工业设备的“心脏”如何保护？三相模拟前端简化电源质量分析

　　工业电源模块是工业设备的心脏，根据国际市场研究机构Markets and Markets发布的报告，全球工业电源市场规模到2026年预计将达到97亿美元，特别是在碳中和政策驱动下，节能设备需求的不断增加以及全球电动汽车的普及是驱动该市场稳定增长的主要因素。从定义上说，工业电源是利用现代电力电子技术，控制晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。而从主要的功能来讲，工业电源的核心技术就是控制IC和MOSFET晶体管。工业电源的下游应用，几乎能想到的领域都能用得上，比如工业自动化控制、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备等等。

　　电力的可靠性、弹性和普遍可用性是美国最大的工程成就之一。来自美国能源部、美国国家电力可靠性公司等机构的报告，通常将全国的可靠性定为99.97%。尽管如此，经济学家估计，即使是0.03%的电力服务损失也会对美国经济造成每年超过1000亿美元的损失。而在工厂里，电力不稳定可能导致昂贵的设备发生故障，甚至过早报废。细微的电源质量事件常常越过传统保护网络而不被察觉，造成设备性能随着时间推移而降低。为了克服电源质量挑战，有必要监控输入以及负载产生的扰动。始终致力于开发先进的半导体产品和优秀解决方案的供应商亚德诺半导体(ADI)为业界提供了一款具有电源质量分析功能的高集成度三相模拟前端(AFE)，旨在帮助延长工业设备的正常工作时间和使用寿命，相比定制解决方案而言，可为开发人员节省大量时间和成本。

　　电源质量指的是提供给用电客户的电力的各种变化情况，涉及接线问题、接地问题、开关瞬变、负载变化和谐波生成。某些情况下，电源质量糟糕的状况可能未被发现，但是会损害昂贵的设备。过去，设计高精度电源质量分析仪需要较高的技术能力，并且常常涉及使用分立器件和开发定制电源质量测量算法。现如今，新型电源质量模拟前端集成了低漂移总增益的高性能ADC和DSP内核。分立式设计方法和编写定制算法意味着复杂度和成本会很高，而集成式AFE消除了这种弊端。

　　集成AFE计算并提供电源质量参数，例如突降、突升、均方根、相序误差和功率因数值，还可以从输入信号获得线路频率谐波成分。ADI的这款世界领先的电源质量监控前端ADE9000.它消除了大部分的计算复杂性，并简化了实施电源质量监控系统所需的时间和精力。

　　典型电源质量监控系统信号链

　　85%的电源质量事故源于电源突降或突升、谐波和接线以及接地问题。为了应对并管理电源质量，必须找到可靠的监控和报告方法。行业制定的一些重要标准，例如IEC 61000-4-30 A类和S类、IEC61000-4-7谐波测量和针对闪变的IEC61000-4-15.ADE9000 AFE是一种现成解决方案，提供嵌入式电源质量算法，并与高性能ADC集成在单个器件中。这种集成可以简化复杂算法编程、降低成本、减少元件数量，并加快产品面市速度，同时实现高精度，确保电源质量符合EN61000-4-30 S类标准。工厂、医院、商业建筑和其他场所的设备经常由于电源干扰和异常等污染而出现工作中断、过早老化和长期损坏。很多情况下都无法检测出这些电源污染，最终导致价格昂贵的设备损坏。使用ADE9000 AFE，电源质量监控解决方案的设计人员能够测量和分析电源污染，从而防止这些干扰和长期损坏。

　　在当今商业环境下，许多公司都在考虑安装或已经安装本地产生的再生能源，例如太阳能和风力发电，这种分布式电力来源使得电气设施需要开关模式电源。随着电力电子和开关电源使用的增加，谐波将成为工业设备更常见的电源质量问题来源。此类电源可将谐波注入电线并降低电源质量，从而影响任何连接到供电网络的东西，包括变压器和电缆。当网络组件过载时，设备管理者常常可观测到大谐波电流的影响。某些情况下，网络组件的总损耗增加0.1%至0.5%便可能触发保护器件。ADE9000 AFE将七个高性能ADC、高端基准电压源、灵活的DSP内核以及专有算法集成到单个便于使用的器件中。ADC和基准电压源驱动实现高精度，在一定温度范围内提供低漂移，并在最广泛的动态范围内提供较高精度。预编程的专有电源质量软件提供了实时监控和谐波分析，包括幅度和相位信息。需要时，它能够实现及时且节约成本的纠正措施。

　　为协助客户加速产品开发，ADI还提供了EVAL-ADE9000EBZ评估板，让客户可对ADE9000电能监控IC的性能进行评估，且评估环境与实际电源质量监控器的部署环境非常类似。该评估套件内包含评估软件，其采用LabVIEW编写，通过PC接口可访问该器件的所有寄存器和特性。

　　随着工业制造的不断发展，以及物联网部署的加速，传统的工业电源已经无法满足智能制造对于工业电源高效集成、诊断监控、远程管理等更多的需求。来自分布式设备的电源质量信息也将以更智能的方式加以收集和利用。通过采用ADE9000这种新一代电源质量监控技术与器件，工业设备所有者可以预期机器设备过早失效或磨损的情况会减少，从而使昂贵的基础设施将获得更长的使用寿命。