単一のICが単相エネルギー計測の課題を解決

昨今、「エネルギー」や「電力」に関する議論がいたるところで行われています。回路やシステムの使用量に関連する「ミクロ」レベルの話だけでなく、ACラインのエネルギーと電力に関連する考慮事項、たとえばエネルギーの使用、節電、再生可能エネルギー源に関する議論もあります。これらの用語の実際の意味と、効果的な測定方法について見てみましょう。

工学部の学生が最初に学ぶことの1つは、「エネルギー」と「電力」の意味です。この2つの項目は関連していますが、明確に異なるものです。それにもかかわらず、カジュアルな会話や報告では（エンジニアの間でも）しばしば同じ意味で使われています。

公式には、エネルギーとは仕事をする能力であり、電力とはエネルギーが消費される、あるいは獲得される速度です。数学的には、電力はエネルギーの時間微分であり、エネルギーは電力の時間積分です。

二乗平均平方根（RMS）電圧と電流の値は、電力とエネルギーの分析に不可欠です。数学的には、時変電圧f（t）のRMS値は次のように計算されます。

式1

ここで、Tは波形の周期です。

歪みのない基本的な正弦波の場合、ピークAC電圧とRMS値の間には単純な関係があることに注意してください。

式2

一般的なケースにおけるRMS値の意味はなんでしょうか。AC信号のRMS値は、同一の負荷にわたる未知のAC信号の発熱量と既知のDC信号の発熱量を比較したもので、その負荷で同量の熱を発生させるのに必要なDCの量に等しくなります。負荷で消費される電力が等しいとき、既知のDC電圧は未知のAC信号のRMS値に等しくなります。

たとえば、1VのAC RMSが抵抗発熱体に印加された場合、1VのDCで発生する熱量と同じ量の熱が発生します。実際、電子式以前のRMS DC計測器の中には、DC電源と未知のRMS電源が同一の抵抗器を加熱する配置を用いたものもありました。その後、抵抗の温度が一致するようにDC電源を調整し、RMS値が示されました。

幸いなことに、ICは、全アナログ計算構成を使用して、RMS値の判断をかなり簡単なものにしました（図1）。この回路では、Analog Devicesのプログラマブルゲイン差動アンプAD628（ここでは減衰係数25に設定されています）が、パワーラインの信号をAnalog DevicesのAD8436 RMS-DCコンバータに印加する前にスケールダウンします。

図1：この2つのICの全アナログ回路は、ACパワーラインのRMS値入力を表すDC出力を提供します。（画像提供：Analog Devices）

この差動アンプは、±120Vのコモンモード入力と差動モードのレンジを持ち、高電圧のパワーラインを分割するのに適しています。AC波形のRMS値の正確なDC等価値がRMS OUTで供給されます。

今日のACラインではそれ以上のものが必要

全アナログのRMS-DCアプローチは機能しますが、それでわかることは1つだけです。今日のエネルギー管理環境では、システムは単相AC波形のRMS値だけでなく、もっと多くのことを知る必要があります。

この問題を複雑にしているのは、AC電圧がきれいな正弦波ではなく、公称値からの偏差や歪みが多いという事実です。さらに、負荷が純粋な抵抗であることはほとんどないため、電圧波形と電流波形の間には位相のずれが生じます。全体的に、デジタル駆動の数値分析を追加しなければ判断できない属性があります。

このようなACラインの現実に対し、Analog DevicesのADE9153A自動較正機能付きエネルギーメータICは優れています（図2）。単相エネルギーメータ、エネルギーおよび電力計測、街路照明、スマート配電システム、機械のヘルス監視などのアプリケーションを対象としています。ADE9153Aの10MHz高速シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）ポートにより、ADE9153Aのレジスタにアクセスできます。3.3V電源で動作し、32リードLFCSPパッケージで提供されます。

図2：自動較正機能付きエネルギーメータIC ADE9153Aは、単相アプリケーションをターゲットとし、詳細な解析のためのアナログおよびデジタル機能ブロックを内蔵しています。（画像提供：Analog Devices）

ADE9153Aは、ACラインの電圧と電流の値をデジタル化するという基本的な機能を提供するだけではありません。その高度なメトロロジーエンジンにより、主要なエネルギー/電力関連の結果を計算し、ライン電圧と電流、有効エネルギー（ワット時（Wh））、基本無効エネルギー（ボルト・アンペア・無効時間（VARh））、皮相エネルギー、電流と電圧のRMS計算を行うことができます。

また、ADE9153Aはゼロ交差検出、ライン周期計算、角度測定、ディップとスウェル、ピークと過電流検出、力率（PF）測定などの電力品質測定機能も備えています。これは、有効エネルギー規格（IEC 62053-21、IEC 62053-22、EN50470-3、OIML R46、ANSI C12.20）や無効エネルギー規格（IEC 62053-23およびIEC 62053-24）など、規制機関によって定義された規格をサポートしながら提供されます。

性能はセンサチャンネルから始まる

高度なエネルギー計測デバイスの特長と機能性を使って達成される実際の性能は、効果的で信頼できるセンサチャンネルに大きく依存します。ADE9153Aは、電流センサと電圧センサの適切な物理的コネクティビティと、独自の較正スキームという2つのアプローチにより、これらの問題に対応しています。

ADE9153Aには2つの電流チャンネルがあります。チャンネルAは、シャントとの使用に最適化された洗練されたデータパスで、図3に簡略および詳細な形式の両方で示されています。

図3：電流チャンネルAにシャント電流センサを搭載した簡易応用回路（上）、および電流チャンネルAのデータパスの詳細（下）が示されています。（画像提供：Analog Devices）

チャンネルBは電流トランスと使用するためのもので、図4に簡略形式と詳細形式の両方が示されています。ロゴスキーコイルのようなdi/dt電流センサと接続するために、電流チャンネルBにデジタル積分器が含まれていることに注意してください。

図4：電流チャンネルBの電流センサとして電流トランスを使用した応用回路（上）、および電流チャンネルBのデータパスの詳細（下）が示されています。（画像提供：Analog Devices）

同様に、ADE9153Aは独自のデータパスを持つ単一電圧チャンネルを備えています（図5に簡略形式と詳細形式を示します）。

図5：抵抗分割器を通して電圧を検知する簡略化された応用回路（上）、および電圧チャンネルのデータパスのより詳細な回路図（下）が示されています。（画像提供：Analog Devices）

チャンネル較正の継続的な課題に対して、ADE9153AはmSure自動較正機能を内蔵し、較正時間、労力、装置のコストを大幅に削減します。この機能により、シャント抵抗を電流センサとして使用する場合、正確なソースやリファレンスメータを必要とせずに、メータが自動的に電流と電圧チャンネルを較正することができます。

各チャンネルの変換定数（CC）は、メータの電源を入れることで測定できます。この値だけで、自動較正を実行するには十分です（CCは、センサとフロントエンドの伝達関数を推定する際にmSureが返す値です）。業界標準のクラス1およびクラス2メータは、mSure自動較正でサポートされています。このICの精度のさまざまな面を単一の数字で捉えることはできませんが、この結果に対する一次の機能する数字としては、約1%の精度が良いでしょう。

すべてをうまくまとめる

ADE9153Aのような先進的なICは強力で洗練されていますが、セットアップやその能力をフルに発揮させることは容易ではありません。この問題に対処するため、Analog DevicesはADE9153Aを50ページのデータシートでサポートし、プリント基板レイアウトのベストプラクティスの詳細や追加の技術的洞察を提供するその他のドキュメントも用意しています（関連コンテンツを参照）。

ArduinoシールドプラットフォームをベースとするEV-ADE9153ASHIELDZ評価拡張ボードが、さらなるデザインインサポートを提供します（図6）。このシールドには、ライン電流測定用のシャント抵抗がオンボードされており、ADE9153Aを使用するエネルギー測定システムの迅速な評価と試作が可能です。

図6：EV-ADE9153ASHIELDZ評価拡張ボードは、ADE9153Aを使用するエネルギー測定システムの評価と試作を高速化するArduinoシールドです。（画像提供：Analog Devices）

ライン電流測定用のオンボードシャントは、公称電流5A、最大電流10Aに対応しています。最大240VのRMS（公称）ラインニュートラル電圧測定に対応しています。

ADE9153A用のArduinoライブラリとアプリケーションサンプルも用意されており、より大規模なシステムの実装を簡素化できます。mSure自動較正を使用すれば、高価な較正装置を使用することなく、ダイナミックレンジに渡り1%の精度でエネルギーを測定するようにシールドを較正することができます。

まとめ

今日のエネルギーを意識したACライン測定要件を満たすために設計者が直面する課題は、基本的なRMS-DCコンバータでは満たすことができません。その代わりに、ACラインの電圧と電流の値をデジタル化し、計算関数を適用して必要な多くの電力とエネルギーのパラメータを決定する必要があります。Analog DevicesのADE9153Aは、電圧入力と電流入力の信号接続データパス、内蔵メトロロジーエンジンコア、および標準SPIインターフェースにより、必要な機能と精度を提供します。

関連コンテンツ

1：AN-1562、ADE9153Aを使用してシステムにエネルギー監視を追加する場合のレイアウトの考慮点

2：UG-1253、EV-ADE9153ASHIELDZユーザーガイド

3：UG-1247、ADE9153Aテクニカルリファレンスマニュアル