Sviluppo e vantaggi tecnologici della misurazione dell'energia in corrente continua

La misurazione dell'energia CC migliora la precisione nella fatturazione energetica

I governi di tutto il mondo stanno attualmente implementando piani d'azione per affrontare la sfida a lungo termine e complessa della riduzione delle emissioni di CO2. Le emissioni di CO2 sono state identificate come uno dei principali fattori che contribuiscono alle conseguenze del cambiamento climatico, stimolando una rapida domanda di nuove tecnologie efficienti di conversione dell'energia e di una chimica delle batterie migliorata. 

Oggi, c'è una crescente domanda di soluzioni energetiche più efficienti ed ecologiche. Sebbene i primi sviluppatori di reti elettriche trovassero più semplice fornire energia al mondo utilizzando la corrente alternata (AC), la corrente continua (DC) offre un'efficienza significativamente migliorata in molti settori. Le applicazioni per la misurazione dell'energia DC sono varie, con le stazioni di ricarica DC per veicoli elettrici pronte a diventare una direzione di sviluppo fondamentale.

Negli ultimi anni, sono stati compiuti sforzi significativi per aumentare la capacità e la durata delle batterie, insieme alla diffusione di una rete di ricarica per veicoli elettrici su larga scala. Questa rete è essenziale per eliminare le preoccupazioni relative all'autonomia di guida o ai tempi di ricarica, consentendo viaggi confortevoli su lunghe distanze. Molti fornitori di energia e imprese private stanno installando caricabatterie rapidi con capacità fino a 150 kW, e l'interesse pubblico è stato suscitato anche dai caricabatterie ultra-rapidi capaci di arrivare fino a 500 kW per stazione di ricarica. Considerando il picco di potenza di carica locale nell'ordine dei megawatt presso le stazioni di ricarica ultra-rapida e le tariffe premium associate alla ricarica rapida, la ricarica dei veicoli elettrici si appresta a diventare un mercato significativo per lo scambio di energia elettrica, richiedendo una misurazione accurata dell'energia ai fini della fatturazione.

Un'altra applicazione cruciale della distribuzione in corrente continua è rappresentata dalle microgrid, essenzialmente versioni più piccole dei sistemi di utilità pubblica che richiedono fonti di energia sicure, affidabili ed efficienti. Le microgrid sono utilizzate in contesti come ospedali e basi militari e possono persino operare come parte di sistemi pubblici dove la generazione di energia rinnovabile, i generatori a combustibile e lo stoccaggio di energia collaborano per creare un sistema di distribuzione energetica affidabile.

Le microreti sono utilizzate anche nelle strutture edilizie, dove l'ampio impiego di generatori di energie rinnovabili consente agli edifici di essere autosufficienti dal punto di vista elettrico. L'energia generata dai pannelli solari sul tetto e dalle piccole turbine eoliche può essere sufficiente per il funzionamento autonomo, pur continuando a ricevere supporto dalla rete pubblica.

I data center alimentati da corrente continua rappresentano un'altra applicazione significativa. Gli operatori dei data center stanno valutando attivamente varie tecnologie e soluzioni per migliorare l'efficienza energetica delle strutture, considerando che l'energia è uno dei loro principali costi.

Gli operatori dei data center stanno riconoscendo i vantaggi associati alla distribuzione a corrente continua, che non solo riduce la necessità di conversioni minime tra AC e DC, ma facilita anche un'integrazione più semplice ed efficiente con le fonti di energia rinnovabile. Raggiungere un risparmio energetico dal 5% al 25% può migliorare l'efficienza di trasmissione e conversione, ridurre la generazione di calore e raddoppiare l'affidabilità e la disponibilità, riducendo allo stesso tempo lo spazio richiesto del 33%. Con molti operatori che adottano approcci di misurazione basati sul consumo di energia per la fatturazione dei clienti, la misurazione precisa dell'energia DC sta diventando sempre più importante.

La misurazione dell'energia elettrica richiede la capacità di rilevare guasti e manomissioni dell'energia elettrica

All'inizio del XX secolo, i tradizionali contatori AC erano completamente elettromeccanici. Utilizzavano una combinazione di bobine di tensione e corrente per indurre correnti parassite in un disco di alluminio rotante. La coppia prodotta sul disco di alluminio, derivante dal prodotto del flusso magnetico generato dalle bobine di tensione e corrente, era proporzionale all'elettricità consumata. Infine, veniva aggiunto un magnete di frenatura al disco di alluminio per garantire che la velocità di rotazione fosse direttamente proporzionale alla potenza effettivamente consumata. Contando il numero di rotazioni in un determinato periodo di tempo, era possibile misurare il consumo di elettricità.

I moderni contatori AC sono molto più complessi e precisi e possono anche prevenire il furto di elettricità. I contatori intelligenti avanzati possono monitorare la loro assoluta precisione e rilevare segnali di furto sul posto 24 ore su 24. Che si tratti di contatori moderni, tradizionali, contatori AC o contatori DC, essi sono classificati in base alle loro costanti di impulso in kilowattora e ai livelli di precisione percentuali.

Per misurare la potenza consumata da un carico (P = V × I), sono necessari almeno un sensore di corrente e un sensore di tensione. Tipicamente, la corrente che attraversa il contatore viene misurata sul lato ad alta tensione quando il lato a bassa tensione è a potenziale di terra. Questa configurazione minimizza il rischio di correnti di dispersione non misurate. Tuttavia, la corrente può essere misurata anche sul lato a bassa tensione se l'architettura del progetto lo richiede, oppure può essere misurata su entrambi i lati. La tecnica spesso prevede la misurazione e il confronto della corrente su entrambi i lati del carico per abilitare capacità di rilevamento guasti e manomissioni nel contatore. Quando si misura la corrente su entrambi i lati, è necessario almeno un sensore di corrente con isolamento per gestire l'elevato potenziale tra i conduttori.

La tensione viene generalmente misurata utilizzando divisori di potenziale resistivi, in cui una serie di resistori viene utilizzata per ridurre la tensione proporzionalmente a un livello compatibile con l'ingresso ADC del sistema. La misurazione precisa della tensione può essere facilmente ottenuta utilizzando componenti standard grazie alla grande ampiezza del segnale di ingresso. Tuttavia, è importante considerare il coefficiente di temperatura e il coefficiente di tensione dei componenti selezionati per garantire l'accuratezza richiesta sull'intero intervallo di temperatura.

Fornire un ADC ad alta velocità con corrente di ingresso ultra-bassa

Nelle applicazioni di misurazione dell'energia in corrente continua, l'AD7779, l'AD8629 e l'ADA4528-1 di ADI svolgono ruoli significativi. Tra questi, l'AD7779 è un ADC a campionamento simultaneo a 8 canali che integra 8 ADC Σ-Δ completi su chip. L'AD7779 presenta una corrente di ingresso ultra-bassa, consentendo una connessione diretta ai sensori. Ogni canale di ingresso include uno stadio di guadagno programmabile con guadagni di 1, 2, 4 e 8, che consente di mappare le uscite di sensori a bassa ampiezza all'intero intervallo di ingresso a fondo scala dell'ADC, massimizzando la gamma dinamica della catena del segnale. L'AD7779 accetta VREF da 1 V a 3,6 V. Gli ingressi analogici accettano segnali analogici unipolari (0 V a VREF/GAIN) o realmente bipolari (±VREF/GAIN/2 V), con tensioni di alimentazione analogiche di 3,3 V o ±1,65 V. L'ingresso analogico può essere configurato per accettare segnali realmente differenziali, pseudo-differenziali o single-ended per adattarsi a diverse configurazioni di uscita dei sensori.

Ogni canale include un modulatore ADC e un filtro digitale sinc3 a bassa latenza. L'AD7779 utilizza il SRC per il controllo di precisione della Risoluzione della Frequenza di Campionamento (ODR). Questo controllo è utile per applicazioni in cui la risoluzione dell'ODR deve mantenere coerenza quando la frequenza di linea cambia di 0,01 Hz. Il SRC può essere programmato tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI). L'AD7779 supporta due diverse interfacce: un'interfaccia di uscita dati e un'interfaccia di controllo SPI. L'interfaccia di uscita dati dell'ADC è dedicata all'invio dei risultati delle conversioni ADC dall'AD7779 al processore. L'interfaccia SPI viene utilizzata per configurare i registri di configurazione dell'AD7779 per operazioni di lettura/scrittura e per controllare e leggere i dati dall'ADC SAR. L'interfaccia SPI può anche essere configurata per emettere dati di conversione Σ-Δ.

L'AD7779 dispone di un ADC SAR a 12 bit che può essere utilizzato per la diagnostica all'interno dello stesso AD7779, eliminando la necessità di dedicare un canale ADC Σ-Δ specificamente per le funzioni di misurazione del sistema. Attraverso multiplexer esterni (controllati tramite 3 pin GPIO generici) e il condizionamento del segnale, l'ADC SAR può essere utilizzato per verificare i risultati delle misurazioni dell'ADC Σ-Δ in applicazioni che richiedono sicurezza funzionale. Inoltre, l'ADC SAR dell'AD7779 include un multiplexer che può essere utilizzato per rilevare nodi interni.

L'AD7779 incorpora una sorgente di tensione di riferimento di 2,5 V e un buffer di riferimento. Il coefficiente di temperatura della sorgente di tensione di riferimento è di 10 ppm/°C (tipico). L'AD7779 opera in due modalità: modalità ad alta risoluzione e modalità a basso consumo. La modalità ad alta risoluzione offre un intervallo dinamico superiore con un consumo energetico di 10,75 mW per canale, mentre la modalità a basso consumo opera con una specifica di intervallo dinamico inferiore e un consumo energetico di 3,37 mW per canale. L'intervallo di temperatura operativa nominale per l'AD7779 va da -40°C a +105°C, con una temperatura operativa massima del dispositivo di +125°C.

Un amplificatore con caratteristiche di rumore, deriva e corrente ultra-basse

L'amplificatore AD8629 di ADI presenta un offset, una deriva e correnti di polarizzazione ultra-bassi, rendendolo una scelta ideale per applicazioni di precisione. Si tratta di un amplificatore auto-zero a banda larga con capacità di escursione di ingresso e uscita rail-to-rail, oltre a caratteristiche di basso rumore. L'AD8629 funziona con una tensione di alimentazione singola da 2.7 V a 5 V (o con una tensione di alimentazione duale da ±1.35 V a ±2.5 V).

L'AD8629 offre vantaggi precedentemente disponibili solo in amplificatori auto-zero o stabilizzati a chopper costosi. Questi amplificatori a zero derivazione utilizzano la topologia di circuito ADI per combinare basso costo con alta precisione e prestazioni a basso rumore, tutto senza la necessità di condensatori esterni. Inoltre, l'AD8629 riduce significativamente il rumore di commutazione digitale presente in molti amplificatori stabilizzati a chopper.

AD8629 features an offset voltage of just 1 µV, offset voltage drift less than 0.005 µV/°C, and noise of only 0.5 µV peak-to-peak (0 Hz to 10 Hz), making it suitable for applications where error sources are not tolerated. These devices exhibit near-zero drift within their operating temperature range, making them highly advantageous for applications such as position and pressure sensors, medical equipment, and strain gage amplifiers. Many systems can benefit from the AD8629's rail-to-rail input and output swing capabilities to reduce input biasing complexity and achieve higher signal-to-noise ratios.

L'AD8629 ha un intervallo di temperatura nominale da -40°C a +125°C, estendendosi agli intervalli di temperatura industriali. È disponibile in confezioni standard di plastica SOIC stretto a 8 pin e MSOP.

Another amplifier from ADI, the ADA4528, is an ultra-low noise, zero-drift operational amplifier with rail-to-rail input and output swing capabilities. It features an offset voltage of 2.5 µV, offset voltage drift of 0.015 µV/°C, and noise of 97 µV peak-to-peak (0.1 Hz to 10 Hz, AV = +100), making it highly suitable for applications where error sources are not permitted.

L'ADA4528 opera su un ampio intervallo di tensioni di alimentazione, da 2,2 V a 5,5 V, e offre un alto guadagno, eccellenti specifiche di CMRR e PSRR, rendendolo una scelta ideale per l'amplificazione di precisione di segnali a basso livello in applicazioni come sensori di posizione e di pressione, celle di carico, strumentazione medica e altro.

L'ADA4528 ha un intervallo di temperatura nominale che va da -40°C a +125°C, estendendosi fino agli intervalli di temperatura industriali. L'ADA4528-1 è disponibile nei pacchetti MSOP a 8 pin e LFCSP a 8 pin, mentre l'ADA4528-2 viene fornito in un pacchetto MSOP a 8 pin.

Con una tensione di offset massima di 2,5 µV e una deriva massima della tensione di offset di 0,015 µV/°C, l'ADA4528 è particolarmente adatto per fornire un'amplificazione a bassissima deriva di 100 V/V per segnali di piccola corrente. Pertanto, può essere collegato direttamente allo stadio di amplificazione di un ADC a campionamento sincrono a 24 bit, come l'AD7779, che presenta una deriva del riferimento d'ingresso di 5 nV/℃. Utilizzando un divisore di potenziale resistivo con un rapporto di 1000:1 direttamente collegato all'ingresso dell'ADC AD7779, è possibile misurare accuratamente tensioni DC elevate.

Conclusione

La misurazione dell'energia DC offre una maggiore precisione rispetto alla misurazione dell'energia AC. In mercati in rapida crescita, come stazioni di ricarica, microgrid, data center e altre applicazioni, la misurazione dell'energia DC garantisce una fatturazione equa e riduce la necessità di conversioni tra AC e DC, minimizzando così le perdite di energia. L'integrazione con fonti di energia rinnovabile è anche più semplice ed efficiente con la misurazione DC, rendendola una tendenza significativa nello sviluppo. ADI è un esperto leader del settore nella tecnologia di rilevamento di precisione, offrendo catene di segnale complete per misurazioni precise di corrente e tensione conformi agli standard più rigorosi. I prodotti trattati in questo articolo rappresentano alcune delle migliori scelte per applicazioni di misurazione dell'energia DC.