A/D-Wandler Simultan abtastender A/D-Wandler erfasst drei Phasen plus Nullleiter für Systeme in Smart-Grid-Anwendungen

Unterschiedliche internationale Standards machen das Entwickeln von Systemen zur Netzüberwachung in Smart Grids aufwändig. Außerdem gelten stets strengere Vorschriften hinsichtlich Genauigkeit, Überwachung, Fehlerdiagnose, Fehlerschutz und Lastausgleich. Der Beitrag stellt einen A/D-Wandler vor, der Strom und Spannung aller drei Phasen einschließlich Nullleiter überwacht und auf seine Aufgaben optimiert ist.

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Der weltweit steigende Energiebedarf und eine verstärkte Fokussierung auf Einsparmöglichkeiten erfordern hohe Investitionen in die Infrastruktur der Energieversorgung. Dafür werden intelligente Überwachungssysteme für die Stromnetze benötigt, die sogenannten Smart Grids. Diese ermöglichen vorausschauende Wartungen, Fehlererkennung und -Beseitigung, optimierte Netzqualität, Messwerterfassung, Lastenaufzeichnung, Lastenausgleich, Anlagenschutz und nicht zuletzt Energieeinsparungen und damit kostengünstigere Bereitstellung der Energie.

Um solche Systeme realisieren zu können, werden Analog/Digital-Wandler benötigt, die den Strom und die Spannung mehrerer Phasen überwachen. Die hohen Anforderungen der verschiedenen Standards erfordern, dass diese A/D-Wandler synchron messen können. Dasselbe gilt auch zum Messen und Kompensieren von Leistungsfaktor-Verlusten (Power Factor Losses). So stellt man sicher, die Werte drei Phasen (und den Neutralleiter) zum gleichen Zeitpunkt erfasst zu haben. Da es schwierig ist, einzelne A/D-Wandler miteinander zu synchronisieren, wurden simultan abtastenden Wandler entwickelt. Diese Wandler sind auch in kundenspezifischen ASICs erhältlich, falls eine hochintegrierte Lösung erforderlich ist.

Durch die unterschiedlichen internationalen Standards ist es aufwändig, eine umfassende Lösung zur Netzüberwachung zu entwickeln. Des Weiteren gelten immer strengere Vorschriften bezüglich der Genauigkeitsanforderungen im Hinblick auf eine Echtzeit Energie-Überwachung, Fehlerdiagnose und Fehlerschutz sowie dem Lastausgleich. Der europäische Standard IEC62053 in seiner Genauigkeitsklasse 0,2 wächst hierbei auch zunehmend zum internationalen Standard heran. Er schreibt für die Erfassung des Stromes und der Spannung eine Genauigkeit von 0,2% des Nominalwertes vor. Für die Messung des Leistungsfaktors wird für das Phase-Matching eine Genauigkeit von mindestens 0,1% benötigt.

Simultane mehrkanalige Messungen mit 16 ksps

Neben der Genauigkeit ist auch die Abtastrate (Sample-Rate) durch die internationalen Standards vorgeschrieben. Es müssen nämlich auch die harmonischen Oberwellen der Netzfrequenzen erfasst und aktuelle Störimpulse sowie Brown-Outs detektiert werden. Dafür benötigt man simultane mehrkanalige Messungen, die einen Dynamikbereich von bis zu 90 dB umfassen, mit einer Abtastrate von 16 Kilosamples pro Sekunde (ksps) oder höher.

Zusätzlich zu den Anforderungen aus den unterschiedlichen Standards legen die Entwickler bei der Auswahl eines geeigneten Wandlers noch auf andere Parameter wert. Dies sind z.B. die effektive Eingangsimpedanz (ZIN), die Möglichkeit zum Phasenabgleich und physikalisch möglichst kleine Gehäuse des A/D-Wandlers. Mit diesen Vorgaben fällt die Wahl meist auf leistungsfähige, mehrkanalige und simultan abtastende A/D-Wandlern mit hoher Datenrate.

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