多通道采樣精確的按鍵電力線監(jiān)控

準(zhǔn)確的電力線監(jiān)控已在電網(wǎng)本身，而且在其邊緣成為一個(gè)關(guān)鍵的要求，不僅集中。對(duì)于并網(wǎng)能量收集發(fā)電系統(tǒng)，甚至為終端設(shè)備，持續(xù)的電能質(zhì)量特性分析，有助于確保電網(wǎng)和連接系統(tǒng)的健康狀況。在功率監(jiān)視系統(tǒng)的心臟，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)起到測(cè)量線路電壓和電流的精度適合于每個(gè)應(yīng)用程序的電平的關(guān)鍵作用。工程師可以從制造商包括Analog Devices公司，產(chǎn)科寶電子，Intersil公司，凌力爾特滿足各種需求 - 從公用事業(yè)級(jí)系統(tǒng)精度所需收入的目的基本電源監(jiān)視器用于檢測(cè)線路故障，采用高性能ADC和相關(guān)組件， Maxim的集成，Microchip的科技，安森美半導(dǎo)體，電子脈沖和德州儀器。

在最基本的層面上，電力監(jiān)控系統(tǒng)依賴于瞬時(shí)電流和電壓使用電流互感器(CT)和電壓互感器的測(cè)量(稱為PT，用于電壓互感器)的輸出轉(zhuǎn)換成由高速ADC(圖1)。反過(guò)來(lái)，一個(gè)處理器使用的瞬時(shí)電流和電壓測(cè)量值來(lái)計(jì)算密鑰的特性，包括有功功率，無(wú)功功率，視在功率和功率因數(shù) - 甚至更復(fù)雜的計(jì)算，例如諧波，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

德州儀器典型的電力監(jiān)控系統(tǒng)的圖像

圖1：典型的電力監(jiān)控系統(tǒng)的樣品線路電流和電壓，采用高速模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，提供高分辨率的數(shù)據(jù)，以用于電力參數(shù)計(jì)算的主處理器。 (德州儀器提供)

執(zhí)行這些功率計(jì)算取決于最前面上精確地測(cè)量電壓和電流。如ANSI C12.20北美和IEC 62053標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特定精度水平，如0.2級(jí)，這需要±0.2%的精度。在實(shí)踐中，功率測(cè)量系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)為超越標(biāo)準(zhǔn)精度規(guī)格-依靠高采樣率和高分辨率的轉(zhuǎn)換器，以捕捉高速瞬變，并確保更復(fù)雜的特性，例如多諧波可靠的計(jì)算。

與此同時(shí)，這些功率特性的測(cè)量需要緊密同步的，電壓和電流在所有三個(gè)階段和中性的高分辨率測(cè)量。同步采樣允許的電壓和電流，每行之間的相位角的非常精確的測(cè)量。電壓和電流測(cè)量之間缺乏同步可以引入假象，降低整體精度，顯著妥協(xié)更復(fù)雜的功率計(jì)算。

同時(shí)采樣

為了減少高精度多通道測(cè)量的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)者可以轉(zhuǎn)向，結(jié)合高分辨率ADC與旨在優(yōu)化阻抗匹配模擬前端(AFE)，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍高度集成的器件，偏移，并且能夠侵蝕性能的其他因素和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。制造商通常圍繞逐次逼近寄存器(SAR)轉(zhuǎn)換器這些高性能同步采樣ADC。 SAR ADC提供高精確度不與Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換分辨率的過(guò)采樣相關(guān)的周期延遲。

對(duì)于最苛刻的應(yīng)用，半導(dǎo)體制造商集成了復(fù)雜的AFE和專用SAR ADC，每個(gè)通道。對(duì)于高度精確的功率監(jiān)控，8通道ADC，例如Maxim的MAX11046集成和德州儀器ADS8568讓所有三個(gè)階段的同步采樣和中性(圖2)。為每個(gè)信道專用的AFE和ADC，這些設(shè)備都能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率-250每個(gè)通道ksps的用于MAX11046和510 ksps時(shí)為ADS8568(并行輸出接口)。

Maxim的集成的三相電源監(jiān)控圖像

圖2：三相電源監(jiān)控，同時(shí)采樣ADC提供了獨(dú)立的AFE和ADC每個(gè)八通道需要高度精確的功率計(jì)算。 (馬克西姆集成提供)

對(duì)于一些應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地扎CT和PT的緩沖輸出直接進(jìn)入的ADC包括的Maxim集成MAX11046和TI ADS8568的輸入，如圖建議2.設(shè)備如MAX11046提供高輸入的輸入阻抗和自我保護(hù)輸入鉗位支持這種類型的簡(jiǎn)單配置。為了實(shí)現(xiàn)最大的吞吐量，但是，ADC通常所需要的換能器和ADC之間的運(yùn)算放大器的驅(qū)動(dòng)程序。事實(shí)上，無(wú)論從馬克西姆集成和德州儀器評(píng)估板包括這樣的驅(qū)動(dòng)程序。其MAXREFDES30評(píng)估板為MAX11046，美信集成包括其MAX44252運(yùn)算放大器的驅(qū)動(dòng)程序。在TI ADS8688EVM-PDK評(píng)估板為ADS8568，德州儀器包括其OPA2209運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)程序。

不太嚴(yán)格的要求

對(duì)于電力監(jiān)控應(yīng)用不太嚴(yán)格精度要求，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向更溫和的性能屬性的設(shè)備。較簡(jiǎn)單的要求功率監(jiān)視器僅需要檢測(cè)故障在電力線可利用較低分辨率的ADC的優(yōu)勢(shì)。德州儀器LMP92064電流/電壓監(jiān)視IC使用這種方法來(lái)提供一個(gè)單線功率監(jiān)視IC，它需要很少的額外的組件(圖3)。該器件集成精密電流檢測(cè)放大器來(lái)測(cè)量分流電阻和一個(gè)緩沖電壓信道來(lái)測(cè)量電壓電源的負(fù)載的負(fù)載電流。盡管如此，由獨(dú)立125-ksps的同時(shí)采樣電流和電壓通道的能力，12位ADC支持精確的功率計(jì)算。

德州儀器LMP92064的圖

圖3：功率監(jiān)控器IC，例如德州儀器LMP92064使用一對(duì)12位ADC，支持功率計(jì)算與不太苛刻的精度要求的應(yīng)用。 (德州儀器提供)

對(duì)于更簡(jiǎn)單的監(jiān)控要求，設(shè)計(jì)人員可以經(jīng)常使用單一的ADC，具有一個(gè)外部多路轉(zhuǎn)換器來(lái)監(jiān)視電壓和電流的每一行上。事實(shí)上，8：1多路復(fù)用器，如Intersil的DG408器，Maxim Integrated MAX4581和安森美半導(dǎo)體MC74HC4051A可以支持需要更基本的電力監(jiān)控三相應(yīng)用。

設(shè)計(jì)師可以找到的ADC設(shè)計(jì)，支持廣泛的渠道整合多路復(fù)用器，數(shù)據(jù)吞吐量，并轉(zhuǎn)換分辨率。對(duì)于三相電源監(jiān)控，如ADI公司AD7699，凌特LTC2372和德州儀器ADS8688器件集成了八通道多路復(fù)用器與ADC和專用的模擬前端為每個(gè)通道。例如，TI的ADS8688的每個(gè)輸入通道包括過(guò)電壓保護(hù)，可編程增益放大器(PGA)，低通濾波器，并驅(qū)動(dòng)進(jìn)給共享多路復(fù)用到單個(gè)ADC。

結(jié)論

確保電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求的電壓高精度測(cè)量和電流每相。對(duì)于網(wǎng)并列能量采集系統(tǒng)和設(shè)備，電力監(jiān)控同樣需要高分辨率，線電壓的同時(shí)采樣和當(dāng)前使用的ADC提供專用轉(zhuǎn)換器，用于每個(gè)信道。盡管基本的故障監(jiān)控建立在相同的原理，高精度測(cè)量應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可使用較低分辨率的ADC或提供高分辨率多通道測(cè)量以較低的吞吐速率復(fù)用的設(shè)備。設(shè)計(jì)師可以找到專為滿足這些廣泛的渠道支持，位分辨率和采樣率的ADC要求現(xiàn)成的可用性。