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智能电表的设计方案

智能能源意味着电力生成,分配和消耗的智能水平。在某种程度上,这已被政府强加给公用事业公司,但它比单纯的立法更加深刻。更广泛的社会良知意味着它现在影响着所有形式和各个层面的权力处理方式。

越来越多地嵌入仪表,电器,机械甚至建筑物中的“智能”旨在帮助控制能量。不断扩大的全球人口和有限的化石燃料,再加上利用这些资源对环境的负面影响,正在导致世界能源格局发生变化。

可再生能源正变得越来越重要。国际能源机构最近公布了数据,表明能源生产和消费的关键领域如何进一步实现“巴黎协定”的目标。电动汽车,太阳能光伏和陆上风电场正在满足当前的预期,而其他举措包括碳捕获和储存以及提高燃煤发电效率则不然。其他形式的可再生能源(如核电和储能)的指标显示需要做出更多努力,如运输,工业和消费应用(如家用电器和照明)等终端市场也需要更多的努力。

能源效率低下的一个重要因素是转换阶段自然会产生损失,但正在开发的技术和技术可以帮助最小化它们。该行业继续向数字领域过渡,与纯粹的模拟方法相比,它提供了更好的控制,灵活性和效率。由于这种转变,越来越多的解决方案结合了一系列专门针对电源转换的功能。

监测能源使用情况

智能电表目前正在许多国家推出,以便让消费者更好地控制其能源使用,并帮助公用事业公司监控需求,确保他们只生产足够的能源来满足这一需求。公用事业公司越了解消费者的习惯,就越容易采用对环境负责的能源生产和分销方法。虽然术语“智能电表”涵盖了这个应用领域,但它们的功能可能会有很大差异。有些人可能只是将数据传回公用事业提供商,而其他人可能会让房主全面了解他们的能源使用情况。

赛普拉斯半导体的FM4 S6E2Dx系列微控制器面向寻求开发可与智能电表接口并提供丰富信息的系统的OEM。它可以构成家庭能源管理系统(HEMS)的核心,如图1和图2所示。它集成了ARM Cortex-M4F内核和图形子系统,以及许多其他外围设备,以支持有线和无线接口。

在同一系列中,FM0 + S6E1A1系列针对不同形式的电机控制进行了能量管理优化。无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)的数字控制是能源管理领域,是优化的关键。两种类型的电动机都存在于越来越多的工业机器和消费电器中,并且一直是努力提高能效的主题。磁场定向控制(FOC)是一种使PMSM和BLDC的驱动和控制更加高效的技术,但它确实需要相对较高的处理能力。FM0 + S6E1A系列非常适用于BLDC和PMSM电机的FOC,这些应用完全受制造商赛普拉斯半导体公司设计指南的支持。

电源转换

虽然一些电器使用交流电源供电,但更多电器需要降压和稳压直流电源,这使得开关模式电源(SMPS)的使用非常广泛。向数字控制的转变使原始设备制造商能够生产更小,更高效的SMPS,并继续努力进一步提高这一关键领域的效率。

dsPIC33F系列数字信号控制器(DSC)的从Microchip的适用于智能电源转换,提供动态控制和环路调整,预测控制环路算法以及针对不同功率级别的操作灵活性。这种级别的数字控制旨在消除对标准模拟控制回路的需求,同时提供更好的控制。调节由DSC上运行的软件控制,支持用于非线性预测和自适应控制的数字补偿算法。简而言之,电源能够更好地处理输入功率和负载的变化,以便在各种条件下以最佳效率运行。在这种情况下,DSC上运行的算法使用高速和高带宽ADC以及高速PWM收集的反馈。

如图4所示,dsPIC33F还能够通过Boost-PFC算法实现功率因数校正,使用平均电流模式控制。通过计算整流输入电压,输出电压误差补偿器和电压前馈输出的乘积,以数字方式导出参考电流。即使在运行此应用程序时,dsPIC33F也为其他应用程序软件提供了充足的处理空间。


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