Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© farang dreamstime.com Elektronikproduktion | 24 maj 2016

Sensorer i smarta elmätare

Även om storskaliga program för att införa smarta elmätare pågår i många länder världen över, är tekniken för smarta elmätare fortfarande relativt ny.
Konstruktionsmetoderna är många och ingenjörer behöver hjälp för att välja hur man skall hantera viktiga aspekter som avkänningen av ström. Det finns ett antal tekniker, men att välja rätt är viktigt.

Introduktion: Konstruktion av smarta elmätare för att klara kraven

Smarta elmätare måste användas i stort antal om smarta elnät skall kunna ge förväntade fördelar såsom minskade utsläpp av växthusgaser, ökad integration av förnybara energikällor och förbättrad tillförlitlighet.

Budskapet har tagits emot. Det finns för närvarande redan över 50 miljoner smarta elmätare installerade i USA, enligt US Energy Information Administration. EU har som mål att ersätta åtminstone 80 % av konventionella elmätare med smarta elmätare senast 2020. Ledande nationer i Asien, som Sydkorea och Kina, är också starkt engagerade.

Övergången till smarta elmätare ger möjligheter för mätartillverkare att ta fram nya produkter med avancerade funktioner som uppfyller behoven hos apparater, myndigheter och husägare i olika regioner i hela världen. Ur teknisk synvinkel är smarta elmätare fortfarande under utveckling och det finns mycket att utforska när det gäller applikationsnivå och användargränssnitt, liksom de tekniker som används för att inhämta, bearbeta och kommunicera data. I grund och botten är alla berörda parter överens om att smarta elmätare måste vara prisvärda, enkla att installera, extremt tillförlitliga, och i huvudsak underhållsfria. De måste också uppfylla fastställda normer för noggrannhet.

Fig. 1 visar de viktigaste funktionsblocken i en smart elmätare, från strömavkänning, signalkonditionering och -behandling till den lokala displayen och kommunikationskretsar som förbinder elmätaren med respektive elbolag.


Fig. 1. Huvudsakliga funktionsblock för strömavkänning, signalbehandling och kommunikation

Den mest populära kommunikationstekniken i hela Europa är elnätskommunikation, medan man i USA mer använder trådlös teknik. En artikel av Greentechmedia menar att detta beror på att amerikanska distributionsnät har en högre andel av transformatorer till hushållen än europeiska, vilket försvårar överföring av data över kraftledningarna.

De stora halvledartillverkarna har tagit fram olika plattformsarkitekturer för kunder som bygger smarta elmätare. Konstruktörer kan välja mellan olika smarta SoC-anordningar (System-on-Chip) som innehåller mikrokontroller, högnoggrann analog anpassning och mätarspecifik kringutrustning. Ett alternativt tillvägagångssätt är att kombinera en dedikerad energimätarkrets med en Digital Signal Controller (DSC) för att dra nytta av DSC:ns inbyggda DSP- motor för att utföra energiberäkningarna.

Strömavkänningsval

Vid anslutningen mellan den smarta elmätaren och det inkommande elnätet är korrekt strömavkänning nyckeln till att beräkna förbrukningsdata. Olika typer av strömavkännare kan användas för denna uppgift som precisionsshuntmotstånd, Rogowskispole, Hall-sensor eller strömtransformator.

Shuntmotstånd har fördelar i form av mycket låg komponentkostnad och god linjäritet över ett stort mätområde. Å andra sidan måste den ha låg resistans för att minimera förluster och uppfylla kraven i de lagstadgade normer som gäller för elmätare. Till exempel anger IEC 62053-21 och 62053-23 maximal förlust till 2W per fas. Ett motstånd på endast några hundra mikroohm kan tillåtas för att tillfredsställa detta krav vilket genererar en mycket låg spänning.

Denna signal kräver noggrann filtrering och förstärkning för att säkerställa noggrannheten vid låga strömnivåer. Omvänt, vid höga strömnivåer kan värmeförluster i mätaren vara ett bekymmer. Dessutom kan galvanisk separation vara nödvändig med hjälp av optokopplare eller transformatorer för att säkerställa användarnas säkerhet och för att förhindra kortslutning mellan faser i flerfasiga mätare.

En Rogowskispole lider inte av problem som shuntmotstånds effektförluster och är också lättare att installera eftersom spolen inte är i serie med ledningen utan istället är placerad runt strömförande kabel. En nackdel med detta tillvägagångssätt är att en Rogowskispole kan vara känslig för yttre störningar vilket kan äventyra mätnoggrannheten vid låga strömmar om inte skärmning används. Detta kan öka kostnaden för lösningen.

Hall-sensorer är vanligtvis dyrare än alternativa strömgivartyper och är även mer temperaturkänsliga. Billiga ostabiliserade sensorer förlorar också noggrannhet med åldern, medan stabiliserade sensorer kräver kompensationskretsar som ökar kostnad och komplexitet. Hall-sensorer kan också bli mättade vid höga värden på likström.

En strömtransformator har flera fördelar som låg kostnad, minimal effektförlust, enkel installation och hög stabilitet över både tid och temperatur. Immuniteten mot interferens är hög till skillnad från Rogowskispole, eftersom den magnetiska kretsen är sluten. Man måste dock vara försiktig när man väljer en strömtransformator för att säkerställa att den arbetar i det linjära området och undvika mättnad vid högre likströmmar.

Konstruera med en strömtransformator

Strömtransformatorn C/CT-1216 av klämtyp som visas i fig. 2 är tillgänglig via KEMET:s partnerskap med NEC TOKIN och har de kända fördelarna med strömtransformatorer och kan enkelt installeras genom att klämma över den aktuella matningskabeln. Den har en spänningsutgång vilket eliminerar behovet av externa resistorer. En annan fördel med denna anordning är dess mycket låga fasfel på mindre än 1°, som lätt kan kompenseras för att säkerställa optimal mätnoggrannhet.

I jämförelse med generella transformatorer, som har omsättningsförhållande typiskt i intervallet 1:10 till 1: 1000, har strömtransformatorn C/CT-1216 omsättningsförhållandet 1: 3000 vilket möjliggör noggrann mätning över ett brett användningsområde, från 0,1 A till 120A. Omsättningsfel på mindre än ± 1 % är 50 % bättre än tidigare generationer, vilket bidrar till att alla enheter som byggs är väl inom de angivna noggrannhetsgränserna.

Fig. 2. Strömtransformatorn C/CT-1216 kan tillgodose olika xEMS-applikationer (Energy-Measurement System)

När man väljer en strömtransformator bör den nominella strömmen vara tillräckligt hög för att transformatorn inte kommer att mättas vid högre värden på provströmmen. Detta är vanligtvis omkring 130 % av den maximala ström som ska mätas. Å andra sidan, att välja en strömtransformator med en överdrivet hög strömtålighet resulterar i en dyr och skrymmande lösning. C/CT-1216 har en märkström på 120A RMS, vilket är lagom för husapplikationer.

Fig. 3 visar det starkt linjära förhållandet mellan utspänning och primärström vilket garanterar konsekvent noggrannhet över ett brett belastningsområde.

Fig. 3. Linjäritet vid olika värden på belastning.

Slutsats

Smarta elmätarkonstruktioner fortsätter att utvecklas och kan konvergera mot en gemensam grundläggande arkitektur alltefter som smarta elnät mognar. Även om en mängd olika strömavkännande tekniker har använts, uppfyller strömtransformatorn viktiga krav som noggrannhet, energieffektivitet, tillförlitlighet och användarvänlighet till ett förmånligt pris.
-----

Författare: James C. Lewis, Technical Marketing Manager, © KEMET Corp.
Annons
Annons
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2018-11-11 12:47 V11.8.0-2