精密DCエネルギー計測における設計上の課題への対処
ワイドバンドギャップ半導体に基づく効率的な電力変換技術の開発のおかげで、特にエネルギー課金が関係する場合、高精度のDCエネルギー計測が重要になりつつあります。この記事では、DC計測の課題について説明し、DCエネルギーメーターの設計に関する提案を提供します。
初期のグリッド開発者は、使いやすさから、交流（ac）を使用して世界に電力を供給していました。ただし、多くの分野で、直流（dc）によって効率が劇的に向上し、ワイドバンドギャップ半導体に基づく効率的で経済的な電力変換技術の開発により、多くのアプリケーションでDCエネルギー交換に切り替えることでメリットが得られます。その結果として、特にエネルギー請求が関係する場合、高精度のDCエネルギー計測が適切になりつつあります。
この2部構成のシリーズの最初の記事では、電気自動車の充電ステーション、再生可能エネルギーの生成、サーバーファーム、マイクログリッド、およびピアツーピアのエネルギー共有におけるDCメータリングの機会について説明しました。この記事では、DC計測の課題について説明し、DCエネルギーメーターの設計に関する提案を提供します。
1900年代初頭、従来のACエネルギーメーターは完全に電気機械式でした。電圧コイルと電流コイルの組み合わせを使用して、回転するアルミニウムディスクに渦電流を誘導しました。結果として生じるディスクのトルクは、電圧コイルと電流コイルによって生成された磁束の積に比例していました。最後に、ディスクに破壊磁石を追加すると、回転速度は負荷によって消費される実際の電力に正比例します。この時点で、消費されるエネルギーを測定することは、単に一定期間の回転数を数えることです。
最新のACメーターは、はるかに複雑で正確であり、改ざんから保護されています。現在、最先端のスマートメーターは、その絶対精度を監視し、フィールドに設置されている間、24時間年中無休で改ざんの兆候を検出することもできます。これは、 m で有効化されたAnalogDevicesADE9153BメータリングICの場合です。 確かに ® テクノロジー。エネルギーメーター（最新、従来型、AC、またはDC）はすべて、kWh定数あたりのインパルスとクラス精度のパーセンテージによって分類されます。 kWhあたりのインパルスの数は、エネルギー更新レートまたは分解能を示します。クラスの精度は、エネルギーの最大測定誤差を証明します。
古い機械式メーターと同様に、特定の時間間隔のエネルギーは、これらのインパルスをカウントすることによって計算されます。パルス周波数が高いほど、瞬時電力が高くなり、その逆も同様です。
DCメーターアーキテクチャ
DCメーターの基本的なアーキテクチャを図1に示します。負荷によって消費される電力（P =V×I）を測定するには、少なくとも1つの電流センサーと1つの電圧センサーが必要です。
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図1.DCエネルギーメーターシステムのアーキテクチャ。 （出典：Analog Devices）
ローサイドがアース電位にある場合、メーターを流れる電流は通常、メーターなしのリークのリスクを最小限に抑えるためにハイサイドで測定されますが、設計アーキテクチャで必要な場合は、ローサイドまたは両側で電流を測定することもできます。負荷の両側の電流を測定および比較する手法は、障害および改ざん検出機能を備えたメーターを有効にするためによく使用されます。ただし、電流を両側で測定する場合は、導体間の高電位に対処するために、少なくとも1つの電流センサーを分離する必要があります。
電圧測定
電圧は通常、抵抗分圧器を使用して測定されます。抵抗のはしごを使用して、システムのADC入力と互換性のあるレベルまで電位を比例的に低減します。
入力信号の振幅が大きいため、標準部品で正確な電圧測定を簡単に行うことができます。ただし、温度範囲全体で必要な精度を保証するには、選択したコンポーネントの温度係数と電圧係数に注意を払う必要があります。
前の記事で説明したように、EV充電ステーションなどのアプリケーションのDCエネルギーメーターは、車両に転送されたエネルギーに対してのみ請求する必要がある場合があります。測定要件を満たすために、EV充電器用のDCエネルギーメーターには複数の電圧チャネルが必要な場合があります。これにより、メーターは車両の入口でも電圧を検出できます（4線式測定）。 4線式構成のDCエネルギー計測により、充電パイルとケーブルのすべての抵抗損失が総エネルギー料金から割り引かれます。
DCエネルギー計測の現在の測定
電流は、直接接続によって、または電荷キャリアの流れによって生成された磁場を感知することによって間接的に測定することができます。次のセクションでは、DC電流測定用の最も一般的なセンサーについて説明します。
シャント抵抗
直接接続電流検出は、ACおよびDC電流を測定するための実証済みの方法です。電流の流れは、既知の値のシャント抵抗を経由します。シャント抵抗の両端の電圧降下は、よく知られているオームの法則（V =R×I）で説明されているように、流れる電流に正比例し、増幅およびデジタル化できるため、回路を流れる電流を正確に表すことができます。 。
シャント抵抗センシングは、理論的に無制限の帯域幅で、mAからkAまでの電流を測定するための安価で正確かつ強力な方法です。ただし、この方法にはいくつかの欠点があります。
抵抗器に電流が流れると、電流の2乗に比例してジュール熱が発生します。これにより、効率が低下するだけでなく、自己発熱によりシャント抵抗値自体が変化し、結果として精度が低下します。自己発熱効果を制限するために、低い値の抵抗が使用されます。ただし、小さな抵抗を使用すると、検出素子の両端の電圧も小さくなり、システムのDCオフセットに匹敵する場合があります。これらの条件では、ダイナミックレンジの下限で必要な精度を達成することは簡単な作業ではない場合があります。超低DCオフセットと超低温度ドリフトを備えた最先端のアナログフロントエンドを使用して、小さな値のシャント抵抗の制限を克服することができます。ただし、オペアンプのゲイン帯域幅積は一定であるため、ゲインが高いと使用可能な帯域幅が制限されます。
値の小さい電流検出シャントは通常、マンガン-銅やニッケル-クロムなどの特定の金属合金でできており、構成要素の反対の温度ドリフトをキャンセルして、全体のドリフトを数十ppm /°Cのオーダーにします。
直接接続のDC測定における別のエラーの原因は、ゼーベック効果としても知られる熱起電力（EMF）の現象である可能性があります。ゼーベック効果は、接合部を形成する少なくとも2つの異なる導電体または半導体間の温度差が2つの間に電位差を生成する現象です。ゼーベック効果はよく知られた現象であり、熱電対の温度を検出するために広く使用されています。
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図2.温度勾配によって引き起こされるシャントの熱起電力。 （出典：Analog Devices）
4線式接続電流シャントの場合、ジュール熱が抵抗性合金要素の中心に形成され、PCB（または別の媒体）に接続されている可能性のある銅の検出線が別の温度。
検知回路は、さまざまな材料の対称的な分布を形成します。したがって、負と正の検出ワイヤの接合部の電位はほぼ相殺されます。ただし、負の検出ワイヤがより大きな銅の塊（グランドプレーン）に接続されているなど、熱容量に違いがあると、温度分布に不一致が生じ、熱EMF効果によって測定誤差が発生する可能性があります。
そのため、シャントの接続と発生する熱の分布に注意を払う必要があります。
磁場センシング-間接電流測定
開ループホール効果
センサーは、検出された電流ワイヤーが通過する高透磁率リングで構成されています。これにより、測定された導体を取り巻く磁力線が、磁気コアの断面積内に挿入されたホール効果センサーに集中します。このセンサーの出力は事前調整されており、通常はさまざまなフレーバーで利用できます。最も一般的なものは、0 V〜5 V、4 mA〜20 mA、またはデジタルインターフェイスです。比較的低コストで絶縁と高電流範囲を提供しますが、絶対精度は通常1％未満の範囲ではありません。
閉ループホール効果
電流増幅器によって駆動される透磁率コアのマルチターン二次巻線は、ゼロの全磁束状態を達成するために負帰還を提供します。補償電流を測定することにより、直線性が改善され、開ループソリューションと比較して全体的に優れた温度ドリフトと高精度のコアヒステリシスがありません。通常のエラー範囲は0.5％までですが、追加の補償回路によりセンサーがより高価になり、帯域幅が制限される場合があります。
フラックスゲート
意図的に飽和したコアの磁束変動を監視することによって電流を測定する複雑な開ループまたは閉ループシステムです。コイルは、対称方形波電圧によって駆動される二次コイルによって意図的に飽和された高透磁率の強磁性コアの周りに巻かれています。
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図3.磁束コンセントレータと磁気センサーに基づく開ループ電流トランスデューサ。 （出典：Analog Devices）
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図4.閉ループ電流トランスデューサの動作原理の例。 （出典：Analog Devices）
コイルのインダクタンスは、コアが正または負の飽和に近づくたびに崩壊し、その電流の変化率が増加します。コイルの電流波形は、外部磁場が追加で印加されない限り対称のままです。外部磁場が追加された場合、波形は非対称になります。この非対称性の大きさを測定することにより、外部磁場の強度、ひいてはそれを生成した電流を推定することができます。 0.1％までの良好な温度安定性と精度を提供します。ただし、センサーの複雑な電子機器により、他の分離されたソリューションよりも10倍高い価格の高価なソリューションになります。
DCエネルギー計測：要件と標準化
DCエネルギーメータリングの標準化は、既存のACメータリング標準エコシステムと比較して達成するのはそれほど難しいことではないように思われるかもしれませんが、業界の利害関係者は依然としてさまざまなアプリケーションの要件について議論しており、DCメータリングの正確な詳細を明らかにするためにもっと時間を求めています。
IECは、0.5％および1％の精度クラスで有効エネルギーのDC静的メーターに固有の要件を定義するためにIEC62053-41に取り組んでいます。
この規格は、公称電圧および電流の範囲を提案し、メーターの電圧および電流チャネルの最大消費電力に制限を設定します。さらに、ACメータリング要件と同様に、ダイナミックレンジ全体で特定の精度が定義され、無負荷状態の現在のしきい値も定義されます。
ドラフトでは、システムの帯域幅に関する特定の要件はありませんが、システムの最小帯域幅に関する暗黙の要件を定義して、高速負荷変動テストを正常に実行する必要があります。
EV充電アプリケーションのDCメータリングは、ドイツの標準VDE-AR-E2418または古い鉄道標準EN50463-2に準拠している場合があります。 EN 50463-2によると、精度はトランスデューサーごとに指定され、結合されたエネルギー誤差は、電圧、電流、および計算誤差の直交和になります。
表1.EN50463-2に準拠した最大パーセント電流エラー
現在の範囲 クラス0.2R クラス0.5R クラス1R 1％から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％表2.EN50463-2に準拠した最大パーセント電圧エラー
電圧範囲 クラス0.2R クラス0.5R クラス1R <66％V N 0.4％1％2％66％〜130％V N 0.2％0.5％1％概念実証標準準拠DCメーター
アナログ・デバイセズは、高精度センシング技術の業界リーダーであり、制限された規格要件を満たすための高精度の電流および電圧測定用の完全なシグナルチェーンを提供しています。次のセクションでは、今後のアプリケーション固有の標準IEC62053-41に準拠したDCエネルギーメーターの概念実証を示します。
マイクログリッドとデータセンターでの課金グレードのDCエネルギー計測のスペースを考慮すると、表3に示す要件を仮定できます。
表3.DCエネルギーメーターの仕様-概念実証
評価
名目 動的範囲 測定
（最大範囲） 電圧±400V DC 100：1±600V電流±80A100：1±240A精度1％〜5％I NOM 1％5％〜120％I NOM 0.5％温度–25°C〜 + 55°C–40°C〜
+ 70°CストレージメーターConstant1000imp / kWh電圧および
電流帯域幅2.5kHz
小さな値と低いEMFシャント（<1μV EMF ）を使用することで、安価で正確な電流検出を実現できます。 /°C）。シャント抵抗を小さく保つことは、自己発熱効果を減らし、電力レベルを規格で要求される制限未満に保つための基本です。
市販の75μΩシャントは、消費電力を0.5W未満に保ちます。
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図5.DCメーターシステムのアーキテクチャ。 （出典：Analog Devices）
ただし、80 Aの公称電流の1％は、75μΩのシャントで60μVの小信号を生成するため、サブマイクロボルトのオフセットドリフト性能の範囲の信号チェーンが必要です。
2.5μVの最大オフセット電圧と0.015μV/°Cの最大オフセット電圧ドリフトを備えたADA4528は、小さなシャント信号に超低ドリフト、100 V / Vの増幅を提供するのに非常に適しています。したがって、同時サンプリングの24ビットADC AD7779は、5nV /°Cの入力換算オフセットドリフト寄与により、増幅段に直接接続できます。
AD7779 ADC入力に直接接続された1000：1の比率の抵抗分圧器を使用すると、高いDC電圧を正確に測定できます。
最後に、マイクロコントローラーは、サンプルごとの単純な割り込み駆動計測機能を実装します。各ADCサンプルについて、割り込みルーチンは次のとおりです。
- 電圧と電流のサンプルを読み取ります
- 瞬時電力を計算します（P =I×V）
- エネルギーアキュムレータに瞬時電力を蓄積します
- エネルギーアキュムレータがエネルギーしきい値を超えてエネルギーパルスを生成するかどうかを確認し、エネルギー蓄積レジスタをクリアします
さらに、計測機能に加えて、マイクロコントローラーはRS-485、LCDディスプレイ、プッシュボタンなどのシステムレベルのインターフェースを可能にします。
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図6.概念実証—プロトタイプ。 （出典：Analog Devices）
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ルカマティーニ M.Engを取得しました。 2016年にイタリアのボローニャ大学でエネルギーの電子工学および電気通信工学の学位を取得しました。彼のM.Engの一部として。学位を取得した彼は、ドイツのニュルンベルクにあるフラウンホーファーIISで7か月間過ごし、圧電環境発電機の特性評価のための高精度リアルタイム制御システムを開発しました。 2006年から2016年まで、Lucaは生物医学部門でシステムおよびハードウェアの開発者として働いていました。 2016年、ルカは英国のエジンバラにあるアナログ・デバイセズのエネルギーおよび産業システムグループに加わりました。彼の連絡先は[email protected]です。 >
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