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關(guān)鍵的要求，不僅集中。對于并網(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)起到測量線路電壓和電流的精度適合于每個應(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)級系統(tǒng)精度所需收入的目的基本電源監(jiān)視器用于檢測線路故障，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)依賴于瞬時電流和電壓使用電流互感器(CT)和電壓互感器的測量(稱為PT，用于電壓互感器)的輸出轉(zhuǎn)換成由高速ADC(圖1)。反過來，一個處理器使用的瞬時電流和電壓測量值來計算密鑰的特性，包括有功功率，無功功率，視在功率和功率因數(shù) - 甚至更復(fù)雜的計算，例如諧波，這會導(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)計算的主處理器。 (德州儀器提供)

執(zhí)行這些功率計算取決于最前面上精確地測量電壓和電流。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，這需要±0.2%的精度。在實踐中，功率測量系統(tǒng)通常被設(shè)計為超越標(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算。

與此同時，這些功率特性的測量需要緊密同步的，電壓和電流在所有三個階段和中性的高分辨率測量。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量。電壓和電流測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)雜的功率計算。

同時采樣

為了減少高精度多通道測量的復(fù)雜度，設(shè)計者可以轉(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)，信號的動態(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)換器用于實現(xiàn)高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換分辨率的過采樣相關(guān)的周期延遲。

對于最苛刻的應(yīng)用，半導(dǎo)體制造商集成了復(fù)雜的AFE和專用SAR ADC，每個通道。對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讓所有三個階段的同步采樣和中性(圖2)。為每個信道專用的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每個通道ksps的用于MAX11046和510 ksps時為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，同時采樣ADC提供了獨立的AFE和ADC每個八通道需要高度精確的功率計算。 (馬克西姆集成提供)

對于一些應(yīng)用，設(shè)計人員可以簡單地扎CT和PT的緩沖輸出直接進入的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輸入鉗位支持這種類型的簡單配置。為了實現(xiàn)最大的吞吐量，但是，ADC通常所需要的換能器和ADC之間的運算放大器的驅(qū)動程序。事實上，無論從馬克西姆集成和德州儀器評估板包括這樣的驅(qū)動程序。其MAXREFDES30評估板為MAX11046，美信集成包括其MAX44252運算放大器的驅(qū)動程序。在TI ADS8688EVM-PDK評估板為ADS8568，德州儀器包括其OPA2209運放的驅(qū)動程序。

不太嚴(yán)格的要求

對于電力監(jiān)控應(yīng)用不太嚴(yán)格精度要求，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)向更溫和的性能屬性的設(shè)備。較簡單的要求功率監(jiān)視器僅需要檢測故障在電力線可利用較低分辨率的ADC的優(yōu)勢。德州儀器LMP92064電流/電壓監(jiān)視IC使用這種方法來提供一個單線功率監(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放大器來測量分流電阻和一個緩沖電壓信道來測量電壓電源的負(fù)載的負(fù)載電流。盡管如此，由獨立125-ksps的同時采樣電流和電壓通道的能力，12位ADC支持精確的功率計算。

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12位ADC，支持功率計算與不太苛刻的精度要求的應(yīng)用。 (德州儀器提供)

對于更簡單的監(jiān)控要求，設(shè)計人員可以經(jīng)常使用單一的ADC，具有一個外部多路轉(zhuǎn)換器來監(jiān)視電壓和電流的每一行上。事實上，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)計師可以找到的ADC設(shè)計，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通道。例如，TI的ADS8688的每個輸入通道包括過電壓保護，可編程增益放大器(PGA)，低通濾波器，并驅(qū)動進給共享多路復(fù)用到單個ADC。

結(jié)論

確保電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求的電壓高精度測量和電流每相。對于網(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，線電壓的同時采樣和當(dāng)前使用的ADC提供專用轉(zhuǎn)換器，用于每個信道。盡管基本的故障監(jiān)控建立在相同的原理，高精度測量應(yīng)用，設(shè)計人員可使用較低分辨率的ADC或提供高分辨率多通道測量以較低的吞吐速率復(fù)用的設(shè)備。設(shè)計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。