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Osciloscopio Multifunción LabVIEW para Media Tensión

“La versatilidad de LabVIEW y sus tarjetas PXI nos ha permitido crear un oscilospio multifunción  capaz de competir con osciloscopios comerciales de alta gama, garantizando los requisitos de seguridad necesarios de media tensión y añadiendo capturas de temperatura, accionamientos de seguridades,… todas ellas funcionalidades no disponibles en osciloscopios convencionales”

– Iosu Aizpuru, Mondragon Goi Eskola Politeknikoa

El Reto

Crear un osciloscopio versátil que satisfaga los requisitos de seguridad y aislamiento requeridos en Media Tensión, manteniendo alta capacidad de captura de datos y añadir funciones fuera del alcance de osciloscopios convencionales.

La Solución

Utilizar LabVIEW y componentes PXI para la adquisición de señales de Media Tensión. La utilización del kit NI PCI-PXI-8336 con protocolo MXI-4 permite la transmisión mediante fibra óptica de los datos capturados por los digitalizadores PXI-5122 garantizando el aislamiento eléctrico necesario. La modularidad de Labview-PXI permite añadir tarjetas de entradas/salidas para completar las funciones del osciloscopio, como pueden ser la adquisición de temperatura o la activación de elementos de seguridad.

Desarrollo

La aparición de la denominada Generación Distribuida, el auge de las Energías Renovables así como el desarrollo de nuevos semiconductores de Media Tensión, abre un amplio campo en la aplicación de sistemas de electrónica de Potencia en el entorno de Media Tensión/ Alta Potencia. La tendencia clara de estos sistemas de Electrónica de Potencia es la de elevar su potencia trabajando a niveles de tensión en el rango de la Media tensión, tendencia marcada por el desarrollo de los nuevos semiconductores (IGBTs 6500V/600A, IGCTs 4500V/4000A) y de topologías adaptadas a su aplicación en media tensión (convertidores multinivel y puesta en serie de semiconductores y convertidores principalmente). Mondragon Goi Eskola Politeknikoa (MGEP) dispone de un laboratorio de Media Tensión en el Polo de Innovación Garaia para efectuar ensayos bajo condiciones nominales a los equipos de Media Tensión. Las características del laboratorio son las siguientes:

• 2 Transformadores de entrada: 30 kV/2x690V,50Hz,2MVA

• Tensiones AC: De 690 VAC a 4780 VAC (15 niveles). 4 MVA

• Tensiones DC: De 931 VDC a 6452 VDC (15 niveles). 4 MVA

• Equipamiento de Media tensión (Inductancias, resistencias, equipos de medida…) Los ensayos de Media Tensión deben ser efectuados bajo un área de ensayos que garantice el aislamiento eléctrico y la seguridad del operario. Las adquisiciones en los ensayos en Media Tensión pueden variar desde medidas eléctricas, térmicas… y además es conveniente disponer de un sistema de protección adecuado para detener el ensayo si el sistema se descontrola ya que se manejan grandes cantidades de potencia. Para la integración de todo lo necesario en los ensayos de Media Tensión MGEP ha integrado LabVIEW y sus dispositivos PXI (Figura1).

Descripción de la aplicación

El osciloscopio multifunción para el ensayo de equipamiento de Media tensión está formado por el chasis PXI-1042 que cuenta con el controlador PXI- PCI- 8336 y el kit de control remoto MXI-4 por fibra óptica, cuatro digitalizadores de alta velocidad PXI-5122, la tarjeta de salida analógica de alta velocidad PXI- 6711, la tarjeta multifunción de E/S de bajo coste PXI-6221 y la tarjeta medidora de temperatura y tensión PXI-4351.

Los digitalizadores PXI-5122 disponen de dos canales de muestreo simultáneo a 100MS/s con 14 bits de resolución. Estos digitalizadores permiten la adquisición de datos en modo continuo, evitando así la pérdida de datos durante el ensayo. Cada canal puede ser configurado independientemente (atenuación, impedancia de entrada, etc) así haciendo frente a diferentes tipos de mediciones desde tensiones de conmutación de convertidores a varios KHz, como mediciones de corriente a frecuencia de red. Los digitalizadores han sido programados mediante el driver “NI-SCOPE” permitiendo así una configuración sencilla y de alto nivel. La librería ”NI-TClk” permite la sincronización de los diferentes digitalizadores para así conseguir las adquisiciones en el mismo instante de tiempo.

La tarjeta maestra que sincroniza el disparo debe estar colocada en la ranura número 2 del chasis PXI-1042. El kit PXI-PCI-8336 permite ampliar el bus PCI del PC mediante una comunicación MXI-4 de 78 MB/s mediante transmisión de fibra óptica de hasta 200 m de distancia. El aislamiento proporcionado por la fibra óptica permite garantizar el aislamiento eléctrico y da robustez ante la alta contaminación electromagnética emitida por los equipos de electrónica de potencia. La velocidad de 78 MB/s de transferencia nos da la capacidad de transmitir todos los datos adquiridos mediante los digitalizadores sin pérdida de datos. Si se utilizan los 8 canales disponibles de los digitalizadores en captura continua, y no se quiere perder ningún dato de las capturas se tiene una velocidad de muestreo máxima de 5 MS/s para los digitalizadores. La tarjeta PXI-4351 permite analizar la variación térmica de los radiadores, semiconductores, cargas… durante el ensayo del equipo. Esta tarjeta dispone del Driver “Traditional NI-DAQ” que facilita la programación de la tarjeta. La tarjeta PXI-6211 permite la implementación de elementos de seguridad como pueden ser activación/desactivación de interruptores, activación de alarmas, etc. Mediante el driver “NIDAQmx”. Todas las tarjetas han sido configuradas desde LabVIEW creando un Front Panel capaz de competir con cualquier osciloscopio. (Figura 2) En este Front Panel quedan dispuestas todas las opciones necesarias para al usuario desde configuraciones de dispositivos, medición de señales Además LabVIEW permite la programación de fórmulas (potencias, eficiencia ,etc), bucles de control, automatización de ensayos de una forma muy sencilla ampliando las características del osciloscopio multifunción de media tensión. El osciloscopio ha sido probado y verificado durante el proceso de puesta a punto del laboratorio de Media Tensión de MGEP.

Otras aplicaciones

Gracias a la experiencia proporcionada por el osciloscopio multifunción han sido varias las aplicaciones posteriores de gestionadas mediante LabVIEW en el laboratorio de Media Tensión de MGEP. Dos ejemplos son: Controles de alto nivel que enviaban órdenes a tarjetas DSP disparando equipos de potencias de 1 MVA, (Figura 3) hasta verificación de equipos de refrigeración de aire forzado de tiristores a 600 Amperios.

Conclusión

La versatilidad de LabVIEW y sus tarjetas PXI nos ha permitido crear un oscilospio multifunción capaz de competir con osciloscopios comerciales de alta gama, garantizando los requisitos de seguridad necesarios de media tensión y añadiendo capturas de temperatura, accionamientos de seguridades,… todas ellas funcionalidades no disponibles en osciloscopios convencionales. Los ensayos realizados con el equipo PXI han sido comparados con oscilos copios de precisión y los resultados obtenidos han sido muy parecidos. Se ha observado que el PXI tiene una mejor relación señal a ruido que osciloscopios de alta gama, proporcionando una señal más limpia. El sistema de transmisión MXI-4 permite una transmisión de datos de 78MB/s. Esta transmisión de datos no se podría conseguir, por ejemplo si se conecta un transmisor de fibra óptica de Ethernet a un osciloscopio, ya que nos limitaría a 10 MB/s. Se mejora el periodo de refresco en la zona de control del ensayo.El osciloscopio de precisión no tiene la opción de captura continua, lo que añade valor a los digitalizadores PXI-5122 ya que es posible no perder ninguna muestra del ensayo Un punto desfavorable respecto al osciloscopio de precisión es que el PXI- 5122 brinda la posibilidad de realizar la digitalización a una velocidad de muestreo máxima de 2 GS/s en modo RIS(Random Interleaved Sampling) y de 100 KS/s en tiempo real, lo cual es ampliamente superado por el osciloscopio de precisión, ya que permite la digitalización a una velocidad de muestreo de 5 GS/s. Esta característica puede ser mejorada utilizando digitalizadores de mayor velocidad de muestreo.

Líneas Futuras
 

El uso de equipos LabVIEW y PXI en Media Tensión nos ha abierto un amplio mundo en Media Tensión. Comenzando con la adquisición de datos para el análisis de huecos de la red, flancos de potencia, etc. Continuando finalmente por implementar estrategias de control complejas en equipos en tiempo real basados en PXI-RT y CompactRIO para el control de equipos de potencia.  



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