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

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Standardisierte Anforderungen und Normen

Es ist nicht nebensächlich zu erwähnen, dass das Messverhalten von Energiemessgeräten nationalen oder internationalen Standards unterliegt. Die europäischen Normen EN50160, IEC62053 und IEC61850 geben sowohl die minimale Messgenauigkeit vor als auch die Abtastrate eines mehrkanaligen A/D-Wandler-Systems zum Messen und Überwachen von Elektrizitätsversorgungssystemen. Diese Europa-Normen wurden von vielen anderen Ländern dieser Welt übernommen.

In Tabelle 1 sind die Anforderungen aus der EN50160 aufgeführt.

In einem anderen EU-Standard, dem IEC62053, wird die Messgenauigkeit für elektronische Wirkverbrauchszähler festgeschrieben. Man unterteilt in vier Genauigkeitsklassen: Klasse 2, Klasse 1, Klasse 0,5 und Klasse 0,2. Für Leistungsfaktormessgeräte wird zudem die Genauigkeit des Phase-Matchings mit mindestens 0,1% angegeben.

Die EN50160 schreibt vor, dass für Spannungsoberschwingungen bis zur 25. Ordnung der Netzfrequenz (50/60 Hz) gemessen werden muss. Bei nichtlinearen Lasten müssen die Messungen sogar bis zur 127. Ordnung der Netzfrequenz durchgeführt werden. Neue Standards wie IEC61850 empfehlen für das Erfassen von Transienten mit mindestens 256 Aufnahmen pro Periode der Netzfrequenz abzutasten.

Ein wichtiger Parameter: die effektive Eingangsimpedanz

Bei der Auswahl eines A/D-Wandlers spielen auch andere Parameter eine wichtige Rolle. Dazu gehört u.a. die Eingangsimpedanz. ZIN wird durch die Eingangskapazität und die Abtastrate bestimmt:

ZIN = 1/(CIN × fSAMPLE) Ist die Eingangsimpedanz hoch, so kann man häufig auf externe Präzisionsverstärker oder Impedanzwandler verzichten, was zu Platz- und Kosteneinsparungen führt, sowie die Leistungsaufnahme verringert.

Bild 2 zeigt einen typischen Schaltkreis zur Überwachung einer Phase. Er basiert auf dem Evaluations-Kit des MAX11046 und ist mittels Strom- und Spannungsübertrager an die Phase angekoppelt.

Der MAX11046 ist ein präziser A/D-Wandler (SAR-Architektur) mit acht Kanälen. Er bietet 16-Bit-Simultaneous-Sampling mit bis zu 250 ksps und 90 dB Signal-Rausch-Abstand. Dadurch, und wegen seiner niedrigen Eingangskapazität von 15 pF, eignet sich dieser Baustein sehr gut für solche Applikationen.

Abgleich der Signalphasen

Die Transformation der Netzspannung auf ein niedrigeres Potenzial verursacht durch den Transformator eine Phasenverschiebung. Diese bereitet ernsthafte Probleme bei spannungsüberwachenden Systemen. Um diese Probleme zu beseitigen, kann man die Phase entweder im Backend, also in der Software, anpassen oder dieser Abgleich geschieht direkt im A/D-Wandler. Nach dem Abgleich der Phasen kann man den Leistungsfaktor (Power Factor) sehr genau ermitteln.

Eine Verschiebung des 120°-Phasenversatzes ist gleichbedeutend mit Energieverlusten. Kann man den Leistungsfaktor genau erfassen, so ist es auch möglich, diesen zu korrigieren. Durch Korrekturmaßnahmen lässt sich die Effizienz des Stromnetzes exponentiell verbessern.

Traditionell wird der Phasenabgleich nach der A/D-Wandlung vorgenommen. Das erfordert allerdings einen gewissen Software Overhead, um diese Phasenkorrektur vorzunehmen. Moderne A/D-Wandler bieten deshalb die Möglichkeit, diesen Abgleich intern durchzuführen. Solch ein Baustein ist der MAX11040 (24-Bit, Sigma-Delta), mit dem jeder seiner vier Kanäle separat eingestellt werden kann. Die Phase kann in 1,33-µs-Schritten von 0 bis 333 µs verschoben werden. Über den SYNC-Eingang sind mehrere A/D-Wandler miteinander synchronisierbar; in Fall des MAX11040 wären dies bis zu acht Bausteine und damit insgesamt 32 Kanäle.

*Martin Mason ist Director der Abteilung „Precision ADCs and Filters“ bei Maxim Integrated Products in Sunnyvale, Kalifornien.

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