Annons
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 elmĂ€tare pĂ„gĂ„r i mĂ„nga lĂ€nder vĂ€rlden över, Ă€r tekniken för smarta elmĂ€tare fortfarande relativt ny.
Konstruktionsmetoderna Àr mÄnga och ingenjörer behöver hjÀlp för att vÀlja hur man skall hantera viktiga aspekter som avkÀnningen av ström. Det finns ett antal tekniker, men att vÀlja rÀtt Àr viktigt.

Introduktion: Konstruktion av smarta elmÀtare för att klara kraven

Smarta elmÀtare mÄste anvÀndas i stort antal om smarta elnÀt skall kunna ge förvÀntade fördelar sÄsom minskade utslÀpp av vÀxthusgaser, ökad integration av förnybara energikÀllor och förbÀttrad tillförlitlighet.

Budskapet har tagits emot. Det finns för nÀrvarande redan över 50 miljoner smarta elmÀtare installerade i USA, enligt US Energy Information Administration. EU har som mÄl att ersÀtta Ätminstone 80 % av konventionella elmÀtare med smarta elmÀtare senast 2020. Ledande nationer i Asien, som Sydkorea och Kina, Àr ocksÄ starkt engagerade.

ÖvergĂ„ngen till smarta elmĂ€tare ger möjligheter för mĂ€tartillverkare att ta fram nya produkter med avancerade funktioner som uppfyller behoven hos apparater, myndigheter och husĂ€gare i olika regioner i hela vĂ€rlden. Ur teknisk synvinkel Ă€r smarta elmĂ€tare fortfarande under utveckling och det finns mycket att utforska nĂ€r det gĂ€ller applikationsnivĂ„ och anvĂ€ndargrĂ€nssnitt, liksom de tekniker som anvĂ€nds för att inhĂ€mta, bearbeta och kommunicera data. I grund och botten Ă€r alla berörda parter överens om att smarta elmĂ€tare mĂ„ste vara prisvĂ€rda, enkla att installera, extremt tillförlitliga, och i huvudsak underhĂ„llsfria. De mĂ„ste ocksĂ„ uppfylla faststĂ€llda normer för noggrannhet.

Fig. 1 visar de viktigaste funktionsblocken i en smart elmÀtare, frÄn strömavkÀnning, signalkonditionering och -behandling till den lokala displayen och kommunikationskretsar som förbinder elmÀtaren med respektive elbolag.


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

Den mest populÀra kommunikationstekniken i hela Europa Àr elnÀtskommunikation, medan man i USA mer anvÀnder trÄdlös teknik. En artikel av Greentechmedia menar att detta beror pÄ att amerikanska distributionsnÀt har en högre andel av transformatorer till hushÄllen Àn europeiska, vilket försvÄrar överföring av data över kraftledningarna.

De stora halvledartillverkarna har tagit fram olika plattformsarkitekturer för kunder som bygger smarta elmÀtare. Konstruktörer kan vÀlja mellan olika smarta SoC-anordningar (System-on-Chip) som innehÄller mikrokontroller, högnoggrann analog anpassning och mÀtarspecifik kringutrustning. Ett alternativt tillvÀgagÄngssÀtt Àr att kombinera en dedikerad energimÀtarkrets med en Digital Signal Controller (DSC) för att dra nytta av DSC:ns inbyggda DSP- motor för att utföra energiberÀkningarna.

StrömavkÀnningsval

Vid anslutningen mellan den smarta elmÀtaren och det inkommande elnÀtet Àr korrekt strömavkÀnning nyckeln till att berÀkna förbrukningsdata. Olika typer av strömavkÀnnare kan anvÀndas för denna uppgift som precisionsshuntmotstÄnd, Rogowskispole, Hall-sensor eller strömtransformator.

ShuntmotstĂ„nd har fördelar i form av mycket lĂ„g komponentkostnad och god linjĂ€ritet över ett stort mĂ€tomrĂ„de. Å andra sidan mĂ„ste den ha lĂ„g resistans för att minimera förluster och uppfylla kraven i de lagstadgade normer som gĂ€ller för elmĂ€tare. Till exempel anger IEC 62053-21 och 62053-23 maximal förlust till 2W per fas. Ett motstĂ„nd pĂ„ endast nĂ„gra hundra mikroohm kan tillĂ„tas för att tillfredsstĂ€lla detta krav vilket genererar en mycket lĂ„g spĂ€nning.

Denna signal krÀver noggrann filtrering och förstÀrkning för att sÀkerstÀlla noggrannheten vid lÄga strömnivÄer. OmvÀnt, vid höga strömnivÄer kan vÀrmeförluster i mÀtaren vara ett bekymmer. Dessutom kan galvanisk separation vara nödvÀndig med hjÀlp av optokopplare eller transformatorer för att sÀkerstÀlla anvÀndarnas sÀkerhet och för att förhindra kortslutning mellan faser i flerfasiga mÀtare.

En Rogowskispole lider inte av problem som shuntmotstÄnds effektförluster och Àr ocksÄ lÀttare att installera eftersom spolen inte Àr i serie med ledningen utan istÀllet Àr placerad runt strömförande kabel. En nackdel med detta tillvÀgagÄngssÀtt Àr att en Rogowskispole kan vara kÀnslig för yttre störningar vilket kan Àventyra mÀtnoggrannheten vid lÄga strömmar om inte skÀrmning anvÀnds. Detta kan öka kostnaden för lösningen.

Hall-sensorer Àr vanligtvis dyrare Àn alternativa strömgivartyper och Àr Àven mer temperaturkÀnsliga. Billiga ostabiliserade sensorer förlorar ocksÄ noggrannhet med Äldern, medan stabiliserade sensorer krÀver kompensationskretsar som ökar kostnad och komplexitet. Hall-sensorer kan ocksÄ bli mÀttade vid höga vÀrden pÄ likström.

En strömtransformator har flera fördelar som lÄg kostnad, minimal effektförlust, enkel installation och hög stabilitet över bÄde tid och temperatur. Immuniteten mot interferens Àr hög till skillnad frÄn Rogowskispole, eftersom den magnetiska kretsen Àr sluten. Man mÄste dock vara försiktig nÀr man vÀljer en strömtransformator för att sÀkerstÀlla att den arbetar i det linjÀra omrÄdet och undvika mÀttnad vid högre likströmmar.

Konstruera med en strömtransformator

Strömtransformatorn C/CT-1216 av klÀmtyp som visas i fig. 2 Àr tillgÀnglig via KEMET:s partnerskap med NEC TOKIN och har de kÀnda fördelarna med strömtransformatorer och kan enkelt installeras genom att klÀmma över den aktuella matningskabeln. Den har en spÀnningsutgÄng vilket eliminerar behovet av externa resistorer. En annan fördel med denna anordning Àr dess mycket lÄga fasfel pÄ mindre Àn 1°, som lÀtt kan kompenseras för att sÀkerstÀlla optimal mÀtnoggrannhet.

I jÀmförelse med generella transformatorer, som har omsÀttningsförhÄllande typiskt i intervallet 1:10 till 1: 1000, har strömtransformatorn C/CT-1216 omsÀttningsförhÄllandet 1: 3000 vilket möjliggör noggrann mÀtning över ett brett anvÀndningsomrÄde, frÄn 0,1 A till 120A. OmsÀttningsfel pÄ mindre Àn ± 1 % Àr 50 % bÀttre Àn tidigare generationer, vilket bidrar till att alla enheter som byggs Àr vÀl inom de angivna noggrannhetsgrÀnserna.

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

NĂ€r man vĂ€ljer en strömtransformator bör den nominella strömmen vara tillrĂ€ckligt hög för att transformatorn inte kommer att mĂ€ttas vid högre vĂ€rden pĂ„ provströmmen. Detta Ă€r vanligtvis omkring 130 % av den maximala ström som ska mĂ€tas. Å andra sidan, att vĂ€lja en strömtransformator med en överdrivet hög strömtĂ„lighet resulterar i en dyr och skrymmande lösning. C/CT-1216 har en mĂ€rkström pĂ„ 120A RMS, vilket Ă€r lagom för husapplikationer.

Fig. 3 visar det starkt linjÀra förhÄllandet mellan utspÀnning och primÀrström vilket garanterar konsekvent noggrannhet över ett brett belastningsomrÄde.

Fig. 3. LinjÀritet vid olika vÀrden pÄ belastning.

Slutsats

Smarta elmĂ€tarkonstruktioner fortsĂ€tter att utvecklas och kan konvergera mot en gemensam grundlĂ€ggande arkitektur alltefter som smarta elnĂ€t mognar. Även om en mĂ€ngd olika strömavkĂ€nnande tekniker har anvĂ€nts, uppfyller strömtransformatorn viktiga krav som noggrannhet, energieffektivitet, tillförlitlighet och anvĂ€ndarvĂ€nlighet till ett förmĂ„nligt pris.
-----

Författare: James C. Lewis, Technical Marketing Manager, © KEMET Corp.
Annons
Annons
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2019-01-11 20:28 V11.10.27-1