工業設備的“心臟”如何保護？三相模擬前端簡化電源質量分析
http://www.debgrams.com 2022-05-25 08:54 來源：
工業電源模塊是工業設備的心臟，根據國際市場研究機構Markets and Markets發布的報告，全球工業電源市場規模到2026年預計將達到97億美元，特別是在碳中和政策驅動下，節能設備需求的不斷增加以及全球電動汽車的普及是驅動該市場穩定增長的主要因素。從定義上說，工業電源是利用現代電力電子技術，控制晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。而從主要的功能來講，工業電源的核心技術就是控制IC和MOSFET晶體管。工業電源的下游應用，幾乎能想到的領域都能用得上，比如工業自動化控制、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備等等。
電力的可靠性、彈性和普遍可用性是美國最大的工程成就之一。來自美國能源部、美國國家電力可靠性公司等機構的報告，通常將全國的可靠性定為99.97%。盡管如此，經濟學家估計，即使是0.03%的電力服務損失也會對美國經濟造成每年超過1000億美元的損失。而在工廠里，電力不穩定可能導致昂貴的設備發生故障，甚至過早報廢。細微的電源質量事件常常越過傳統保護網絡而不被察覺，造成設備性能隨著時間推移而降低。為了克服電源質量挑戰，有必要監控輸入以及負載產生的擾動。始終致力于開發先進的半導體產品和優秀解決方案的供應商亞德諾半導體(ADI)為業界提供了一款具有電源質量分析功能的高集成度三相模擬前端(AFE)，旨在幫助延長工業設備的正常工作時間和使用壽命，相比定制解決方案而言，可為開發人員節省大量時間和成本。
電源質量指的是提供給用電客戶的電力的各種變化情況，涉及接線問題、接地問題、開關瞬變、負載變化和諧波生成。某些情況下，電源質量糟糕的狀況可能未被發現，但是會損害昂貴的設備。過去，設計高精度電源質量分析儀需要較高的技術能力，并且常常涉及使用分立器件和開發定制電源質量測量算法。現如今，新型電源質量模擬前端集成了低漂移總增益的高性能ADC和DSP內核。分立式設計方法和編寫定制算法意味著復雜度和成本會很高，而集成式AFE消除了這種弊端。
集成AFE計算并提供電源質量參數，例如突降、突升、均方根、相序誤差和功率因數值，還可以從輸入信號獲得線路頻率諧波成分。ADI的這款世界領先的電源質量監控前端ADE9000.它消除了大部分的計算復雜性，并簡化了實施電源質量監控系統所需的時間和精力。
典型電源質量監控系統信號鏈
85%的電源質量事故源于電源突降或突升、諧波和接線以及接地問題。為了應對并管理電源質量，必須找到可靠的監控和報告方法。行業制定的一些重要標準，例如IEC 61000-4-30 A類和S類、IEC61000-4-7諧波測量和針對閃變的IEC61000-4-15.ADE9000 AFE是一種現成解決方案，提供嵌入式電源質量算法，并與高性能ADC集成在單個器件中。這種集成可以簡化復雜算法編程、降低成本、減少元件數量，并加快產品面市速度，同時實現高精度，確保電源質量符合EN61000-4-30 S類標準。工廠、醫院、商業建筑和其他場所的設備經常由于電源干擾和異常等污染而出現工作中斷、過早老化和長期損壞。很多情況下都無法檢測出這些電源污染，最終導致價格昂貴的設備損壞。使用ADE9000 AFE，電源質量監控解決方案的設計人員能夠測量和分析電源污染，從而防止這些干擾和長期損壞。
在當今商業環境下，許多公司都在考慮安裝或已經安裝本地產生的再生能源，例如太陽能和風力發電，這種分布式電力來源使得電氣設施需要開關模式電源。隨著電力電子和開關電源使用的增加，諧波將成為工業設備更常見的電源質量問題來源。此類電源可將諧波注入電線并降低電源質量，從而影響任何連接到供電網絡的東西，包括變壓器和電纜。當網絡組件過載時，設備管理者常常可觀測到大諧波電流的影響。某些情況下，網絡組件的總損耗增加0.1%至0.5%便可能觸發保護器件。ADE9000 AFE將七個高性能ADC、高端基準電壓源、靈活的DSP內核以及專有算法集成到單個便于使用的器件中。ADC和基準電壓源驅動實現高精度，在一定溫度范圍內提供低漂移，并在最廣泛的動態范圍內提供較高精度。預編程的專有電源質量軟件提供了實時監控和諧波分析，包括幅度和相位信息。需要時，它能夠實現及時且節約成本的糾正措施。
為協助客戶加速產品開發，ADI還提供了EVAL-ADE9000EBZ評估板，讓客戶可對ADE9000電能監控IC的性能進行評估，且評估環境與實際電源質量監控器的部署環境非常類似。該評估套件內包含評估軟件，其采用LabVIEW編寫，通過PC接口可訪問該器件的所有寄存器和特性。
隨著工業制造的不斷發展，以及物聯網部署的加速，傳統的工業電源已經無法滿足智能制造對于工業電源高效集成、診斷監控、遠程管理等更多的需求。來自分布式設備的電源質量信息也將以更智能的方式加以收集和利用。通過采用ADE9000這種新一代電源質量監控技術與器件，工業設備所有者可以預期機器設備過早失效或磨損的情況會減少，從而使昂貴的基礎設施將獲得更長的使用壽命。
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