Cómo mantener los armónicos bajo control con sensores electrónicos de tensión | Revista Española de Electrónica
domingo , enero 24 2021
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Cómo mantener los armónicos bajo control con sensores electrónicos de tensión

Desde aerogeneradores hasta sistemas de tracción ferroviariala proteccióde motores críticos frente a situaciones anormales siempre ha sido vital. Ante la creciente cantidad de energía suministrada por fuentes renovables como la energía eólicatambién es vital asegurar que los motores reciban una alimentación de alta calidad. 

Uno de los factores más importantes es garantizar la fiabilidad y la seguridad del sistema al convertir la tensión primaria de un sistema CA a CC bajo todas las condiciones ambientales y temperaturas. 

La creciente demanda de energía ecológica es uno de los catalizadores que fomentan la adopcióde la energía eólica. Los aerogeneradores suelen utilizar un controlador de velocidad variable que funciona con el convertidor eléctrico de potencia para conectar la electricidad generada a la red. Sin embargoun problema frecuente de la electrónica de potencia es la generacióy emisióde corrientes armónicas que reducen enormemente la calidad de la corriente inyectada. 

La siguiente tabla indica los principales requisitos de IEEE 519 y muestra el límite de los armónicos admisibles de tensión y corriente para varias tensiones del bus

Figura 1. Límites de armónicos admisibles para corriente y tensión con diferentes tensiones del bus. 

Tensión del bus V en PCC  Un solo armónico (%)  Distorsión armónica total (THD)(%) 
V1,0 kV  5,0  8,0 
1 kV&It;V≤69 kV  3,0  5,0 
69 kV&It;V≤161 kV  1,5  2,5 
161 kV&It;V  1,0  1,5a 
Los sistemas de alta tensión pueden tener una THD de hasta el 2% provocada por un terminal CC de alta tensión y sus efectos se pueden atenuar en puntos de la red a los que se puedan conectar los futuros usuarios. 

FuenteModificado a partir del estándar IEEE 1159-2009, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Power and Energy Society, 2009. 

Se emplean varios tipos de filtros para reducir las distorsiones armónicas hasta niveles aceptablesEstos filtropueden compensar los armónicos de las cargas no lineales y se suelen instalar cerca del punto de distorsión. Una de las técnicas más habituales consiste en utilizar un filtro de energía activaque repara la forma de onda distorsionada inyectando una forma de onda antiarmónica. Se muestra a continuación un circuito típico. 

Figura 2. Se puede utilizar un filtro de potencia activa para reparar las formas de ondas distorsionadas 

continuación se genera una forma de onda antiarmónica aplicando la teoría p-q como señal de referencia para la conmutación del filtro de energía activa. Se usa la transformada de Clarke para transformar las coordenadas trifásicas en las coordenadas α-β bifásicas equivalentes para tensión y corriente. 

En un sistema de alta corriente/alta tensiónlos requisitos para el sensor son relativamente exigentescomo la necesidad de que proporcione la tensión medida al controlador de forma segura y aislada. 

La familia de sensores electrónicos de tensión DVC 1000 de LEM ofrece este elevado nivel de aislamiento, hasta 4,2kVSu diseño modular también permite su instalación lo más cerca posible de la cargaasegurando así que pueda encajar cuando el espacio es limitado. 

En aplicaciones ferroviariasel convertidor auxiliar que alimenta cargas como ventiladoressopladoresiluminación o cargadores de baterías exige una monitorización rigurosa de los armónicos. En concretoes muy importante no reinyectar ninguna señal de nuevo en las vías a una frecuencia de 50Hz ya que podría afectar provocar perturbaciones en los equipos rodantes y por lo tanto a la seguridadPor eso los convertidores a menudo se instalan junto con un sensor de tensión que monitoriza la señal y desempeña un importante papel dentro del lazo de seguridad. 

Como se ha mencionadola protección del motor es un requisito permanenteEn concretolos accionamientos eléctricos suelen incorporar un circuito inversor que rectifica la CC en una señal CC de alta tensión. Se denomina enlace de CC y sirve como fuente de alimentación de la circuitería que genera las señales de control para alimentar el motor. La tensión del enlace de CC se deben continuar continuamenteBajo ciertas condiciones de funcionamiento, un motor puede actuar como generador devolver una tensión alta al enlace de CC a través del dispositivo de potencia del inversor y/o los diodos de recuperaciónEsta tensión alta se suma a la tensión del enlace de CC y los IGBT (insulatedgate-bipolar transistorsque controlan el motor se pueden ver sometidos a un fuerte estrés por transitorios de tensión elevada y potencialmente peligrosa. Por eso se necesita un sensor de tensión aislado que monitorice la tensión que vuelve a la aplicación de control, que desconectará toda la aplicación de forma segura en caso de sobretensión. 

Además de las sobretensiones, también las subtensiones pueden ser peligrosas. Si pensamos en una tensión nominal de 600Vla sobretensión podría estar alrededor de 1000V mientras que la subtensión sería de unos 400V. El mismo sensor debería ser capaz de funcionar entre estos dos límites. 

Existen varias causas que pueden provocar una caída de la tensiónpero la más común es la pérdida de una fase. Dicho estoel sensor de tensión se debería colocar en el lado de la entrada de CA del rectificador o incluso directamente en el enlace de CC, que es lo más habitualLa instalación de un sensor de tensión en ambos lados aportará más informacióy seguridad al sistema. 

Los accionamientos de motores no son la única aplicacióque requiere sensores de tensión con aislamiento galvánico. Otras aplicaciones, como los inversores solares o los SAI, también exigen estas funciones para asegurar la protección y la seguridad de la aplicación. Para tales casos, un sensor de tensión debe medir con exactitud la tensión del enlace de CC y proporcionar aislamiento entre el lado de alta tensión y el lado del controlador de baja tensión. 

La pregunta es: ¿cuándo necesitamos detección de tensión con aislamiento y cuándo deberíamos optar por un sensor no aislado o un simple divisor resistivo? 

Existen dos razones para utilizar un sensor de este tipo: 

Primer casoCuando el microcontrolador que incorpora el convertidor A/D no tiene como referencia el mismo punto (DC-) como medida de tensión (el divisor resistivo). Hay que tener cuidado para diferenciar las tomas de tierra del sistemaAl aislar la señal a medir y el microcontrolador podemos evitar daños en el sistema debido, por ejemplo, a picos inductivos o impactos de rayos. 

Segundo casoLa segunda pregunta es: ¿qué normas se seguridad exigen una barrera de aislamiento real en lugar de confiar tan solo en la red de atenuación? A menudo la atenuación resistiva no basta para obtener las certificaciones de seguridad para que la toma de tierra sea suficientemente seguraEn tal caso la detección de tensión debe obtenerse mediante un canal aislado con el fin de garantizar una barrera de seguridad adecuada.

Cuando todo el sistema se diseña en función de los diferentes equipos instaladosla incorporación de los requisitos de seguridad sin definir unos equipos en concreto puede resultar más económico si se utilizan los dispositivos existentes (como un controlador o un PLC) para la monitorizaciónEn este casola familia DVC 1000 ofrece la detección de tensión necesaria, es fácil de usar y proporciona el aislamiento apropiado a la aplicación de controlEsta detección directa aún resultará más sencilla con el interface estándar (+/-10V o 4-20mA) de DVC 1000, que es compatible con las entradas analógicas estándar del controlador. La versatilidad de DVC 1000 para medir CA y CC permite su adopción en una gran variedad de aplicaciones. 

Figura 3. El aislamiento con un DVC1000 permite que los elementos de control existentes monitoricen aplicaciones de potencia 

Los sensoreDVC también se suministran en versión para montaje sobre placa de circuito impreso con el fin de lograr una mayor integración al ahorrar más espacioDel mismo modo, la versión para montaje en panel (DVC 1000-P) es autosuficiente y no necesita otros componentes. 

Dado que el tamaño de las instalacionees cada vez más reducidoLEM desarrolló una nueva tecnología para estas medidas de tensiónEstos desarrollos, que se basan en la tecnología de amplificador con aislamientohan dado como resultado la serie DVC. 

Con el objetivo de completar su gama de sensores digitales de tensión de menores dimensiones, LEM ha desarrollado un nuevo sensor de tensión para medir tensiones de hasta 1000V RMS nominales y picos de 1500V. 

Para medir la tensión (VP), la serie DVC recurre solo a componentes electrónicos bien conocidos y el más importante de ellos es un amplificador con aislamientoLa tensión a medir (VP) se aplica directamente a las conexiones del sensor al primario a través de una red resistiva interna y de algunos componenteque permiten introducir la señan el amplificador de aislamiento. 

Esto permite recuperar una señal aislada y luego acondicionarla con el fin de suministrar una tensión o una corriente en las conexiones de salida del sensorque es una representación exacta de la tensión primariaSe emplea un convertidor CC/CC aislado interno para alimentar la electrónica en el lado del primario. 

Figura 4. Un amplificador con aislamiento ofrece una representación exacta de la tensión de entrada en los terminales de salida 

Características del amplificador con aislamiento 

  • Se puede medir cualquier tipo de señal (CC, CA, de impulsos, compleja).
  • Aislamiento galvánicoentre los circuitos primario (alta potenciay secundario (circuito electrónico). 
  • Rápida respuesta dinámica para un amplio rango defrecuencias. 
  • Pequeñovolumen. 

Esta nueva familiadenominada DVC, está formada por dos productos principales: uno para montaje sobre placa de circuito impreso (DVC 1000-P) y otro para montaje en panel (DVC 1000), para el cual se propone un adaptador para carril DIN como opción. 

  1. DVC 1000-P (soldado a una placa de circuito impreso) se alimenta con una fuente de + 5V y convierte la tensión de entrada bipolar en una tensión de salida centrada en una referencia de tensión de 2,5VEsta referencia es accesible para el usuario, que también puede utilizar su propia referencia de manera alternativa. 
  1. DVC 1000 (montado en panel) se alimenta entre +/- 15 y 24V y convierte una tensión de entrada bipolar de 1000VRMS (+/- 1500V de picoen una salida de corriente instantánea bipolar de 
    +/-30 mA de pico (modelo DVC 1000o una tensión de salida de +/- 10V de pico (modelo DVC 1000-B) o una corriente de salida instantánea unipolar de 4-20 mA 0…+1000V C (modelo DVC 1000UI) (solo para medir tensión CC unipolar). 

Figura 5. Opciones de montaje de la serie DVC 1000x. 

Figura 6. DVC 1000-P para montaje sobre placa y modelos DVC 1000 para montaje en panel. 

Figura 7. Adaptador para montaje sobre carril DIN propuesto como opción con los modelos DVC 1000. 

Esta tecnología permite un significativo ahorro de espacioA modo de comparación, un sensor de tensión convencional que aplica tecnología digital de aislamiento ocupa un volumen de unos 304 cm3, mientras que el DVC 1000-P solo necesita 37.4 cm3lo cual equivale a una reducción del 87 %. 

El dispositivo solo pesa 22g, un 67% menos que un modelo LV 25-1000 basado en la tecnología de lazo cerrado y efecto Hall. Por ejemplolas versiones DVC 1000 para montaje en panel solo miden 
29 x 51 x 89 mm y se pueden montar sobre panelepara ocupar un volumen total de tan solo 131,6 cm3 y un peso de apenas 57gpor lo que es único en el mercado. 

Figura 8. Prestaciones ofrecidas por la serie DVC. 

La serie DVC cumple diversas normas internacionales de seguridad así como las especificaciones IRIS y utiliza materialeconformes a los requisitos correspondientes sobre incendios y humo (EN 45545)que son obligatorios en las aplicaciones ferroviarias. 

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