Akıllı Sayaçlar

Akıllı sayaçlar dünyanın pek çok yerinde geniş çaplı olarak kullanılıyor olmakla birlikte, akıllı sayaç teknolojisi henüz nispeten yeni bir teknoloji. Tasarım yaklaşımları hala çok çeşitli ve çekilen akımın algılanması gibi önemli alanlara nasıl yaklaşacaklarını seçerken mühendislerin yardıma ihtiyacı var. Çeşitli teknikler mevcut, ama doğru tekniği seçmek çok büyük önem taşıyor.

Giriş: Talepleri Karşılayacak Akıllı Sayaç Tasarımı

Akıllı şebekelerin daha az sera gazı emisyonları, daha fazla yenilenebilir enerji kullanımı ve daha iyi güvenilirlik gibi beklenen yararları sağlayabilmesi için, akıllı sayaçların çok sayıda kullanılması gerekmektedir. Mesaj yerine ulaşmış bulunuyor. ABD Enerji Enformasyon İdaresi'ne göre, şimdiden ABD'de 50 milyonu aşkın akıllı sayaç kullanıma girmiş durumda. Avrupa Birliği 2020 yılına gelindiğinde geleneksel sayaçların en az %80'ini akıllı sayaçlarla değiştirmiş olmayı hedefliyor. Asya'nın Güney Kore ve Çin gibi önde gelen ülkeleri de bu konuda kararlı adımlar atıyor.

Akıllı sayaçlara geçiş, sayaç imalatçıları için, dünyanın çok çeşitli bölgelerindeki kamu hizmetleri, düzenleyiciler ve ev sahiplerinin ihtiyaçlarını karşılayan gelişkin özellikli yeni ürünleri piyasaya sürme fırsatları sunuyor. Teknik açıdan akıllı sayaçlar hala evrim geçirmekte ve hem uygulama düzeyi ve kullanıcı arabirimi hem de veri yakalama, işlemleme ve iletme teknikleri alanlarında daha pek çok gelişme kaydedilmesi gerekiyor. Ancak temel olarak, konuyla ilgilenen herkes, akıllı sayaçların ehven fiyatlı, kolay takılabilir, son derece güvenilir ve aslen bakım gerektirmez olması gerektiği konularında hemfikir. Ayrıca, doğruluk konusunda yerleşik standartları da karşılamaları gerekiyor.

Akım algılama, sinyal koşullandırma ve işlemlemeden sayaçları yönetici şirkete bağlayan yerel ekran ve iletişim devrelerine kadar, bir akıllı sayacın ana işlevsel bloklarını görebiliriz.

Avrupa çapında en popüler iletişim teknolojisi enerji hatlarından iletişim (powerline communications, PLC) iken, ABD'de kablosuz teknolojiler tercih edilmektedir. Greentechmedia tarafından kaleme alınan bir makaleye göre, ABD dağıtım şebekelerinde transformatörlerin evlere oranı daha yüksek olup bu durum enerji hatları üzerinden veri iletimini zorlaştırmaktadır.

Başlıca yarı iletken imalatçıları, müşterilerin akıllı sayaçlar üretmesi için platformlar oluşturan çeşitli mimari yapılar yaratmış bulunuyor. Tasarımcılar, bir mikro kontrolör, yüksek doğruluklu analog ön taraf ve metrolojiye özel aksesuarlar içeren çeşitli akıllı sayaç Yonga-Üzerinde-Sistem (System-on-Chip, SoC) aygıtlarından birini seçebiliyor. Alternatif bir yaklaşım ise, özel bir enerji sayacı entegre devresi ve bir Dijital Sinyal Kontrolörü (Digital Signal Controller, DSC) içeriyor ve güç hesapları yapmak için DSC'nin dahili DSP motorunu kullanıyor.

Akım Algılama Seçenekleri

Akıllı sayaç ile şebeke elektrik kaynağının bağlantı noktasında, tüketim verilerinin hesaplanmasında doğru akım algılama kilit bir öneme sahiptir. Bu iş için, hassas paralel rezistörler, Rogowski bobinleri, Hall-effect sensörleri veya akım transformatörleri gibi çeşitli akım güç çevirici tipleri kullanılır. Paralel rezistör, çok düşük parça maliyetleri ve geniş bir ölçüm yelpazesinde iyi lineerlik gibi avantajlar sunar. Öte yandan, dağılımı asgari düzeyde tutmak ve sayaçlara uygulanan düzenleme standartlarına uymak için düşük rezistanslı olmalıdır. Örneğin, IEC 62053-21 ve 62053-23 faz başına maksimum 2W enerji kaybı belirtir. Bu gerekliliği karşılamak için sadece birkaç yüz mikro ohm voltajlık rezistansa izin verilebilir ve bu da çok düşük voltaj üretir. Bu sinyal, düşük akım düzeylerinde doğruluk sağlayabilmek için dikkatli filtreleme ve amplifikasyon gerektirir. Buna karşılık, yüksek akım düzeylerinde sayacın içinde ısı dağılımı kaygı verici olabilir. Ayrıca, kullanıcı güvenliğini sağlamak ve çoklu faz sayaçlarda fazlar arasında kısa devre olmasını önlemek için optik bağlayıcılar veya transformatörler kullanarak galvanik ayırım gerekli olabilir. Paralel rezistörlerde karşılaşılan güç dağılımı sorunları Rogowski bobininde yoktur ve bobin devre içi olmayıp ana akım taşıyıcı kablonun çevresine yerleştirildiği için takılması daha kolaydır. Bu yaklaşımın bir dezavantajı, Rogowski bobininin harici müdahaleye açık olabilmesi ve bunun, koruma sağlanmadığı taktirde, düşük akımlarda ölçüm doğruluğunu etkileyebilmesidir. Bu durum, bu çözümün maliyetini yükseltebilir.

Hall-effect sensörleri genel olarak alternatif akım güç çeviricilere kıyasla daha pahalıdır ve ayrıca ısıya bağlı değişikliklere daha açıktır. En düşük maliyetli, stabilize edilmemiş sensörler ayrıca eskidikçe doğruluk kaybına uğrar; stabilize aygıtlar ise maliyeti ve karmaşıklığı yükselten telafi devreleri gerektirir. Hall-effect sensörleri ayrıca yüksek DC akımı düzeylerinde doygunluk sorunuyla karşılaşabilir.

Bir akım transformatörü, düşük maliyet, asgari güç dağılımı, kolay yerleştirme ve hem zaman hem ısı açısından yüksek stabilite gibi bir dizi avantaja sahiptir. Manyetik devre kapalı olduğu için, Rogowski bobinlerine kıyasla müdahaleye karşı bağışıklığı yüksektir. Lineer yelpazenin tümünde çalışması ve yüksek DC akımlarında doygunluk olmaması için, akım transformatörü seçiminin dikkatle yapılması gerekir.

Akım Transformatörü ile tasarım

C/CT-1216 kıskaç tipi akım transformatörü, KEMET'in NEC TOKIN ile ortaklığı yoluyla mevcut olup akım transformatörlerinin bilinen avantajlarını sunar ve canlı besleme kablosunun çevresine kenetlenerek kolayca takılabilir. Voltaj çıktısı olduğu için, harici yük rezistörleri ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu aygıtın bir diğer avantajı da, 1° altında olan çok düşük faz hatasıdır, bu da en iyi ölçüm doğruluğunu sağlamak için kolaylıkla telafi edilebilir. Genel amaçlı transformatörlerin genellikle 1:10 ile 1:1000 arası olan dönme oranlarına kıyasla, C/CT-1216'nın akım-transformasyon oranı 1:3000 olup 0,1A ile 120A arası geniş bir akım yelpazesinde doğru ölçümleri mümkün kılar. ±%1 düzeyindeki oran hatası önceki kuşaklardan %50 daha iyidir ve bu sayede üretilen bütün birimler belirtilen doğruluk sınırlarını karşılar.

Bir akım transformatörü seçerken, nominal akım transformatörün daha yüksek numune akımlarında doygunluğa ulaşmasını engelleyecek kadar yüksek olmalıdır. Bu, genellikle ölçülecek maksimum akımın %130'u düzeyindedir. Öte yandan, aşırı ölçüde yüksek nominal akımlı bir transformatör seçmek pahalı ve büyük boyutlu bir çözüm sonucunu doğurur. C/CT-1216'nın nominal akımı 120A RMS olup konut sayacı uygulamaları için uygundur.

Çıktı voltajı ile birincil voltaj arasında, geniş bir yük rezistansı yelpazesinde tutarlı doğruluk garantisi veren son derece lineer ilişkiyi görebiliriz.

Sonuç

Akıllı sayaç tasarımı halen gelişmekte olup akıllı şebeke olgunlaştıkça ortak bir temel mimariye doğru evrimleşebilir. Çeşitli akım algılama teknikleri kullanılmış olmakla birlikte, akım transformatörü doğruluk, enerji etkinliği, güvenilirlik, kullanım kolaylığı ve ehven fiyat gibi önemli taleplere karşılık vermektedir.