단일 IC를 통해 단상 에너지 계측 문제 해결

요즘 ‘에너지’ 및 ‘전력’에 관한 논의는 어디에나 있습니다. 회로 또는 시스템의 사용량과 관련된 ‘마이크로’ 레벨뿐만 아니라 주로 에너지 사용, 절전 및 재생 가능 자원과 관련하여 AC 라인 에너지 및 전력과 관련된 고려 사항도 있습니다. 이러한 용어들이 실제로 의미하는 바는 무엇인지 그리고 이를 효과적으로 측정하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.

공학 학생들이 배우는 첫 번째 수업 중 하나는 ‘에너지’와 ‘전력’의 의미입니다. 이 2가지 항목은 관련되어 있지만 확실한 차이점을 가지고 있습니다. 그럼에도 불구하고 심지어 엔지니어들조차 일상적인 대화와 보고에 자주 혼용하여 사용합니다.

공식적으로 에너지는 작업을 수행할 수 있는 역량이지만 전력은 에너지가 확장되거나 수집되는 속도입니다. 수학적으로, 전력은 에너지의 시간 미분이고 에너지는 전력의 시간 적분입니다.

실효값(RMS) 전압과 전류 값은 전력 및 에너지 분석에 필수적입니다. 수학적으로 시간 가변성 전압 f(t)의 RMS 값은 다음을 사용하여 계산됩니다.

방정식 1

여기서 T = 파형 주기입니다.

기본 왜곡되지 않은 사인파의 경우 피크 AC 전압과 RMS 값 사이에는 간단한 관계가 있습니다.

방정식 2

일반적인 경우 RMS 값의 의미는 무엇입니까? AC 신호의 RMS 값은 알 수 없는 AC 신호의 발열값을 동일한 부하에서 알려진 DC 신호의 발열값과 비교하며 부하에서 동일한 양의 열을 생성하는 데 필요한 DC 양과 같습니다. 부하에서 소비되는 전력이 동일하면 알려진 DC 전압은 알 수 없는 AC 신호의 RMS 값과 같습니다.

예를 들어 저항 발열체에 1V AC RMS가 인가되면 1V DC에서 생성되는 열과 동일한 양의 열이 발생합니다. 실제로 일부 사전 전자 RMS DC 계측은 DC 소스와 알려지지 않은 RMS 소스가 동일한 저항기를 가열하는 배열을 사용했습니다. 그런 다음 저항기 온도가 일치하도록 DC 소스를 조정했습니다. 이는 RMS 값을 나타냅니다.

다행히 IC는 모든 아날로그 계산 구성을 사용하여 RMS 값을 결정하는 어려움을 매우 간단하게 해결했습니다(그림 1). 이 회로에서 Analog Devices의 AD628 프로그래밍 가능 이득 차동 증폭기(여기서는 감쇠 계수 25로 구성)는 Analog Devices의 AD8436 RMS-DC 컨버터에 전력선 신호를 적용하기 전에 축소합니다.

그림 1: 이 2개의 IC, 전체 아날로그 회로는 AC 전력선의 RMS 입력을 나타내는 DC 출력을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

차동 증폭기는 ±120V 공통 모드 입력 및 차동 모드 범위를 가지므로 고전압 전력선을 분할하는 데 적합합니다. AC 파형의 RMS 값에 대한 정확한 DC 등가는 RMS OUT에서 제공됩니다.

오늘날 훨씬 더 많은 것을 요구하는 AC 라인의 현실

모든 아날로그 RMS-DC 접근 방식은 작동하지만 이를 통해 한 가지만 알 수 있습니다. 오늘날의 에너지 관리 환경에서 시스템은 RMS 값 외에도 단상 AC 파형에 대해 훨씬 더 많이 알아야 합니다.

이 문제를 복잡하게 만드는 것은 AC 전압이 깨끗하고 좋은 사인파가 아닌데 왜곡뿐 아니라 공칭에서도 많은 편차가 있다는 사실입니다. 또한 부하가 순수 저항인 경우가 매우 드물기 때문에 전압 파형과 전류 파형 사이에 위상 변이가 있습니다. 전반적으로 추가적인 디지털 기반 수치 분석을 통해서만 결정할 수 있는 특성이 있습니다.

이 AC 라인 현실은 자동 보정 기술이 있는 Analog Devices의 ADE9153A 에너지 계량 IC가 뛰어난 부분입니다(그림 2). 이는 단상 에너지 계측기, 에너지 및 전력 측정, 가로등, 스마트 배전 시스템, 기계 상태 모니터링과 같은 응용 분야를 대상으로 합니다. ADE9153A의 10MHz 고속 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 포트를 통해 ADE9153A 레지스터에 액세스할 수 있습니다. 이 제품은 3.3V 공급 장치에서 작동하며 32리드 LFCSP 패키지로 제공됩니다.

그림 2: 자동 보정 기능이 있는 ADE9153A 에너지 계측 IC는 단상 응용 분야를 대상으로 하며 상세한 분석을 위해 내부 아날로그 및 디지털 기능 블록을 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADE9153A는 AC 라인의 전압 및 전류 값을 디지털화하는 기본 기능보다 훨씬 더 많은 기능을 제공합니다. 고급 계측 엔진은 주요 에너지/전력 관련 결과를 계산하며, 선간 전압 및 전류, 활성 에너지(Wh), 기본 반응 에너지(VARh), 피상 전력, 전류 및 전압 RMS를 계산할 수 있습니다.

또한 ADE9153A에는 제로 크로싱 감지, 라인 주기 계산, 각도 측정, 딥 및 순간적 상승, 피크 및 과전류 감지, 역률(PF) 측정과 같은 전력 품질 측정도 포함되어 있습니다. 이는 활성 에너지 표준(IEC 62053-21, IEC 62053-22, EN50470-3, OIML R46, ANSI C12.20) 및 반응 에너지 표준(IEC 62053-23, IEC 62053-24)과 같은 규제 기관에서 정의한 표준을 지원하는 동시에 제공됩니다.

센서 채널에서 시작하는 성능

고급 에너지 계측 장치의 특징과 기능을 사용하여 달성되는 실제 성능은 효과적이고 신뢰할 수 있는 센서 채널에 크게 의존합니다. ADE9153A는 전류 및 전압 센서에 대한 적절한 물리적 연결과 고유한 보정 체계의 2가지 접근 방식을 통해 이러한 문제를 해결합니다.

ADE9153A에는 2개의 전류 채널이 있습니다. 채널 A는 션트용으로 최적화된 정교한 데이터 경로이며 그림 3에 간소화된 형태와 상세한 형태로 표시되어 있습니다.

그림 3: 전류 채널 A에 션트 전류 센서가 있는 간소화된 응용 회로가 표시되어 있으며(상단) 또한 상세한 전류 채널 A 데이터 경로도 표시되어 있습니다(하단). (이미지 출처: Analog Devices)

채널 B는 변류기용이며 또한 그림 4에 간소화된 버전과 상세 버전으로 표시되어 있습니다. 디지털 적분기는 Rogowski 코일과 같은 di/dt 전류 센서와 인터페이스하기 위해 전류 채널 B에 포함됩니다.

그림 4: 전류 채널 B에 전류 센서로서 변류기를 사용하는 응용 회로가 표시되어 있으며(상단) 상세 전류 채널 B 데이터 경로도 표시되어 있습니다(하단). (이미지 출처: Analog Devices)

마찬가지로 ADE9153A에는 그림 5의 간소화된 버전과 상세 버전에서 볼 수 있듯이 자체 데이터 경로를 가진 단일 전압 채널이 있습니다.

그림 5: 저항기 분배기를 통해 전압이 감지되는 간소화된 응용 회로가 표시되어 있으며(상단) 또한 전압 채널 데이터 경로의 보다 상세한 회로도가 표시되어 있습니다(하단). (이미지 출처: Analog Devices)

지속적인 채널 보정 문제를 위해 ADE9153A는 mSure 자동 보정 기능을 통합하여 보정 시간, 노동력 및 장비 비용을 크게 절감합니다. 이 기능을 사용하면 션트 저항기가 전류 센서로 사용될 때 정확한 소스 또는 레퍼런스 계측기 없이도 계측기가 전류 및 전압 채널을 자동으로 보정할 수 있습니다.

각 채널의 변환 상수(CC)는 계측기를 작동하여 측정할 수 있습니다. 해당 값만으로도 자동 보정을 수행하기에 충분합니다(CC는 센서와 프런트 엔드의 전달 함수를 추정하면 mSure이 반환하는 값).업계 표준 클래스 1 및 클래스 2 계측기는 mSure 자동 보정으로 지원됩니다. 하나의 수치가 이 IC 정확도의 여러 측면을 포착할 수는 없지만 결과에 대한 양호한 1차 작업 수치는 약 1%의 정확도입니다.

요약

ADE9153A와 같은 고급 IC는 강력하고 정교하지만 설정하여 최대한으로 사용하기는 쉽지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 Analog Devices는 50페이지 분량의 데이터 시트와 함께 PC 기판 레이아웃의 모범 사례에 대한 세부 정보와 추가적인 기술 정보를 제공하는 기타 문서를 통해 ADE9153A를 지원합니다(관련 내용 참조).

추가 Design-In(디자인 인) 지원은 Arduino 실드 플랫폼을 기반으로 하는 EV-ADE9153ASHIELDZ 평가 확장 기판에서 제공됩니다(그림 6). 실드에는 라인 전류 측정을 위한 온보드 션트 저항기가 있으며 ADE9153A를 사용하는 에너지 측정 시스템의 신속한 평가 및 시제품 제작이 가능합니다.

그림 6: EV-ADE9153ASHIELDZ 평가 확장 기판은 ADE9153A를 사용하는 에너지 측정 시스템의 평가 및 시제품 제작의 속도를 높이는 Arduino 실드입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

라인 전류 측정을 위한 온보드 션트는 공칭 전류 5A와 최대 전류 10A를 처리합니다. 이는 최대 240V RMS(공칭) 중성선 전압 측정을 지원합니다.

더 큰 시스템의 구현을 간소화하기 위해 ADE9153A용 Arduino 라이브러리 및 응용 분야 예시를 사용할 수도 있습니다. mSure 자동 보정을 사용하면 비싼 보정 장비 없이 작동 범위에서 1% 정확도로 에너지를 측정하도록 실드를 보정할 수 있습니다.

결론

오늘날의 에너지에 민감한 AC 라인 측정 요구 사항을 충족하기 위해 설계자들이 직면한 과제는 기본적인 RMS-DC 컨버터로는 충족할 수 없습니다. 대신 AC 라인의 전압 및 전류 값을 디지털화한 다음 계산 함수를 적용하여 필요한 많은 전력 및 에너지 파라미터를 결정해야 합니다. Analog Devices의 ADE9153A는 전압 및 전류 입력 신호 인터페이스 데이터 경로, 내부 계측 엔진 코어 및 표준 SPI 인터페이스를 통해 필요한 기능과 정확성을 제공합니다.

관련 내용

1: AN-1562, ADE9153A를 사용하여 에너지 모니터링을 시스템에 추가 시 레이아웃 고려 사항

2: UG-1253, EV-ADE9153ASHIELDZ 사용 안내서

3: UG-1247, ADE9153A 기술 참고 매뉴얼