프셋 드리프트 성능 범위의 신호 체인이 필요합니다.

최대 오프셋 전압이 2.5μV이고 최대 오프셋 전압 드리프트가 0.015μV/°C인 ADA4528은 작은 션트 신호에 대해 초저 드리프트, 100V/V 증폭을 제공하는 데 적합합니다. 따라서 동시 샘플링 24비트 ADC AD7779는 5nV/°C 입력 참조 오프셋 드리프트 기여와 함께 증폭 단계에 직접 연결할 수 있습니다.

높은 DC 전압은 AD7779 ADC 입력에 직접 연결된 1000:1 비율의 저항성 전위 분배기로 정확하게 측정할 수 있습니다.

마지막으로 마이크로컨트롤러는 각 ADC가 인터럽트 루틴을 샘플링하는 간단한 샘플별 인터럽트 구동 계측 기능을 구현합니다.

• 전압 및 전류 샘플 읽기
• 순시 전력 계산(P =I × V)
• 에너지 축적기에 순간 전력을 축적합니다.
• 에너지 축적기가 에너지 임계값을 초과하는지 확인하여 에너지 펄스를 생성하고 에너지 축적 레지스터를 지웁니다.

또한, 계측 기능 외에도 마이크로컨트롤러는 RS-485, LCD 디스플레이 및 푸시 버튼과 같은 시스템 수준 인터페이스를 지원합니다.

전체 크기 이미지를 보려면 클릭하세요.

그림 6. 개념 증명 - 프로토타입. (출처:Analog Devices)

---

루카 마티니 M.Eng을 받았습니다. 2016년 이탈리아 볼로냐 대학교에서 에너지 전자 및 통신 공학 학위를 취득했습니다. M.Eng. 학위를 취득한 그는 독일 뉘른베르크의 Fraunhofer IIS에서 압전 에너지 수확기의 특성화를 위한 정밀 실시간 제어 시스템을 개발하는 데 7개월을 보냈습니다. 2006년부터 2016년까지 Luca는 생물의학 분야에서 시스템 및 하드웨어 개발자로 일했습니다. 2016년 Luca는 영국 에든버러에 있는 Analog Devices의 에너지 및 산업 시스템 그룹에 합류했습니다. [email protected]으로 연락할 수 있습니다.

---

관련 콘텐츠:

• 정밀 DC 에너지 측정에 대한 수요 증가
• 스마트 미터 수명 주기의 개인 정보 보호 및 보안 강화
• 진정한 무선 전력 기술의 약속 실현
• 위조 방지 센서가 스마트 측정을 지원합니다.
• 전기 자동차 전력 관리를 향상시키는 새로운 솔루션
• 스마트 그리드를 위한 기본 계량기 설계 준비

더 많은 Embedded를 보려면 Embedded의 주간 이메일 뉴스레터를 구독하세요.