全電子功率計(jì)和電能表

AD775x系列電能測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)和測試的更高頻率輸出。

圖1.AD7750在測量單相有功功率的典型應(yīng)用中的功能框圖。

功率測量方面的進(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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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、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)確測量能量。因此，在這些條件下，電子測量更加穩(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，那么它們在成本和可靠性方面如何疊加？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)。電子測量可減少制造投資，提高測量精度和質(zhì)量，并增加及時(shí)的信息，這些優(yōu)勢遠(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/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)字信號處理 （DSP） 的產(chǎn)品對已通過片上模數(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、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)換器和測量電能所需的數(shù)字信號處理邏輯。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，簡化了抗混疊，可將來自電流和電壓傳感器的電壓信號數(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)功率信號計(jì)算得出的，瞬時(shí)功率信號是通過將電流和電壓信號相乘產(chǎn)生的?？梢詫⒏咄V波器切換到當(dāng)前通道的信號路徑，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。

具有片上故障檢測功能的能量計(jì)量IC

AD7751是一款精確的容錯(cuò)電能測量IC，適用于雙線配電系統(tǒng)。該器件采用新穎的故障檢測方案，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