篡改電能測量會給能源供應商帶來重大的收入損失。MAXQ3183多相AFE為篡改檢測提供電流矢量和測量。本應用筆記介紹如何將MAXQ3183配置為三電流矢量和。提供使用參考設計儀表生成的測試結果。

介紹

篡改電能測量以多種形式發生，給能源供應商造成重大收入損失。據估計，在某些市場1，多達 40% 的收入因能源盜竊而損失。一種常見的篡改方法是繞過電能表外部的測量傳感器，但有一種方法可以檢查這一點。通過監測三相電能表中中性電流和三相電流之間的不平衡，您可以檢測電流旁路連接。

在普通的三相系統中，實時測量的瞬時零線電流是三相電流的矢量和，因為零線電流是所有相電流的唯一返回路徑。如果嘗試任何電流旁路，電流之間的平衡就會被打破。參見圖1。因此，可以監視當前余額，在每個數據樣本中查找不平衡，然后在發現不平衡時發出警報。或者，能源供應商只有在收集到足夠可靠的“正常”操作證據后才能決定開始監測過程。在每個樣品上發出警報可能會導致系統中斷過多，對于大多數系統來說通常不是必需的。

將中性電流的RMS值與三相電流的矢量和進行比較是自然的選擇。RMS計算中的累積過程過濾掉了由于噪聲引起的數據樣本中的峰值，從而消除了誤報。一種更方便的方法是監視零線電流與三相電流的矢量和，然后僅在該四電流和的RMS超過預設閾值時才中斷主機。本應用筆記討論了使用MAXQ3183（低功耗多功能多相AFE）的電流矢量和特性進行電流旁路檢測。

圖1.B相上的電流旁路。

矢量和測量模式

MAXQ3183提供兩種電流矢量和測量模式：IVS3和IVS4。IVS3 模式對三相電流求和，IVS4 模式對三相電流加上零線電流求和。

為了使用ISV3進行旁路檢測，主機控制器定期命令MAXQ3183進行ISV3測量（以RMS為單位返回），并將其與零線電流（RMS，也可按需測量）進行比較。如果差值高于閾值，則檢測到旁路事件。

更方便的方法使用 ISV4。在該方法中，在ISUMLVL寄存器和相應的中斷位（IRQ_MASK中設置閾值。EISUM）啟用。當四電流矢量和的RMS超過門限時，MAXQ3183將產生中斷。使用中斷功能，僅在必要時聯系主機，而不是主機不斷輪詢向量和寄存器以確定是否發生了超限事件。矢量和測量模式的選擇在AUX_CFG寄存器中配置。

在矢量和測量期間，將配置和訪問以下寄存器。

SCAN_IN寄存器的說明。

AUX_CFG寄存器的說明。

配置 IVS4

要使用 IVS4 模式，必須啟用零線電流監控（默認情況下，零線電流通道監控處于關閉狀態）。有兩個寄存器控制零線電流監測：AUX_CFG和SCAN_IN。設置AUX_CFG。ENAUX位啟用“輔助通道的處理”并清除SCAN_IN。DADCNV 位，用于在零線電流通道上啟用 ADC 轉換。此兩步過程是必需的，因為AUX_CFG指定DSP處理器應在分配給輔助通道的時隙中計算的內容，這與中性通道的ADC操作無關。輔助通道處理可以配置為以下選項之一：

計算零線電流的均方根。

計算任何相電壓或電流的諧波分量。

計算 IVS3 或 IVS4。

在IVS4模式下，中性線電流通道采樣

僅用于

計算IVS4;零線電流的RMS不可用。配置 ISV4 測量的過程概述如下：

通過清除SCAN_IN在零線電流通道上啟用ADC轉換。DADCNV 位并設置SCAN_IN。ADCMX 位 （7：4） 至 0110。SCAN_IN應包含0x060。

通過設置AUX_CFG，為四電流矢量和計算啟用輔助處理。ENAUX位并設置AUX_CFG。AUX_MUX位 （3：0） 到 1111。清除所有其他位。AUX_CFG登記冊應包含0x004F。

等待 3 到 4 秒，讓濾波器建立并完成計算，然后從 N.IRMS （0x11C） 或 I.HARM （0x840） 讀取向量和。如果從I.HARM讀取，請確保正確設置AMP_CC寄存器。

請注意，四電流矢量和還支持與反向零線電流求和：IA + IB + IC - IN如果發現零線電流傳感器連接反轉，此功能非常有用。為此，請在AUX_CFG寄存器中設置 INREV 位，以便 AUX_CFG=0x006F。

配置 IVS3

IVS3模式不使用零線電流測量，因此ADC轉換被禁用（默認條件）。

通過設置AUX_CFG，為三電流矢量和計算啟用輔助處理。ENAUX位并設置AUX_CFG。AUX_MUX位 （3：0） 到 1001。確保清除所有其他位。AUX_CFG寄存器應包含 x0049。

等待 3 到 4 秒，讓過濾器建立并完成計算，然后從 N.IRMS （0x11C） 或 I.HARM （0x840） 讀取矢量和。如果從I.HARM讀取，請確保正確設置AMP_CC寄存器。

測試設置

儀表交流規格：
UN= 220V
I.MAX= 9A
頻率 = 50Hz/60Hz

電流互感器規格：
1.5（9）mA/5mA 電流 = 9A
（最大值）
負載電阻：20Ω
線性誤差：0.05%

儀表測試儀： MTE PCS400.3

注意：此測試儀不支持零線電流測試。它只能提供三個電流。本應用筆記討論測試三電流矢量和（ISV3）。四電流矢量和測試的結果將在后續應用筆記中討論。

確定轉換參數

MAXQ3183僅處理和顯示整數數字。為了向能源提供者和消費者提供測量結果，需要將這些整數轉換為適當的物理單位。將MAXQ3183寄存器值轉換為物理單位需要兩個設計參數：VFS和IFS。VFS是交流輸入電壓，將產生V的電壓幅度裁判/2在MAXQ3183的電壓引腳上，其中VREF是MAXQ3183的內部基準電壓電平，典型值為2.048V。IFS 是交流輸入電流，其電壓幅度為 V裁判/2在MAXQ3183的電流引腳上。

對于MAXQ3183參考設計，電壓檢測電路由68個1kΩ電阻和一個3kΩ電阻分壓器組成（圖4663）。

圖3.MAXQ3183上的電壓檢測電路

我們計算VFS為：

其中：

R1 = 8 個 68kΩ
R2 = 1kΩ
VREF = 2.048V
VFS = （8 × 68 + 1） × 2.048/2 ~ 558V

因此，VFS = 558V。

參考設計的電流檢測電路由一個初級/次級匝數比 = 300 的電流互感器和一個 20Ω 的負載電阻組成。CT 次級輸出在 VCOMM 處中心偏置（圖 4）。

圖4.MAXQ3183上的電流檢測電路

我們計算IFS為：

其中：

NCT= 300

RCT = 20Ω

VREF= 2.048V

IFS = 300 × 2.048/（2 × 20） ~ 15A

因此，IFS = 15A。

矢量和計算對三個（或四個）電流矢量的實時ADC樣本求和。計算精度受電流矢量幅度和相位角誤差的影響。因此，在執行矢量和測量之前，正確校準增益和相位角非常重要。

單相電流 （I一個)

這個測試場景非常簡單，但很有趣，因為它說明了測量中的各種誤差貢獻。有關配置MAXQ3183進行三電流矢量和測量的說明，請參見前面的IVS3配置部分。在儀表測試儀上設置 IB = IC = 0。從10A到0.02A變化IA，并收集A.IRMS和IVS3（來自N.IRMS）。

請注意，B.IRMS 和 C.IRMS 都顯示非零值。這些殘差值來自系統中的噪聲，因為源電源設置為IB= IC= 0。相同的噪聲會導致IVS3誤差，在低輸入（I<0.1A）時，IVS3誤差會變得很大。請注意，ISV<> 的誤差遠高于 I 的誤差一個在我一個= 0.05A 和 0.02A。這主要是因為來自相位B和相位C的噪聲仍然有助于IVS3測量，而它們對I沒有貢獻。一個測量。

三相電流（I一個+ 我B+ 我C)

對于平衡的三相負載，三矢量和應為零。此測試結果可作為設置要與 ISV4 一起使用的閾值級別的參考。變化一一個（= IB= IC） 從 10A 到 0.05A 并收集 A.IRMS、B.IRMS、C.IRMS 和 IVS3（來自 N.IRMS）。

上述結果表明，對于被測儀表，矢量和測量誤差高達0.03A。將閾值設置在此水平或以下肯定會產生誤報。

三相電流（I一個+ 我B+ 我C）、不平衡負載

在儀表測試儀上設置IB = IA/2，IC = IA/4;IA從10A到0.05A不等，并收集A.IRMS，B.IRMS，C.IRMS和IVS3（來自N.IRMS）。

預期的 IVS3 值由以下公式計算得出：

向量和誤差源：理論觀點

下面的簡單電子表格計算表明，矢量和計算的性能對相位角和電流矢量大小的誤差都很敏感。

在下表中，ISV3 Err 列是 ISV3 相對于基本情況的相對誤差（第 1 行）。相位-角誤差在相位B中引入相位角αB.該表顯示，在評估的輸入條件下，0.5°的相位角誤差在矢量和測量中貢獻了約1%的誤差。

下表顯示，相電流幅度（RMS）誤差對矢量和測量的貢獻相對誤差大致相同。

結論

MAXQ3183計算三電流矢量和和四電流矢量和，均為按需功能。用戶必須配置多個寄存器才能命令矢量和測量。本應用筆記通過三個電流矢量和測量示例說明了配置過程。測試結果作為客戶設計驗證的參考案例提供。結果說明并強調了矢量和測量的準確性，然而，矢量和測量對當前矢量的幅度和相位角誤差都很敏感。設計人員應密切注意增益因數和相位角的校準。

審核編輯：郭婷