全電子功率計(jì)和電能表

AD775x系列電能測(cè)量集成電路接受代表電力系統(tǒng)中本地電壓和電流的電壓輸入，并使用過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入。片上數(shù)字處理器連續(xù)計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的乘積，該乘積與瞬時(shí)功率成正比。AD775x系列中每種類型特有的輸入調(diào)理、濾波、深處理和其他特性為各種電源系統(tǒng)應(yīng)用提供了計(jì)量解決方案。

例如，該系列中最通用的成員AD7750（圖1）對(duì)計(jì)算產(chǎn)品進(jìn)行低通濾波，然后使用數(shù)頻轉(zhuǎn)換輸出一對(duì)與瞬時(shí)實(shí)際功率成比例的互補(bǔ)脈沖序列（用于驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器或兩相步進(jìn)電機(jī)）以及適合校準(zhǔn)和測(cè)試的更高頻率輸出。

圖1.AD7750在測(cè)量單相有功功率的典型應(yīng)用中的功能框圖。

功率測(cè)量方面的進(jìn)展

在繼續(xù)討論系統(tǒng)應(yīng)用及其功能之前，讓我們考慮一下電氣行業(yè)功率測(cè)量的最新進(jìn)展。

與許多其他重工業(yè)一樣，電力公司近年來對(duì)復(fù)雜電子產(chǎn)品的熟悉程度大大提高。例如，由于一些國家的權(quán)力下放和另一些國家的放松管制鼓勵(lì)客戶擁有更大的發(fā)言權(quán)，電子設(shè)備取代長期使用的機(jī)電儀表的比率預(yù)計(jì)將迅速增加。能源生產(chǎn)者和消費(fèi)者都可以從電子電表中受益匪淺。

典型的儀表將與瞬時(shí)電壓和電流成比例的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后計(jì)算平均和瞬時(shí)有功功率、無功功率、有功電能等，并串行傳輸信息。

通過遠(yuǎn)程和自動(dòng)抄表以及高效的數(shù)據(jù)管理，改善客戶服務(wù)。除了收到更可信的水電費(fèi)賬單外，消費(fèi)者還可以從更可靠的配電中受益。當(dāng)客戶電表通過網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，可以更快地檢測(cè)、識(shí)別和糾正停電。

如果降低系統(tǒng)中所需的峰值功率與平均功率之比，則隨之而來的所需發(fā)電能力的減少將減少環(huán)境干擾和污染。盡管人口增長，但多費(fèi)率計(jì)費(fèi)提供的激勵(lì)措施將有助于大大減少高峰使用量。通過監(jiān)測(cè)單個(gè)用電設(shè)備施加的電能質(zhì)量污染（例如，過度無功功率、非線性負(fù)載、直流偏移）來保持配電清潔度。通過安裝智能卡控制的電表，消費(fèi)者可以從更低的電費(fèi)中受益，從而降低提供服務(wù)、抄表和處理數(shù)據(jù)的運(yùn)營成本。

電子儀表可以精確計(jì)算功率，不受非線性負(fù)載引起的相移和波形失真的影響;此外，在配電網(wǎng)絡(luò)上流行的固定負(fù)載調(diào)節(jié)方案存在的情況下，機(jī)電儀表無法準(zhǔn)確測(cè)量能量。因此，在這些條件下，電子測(cè)量更加穩(wěn)健和準(zhǔn)確。

既然電子式電能表在功能和性能方面優(yōu)于機(jī)電式電能表，那么它們?cè)诔杀竞涂煽啃苑矫嫒绾委B加？豎起大拇指！ADI公司憑借其在為軍事、航空航天和大批量消費(fèi)類產(chǎn)品大量供應(yīng)模擬、數(shù)字和混合信號(hào)集成電路方面享有盛譽(yù)的公司進(jìn)入這一領(lǐng)域，有望實(shí)現(xiàn)業(yè)界一直在等待的高可靠性和低成本電子產(chǎn)品之間的成功結(jié)合。認(rèn)識(shí)到單相電表的成本限制，ADI公司已經(jīng)確定了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以幫助電表制造商滿足其體積要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其成本目標(biāo)并緩解其可靠性問題。

自動(dòng)抄表、智能卡預(yù)付費(fèi)和多重費(fèi)率計(jì)費(fèi)等未來的可能性將發(fā)揮重要作用，但實(shí)際準(zhǔn)確可靠的能源測(cè)量，無論是真實(shí)的還是無功的，是進(jìn)步能源供應(yīng)商和分銷商的主要關(guān)注點(diǎn)。電子測(cè)量可減少制造投資，提高測(cè)量精度和質(zhì)量，并增加及時(shí)的信息，這些優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子板式電能表設(shè)計(jì)。

數(shù)字信號(hào)處理器和微控制器

電子電能表的首次嘗試通過在模擬域中乘以電流和電壓來獲得功率，但事實(shí)證明，溫度和時(shí)間的線性度并不比機(jī)電儀表好。數(shù)字計(jì)算的自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)/校正所提供的穩(wěn)定性、線性度和準(zhǔn)確性已經(jīng)席卷整個(gè)通信行業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)到了電力計(jì)量的大門?；跀?shù)字信號(hào)處理 （DSP） 的產(chǎn)品對(duì)已通過片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 數(shù)字化的電流和電壓信號(hào)執(zhí)行乘法和其他計(jì)算。盡管環(huán)境變化，但以數(shù)字方式處理信號(hào)可隨著時(shí)間的推移提供穩(wěn)定和準(zhǔn)確的計(jì)算。

雖然可編程DSP以低成本廣泛提供，并提供一定程度的靈活性，但處理電功率測(cè)量的最具成本效益的形式可能是使用低成本固定功能（嵌入式）DSP，帶有片上A/D轉(zhuǎn)換器，用于測(cè)量和計(jì)算，以及相關(guān)的微控制器來處理編程任務(wù)以及通信和顯示的簡(jiǎn)單計(jì)算。DSP 不斷轉(zhuǎn)換、采樣和計(jì)算瞬時(shí)功率和平均功率。

例如，在過去一年中，使用4 MHz，4位微處理器制造了許多不同的電能表設(shè)計(jì)。這種微控制器在管理一些內(nèi)務(wù)管理功能時(shí)允許有限程度的可配置性，例如數(shù)據(jù)加密和解調(diào)、多費(fèi)率計(jì)費(fèi)的時(shí)間戳以及能源輸送智能（斷電檢測(cè)、遠(yuǎn)程斷開連接、預(yù)付款、負(fù)載管理）。微處理器允許用戶選擇他們想要的服務(wù)級(jí)別，并且公用事業(yè)可以遠(yuǎn)程配置單個(gè)儀表。

標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品

為電能測(cè)量而設(shè)計(jì)的不斷增長的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品系列不僅消除了與機(jī)電電能表相關(guān)的高制造投資;它還大大減少了開發(fā)ASIC（專用集成電路）的需求。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品以較低的共享成本結(jié)合了眾多不同客戶的常見問題解決方案。電子電表制造商在尋求優(yōu)化測(cè)量選擇的整體成本效益時(shí)應(yīng)考慮的因素包括精度、硬件、軟件、開發(fā)成本、上市時(shí)間和易于實(shí)施。

如表所示，ADI公司不斷壯大的固定功能DSP系列可滿足全球各種系統(tǒng)考慮因素。該系列組件的選擇取決于給定系統(tǒng)所需的儀表類型。

表 1.集成功率計(jì) IC

該系列首款A(yù)D7750設(shè)計(jì)用于直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)計(jì)數(shù)器，將功率與能量集成在一起。在成本方面，步進(jìn)電機(jī)計(jì)數(shù)器在發(fā)展中國家很受歡迎，因?yàn)樗侵圃炝畠r(jià)固態(tài)電能表的實(shí)用方法。斷電時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。其他解決方案，如發(fā)光二極管（LED）顯示器或液晶顯示器（LCD），需要高引腳數(shù)驅(qū)動(dòng)器和在斷電期間存儲(chǔ)讀數(shù)的方法。

接下來的系列產(chǎn)品具有串行端口接口，用于與微處理器進(jìn)行雙向通信。即將推出的產(chǎn)品將通過解決電源、電流傳感器、振蕩器和外部增益校準(zhǔn)的成本來幫助降低電表的成本。最終，與電表制造商和公用事業(yè)公司的密切合作將產(chǎn)生一種高度集成的設(shè)備，旨在提供大量功能，同時(shí)滿足激進(jìn)的成本目標(biāo)。

AD7750集成了兩個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和測(cè)量電能所需的數(shù)字信號(hào)處理邏輯。除了A/D轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電路中的模擬電路外，所有其他信號(hào)處理（例如乘法和濾波）都在數(shù)字域中進(jìn)行。這種方法在極端環(huán)境條件和時(shí)間推移中提供了卓越的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器以900 kHz的過采樣速率工作，簡(jiǎn)化了抗混疊，可將來自電流和電壓傳感器的電壓信號(hào)數(shù)字化。電流通道具有寬動(dòng)態(tài)范圍和可編程增益，可處理與各種電流-電壓傳感器的直接連接，這些傳感器通常具有低端電壓。高通濾波器從電流通道中去除任何直流，從而消除了失調(diào)電壓可能引入實(shí)際功率計(jì)算的不準(zhǔn)確性。

實(shí)際功率是根據(jù)瞬時(shí)功率信號(hào)計(jì)算得出的，瞬時(shí)功率信號(hào)是通過將電流和電壓信號(hào)相乘產(chǎn)生的?？梢詫⒏咄V波器切換到當(dāng)前通道的信號(hào)路徑，以消除任何失調(diào)。低通濾波可降低線路頻率諧波并提取有功功率（即直流）分量。這種方法可以正確計(jì)算實(shí)際功率，即使使用非正弦電流和電壓波形以及任何功率因數(shù)也是如此。數(shù)字信號(hào)處理（乘法、濾波等）可確保溫度和時(shí)間范圍內(nèi)的高穩(wěn)定性。

該芯片還包含兩個(gè)數(shù)頻轉(zhuǎn)換器;一個(gè)具有低頻輸出，另一個(gè)具有高頻輸出。在這兩種情況下，數(shù)頻轉(zhuǎn)換器的輸出脈沖率隨實(shí)際功耗值隨時(shí)間變化而變化。該芯片提供一系列輸出頻率，可由設(shè)計(jì)人員選擇，以適應(yīng)大多數(shù)儀表。低頻輸出由于脈沖之間的累積時(shí)間長，其頻率與平均有功功率成正比。高頻輸出具有較短的累積時(shí)間，與瞬時(shí)有功功率成正比。因此，高頻輸出可用于在穩(wěn)定負(fù)載條件下校準(zhǔn)儀表。

具有片上故障檢測(cè)功能的能量計(jì)量IC

AD7751是一款精確的容錯(cuò)電能測(cè)量IC，適用于雙線配電系統(tǒng)。該器件采用新穎的故障檢測(cè)方案，既能發(fā)出故障情況警告，又允許AD7751在發(fā)生故障事件時(shí)繼續(xù)準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)。它通過連續(xù)監(jiān)控相位和零線（返回）電流來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。當(dāng)這些電流相差超過12.5%時(shí)，表示故障，并使用兩個(gè)電流中較大的一個(gè)繼續(xù)計(jì)費(fèi)。

帶脈沖輸出的能量計(jì)量IC

AD7755內(nèi)核與AD7751引腳兼容，但不包括容錯(cuò)計(jì)費(fèi)功能。它還設(shè)計(jì)使其可用于具有 2 根以上電線的系統(tǒng)，包括 2 相和 3 相系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷