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使用电路保护,传感和电源控制功能设计智能电表

2018年12月4日经过Philippe Di Fulvio,Littelfuse Inc

本文概述了智能仪表设计的各种组件选项以及它们如何改善它们所设计的仪表的运行。

本文概述了智能仪表设计的各种组件选项以及它们如何改善它们所设计的仪表的运行。

公用电表——曾经被藏在布满蜘蛛网的地下室和灌木丛后面——现在正在成为节能努力的主要参与者。最新一代的“智能”电表、水表和煤气表现在为商业和住宅客户提供他们更明智地使用这些资源所需的信息。它们还允许公用事业公司远程监控使用量,极大地消除了手动读数的需要;它们甚至可以平滑电网功率峰值,斑点篡改,泄漏,超温等。

从传统机电电表到智能电表的转换给电表设计师带来了各种各样的挑战,因为他们正在努力开发与先进计量基础设施(AMI)兼容的解决方案。这允许将智能电表集成到快速增长的物联网(IoT)中,物联网支持远程通信和故障检测。然而,有一件事是不变的,安装这些仪表的公用事业公司需要它们足够坚固,能够可靠地运行几十年,并在其使用寿命期间提供准确的测量。要做到这一点,它们必须包含越来越多的电路保护、传感和电源控制组件。

电路保护部件

当今智能仪表中的复杂电子设备需要更大的电气瞬态(ESD),电力浪涌(如闪电尖峰如过电流)和其他事件而不是过去。图1是典型的住宅电表内的子系统的高级框图。图2说明了气体和水表具有共同的多个功能块。

智能电表子系统。

图1。智能电表子系统。

智能气体和水表子系统。

图2。智能气体和水表子系统。

电能表从电网中获取电力,电网受到雷电、电感负载切换或电容组切换造成的高能量瞬变。为了保护输入电源电路,设计人员通常选择额定电压足够高的金属氧化物压敏电阻(MOVs),以承受交流线路电压。

当短暂的过压瞬态超过这些限制时,MOV将其迅速将其夹紧到合适的电压电平。但是,如果MOV经受持续的异常过电压,有限的电流条件,则MOV可以进入热失控,导致过热,烟雾和潜在的火灾。在可能发生这种情况的情况下,例如在电表中,设计者通常会选择热保护的压敏电阻(TMOV)而不是(图3),该电压器(图3)集成了将打开电路的设备的主体内的热响应元件在过热的情况下变阻器。

TMOV和iTMOV热保护变阻器

图3。类似于这些TMOV和ITMOV器件的热保护压敏电阻可以保护智能电表的输入电源电路免受持续过电压。

电力计容易受到闪电事件或电能质量干扰产生的输入瞬态和浪涌。这些瞬变可以达到20 kV,取决于包括地理位置的各种因素,在附近连接的载荷等。MOV是用于保护这些浪涌的主要装置。所需水平的浪涌免疫决定了MOV的额定值和大小。对于2 kV和4 kV之间的基本浪涌保护,可能会使用14毫米的MOV。然而,对于20 kV的保护水平,需要更大的MOV或TMOV。

因为它们是具有有限寿命的被动设备,所以MOVS具有与其寿命阶段相关的几个固有问题。例如,一旦他们达到生命结束,它们就会对自己造成伤害并对他们的电子电路构成威胁。MOV可以在未发生故障之前仅承受这么多的浪涌撞击,并且这种浪涌打击能力取决于MOV盘尺寸和MOV设计用于吸收的浪涌的大小。

因此,在选择MOV时,除了考虑所需的峰值抗冲击能力外,还必须考虑系统的预期寿命。例如,考虑一个系统意味着要持续20年,需要6kv保护。即使20mm MOV可以满足6kv / 3ka, 15击标准,一个25mm或更大MOV可能用于提供能力,在仪表的生命周期内承受更多的浪涌冲击。对所使用的MOVs进行适当的降额是必要的,以确保系统能够维持其所需的寿命。

一些较新的规范还要求保护这些MOV免受寿命终端失败。对于这些应用,TMOV通常用于在寿命期间继续保护电路。一旦他们到达寿命阶段,它们就会断开电路的连接,以防止灾难性的损坏。TMOV也可以有一个指示特征,警告保护器失败的仪表并需要更换。

在快速上升瞬态也可能损坏电源部分的设计中,瞬态电压抑制(TVS)二极管通常与具有适当协调元件的MOV结合使用。这些器件钳位快速上升的瞬变,而前端MOV在这些瞬变中吸收大部分高能量。

为了保护接线,如果对电源的灾难性损坏导致电源的灾难性损坏,设计人员通常在电源的输入前端采用保险丝。墨盒保险丝,如Littelfuse 215,514和835系列可以帮助它们满足由电力计安全标准驱动的单个故障测试要求。

在智能仪表中,微控制器或数字信号处理器通常控制能量测量和处理功能。该设备的I / O需要浪涌抑制,通常由电视二极管提供,如Littelfuse SMAJ或SMBJ系列。

虽然微控制器的电源保护不受瞬态冲击,但微控制器的模拟信号传感引脚连接到输入电源以测量电压和电流。这些信号引脚通常有一个高值的电阻和电容连接,用于过滤目的,但一些快速上升的瞬态可以通过这些过滤级,到达微控制器,这是非常敏感的瞬态。为了防止对微控制器的损坏,在信号引脚上使用了紧凑型瞬态保护二极管,将任何输入瞬态箝位到安全水平。

要将使用和其他数据转回公用事业公司,仪表将配备多种通信端口,如RS-232,RS-485,以太网,GSM,GPRS,ZigBee电源线通信(PLC)或光端口。因为这些端口类型中的每一个具有不同的操作速度和规格,所以每个都需要不同的保护方法。

例如,热保护的压敏电阻(TMOV)是PLC端口的最佳浪涌保护装置,但具有低寄生电容的TVS二极管阵列(图5)最常用于保护GPRS,GSM,ZigBee等等无线接口。RS-232,RS-485和以太网等硬连线接口要求使用具有低寄生电容的气体放电管(GDT)和Sidactor®保护晶闸管,例如SEP0XX系列。

诸如Clare(现在IXYS)CPC130X,CPC590x或CP50xx系列的光隔离器通常用于在微控制器和收发器之间提供电流隔离。从初级侧和电源单元的输出电压负载调节的电流呈现也可以通过像Ixys Lia130系列中的光隔离器实现。

电视二极管阵列具有SESD0402系列的低寄生电容,通常用于保护无线通信端口。

图5。电视二极管阵列具有SESD0402系列的低寄生电容,通常用于保护无线通信端口。

任何智能仪表辅助I / O都需要防止短路和过压过载。合适的解决方案包括类似于Littelfuse CPC15xx系列的固态继电器,与SMCJ系列TVS二极管和/或216系列保险丝相结合。

智能煤气表和水表通常由一个固定的内部电池供电,大小可持续10年。最常用的电池化学物质是锂离子(锂离子)。由于这些电池具有显著的容量,一个可复位的保险丝(图6),如Littelfuse飞smd或nanoSMD系列PPTC是必要的,以防止短路故障造成的电路故障。

表面安装可复位的PPTC

图6。表面安装可重置PPTC(聚合物正温度系数)器件广泛用于保护电池免受短路故障。

传感组件

与电路保护部件一样,传感器广泛用于公用事型计,例如水和煤气表中使用的流量测量装置。Littelfuse MDSR-10系列的簧片开关为流量计数提供了准确和经过验证的技术,还提供了不绘制任何电源的优势。

低功耗对燃气和水表设计人员越来越重要。实际上,电池寿命是这些米的最关键资源,必须谨慎使用,以延长仪表的寿命。这些智能电表从磁化编码器源自传感信号,并使用簧片开关传感器(图7);然后将信号馈送到微控制器。智能仪表可以设计成仅当簧片开关感测脉冲时,微控制器仅打开。在记录脉冲计数后,它将返回到睡眠模式,有助于延长电池寿命。

玻璃封装的簧片开关需要零操作电源进行接触闭合。

图7。玻璃封装的簧片开关需要零操作电源进行接触闭合。

不幸的是,希望通过用仪表篡改以操纵读数并减少(或消除)他们将收取的金额来“游戏系统”的公用事业客户始终有一定比例的公用事业客户。为了打击这一点,智能电表通常设计有各种篡改检测策略。

最常用的篡改方法只是打开仪表盖并损坏电路。然而,与设计中的磁体或微动开关相同地集成了Littelfuse 59166或MDSM-4系列,允许仪表检测盖子何时打开并向微控制器发送触发器。电池供电的仪表通常使用簧片开关作为防篡改解决方案,因为它们不会延伸电池电量并延长其寿命。

仪表篡改的另一种方法涉及将靠近仪表的身体的强大电磁磁体,可以使磁变压器饱和或影响其他组件。但是,通过在设计中采用霍尔效应传感器,仪表可以检测磁场并向微控制器发送触发器,以记录篡改事件并通知该公用事业公司。

通过篡改方法,在识别尝试后,微控制器通知监控支持人员在公用事业公司,谁又可以安排现场后续,并可能对用户造成篡改罚款。

考虑到过度的温度会影响智能仪表的准确性并缩短其有用的寿命,仪表设计人员经常使用NTC(负温度系数)芯片和子组件进行温度测量和过温检测。此外,可以使用新一代的热指示灯(图8),减轻温度敏感区域(如仪表电源插座,电流传感器,振荡器和RF模块)的性能漂移(图8)。

热指示器

图8。智能电表需要强大的热保护持续数十年,因此设计师越来越需要允许它们识别时温度升高的设备。

电源控制组件

功率控制部件广泛用于智能电表,用于负载开关和能量脉冲耦合功能。像IXYS LCA182和PLA192这样的固态继电器(SSRS)提供了对脉冲输出信号的机电继电器的优势,因为没有磨损接触。SSR负载输出如IXYS CPC139X和CPC19XX系列可用于驱动电源电压的接触器继电器,以控制不同的负载,例如加热。

一些工业电表采用光学隔离的固态继电器(SSR)输出,因为它们可以通过可编程周日历,通过动态命令或主动信息管理系统来控制。SSR的其他智能电表应用包括定制负载输出,主动/无功,关税开关,报警输出,限制功耗和能量方向接触。

许多智能电表设计人员正在转向电源MOSFET,用于电源转换功能,如输入电压预调节和下降转换。虽然用于馈送仪表电子设备的内部电源通常采用简单,廉价的反激式转换器,但最新的高压碳化硅电源MOSFET允许电源以极宽的输入电压范围为85VAC至440 VRMS,或者对于多相仪表更高。SIC MOSFET提高了功率转换器的可靠性和鲁棒性。具有1kV且更高的电压额定值的功率MOSFET(图9)对于适应宽的交流输入电压范围,与主要变压器的反射电压和来自电网的雷电浪涌相结合。

Littelfuse LSICMO170E1000功率MOSFET

图9。Littelfuse LSICMO170E1000如Littelfuse LSICMO170E1000提供高达1700 V的最新功率MOSFET,用于多相智能仪表。

更多信息

了解更多关于形成下一代智能电表的新兴电路保护、传感和电源控制技术littelfuse.com.

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