Sviluppo e vantaggi tecnologici della misurazione dell'energia in corrente continua

La misurazione dell'energia in corrente continua migliora l'accuratezza nella fatturazione energetica

I governi di tutto il mondo stanno attualmente implementando piani d'azione per affrontare la sfida a lungo termine e complessa della riduzione delle emissioni di CO2. Le emissioni di CO2 sono state identificate come un importante contributo alle conseguenze del cambiamento climatico, aumentando rapidamente la domanda di nuove tecnologie di conversione energetica efficienti e miglioramenti nella chimica delle batterie. 

Oggi, c'è una crescente domanda di soluzioni energetiche più efficienti ed ecologiche. Sebbene i primi sviluppatori di reti trovassero più facile fornire al mondo la corrente alternata (AC), la corrente continua (DC) offre un'efficienza notevolmente migliorata in molti settori. Le applicazioni di misurazione dell'energia in DC sono diversificate, con le stazioni di ricarica DC per veicoli elettrici destinate a diventare un'importante direzione di sviluppo.

Negli ultimi anni sono stati compiuti sforzi significativi per aumentare la capacità e la durata delle batterie, insieme alla diffusione di una rete di ricarica per veicoli elettrici. Questa rete è essenziale per eliminare le preoccupazioni riguardanti l'autonomia di guida o i tempi di ricarica, consentendo viaggi a lunga distanza in tutta comodità. Molti fornitori di energia e imprese private stanno implementando caricabatterie rapidi con capacità fino a 150 kW, e l'interesse pubblico è stato catturato anche da caricabatterie ultra-rapidi in grado di raggiungere fino a 500 kW per stazione di ricarica. Dato il picco di potenza di ricarica locale di megawatt presso le stazioni di ricarica ultra-rapide e le tariffe premiate di energia di ricarica rapida associate, la ricarica di veicoli elettrici è destinata a diventare un mercato significativo per lo scambio di energia elettrica, richiedendo una misurazione energetica accurata per fini di fatturazione.

Un'altra applicazione cruciale della distribuzione in corrente continua sono le microgrid, essenzialmente versioni più piccole dei sistemi di utilità pubblica che richiedono fonti energetiche sicure, affidabili ed efficienti. Le microgrid sono utilizzate in contesti come ospedali e basi militari e possono anche funzionare come parte dei sistemi pubblici, dove la generazione di energia rinnovabile, i generatori a combustibile e lo stoccaggio di energia creano collettivamente un sistema di distribuzione dell'energia affidabile.

Le microreti sono utilizzate anche nelle strutture edilizie, dove l'uso diffuso di generatori di energia rinnovabile consente agli edifici di essere autosufficienti in termini di elettricità. Con l'energia generata dai pannelli solari sul tetto e dalle piccole turbine eoliche che è sufficiente per il funzionamento autonomo, pur fornendo supporto dalla rete pubblica.

I data center alimentati da corrente continua sono un'altra applicazione significativa. Gli operatori dei data center stanno attivamente valutando varie tecnologie e soluzioni per migliorare l'efficienza energetica delle strutture, dato che l'energia è uno dei loro principali costi.

Gli operatori dei centri dati stanno riconoscendo i vantaggi associati alla distribuzione della corrente continua, che non solo minimizza la necessità di conversioni tra corrente alternata e continua, ma facilita anche un'integrazione più semplice e efficiente con le fonti di energia rinnovabile. Il raggiungimento di risparmi energetici dal 5% al 25% può migliorare l'efficienza di trasmissione e conversione, ridurre la generazione di calore e migliorare l'affidabilità e la disponibilità raddoppio riducendo lo spazio richiesto del 33%. Con molti operatori che adottano approcci di misurazione basati sul consumo di elettricità per la fatturazione dei clienti, la misurazione precisa dell'energia DC sta diventando sempre più importante.

Il metering dell'energia elettrica richiede la capacità di rilevare guasti e manomissioni dell'elettricità

All'inizio del XX secolo, i tradizionali misuratori di corrente alternata erano completamente elettromeccanici. Utilizzavano una combinazione di bobine di tensione e corrente per indurre correnti parassite in un disco di alluminio rotante. La coppia prodotta sul disco di alluminio, a causa del prodotto del flusso magnetico generato dalle bobine di tensione e corrente, era proporzionale all'elettricità consumata. Infine, fu aggiunto un magnete freno al disco di alluminio per garantire che la velocità di rotazione fosse direttamente proporzionale alla potenza effettivamente consumata. Contando il numero di rotazioni in un determinato periodo di tempo, era possibile misurare il consumo di elettricità.

I moderni contatori AC sono molto più complessi e precisi e possono anche prevenire il furto di elettricità. I contatori intelligenti avanzati possono monitorare la loro assoluta precisione e rilevare segni di furto sul posto 24 ore su 24. Che siano contatori moderni, contatori tradizionali, contatori AC o contatori DC, sono classificati in base alle loro costanti di impulsi kilowattora e ai livelli di precisione percentuale.

Per misurare la potenza consumata da un carico (P = V × I), sono necessari almeno un sensore di corrente e un sensore di tensione. Tipicamente, la corrente che scorre attraverso il contatore viene misurata sul lato ad alta tensione quando il lato a bassa tensione è al potenziale di terra. Questa configurazione riduce al minimo il rischio di corrente di dispersione non misurata. Tuttavia, la corrente può anche essere misurata sul lato a bassa tensione se l'architettura di progetto lo richiede, oppure si possono misurare entrambi i lati. La tecnica spesso prevede di misurare e confrontare la corrente su entrambi i lati del carico per abilitare le capacità di rilevamento guasti e manomissioni nel contatore. Quando si misura la corrente su entrambi i lati, è necessario almeno un sensore di corrente con isolamento per gestire l'alto potenziale tra i conduttori.

La tensione è solitamente misurata utilizzando divisori di tensione resistivi, dove una serie di resistori viene utilizzata per ridurre proporzionalmente la tensione a un livello compatibile con l'ingresso ADC del sistema. La misurazione precisa della tensione può essere facilmente ottenuta utilizzando componenti standard grazie alla grande ampiezza del segnale di ingresso. Tuttavia, è importante considerare il coefficiente di temperatura e il coefficiente di tensione dei componenti selezionati per garantire l'accuratezza richiesta su tutto l'intervallo di temperatura.

Fornire un ADC ad alta velocità con una corrente di ingresso ultra-bassa

Nei campi di applicazione della misurazione energetica in corrente continua, l'AD7779, l'AD8629 e l'ADA4528-1 di ADI svolgono ruoli significativi. Tra questi, l'AD7779 è un ADC a campionamento simultaneo a 8 canali che integra 8 ADC Σ-Δ completi sul chip. L'AD7779 presenta una corrente di ingresso ultra-bassa, permettendo la connessione diretta ai sensori. Ogni canale di ingresso comprende uno stadio di guadagno programmabile con guadagni di 1, 2, 4 e 8, consentendo di mappare le uscite dei sensori a bassa ampiezza sull'intero intervallo di ingresso ADC a piena scala, massimizzando la gamma dinamica della catena del segnale. L'AD7779 accetta VREF da 1 V a 3,6 V. Gli ingressi analogici accettano segnali di ingresso analogico unipolari (0 V a VREF/GAIN) o veramente bipolari (±VREF/GAIN/2 V), con tensioni di alimentazione analogica di 3,3 V o ±1,65 V. L'ingresso analogico può essere configurato per accettare segnali realmente differenziali, pseudo-differenziali o a un solo terminale per corrispondere alle diverse configurazioni di uscita dei sensori.

Ogni canale include un modulatore ADC e un filtro digitale sinc3 a bassa latenza. L'AD7779 utilizza SRC per il controllo fine della risoluzione del Tasso di Dati di Uscita (ODR). Questo controllo è utile per applicazioni in cui la risoluzione ODR deve mantenere la coerenza quando la frequenza di linea cambia di 0,01 Hz. L'SRC può essere programmato tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI). L'AD7779 supporta due diverse interfacce: un'interfaccia di uscita dei dati e un'interfaccia di controllo SPI. L'interfaccia di uscita dei dati ADC è dedicata all'invio dei risultati di conversione ADC dall'AD7779 al processore. L'interfaccia SPI è utilizzata per configurare i registri di configurazione dell'AD7779 per operazioni di lettura/scrittura e per controllare e leggere i dati dall'ADC SAR. L'interfaccia SPI può anche essere configurata per emettere dati di conversione Σ-Δ.

L'AD7779 è dotato di un ADC SAR a 12 bit che può essere utilizzato per la diagnostica interna all'AD7779 stesso, eliminando la necessità di dedicare un canale ADC Σ-Δ specificamente per le funzioni di misurazione del sistema. Tramite multiplexers esterni (controllati utilizzando 3 pin di input/output, GPIO) e condizionamento del segnale, l'ADC SAR può essere utilizzato per verificare i risultati di misurazione dell'ADC Σ-Δ in applicazioni che richiedono sicurezza funzionale. Inoltre, l'ADC SAR dell'AD7779 include un multiplexer che può essere utilizzato per rilevare nodi interni.

L'AD7779 incorpora una sorgente di tensione di riferimento da 2,5 V e un buffer di riferimento. Il coefficiente di temperatura della sorgente di tensione di riferimento è di 10 ppm/°C (tipico). L'AD7779 funziona in due modalità: modalità ad alta risoluzione e modalità a bassa potenza. La modalità ad alta risoluzione fornisce un intervallo dinamico più elevato con un consumo di potenza di 10,75 mW per canale, mentre la modalità a bassa potenza opera a una specifica di intervallo dinamico inferiore con un consumo di potenza di 3,37 mW per canale. L'intervallo di temperatura operativa nominale per l'AD7779 va da -40°C a +105°C, con una temperatura operativa massima del dispositivo di +125°C.

Un amplificatore con caratteristiche di rumore, deriva e corrente ultra-basse

L'amplificatore AD8629 di ADI offre un offset ultrabasso, deriva e correnti di polarizzazione, rendendolo una scelta ideale per applicazioni di precisione. È un amplificatore con ampia larghezza di banda, auto-zero, con capacità di ingresso e uscita rail-to-rail, oltre a caratteristiche di basso rumore. L'AD8629 funziona con una tensione di alimentazione singola di 2,7 V a 5 V (o doppia tensione di alimentazione di ±1,35 V a ±2,5 V).

L'AD8629 offre vantaggi precedentemente trovati solo in costosi amplificatori auto-zero o stabilizzati a tritave. Questi amplificatori a zero deriva utilizzano la topologia del circuito di ADI per combinare basso costo con alta precisione e prestazioni a basso rumore, tutto senza la necessità di condensatori esterni. Inoltre, l'AD8629 riduce significativamente il rumore di commutazione digitale presente in molti amplificatori stabilizzati a tritave.

AD8629 features an offset voltage of just 1 µV, offset voltage drift less than 0.005 µV/°C, and noise of only 0.5 µV peak-to-peak (0 Hz to 10 Hz), making it suitable for applications where error sources are not tolerated. These devices exhibit near-zero drift within their operating temperature range, making them highly advantageous for applications such as position and pressure sensors, medical equipment, and strain gage amplifiers. Many systems can benefit from the AD8629's rail-to-rail input and output swing capabilities to reduce input biasing complexity and achieve higher signal-to-noise ratios.

L'AD8629 ha un intervallo di temperatura nominale compreso tra -40°C e +125°C, estendendosi fino agli intervalli di temperatura industriale. È disponibile in confezioni standard in plastica SOIC stretto a 8 pin e MSOP.

Another amplifier from ADI, the ADA4528, is an ultra-low noise, zero-drift operational amplifier with rail-to-rail input and output swing capabilities. It features an offset voltage of 2.5 µV, offset voltage drift of 0.015 µV/°C, and noise of 97 µV peak-to-peak (0.1 Hz to 10 Hz, AV = +100), making it highly suitable for applications where error sources are not permitted.

L'ADA4528 funziona su un ampio intervallo di tensione di alimentazione da 2,2 V a 5,5 V e offre un elevato guadagno, eccellenti specifiche CMRR e PSRR, rendendolo una scelta ideale per l'amplificazione di precisione di segnali di basso livello in applicazioni come sensori di posizione e pressione, estensimetri, strumentazione medica e altro ancora.

L'ADA4528 ha un intervallo di temperatura nominale da -40°C a +125°C, estendendosi a intervalli di temperatura industriali. L'ADA4528-1 è disponibile nei pacchetti MSOP a 8 pin e LFCSP a 8 pin, mentre l'ADA4528-2 è disponibile in un pacchetto MSOP a 8 pin.

Con una tensione di offset massima di 2,5 µV e una deriva di tensione di offset massima di 0,015 µV/°C, l'ADA4528 è adatto per fornire un'amplificazione a deriva ultra-bassa, 100 V/V per segnali di corrente ridotti. Pertanto, può essere collegato direttamente allo stadio di amplificazione di un ADC a campionamento sincrono a 24 bit come l'AD7779, che presenta una deriva di riferimento di ingresso di 5 nV/℃. Utilizzando un divisore di tensione resistivo con un rapporto di 1000:1 direttamente collegato all'ingresso dell'ADC AD7779, è possibile misurare con precisione alte tensioni DC.

Conclusione

L'energy metering in corrente continua offre una maggiore precisione rispetto all'energy metering in corrente alternata. Nei mercati in rapida crescita come le stazioni di ricarica, le microgrid, i data center e altre applicazioni, l'energy metering in corrente continua offre una fatturazione equa e riduce la necessità di conversioni tra corrente alternata e corrente continua, minimizzando così le perdite di energia. L'integrazione con fonti di energia rinnovabile è anche più facile ed efficiente con il energy metering in corrente continua, rendendolo una tendenza significativa nello sviluppo. ADI è un esperto del settore nella tecnologia di rilevamento di precisione, offrendo catene di segnale complete per misurazioni precise di corrente e tensione per soddisfare standard rigorosi. I prodotti discussi in questo articolo rappresentano alcune delle migliori scelte per le applicazioni di energy metering in corrente continua.