Cómo llevar las medidas ultraprecisas de corriente a todos los casos de uso, no solo CC

Autores: Horst Bezold, CEO de Signaltec, y Jörn Burk, Jefe de Ventas Industriales para la región DACH y Europa Oriental de LEM

LEM es un líder global en tecnología de medida eléctrica cuyo núcleo de negocio se centra en los transductores basados en efecto Hall para sus clientes OEM. Estos transductores se encuentran en muchos productos y sistemas dentro de la tecnología de accionamiento y la electrónica de potencia.

LEM ha sido activa durante muchos años en el campo de los transductores DCCT ultraprecisos, que se utilizan como componentes OEM principalmente en el ámbito de la tecnología médica y como fuentes de alimentación CC de alta estabilidad. Las fuentes de alimentación estables se necesitan, por ejemplo, en las simulaciones de baterías.

SIGNALTEC, socio de LEM experto en pruebas y medidas, está especializado en el análisis de la eficiencia para la electrónica de potencia y la tecnología de accionamiento, y ofrece soporte a los equipos de ingeniería en Europa.

Otra importante área de aplicación consiste en ampliar el rango de medida de los medidores de potencia y los analizadores de señal dentro de la tecnología de accionamiento. Contar con la máxima exactitud es primordial, sobre todo al medir la eficiencia y las pérdidas en convertidores de frecuencia y motores eléctricos. El rango de frecuencia a medir abarca desde la CC en circuitos de baterías hasta varios cientos de kHz para el rango de la frecuencia de conmutación y sus armónicos.

Dificultades para medir la potencia y calcular la eficiencia

Los medidores de potencia de precisión y banda ancha digitalizan las señales de tensión y corriente. Los valores muestreados u (t) e i (t) se multiplican. La media aritmética de la curva de potencia resultante p (t), promediado en uno o más períodos fundamentales, da como resultado la potencia activa P. La exactitud de la medida de la potencia depende de la exactitud de la amplitud de las muestras de tensión y corriente, del tiempo de retardo entre estas muestras y de la precisión del intervalo de medida o de los pasos por cero utilizados para determinar la longitud del período.

Los primeros convertidores de frecuencia aparecieron a finales de la década de 1960. Hizo falta que pasaran más de 20 años antes de que hubiera dispositivos de medida que pudieran manejar los flancos de tensión extremadamente abruptos y las señales de corriente distorsionadas de los convertidores. Un ejemplo es el analizador de potencia NORMA D 6000 de LEM, presentado a principios de la década de 1990. Por entonces la medida de corriente se efectuaba mediante shunts coaxiales con un gran ancho de banda y aplicando una técnica denominada GUARD, que minimizaba las interferencias en modo común. Las corrientes en modo común que circulan entre el canal de medida y la carcasa del dispositivo se generan al medir flancos muy abruptos de tensión con un alto potencial, como resultado de lo cual se producen errores en la amplitud y el ángulo de fase.

Las dos señales u(t) e i(t) se deben muestrear y multiplicar de forma absolutamente simultánea.

La exactitud de la potencia activa depende de:

• La exactitud de la amplitud de los valores mues
  treados
• Tiempo de retardo entre el muestreo de la tensión
  y la corriente (error de fase)
• Errores al determinar el promediado del intervalo T

Figura 1: Cálculo de la potencia activa.

Otro reto para medir las pérdidas en los convertidores de frecuencia y los motores eléctricos es su alta eficiencia y el hecho de que las pérdidas no se pueden medir directamente. El cálculo de las pérdidas para estos componentes de accionamiento siempre se basa en la potencia de entrada y salida. Para un inversor, esto significa que la potencia CC eléctrica a la entrada y la potencia CA eléctrica a la salida. Para un motor eléctrico, es la potencia eléctrica a la entrada y la potencia mecánica a la salida. Si bien se puede medir cada valor de la potencia activa con una exactitud razonablemente alta, la incertidumbre al medir las pérdidas debe tener en cuenta que los errores en las medidas de la potencia de entrada y salida pueden seguir direcciones opuestas; p.ej., la potencia de entrada medida puede ser demasiado elevada y la potencia de salida puede ser demasiado baja. Por tanto, la incertidumbre al medir las pérdidas depende en gran parte de la eficiencia del componente. Resulta fácil ver que para los inversores con una eficiencia cercana al 99%, los errores de medida pueden provocar una desviación superior al 100% en las pérdidas reales. Por tanto, es necesario recurrir a medidores de potencia y sensores con la máxima exactitud para calcular las pérdidas en los componentes de accionamiento.

Como se ha señalado antes, los shunts coaxiales externos solían ser bastante adecuados para estas medidas gracias a la exactitud de su amplitud y a la fidelidad de su fase. No obstante, medir la pequeña caída de tensión a la salida del shunt en una señal de tensión alta y muy distorsionada resultaba muy problemático. El dispositivo de medida conectado había de tener un rechazo en modo común excepcionalmente elevado, a lo que hay que añadir que las resistencias coaxiales externas de alta corriente eran muy caras.

Los transductores de corriente DCCT ultraprecisos, aislados galvánicamente de la señal de medida, se han venido utilizado durante muchos años para ampliar el rango de medida de los medidores de potencia. Esta tecnología fue desarrollada inicialmente para regular las fuentes lineales de alta corriente CC en los aceleradores de partículas. Su primera aplicación en el ámbito de la tecnología médica fue para medir el campo magnético en los equipos de resonancia magnética.

La alta exactitud de CC no es suficiente para calcular con precisión las pérdidas en un inversor. Los transductores deben mantener la exactitud de la amplitud en un amplio rango de frecuencia de hasta varios cientos de kHz y no deben añadir variaciones de fase entre las señales reales de tensión y corriente. Tales variaciones alterarían el factor de potencia y provocarían errores en la potencia activa y los cálculos de las pérdidas.

Comparación entre las generaciones antigua y nueva de transductores

Los primeros transductores DCCT fabricados en grandes cantidades aún no estaban optimizados para medir corrientes CA de mayor frecuencia. Este podría ser un motivo por el cual estos sensores tardaron tanto tiempo en consolidar su ampliación del rango de medida de los medidores de potencia. Además, la anterior generación de transductores tenía una sensibilidad relativamente alta frente a campos externos de CA; hoy, sin embargo, su uso se ha generalizado. Los transductores especializados ahora abarcan rangos de frecuencia que van desde CC hasta varios cientos de MHz y generalmente solo se necesitan para aplicaciones de muy alta frecuencia, como el análisis de señal de nuevos interruptores semiconductores rápidos. En estos casos, las frecuencias de conmutación pueden acercarse a 100 kHz, y con cargas de muy baja inductancia, los armónicos de la frecuencia de conmutación pueden llegar teóricamente hasta el orden de MHz.

Para las medidas típicas de la potencia y las pérdidas no se necesita un amplio rango de frecuencia. La impedancia en el circuito de medida atenúa significativamente la mayoría de los componentes de alta frecuencia de la corriente. Y si no hay componentes de frecuencia en la corriente tampoco habrá componentes de potencia a esa frecuencia porque sólo los componentes de señal de la tensión y la corriente a la misma frecuencia generan potencia activa o pérdidas.

Los transductores de corriente DCCT son cientos de veces más exactos que los transductores convencionales de efecto Hall utilizados para controlar la corriente en los convertidores de frecuencia. Sin embargo, su diseño también resulta bastante más complejo. En el pasado se necesitaban dos inductores idénticos para medir el componente de CC de la corriente. El segundo inductor se utilizó únicamente para compensar las perturbaciones provocadas por el primer inductor en el núcleo principal. Estos inductores hubieron de ser fabricados con unos niveles extremos de precisión y uniformidad. Este artículo no profundiza en las características de la antigua tecnología analógica.

Al desarrollar la nueva generación de transductores DCCT, LEM supo aprovechar sus amplios conocimientos sobre compensación de errores controlada por microprocesador obtenidos a partir de otras tecnologías de medida de corriente. En la nueva serie IN se ha eliminado el segundo inductor para supresión de ruido.

Figura 2: Rango IN de alta precisión de LEM.

Las perturbaciones provocadas por el inductor utilizado para medir CC se estudian durante el proceso de producción, se digitalizan, se almacenan en el procesador y luego se compensan a través de un convertidor D/A, un amplificador analógico y un devanado de compensación en el núcleo principal. Apenas se necesitan ya componentes analógicos propensos a errores en el transductor. Incluso el ajuste del offset se guarda en la FPGA. La exactitud típica de CC de los modelos más recientes de transductores es del orden de un solo dígito de ppm. LEM ha patentado esta nueva tecnología.

Figura 3: DCCT analógico convencional y nueva tecnología con compensación de FPGA.

En la actualidad también se están desarrollando transductores teniendo en cuenta la optimización de CA. LEM aprovecha para ello sus profundos conocimientos sobre transductores de corriente CC/CA apropiados para las aplicaciones de los convertidores. En el circuito de CA, los transductores DCCT difieren solo ligeramente de los transductores convencionales de efecto Hall con compensación de corriente. SIGNALTEC, como especialista en la tecnología de medida de potencia de banda ancha, ha construido un laboratorio de medida y comprobación bien equipado en el que las medidas de la exactitud de la amplitud y la fase en la etapa de desarrollo se pueden realizar en un amplio rango de frecuencia.

La comprobación de las baterías de alta tensión en entornos de producción siempre ha sido muy compleja. Para simplificar el uso de los transductores en bancos de prueba se necesita una fuente de alimentación especialmente destinada al transductor. Esta fuente debería garantizar un funcionamiento estable así como una integridad de la señal de alta precisión de los transductores conectados y las cargas. Para afrontar estos desafíos, SIGNALTEC desarrolló sus sistemas MCTS (Single- and Multi-Channel Transducer Systems), cuyos canales de la fuente de alimentación están aislados galvánicamente. Los numerosos accesorios permiten adaptar las señales de salida del transductor a todo tipo de entradas de corriente o tensión en los dispositivos de medida.

La integración de transductores en sistemas de automatización exige a menudo la digitalización especializada de la señal, sobre todo en la etapa de comprobación de la fabricación de baterías al finalizar el proceso. Los convertidores EtherCAT rápidos y de alta precisión pueden ofrecer esta funcionalidad en tiempo real. Estos convertidores han evolucionado de forma significativa a partir de los primeros modelos. El primer convertidor denominado EtherCAT solamente podría medir corriente y proporcionaba un protocolo EtherCAT a la salida. Los sistemas más recientes, como Powerlens de REDCUR, desarrollado en colaboración con SIGNALTEC, ofrecen ahora medidas completas de corriente y tensión, salida EtherCAT y añaden compatibilidad con un protocolo CAN.

Los transductores DCCT se pueden convertir en la referencia para ampliar el rango de medida de los analizadores de potencia de banda ancha y los nuevos transductores DCCT con compensación digital ofrecen unos resultados aún más exactos al medir corriente CC y CA.

LEM se ha comprometido, junto a sus socios SIGNALTEC y REDCUR, a estar presente en el ámbito de los sensores ultraprecisos de corriente DCCT. SIGNALTEC suministra transductores CR optimizados para CA y los accesorios necesarios para facilitar la integración en bancos de prueba. Si bien REDCUR suministra sistemas completos de medida para comprobar baterías de alta tensión en entornos de producción.

Figura 4: Comprobación de baterías de alta tensión.