پایش کیفیت برق قسمت 2: ملاحظات طراحی برای کیفیت برق مطابق با استانداردها

این مقاله نحوه طراحی کارآمد یک ابزار اندازه گیری کیفیت توان مطابق با استانداردها را با استفاده از یک پلت فرم آماده برای استفاده که توسعه را تسریع می کند، توضیح می دهد. راه حل هایی برای طراحی مترهای کلاس A و کلاس S، از جمله راه حل یکپارچه اندازه گیری کیفیت توان کلاس S جدید که به طور قابل توجهی زمان توسعه و هزینه محصولات نظارت بر کیفیت توان را کاهش می دهد، مورد بحث قرار می دهد. بخش 1 اهمیت اندازه گیری کیفیت توان مطابق با استانداردها را برای ارائه درک استاندارد کیفیت توان IEC و پارامترهای آن مورد بحث قرار داد.

بخش 1 در این مجموعه اهمیت اندازه‌گیری کیفیت توان مطابق با استانداردها را برای ارائه درک استاندارد کیفیت توان IEC و پارامترهای آن مورد بحث قرار می‌دهد. بخش 2 نحوه طراحی کارآمد یک ابزار اندازه گیری کیفیت توان مطابق با استانداردها را با استفاده از یک پلت فرم آماده برای استفاده که توسعه را تسریع می کند، توضیح می دهد.

چالش‌های پیاده‌سازی راه‌حل کیفیت برق

اجزای اصلی یک ابزار طراحی شده برای اندازه گیری کیفیت توان در شکل 1 نشان داده شده است. ابتدا مبدل های جریان و ولتاژ باید محدوده عملیاتی دستگاه را در نظر بگیرند و سیگنال ورودی را با دینامیک مبدل آنالوگ به دیجیتال تطبیق دهند. ورودی ADC. مبدل های سنتی اولین منبع عدم قطعیت در اندازه گیری هستند. بنابراین انتخاب صحیح از اهمیت بالایی برخوردار است. سپس، سیگنال به یک ADC می رود. ویژگی های فردی آن، مانند خطاهای جبران، سود و غیرخطی بودن، منبع دوم عدم قطعیت را ایجاد می کند. انتخاب ADC مناسب برای این عملکرد یک تلاش سخت در طراحی یک ابزار با کیفیت قدرت است. در نهایت، یک سری از الگوریتم‌های پردازش سیگنال باید برای اندازه‌گیری کیفیت الکتریکی و توان از سیگنال‌های ورودی تولید شود.

مبدل های ولتاژ و جریان

بسته به محل و کاربرد ابزار کیفیت توان، ولتاژ نامی منبع تغذیه (U _NOM )، جریان نامی (I _NOM ) و فرکانس متفاوت است. مستقل از مقادیر اسمی که ابزار اندازه گیری می کند، استاندارد IEC 61000-4-7 به ابزارهای اندازه گیری کیفیت توان نیاز دارد تا به دقت ارائه شده در جدول 1 برسند. بنابراین، مبدل ها باید به گونه ای انتخاب شوند که ابزار مورد نیاز دقت را برآورده کند.

I _NOM : محدوده جریان اسمی ابزار اندازه گیری

U _NOM : محدوده ولتاژ نامی ابزار اندازه گیری

U _M ، I _M و P _M : مقادیر اندازه گیری شده

استاندارد IEC61000-4-71 طراحی مدار ورودی را با توجه به ولتاژهای نامی (U _NOM ) و جریان های نامی (I _NOM ) توصیه می کند:

▸ برای سیستم های 50 هرتز: 66 ولت، 115 ولت، 230 ولت، 400 ولت، 690 ولت

▸ برای سیستم های 60 هرتز: 69 ولت، 120 ولت، 240 ولت، 277 ولت، 347 ولت، 480 ولت، 600 ولت

▸ 0.1 A، 0.2 A، 0.5 A، 1 A، 2 A، 5 A، 10 A، 20 A، 50 A، 100 A

علاوه بر این، مبدل‌های انتخاب شده برای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان باید ویژگی‌ها و دقت خود را بدون تغییر در زمانی که 1.2× UNOM و INOM اعمال می‌شوند، حفظ کنند. سیگنال چهار برابر ولتاژ نامی یا 1 کیلوولت rms، هر کدام کمتر، به مدت 1 ثانیه به دستگاه اعمال شود، نباید منجر به آسیب شود. به همین ترتیب، یک جریان 10× I _NOM  برای 1 ثانیه هیچ آسیبی ایجاد نمی کند.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

حتی اگر استاندارد IEC 61000-4-30 حداقل نیاز را برای سرعت نمونه برداری مشخص نکرده است، ADC باید نرخ نمونه برداری کافی برای اندازه گیری برخی از پدیده های کیفیت توان نوسانی و سریع داشته باشد. نرخ نمونه‌برداری ناکافی می‌تواند منجر به طبقه‌بندی اشتباه یک رویداد کیفیت توان یا عدم شناسایی آن شود. استاندارد IEC 61000-4-30 بیان می کند که سنسورهای ولتاژ و جریان ابزار باید تا 9 کیلوهرتز مناسب باشند. بنابراین، فرکانس نمونه برداری از ADC باید با پیروی از قوانین آنالیز سیگنال انتخاب شود تا اندازه گیری اجزای فرکانس تا 9 کیلوهرتز شامل شود. شکل 2 عواقب زمانی که نرخ نمونه برداری کافی نیست را نشان می دهد. شکل موج بالا سمت چپ شامل 64 نمونه در هر 10 سیکل (200 میلی ثانیه) است و شکل موج بالا سمت راست دارای 1024 نمونه در هر 10 سیکل است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است،

استاندارد IEC برای سیستم های تک فاز و سه فاز اعمال می شود. بنابراین، ADC انتخاب شده باید قادر به نمونه برداری از تعداد مورد نیاز کانال های ولتاژ و جریان به طور همزمان باشد. داشتن اندازه‌گیری برای تمام کانال‌های ولتاژ و جریان روی دستگاه به طور همزمان باعث می‌شود که همه پارامترها بررسی شوند و بلافاصله هنگامی که یک رویداد کیفیت توان اتفاق می‌افتد فعال شوند.

پردازش سیگنال دیجیتال

اگرچه انتخاب مبدل‌ها و ADC برای اندازه‌گیری‌های کیفیت توان به تلاش مهندسی جامع نیاز دارد، توسعه الگوریتم‌هایی برای پردازش اندازه‌گیری‌های خام ADC بدون شک وظیفه‌ای است که بیشتر زمان و منابع را برای ساخت یک ابزار با کیفیت توان می‌طلبد. برای پیاده‌سازی یک ابزار سازگار با استاندارد، باید سخت‌افزار پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) مناسب انتخاب شود و الگوریتم‌هایی برای محاسبه پارامترهای کیفیت توان از نمونه‌های شکل موج توسعه و به‌درستی آزمایش شوند. این استاندارد نه تنها به محاسبات نیاز دارد، بلکه به تجمیع‌های وابسته به زمان مختلف با دقت زمانی کمتر از 1± ثانیه در هر دوره 24 ساعته برای کلاس A و 5± ثانیه در هر دوره 24 ساعته برای کلاس S نیاز دارد. این الگوریتم‌ها باید تجزیه و تحلیل هارمونیک را انجام دهند. علاوه بر این، پارامترهای کیفیت توان بر تجزیه و تحلیل تبدیل فوریه سریع (FFT) (هارمونیک، بین هارمونیک، ولتاژ سیگنال شبکه، عدم تعادل) تکیه دارند که اجرای آن چالش برانگیز است. تجزیه و تحلیل FFT مستلزم نمونه برداری از شکل موج در 1024 نمونه در 200 میلی ثانیه (10 سیکل) حداقل است. انجام نمونه‌برداری مجدد شکل موج‌های خام از ADC به نرخ مورد نیاز، نیازمند دقت برای جلوگیری از اعوجاج هارمونیک و الایاسینگ است.

پس از توسعه الگوریتم‌ها، استاندارد IEC فهرستی جامع از بیش از 400 تست را می‌طلبد که ابزار باید برای تایید کامل آن‌ها را پاس کند. شکل 3 یک بلوک دیاگرام را با مرتبط ترین توابع مورد نیاز یک سیستم DSP برای تولید اندازه گیری کیفیت توان نشان می دهد.

راه حل های اندازه گیری کیفیت برق دستگاه های آنالوگ

ADC های نمونه برداری همزمان چند کاناله برای IEC 61000-4-30 کلاس A

با توجه به دقت، تعداد کانال‌ها و نرخ نمونه‌برداری مورد نیاز برای توسعه یک ابزار PQ کلاس A، خانواده محصولات AD777x و AD7606x برای تبدیل ADC زنجیره سیگنال/سیستم توصیه می‌شوند. توجه داشته باشید که این راه حل ها فقط داده های دیجیتالی خام را از سیگنال های ورودی ارائه می دهند. یک سیستم DSP باید برای اندازه گیری PQ تایید شده ایجاد شود.

AD777x خانواده Sigma-Delta ADC

AD777x یک خانواده ADC نمونه برداری همزمان 8 کاناله و 24 بیتی است. هشت سیگما-دلتا (∑-Δ) ADC کامل روی تراشه هستند که نرخ نمونه برداری 16 kSPS/32 kSPS/128 kSPS را ارائه می دهند. AD777x جریان ورودی کم را برای اتصال مستقیم سنسور فراهم می کند. هر کانال ورودی دارای یک مرحله بهره قابل برنامه ریزی است که به بهره های 1، 2، 4 و 8 اجازه می دهد تا خروجی های حسگر دامنه پایین تر را در محدوده ورودی ADC در مقیاس کامل ترسیم کند و دامنه دینامیکی زنجیره سیگنال را به حداکثر برساند. AD777x یک ولتاژ VREF از 1 ولت تا 3.6 ولت و محدوده ورودی آنالوگ: 0 ولت تا 2.5 ولت یا 1.25 ولت را می پذیرد. ورودی های آنالوگ را می توان به گونه ای پیکربندی کرد که سیگنال های دیفرانسیل واقعی، شبه دیفرانسیل یا یک سر را بپذیرد. مطابقت با پیکربندی های مختلف خروجی سنسور. یک مبدل نرخ نمونه ارائه شده است تا امکان کنترل وضوح خوب بر روی AD7770 را فراهم کند. و می توان از آن در برنامه هایی استفاده کرد که وضوح ODR برای حفظ هماهنگی با تغییرات 0.01 هرتز در فرکانس خط مورد نیاز است. AD777x همچنین پهنای باند ورودی سیگنال بزرگ 5 کیلوهرتز (AD7771 10 کیلوهرتز) را فراهم می کند. خروجی داده و رابط های ارتباطی SPI ارائه شده اند، اگرچه SPI همچنین می تواند برای خروجی داده های تبدیل سیگما-دلتا پیکربندی شود. محدوده دما از -40 درجه سانتیگراد تا +105 درجه سانتیگراد، عملکردی تا +125 درجه سانتیگراد با منبع تغذیه 3.3 ولت یا ± 1.65 ولت است.

شکل 4 یک نمودار سیستم برنامه های کاربردی معمولی 3 فازی را برای خانواده AD77x ADC برای دستگاه PQ با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان به عنوان مبدل جریان و تقسیم کننده های مقاومت برای ولتاژ نشان می دهد.

AD7606x Family 16-/18-bit ADC Data Acquisition System

AD7606x یک سیستم جمع‌آوری داده‌های آنالوگ به دیجیتال (DAS) 16/18 بیتی، نمونه‌برداری همزمان با هشت کانال را ارائه می‌کند. هر کانال حاوی حفاظت گیره ورودی آنالوگ، تقویت کننده بهره قابل برنامه ریزی (PGA)، فیلتر پایین گذر و یک ADC ثبت تقریب متوالی 16/18 بیتی (SAR) است. AD7606x همچنین دارای یک فیلتر دیجیتال انعطاف پذیر، دریفت کم، مرجع دقیق 2.5 ولت و بافر مرجع برای هدایت ADC، و رابط های موازی و سریال انعطاف پذیر است.

AD7606B از یک منبع تغذیه 5 ولت کار می کند و محدوده ورودی دوقطبی واقعی 10 ولت، 5± ولت و 2.5 ± ولت را در هنگام نمونه برداری با نرخ توان 800 kSPS (AD7606B)/1 MSPS (AD7606C) برای همه کانال ها در خود جای می دهد. محافظ گیره ورودی ولتاژهای مختلف را با محدوده ورودی آنالوگ قابل انتخاب توسط کاربر تحمل می کند (± 20 ولت، 12.5 ± ولت، 10 ± ولت، 5 ± ولت، و 2.5 ± ولت). AD7606x به یک منبع آنالوگ 5 ولتی نیاز دارد. عملکرد تک منبعی، فیلتر روی تراشه و امپدانس ورودی بالا، نیاز به آمپلی فایر درایور خارجی را که به منابع دوقطبی نیاز دارند، بی نیاز می کند.

در حالت نرم افزاری، ویژگی های پیشرفته زیر در دسترس هستند:

• گزینه های اضافی نمونه برداری (OS)، حداکثر تا 256 OS
• بهره سیستم، افست سیستم و کالیبراسیون فاز سیستم در هر کانال
• آشکارساز مدار باز ورودی آنالوگ
• مالتی پلکسر تشخیصی
• عملکردهای نظارت: خواندن/نوشتن نامعتبر SPI، بررسی افزونگی چرخه ای (CRC) )، رویدادهای اضافه ولتاژ و ولتاژ کم، مانیتور گیر کرده مشغول، و تشخیص ریست.

شکل 4 یک نمودار سیستم برنامه های کاربردی معمولی 3 فازی را برای خانواده ADCها AD7606x برای ابزار کیفیت توان با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان به عنوان مبدل جریان و تقسیم کننده های مقاومت برای ولتاژ نشان می دهد.

دستگاه های آنالوگ دارای راه حل با کیفیت توان IEC کلاس S

ADE9430، یک آی سی اندازه گیری انرژی بسیار دقیق، کاملاً یکپارچه و چند فازی همراه با کتابخانه نرم افزار ADSW-PQ-CLS که بر روی میکروکنترلر میزبان اجرا می شود، راه حل کاملی است که با استاندارد IEC 61000-4-30 کلاس S مطابقت دارد. این ادغام به طور قابل توجهی زمان توسعه و هزینه های محصولات نظارت بر PQ را کاهش می دهد. راه حل ADE9430 + ADSW-PQ-CLS اجرای و صدور گواهینامه سیستم های نظارت بر انرژی و PQ را با ارائه یکپارچه سازی دقیق موتورهای اکتساب و محاسبه ساده می کند. شکل 5 نمودار سیستم برنامه های کاربردی 3 فازی را برای راه حل ADE9430 + ADSW-PQ-CLS برای ابزار کیفیت توان با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان به عنوان مبدل جریان و تقسیم کننده های مقاومت برای ولتاژ نشان می دهد.

ADE9430 Class S Power Quality Front End Analog

با هفت کانال ورودی، ADE9430 را می توان در یک سیستم 3 فاز یا حداکثر سه سیستم تک فاز استفاده کرد. از ترانسفورماتورهای جریان (CTs) یا سیم پیچ های Rogowski با یک انتگرالگر آنالوگ خارجی برای اندازه گیری جریان پشتیبانی می کند. این یک قسمت جلویی آنالوگ یکپارچه برای نظارت بر کیفیت توان و اندازه گیری انرژی فراهم می کند. ADE9430 با ADE9000 و ADE9078 با عملکرد آنالوگ و اندازه‌شناسی معادل با پین سازگار است. ویژگی های آن عبارتند از:

• هفت ADC سیگما-دلتا 24 بیتی با کارایی بالا
• SNR 101 دسی بل
• محدوده ولتاژ ورودی گسترده: ± ولت، 707 mV rms، در مقیاس کامل در بهره = 1
• ورودی های دیفرانسیل
• مترولوژی دقت کلاس 0.2
• یک چرخه rms، فرکانس خط، تقاطع صفر، اندازه‌شناسی پیشرفته
• بافر شکل موج
• داده‌های نمونه‌گیری مجدد پیوسته: 1024 نقطه در هر سیکل خطی 10/12
• اندازه‌شناسی پیشرفته که فرکانس‌های اساسی 50 هرتز و 60 هرتز را پوشش می‌دهد
• پشتیبانی از استانداردهای انرژی فعال: IEC 62053-21 و IEC 62 22; EN 50470-3 OIML R46; و ANSI C12.20
• پشتیبانی از استانداردهای انرژی راکتیو: IEC 62053-23, IEC 62053-24
• یک پورت ارتباطی پرسرعت: رابط پورت سریال 20 مگاهرتز (SPI)

کتابخانه نرم افزار ADSW-PQ-CLS

کتابخانه نرم افزار ADSW-PQ-CLS به طور خاص طراحی شده است تا با ADE9430 یکپارچه شود تا اندازه گیری های استاندارد IEC 61000-4-30 کلاس S PQ را ایجاد کند. تمام پارامترهای تعریف شده در IEC 61000-4-30 را برای ابزارهای کلاس S پیاده سازی می کند. کاربران می توانند تصمیم بگیرند که از کدام پارامترهای PQ استفاده کنند. این کتابخانه به منابع کم CPU/RAM نیاز دارد و هسته/OS آگنوستیک است (Arm® Cortex®-M حداقل). معماری های پشتیبانی شده MCU شامل Arm Cortex-M0، Cortex-MO+، Cortex-M1، Cortex-M3 و Cortex-M4 است. برای توزیع به کاربران نهایی، کتابخانه به عنوان یک فایل CMSIS-PACK (pack.) سازگار با Keil Microvision، IAR Embedded Workbench نسخه 8.x، یا Analog Devices CrossCore® Embedded Studio ارائه شده است. مجوز کتابخانه نرم افزار همراه با خرید ADE9430 است. یک مثال رابط خط فرمان سریال PC (CLI) برای ارزیابی کتابخانه و ویژگی های آن ارائه شده است. شکل 6 نحوه نمایش پارامترهای PQ توسط این CLI را نشان می دهد.

خلاصه ویژگی های کیفیت توان خانواده ADE9xxx

کیت ارزیابی ADE9430

EVAL-ADE9430ARDZ ارزیابی و نمونه سازی سریع سیستم های اندازه گیری کیفیت انرژی و توان کلاس S را با ADE9430 و کتابخانه کیفیت برق ADSW-PQ-CLS امکان پذیر می کند. کتابخانه کیفیت توان و مثال کاربردی برای ساده سازی اجرای سیستم های بزرگتر ارائه شده است. این کیت یک نوع تجربه plug-and-play را ارائه می دهد که استفاده از آن برای آزمایش پارامترهای کیفیت برق یک سیستم الکتریکی 3 فاز آسان است.

این کیت دارای ویژگی های سخت افزاری زیر است:

▸ ورودی های ترانسفورماتور جریان

▸ ورودی های ولتاژ/جریان بالا

▸ 240 V rms اسمی (با تقسیم کننده پتانسیل)

▸ حداکثر سرعت 80 آمپر (با سنسورهای سی تی ارائه شده)

▸ ایزولاسیون 2.5 کیلو ولت

▸ اندازه گیری RTC روی صفحه تا مهر زمان

▸ دارای تاییدیه قبلی برای IEC 61000-4-30 Class S (به کاربر نیاز به کالیبره کردن دارد)

▸ کتابخانه ADSW-PQ-CLS و نمونه برنامه در حال اجرا بر روی Arm Cortex-M4 MCU

▸ سریال CLI به کامپیوتر برای پیکربندی و ثبت پارامترهای کیفیت توان

شکل 7. اتصالات مورد نیاز برای استفاده از EVAL-ADE9430ARDZ با رایانه شخصی را نشان می دهد.

EVAL-ADE9430ARDZ متشکل از یک PCB با چهار جریان و سه ولتاژ + کانکتور ورودی خنثی و ADE9430 روی برد، جداکننده، یک ساعت بیدرنگ، یک برد توسعه Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH با نمونه ای از کاربرد ADSW- است. کتابخانه PQ-CLS و سه حسگر جریان.

طراحی خلاصه کنتورهای کیفیت توان مطابق با استانداردها

راه حل ADE9430 + ADSW-PQ-CLS برای اندازه گیری دقیق پارامترهای کیفیت توان مطابق با الزامات استاندارد کلاس S IEC 61000-4-30 تأیید شده است.

طراحی یک متر کیفیت برق مطابق با استانداردها یک کار چالش برانگیز است. برای کاهش زمان و منابع مهندسی مورد نیاز برای تولید یک ابزار اندازه‌گیری PQ مطابق با استاندارد IEC 61000-4-30 کلاس S، ADE9430 + ADSW-PQ-CLS یک راه‌حل کامل است که طراحان را قادر می‌سازد تا یک ابزار اندازه‌گیری آماده از پلتفرم برای سرعت بخشیدن به توسعه و حل بسیاری از چالش های طراحی حیاتی استفاده کنید.

منابع

1. “IEC 61000-4-30:2015: سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) – بخش 4-30: تست و تکنیک های اندازه گیری – روش های اندازه گیری کیفیت توان.” کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی، فوریه 2015.

این مقاله ابتدا در مجله Bodo’s Power Systems [PDF] منتشر شد

---

نویسنده:  خوزه مندیا دارای مدرک لیسانس است. در مهندسی الکترونیک و علوم کامپیوتر و در سال 2016 به گروه سیستم های انرژی و صنعتی در دستگاه های آنالوگ پیوست. در حال حاضر، او یک مهندس ارشد در برنامه های کاربردی محصول در مرکز طراحی ادینبورگ انگلستان است.

---

آدرس منبع: https://eepower.com/technical-articles/power-quality-monitoring-part-2-design-considerations-for-a-standards-compliant-power-quality-meter/