如何進(jìn)行三電流矢量和測(cè)量

篡改電能測(cè)量會(huì)給能源供應(yīng)商帶來重大的收入損失。MAXQ3183多相AFE為篡改檢測(cè)提供電流矢量和測(cè)量。本應(yīng)用筆記介紹如何將MAXQ3183配置為三電流矢量和。提供使用參考設(shè)計(jì)儀表生成的測(cè)試結(jié)果。

介紹

篡改電能測(cè)量以多種形式發(fā)生，給能源供應(yīng)商造成重大收入損失。據(jù)估計(jì)，在某些市場(chǎng)1，多達(dá) 40% 的收入因能源盜竊而損失。一種常見的篡改方法是繞過電能表外部的測(cè)量傳感器，但有一種方法可以檢查這一點(diǎn)。通過監(jiān)測(cè)三相電能表中中性電流和三相電流之間的不平衡，您可以檢測(cè)電流旁路連接。

在普通的三相系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)測(cè)量的瞬時(shí)零線電流是三相電流的矢量和，因?yàn)榱憔€電流是所有相電流的唯一返回路徑。如果嘗試任何電流旁路，電流之間的平衡就會(huì)被打破。參見圖1。因此，可以監(jiān)視當(dāng)前余額，在每個(gè)數(shù)據(jù)樣本中查找不平衡，然后在發(fā)現(xiàn)不平衡時(shí)發(fā)出警報(bào)?；蛘?，能源供應(yīng)商只有在收集到足夠可靠的“正常”操作證據(jù)后才能決定開始監(jiān)測(cè)過程。在每個(gè)樣品上發(fā)出警報(bào)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中斷過多，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說通常不是必需的。

將中性電流的RMS值與三相電流的矢量和進(jìn)行比較是自然的選擇。RMS計(jì)算中的累積過程過濾掉了由于噪聲引起的數(shù)據(jù)樣本中的峰值，從而消除了誤報(bào)。一種更方便的方法是監(jiān)視零線電流與三相電流的矢量和，然后僅在該四電流和的RMS超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)才中斷主機(jī)。本應(yīng)用筆記討論了使用MAXQ3183（低功耗多功能多相AFE）的電流矢量和特性進(jìn)行電流旁路檢測(cè)。

圖1.B相上的電流旁路。

矢量和測(cè)量模式

MAXQ3183提供兩種電流矢量和測(cè)量模式：IVS3和IVS4。IVS3 模式對(duì)三相電流求和，IVS4 模式對(duì)三相電流加上零線電流求和。

為了使用ISV3進(jìn)行旁路檢測(cè)，主機(jī)控制器定期命令MAXQ3183進(jìn)行ISV3測(cè)量（以RMS為單位返回），并將其與零線電流（RMS，也可按需測(cè)量）進(jìn)行比較。如果差值高于閾值，則檢測(cè)到旁路事件。

更方便的方法使用 ISV4。在該方法中，在ISUMLVL寄存器和相應(yīng)的中斷位（IRQ_MASK中設(shè)置閾值。EISUM）啟用。當(dāng)四電流矢量和的RMS超過門限時(shí)，MAXQ3183將產(chǎn)生中斷。使用中斷功能，僅在必要時(shí)聯(lián)系主機(jī)，而不是主機(jī)不斷輪詢向量和寄存器以確定是否發(fā)生了超限事件。矢量和測(cè)量模式的選擇在AUX_CFG寄存器中配置。

在矢量和測(cè)量期間，將配置和訪問以下寄存器。

SCAN_IN寄存器的說明。

AUX_CFG寄存器的說明。

配置 IVS4

要使用 IVS4 模式，必須啟用零線電流監(jiān)控（默認(rèn)情況下，零線電流通道監(jiān)控處于關(guān)閉狀態(tài)）。有兩個(gè)寄存器控制零線電流監(jiān)測(cè)：AUX_CFG和SCAN_IN。設(shè)置AUX_CFG。ENAUX位啟用“輔助通道的處理”并清除SCAN_IN。DADCNV 位，用于在零線電流通道上啟用 ADC 轉(zhuǎn)換。此兩步過程是必需的，因?yàn)锳UX_CFG指定DSP處理器應(yīng)在分配給輔助通道的時(shí)隙中計(jì)算的內(nèi)容，這與中性通道的ADC操作無關(guān)。輔助通道處理可以配置為以下選項(xiàng)之一：

計(jì)算零線電流的均方根。

計(jì)算任何相電壓或電流的諧波分量。

計(jì)算 IVS3 或 IVS4。

在IVS4模式下，中性線電流通道采樣

僅用于

計(jì)算IVS4;零線電流的RMS不可用。配置 ISV4 測(cè)量的過程概述如下：

通過清除SCAN_IN在零線電流通道上啟用ADC轉(zhuǎn)換。DADCNV 位并設(shè)置SCAN_IN。ADCMX 位 （7：4） 至 0110。SCAN_IN應(yīng)包含0x060。

通過設(shè)置AUX_CFG，為四電流矢量和計(jì)算啟用輔助處理。ENAUX位并設(shè)置AUX_CFG。AUX_MUX位 （3：0） 到 1111。清除所有其他位。AUX_CFG登記冊(cè)應(yīng)包含0x004F。

等待 3 到 4 秒，讓濾波器建立并完成計(jì)算，然后從 N.IRMS （0x11C） 或 I.HARM （0x840） 讀取向量和。如果從I.HARM讀取，請(qǐng)確保正確設(shè)置AMP_CC寄存器。

請(qǐng)注意，四電流矢量和還支持與反向零線電流求和：IA + IB + IC - IN如果發(fā)現(xiàn)零線電流傳感器連接反轉(zhuǎn)，此功能非常有用。為此，請(qǐng)?jiān)贏UX_CFG寄存器中設(shè)置 INREV 位，以便 AUX_CFG=0x006F。

配置 IVS3

IVS3模式不使用零線電流測(cè)量，因此ADC轉(zhuǎn)換被禁用（默認(rèn)條件）。

通過設(shè)置AUX_CFG，為三電流矢量和計(jì)算啟用輔助處理。ENAUX位并設(shè)置AUX_CFG。AUX_MUX位 （3：0） 到 1001。確保清除所有其他位。AUX_CFG寄存器應(yīng)包含 x0049。

等待 3 到 4 秒，讓過濾器建立并完成計(jì)算，然后從 N.IRMS （0x11C） 或 I.HARM （0x840） 讀取矢量和。如果從I.HARM讀取，請(qǐng)確保正確設(shè)置AMP_CC寄存器。

測(cè)試設(shè)置

儀表交流規(guī)格：
UN= 220V
I.MAX= 9A
頻率 = 50Hz/60Hz

電流互感器規(guī)格：
1.5（9）mA/5mA 電流 = 9A
（最大值）
負(fù)載電阻：20Ω
線性誤差：0.05%

儀表測(cè)試儀： MTE PCS400.3

注意：此測(cè)試儀不支持零線電流測(cè)試。它只能提供三個(gè)電流。本應(yīng)用筆記討論測(cè)試三電流矢量和（ISV3）。四電流矢量和測(cè)試的結(jié)果將在后續(xù)應(yīng)用筆記中討論。

確定轉(zhuǎn)換參數(shù)

MAXQ3183僅處理和顯示整數(shù)數(shù)字。為了向能源提供者和消費(fèi)者提供測(cè)量結(jié)果，需要將這些整數(shù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)奈锢韱挝?。將MAXQ3183寄存器值轉(zhuǎn)換為物理單位需要兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)：VFS和IFS。VFS是交流輸入電壓，將產(chǎn)生V的電壓幅度裁判/2在MAXQ3183的電壓引腳上，其中VREF是MAXQ3183的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓電平，典型值為2.048V。IFS 是交流輸入電流，其電壓幅度為 V裁判/2在MAXQ3183的電流引腳上。

對(duì)于MAXQ3183參考設(shè)計(jì)，電壓檢測(cè)電路由68個(gè)1kΩ電阻和一個(gè)3kΩ電阻分壓器組成（圖4663）。

圖3.MAXQ3183上的電壓檢測(cè)電路

我們計(jì)算VFS為：

其中：

R1 = 8 個(gè) 68kΩ
R2 = 1kΩ
VREF = 2.048V
VFS = （8 × 68 + 1） × 2.048/2 ~ 558V

因此，VFS = 558V。

參考設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路由一個(gè)初級(jí)/次級(jí)匝數(shù)比 = 300 的電流互感器和一個(gè) 20Ω 的負(fù)載電阻組成。CT 次級(jí)輸出在 VCOMM 處中心偏置（圖 4）。

圖4.MAXQ3183上的電流檢測(cè)電路

我們計(jì)算IFS為：

其中：

NCT= 300

RCT = 20Ω

VREF= 2.048V

IFS = 300 × 2.048/（2 × 20） ~ 15A

因此，IFS = 15A。

矢量和計(jì)算對(duì)三個(gè)（或四個(gè)）電流矢量的實(shí)時(shí)ADC樣本求和。計(jì)算精度受電流矢量幅度和相位角誤差的影響。因此，在執(zhí)行矢量和測(cè)量之前，正確校準(zhǔn)增益和相位角非常重要。

單相電流 （I一個(gè))

這個(gè)測(cè)試場(chǎng)景非常簡(jiǎn)單，但很有趣，因?yàn)樗f明了測(cè)量中的各種誤差貢獻(xiàn)。有關(guān)配置MAXQ3183進(jìn)行三電流矢量和測(cè)量的說明，請(qǐng)參見前面的IVS3配置部分。在儀表測(cè)試儀上設(shè)置 IB = IC = 0。從10A到0.02A變化IA，并收集A.IRMS和IVS3（來自N.IRMS）。

請(qǐng)注意，B.IRMS 和 C.IRMS 都顯示非零值。這些殘差值來自系統(tǒng)中的噪聲，因?yàn)樵?a target="_blank">電源設(shè)置為IB= IC= 0。相同的噪聲會(huì)導(dǎo)致IVS3誤差，在低輸入（I<0.1A）時(shí)，IVS3誤差會(huì)變得很大。請(qǐng)注意，ISV<> 的誤差遠(yuǎn)高于 I 的誤差一個(gè)在我一個(gè)= 0.05A 和 0.02A。這主要是因?yàn)閬碜韵辔籅和相位C的噪聲仍然有助于IVS3測(cè)量，而它們對(duì)I沒有貢獻(xiàn)。一個(gè)測(cè)量。

三相電流（I一個(gè)+ 我B+ 我C)

對(duì)于平衡的三相負(fù)載，三矢量和應(yīng)為零。此測(cè)試結(jié)果可作為設(shè)置要與 ISV4 一起使用的閾值級(jí)別的參考。變化一一個(gè)（= IB= IC） 從 10A 到 0.05A 并收集 A.IRMS、B.IRMS、C.IRMS 和 IVS3（來自 N.IRMS）。

上述結(jié)果表明，對(duì)于被測(cè)儀表，矢量和測(cè)量誤差高達(dá)0.03A。將閾值設(shè)置在此水平或以下肯定會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)。

三相電流（I一個(gè)+ 我B+ 我C）、不平衡負(fù)載

在儀表測(cè)試儀上設(shè)置IB = IA/2，IC = IA/4;IA從10A到0.05A不等，并收集A.IRMS，B.IRMS，C.IRMS和IVS3（來自N.IRMS）。

預(yù)期的 IVS3 值由以下公式計(jì)算得出：

向量和誤差源：理論觀點(diǎn)

下面的簡(jiǎn)單電子表格計(jì)算表明，矢量和計(jì)算的性能對(duì)相位角和電流矢量大小的誤差都很敏感。

在下表中，ISV3 Err 列是 ISV3 相對(duì)于基本情況的相對(duì)誤差（第 1 行）。相位-角誤差在相位B中引入相位角αB.該表顯示，在評(píng)估的輸入條件下，0.5°的相位角誤差在矢量和測(cè)量中貢獻(xiàn)了約1%的誤差。

下表顯示，相電流幅度（RMS）誤差對(duì)矢量和測(cè)量的貢獻(xiàn)相對(duì)誤差大致相同。

結(jié)論

MAXQ3183計(jì)算三電流矢量和和四電流矢量和，均為按需功能。用戶必須配置多個(gè)寄存器才能命令矢量和測(cè)量。本應(yīng)用筆記通過三個(gè)電流矢量和測(cè)量示例說明了配置過程。測(cè)試結(jié)果作為客戶設(shè)計(jì)驗(yàn)證的參考案例提供。結(jié)果說明并強(qiáng)調(diào)了矢量和測(cè)量的準(zhǔn)確性，然而，矢量和測(cè)量對(duì)當(dāng)前矢量的幅度和相位角誤差都很敏感。設(shè)計(jì)人員應(yīng)密切注意增益因數(shù)和相位角的校準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷