Mantener los trenes en movimiento y cubrir los nuevos requisitos tecnológicos | Revista Española de Electrónica
miércoles , abril 1 2020
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Mantener los trenes en movimiento y cubrir los nuevos requisitos tecnológicos

Un elemento clave del siste­ma de propulsión, tanto para el transporte urbano a baja velocidad como para los trenes interurbanos de alta velocidad, es el convertidor de tracción que transforma la ener­gía de la fuente de alimentación, bien sea una catenaria o un motor diésel, para accionar los motores eléctricos.  El convertidor de tracción está formado por un rectificador si está conectado a una fuente de CA o en un filtro en el caso de conexión directa una red de CC, así como un inversor para el accionamiento del motor. El enlace de CC es la cone­xión entre el rectificador o la red de CC y el inversor. Para garantizar unas prestaciones sostenibles se necesita una tensión constante en el enlace de CC, con independencia de cuál sea la carga. Para efectuar la regulación es fundamental dis­poner de una medida fiable del nivel de tensión, y un componente

clave para asumir esta función es el transductor de tensión.  Los trenes deben circular por zonas con unas condiciones medioambientales muy adversas, como temperaturas extremas, se­quedad y humedad, lo cual sig­nifica que los convertidores de tracción y sus componentes están sometidos a un estrés elevado. Además, la evolución tecnológica en la electrónica de pote

ncia, si bien ofrece ventajas significativas, también añade ciertas limitaciones al comportamiento de los compo­nentes. La principal ventaja de esta evolución para los convertidores de tracción surge de la industria de semiconductores, que con sus frecuencias de conmutación más altas ayuda a reducir las pérdidas significativamente y permite que el diseño sea más compacto. Los in­convenientes son los campos mag­néticos más intensos y las mayores perturbaciones en modo común que afectan enormemente a los transductores de tensión.  Las antiguas tecnologías em­pleadas en estos dispositivos ya no son apropiadas para las nuevas condiciones ambientales más exi­gentes, de ahí que el nuevo trans­ductor DVM, que utiliza la tecno­logía patentada y probada de LEM sea la solución correcta. Ofrece una inmunidad extremadamente alta frente a campos magnéticos exter­nos y un nivel de descarga parcial superior a la tensión máxima del enlace de CC. El DVM, gracias a su diseño compacto, buena precisión, muy baja deriva respecto a la tem­peratura y la capacidad de resistir elevadas perturbaciones dv/dt en modo común, es la opción perfecta para medir la tensión en el enlace de CC.

Nuevo transductor de tensión de LEM (DVM)  

LEM ha diseñado una nueva gama de transductores de tensión basados en la tecnología DVL (pre­sentada con éxito en 2012). El re­sultado es la serie de transductores de tensión DVM, capaces de reali­zar medidas de tensión nominal en­tre 600 y 4200 VRMS (mediante 6 modelos – Figura 2)

 

 

 

 

 

 

y representan una opción para llevar la medida de tensión por encima de 2000 VRMS, que es la tensión nominal más elevada que puede medir la serie DVL. Para su funcionamiento solo necesitan conectarse a la tensión de medida sin insertar resistencias añadidas en el lado primario y su rango de alimentación CC estándar es de ±13,5 V a ±26,4 V.  Con una tensión en el prima­rio superior a cero, el transductor consume un máximo de 30 mA (consumo interno máximo) más la corriente de salida (cuyo valor típico es de 50mA para el valor nominal) cuando la señal de salida es de corriente.  DVM combina todas las venta­jas de los productos anteriores de LEM y cumple por completo los nuevos requisitos de EMC. Esta serie de productos se ha diseña­do de acuerdo con los estándares IRIS e ISO 9001 y se diferencia de  la generación anterior en estos 4 parámetros:  Bajo consumo de unos 30 mA  Ancho de banda de frecuencia de 12kHz  Tensión de aislamiento de segu­ridad de 12 kV  Muy buena precisión respecto a la temperatura

¿Cómo funciona?

Empezando por la parte izquier­da del diagrama mostrado en la Figura 3 en el lado primario, donde la tensión de entrada suele ser del orden de ±4,2 kV, la primera etapa es un divisor de tensión que reduce la tensión de alimentación hasta unos pocos voltios y es capaz de resistir altos niveles de dv/dt, así como una baja deriva térmica. A continuación un modulador sigma delta convierte la señal de analó­gica a digital con una salida de 16 bit.  Esto va seguido de un codifica­dor digital que genera un solo flujo de datos en serie que se pueden transmitir mediante un solo canal aislado. Después, un amplificador introduce la señal en el transfor­mador del primario, necesario para proporcionar el aislamiento galvá­nico deseado. Al final, la tensión de prueba de aislamiento es de 12 kV como máximo.  Por tanto, es imprescindible que el transformador pueda resistir una tensión de prueba tan elevada, y que al mismo tiempo se pueda garantizar el aislamiento a lo largo de toda su vida útil. Esta garantía solo es posible si se asegura una descarga parcial de menos de 10 picoculombios cuando se aplica una tensión de 5 kV entre el pri­mario y el secundario. El DVM ha sido especialmente diseñado para lograr tales prestaciones.  En el lado secundario, el flujo de bits se decodifica y se filtra con un filtro digital. Debido a que la onda cuadrada de la señal en el primario se distorsiona en el transformador, se utiliza un disparador de Schmitt en el secundario del transforma­dor para restaurarla como onda cuadrada. Esta se introduce a con­tinuación en un decodificador y un filtro digital, cuya función es decodificar al flujo de bits de datos para convertirlos en un valor digi­tal estándar que se puede utilizar en un convertidor D/A dentro del microcontrolador. La señal de sali­da recuperada está completamen­te aislada frente al primario (alta tensión) y es una representación exacta de la tensión primaria.  El transductor se puede adaptar fácilmente a diferentes rangos, mo­dificando para ello la ganancia pro­gramada por el microcontrolador. Esto no exige cambios en el di­seño del transformador o en el diseño del montaje de las pla­cas del circuito en la carcasa. El microcontrolador cancela los off­sets, ajusta la ganancia por soft­ware y luego convierte la señal de una salida digital a analógica.  El microcontrolador transfiere datos desde el filtro digital a un convertidor D/A de 12 bit en un tiempo de transferencia de unos 6 μs. A continuación se filtra la tensión de salida analógica y se convierte en una corriente

de ±75  mA a fondo de escala, utilizando para ello un generador de corriente protegido frente a cortocircuitos.  El microcontrolador también re­gula un convertidor CC/CC que ge­nera tensiones internas de alimen­tación reguladas en el secundario. El usuario de DVM suele recurrir a una alimentación de ±24 V o ±15 V CC, mientras que el convertidor CC/CC permite alimentar el conver­tidor sigma delta y el codificador digital en el primario con +/- 5 V y +/- 3,3 V. La circuitería adicional consiste en un grupo situado en la parte superior del esquema del circuito y la frecuencia del conver­tidor CC/CC viene determinada por el microcontrolador.  El último bloque situado a la derecha del microcontrolador es un convertidor de tensión a corrien­te para los clientes que prefieren una salida de corriente, cuyo valor típico es de 50 mA a la tensión nominal, con el fin de cumplir las regulaciones de compatibilidad electromagnética (EMC). La salida de corriente de menor impedancia es menos sensible a las interferen­cias procedentes de campos elec­tromagnéticos externos. También hay disponible una versión con una salida de tensión de 10 V a la tensión nominal, así como una salida de 4 a 20 mA para medidas unipolares.

Principales características

Con una precisión típica del ±0,5% de VPN a temperatura am­biente, DVM ofrece una deriva de temperatura bastante baja que da como resultado una precisión típi­ca de solo el ±1% de VPN en un rango de temperaturas de trabajo de -40°C a 85°C. El offset inicial a 25°C es de 50µA como máximo con una máxima deriva posible de ±100µA (típica) dentro del rango de temperaturas de trabajo. Su linealidad es de tan solo el ±0,1%.  El tiempo de respuesta típico del DVM (definido para el 90% de VPN) frente a un aumento de tensión en VPN es de 48µs (60µs como máxi­mo). Gracias al rápido tiempo de respuesta se ha comprobado que logra un gran ancho de banda de 12 kHz a -3 dB.

Características  mecánicas y estándares

LEM ha diseñado sus nuevos productos para que sean compati­bles y que sus prestaciones superen a las generaciones anteriores de transductores de tensión de LEM (familias LV 100). Entre sus carac­terísticas y funciones destacables se encuentran su compatibilidad al 100% en cuanto funciones y pres­taciones, así como mejores niveles de precisión y estabilidad respecto a la temperatura, lo cual facilita enormemente el recambio.  La serie DVM es compatible al 100% con la base de montaje pero con una pequeña diferencia en las dimensiones exteriores, como la ubicación de la conexión del primario y el secundario. Gracias a su nuevo diseño, la serie DVM tiene una altura más baja (un 30% menos), ocupa un volumen un 25% inferior y es un 56% más ligera (Figura 4).

La reducción de tamaño no afec­ta a la alta inmunidad de DVM frente a las perturbaciones externas circundantes o frente a grandes variaciones de tensión gracias al diseño de la electrónica interna aplicada en el circuito impreso, así como al diseño mecánico (Figura 5). El error resultante en modo co­mún, cuando se aplican 6 kV/us y 4200 V, se limita al 0,5% de VPN con un DVM 4000 y con un corto tiempo de recuperación inferior a 50µs, frente a unos valores de hasta el 18% de imprecisión y un tiempo de recuperación de 500µs con un LV 100-VOLTAGE equivalen­te en una prueba bajo las mismas condiciones.  Debido a la baja capacidad pa­rásita de DVM, el efecto del modo  común dinámico prácticamente queda cancelado (incluido en la precisión) (Figure 5), una carac­terística importante ya que nue­vas tecnologías como los IGBT y MOSFET de SIC proporcionan un mayor dv/dt entre primario y se­cundario. El secundario se conecta generalmente a tierra por razones de seguridad. El primario es la me­dida de la tensión diferencial pero la tensión puede flotar. El cambio de potencial en el primario puede provocar una perturbación en el secundario y no se puede filtrar a menos que reduzca el tiempo de respuesta, de manera que la capacidad parásita entre primario y secundario se ha reducir hasta el valor más bajo posible en el diseño del transductor.  La generación anterior de trans­ductores de tensión LV 100-VOL­TAGE se basa en la tecnología de efecto Hall en modo de lazo cerra­do y utiliza un circuito magnético que aumenta su sensibilidad frente a campos magnéticos externos, mientras que DVM no utiliza un circuito magnético.  DVM se adapta fácilmente al tamaño de aislador de entrada de­pendiendo de la tensión de entrada y a cualquier tipo de conexión al se­cundario, como conectores, cables blindados, terminales (terminales roscados, M4, M5, inserciones, UNC, etc.) en función de las espe­cificaciones del cliente.

Los modelos DVM se han di­señado y sometido a pruebas de acuerdo con los estándares más recientes para aplicaciones de trac­ción y en la industria. El estándar EN 50155 “Equipos electrónicos utilizados en material rodante” en aplicaciones ferroviarias, que es el estándar de referencia para pará­metros eléctricos, ambientales y mecánicos, garantiza las prestacio­nes de los productos en entornos ferroviarios. Para la industria, IEC 61800 en aplicaciones de accio­namiento, IEC 62109 en aplica­ciones solares e IEC 61010 para seguridad.  Como se ha señalado antes, se ha prestado especial atención al diseño mecánico de DVM para ase­gurar un bajo nivel de descargas parciales a alta tensión. Cuanto mayor es la tensión de descargas parciales de extinción (> 5kV), mejor, ya que no se producen des­cargas durante el funcionamiento normal definido. El nivel de des­cargas parciales se define a 10 pC.  A medida que aumenta la ten­sión se empiezan a producir al­gunas descargas parciales entre 2 puntos, generalmente en los po­tenciales opuestos en cualquier producto.

Mantener los niveles de descarga reducirá el nivel de aisla­miento del producto a lo largo del tiempo y en última instancia afecta a la calidad del producto hasta que falla. Estas descargas se producen a un nivel denominado tensión de encendido y desaparecen general­mente cuando alcanzan un nivel de 10 pC al disminuir la tensión aplicada (tensión de extinción). La tensión de extinción siempre es inferior a la tensión de encendido.  Para asegurar la larga vida útil de los productos, el objetivo na­turalmente es que la tensión de extinción sea superior a la tensión normal de funcionamiento. La uti­lización de DVM lo asegura gracias a la tensión de extinción de 5 kV, cuando el producto se ha definido para que mida la tensión nominal entre 600 y 4200 VRMS.  Se han realizado pruebas acele­radas para obtener una estimación de la tasa de fallos, incluyendo ciclos de temperatura y la completa caracterización del producto según los estándares. Gracias a un diseño innovador que emplea el trans­formador de aislamiento unido a la tecnología digital, los modelos DVM garantizan los niveles de ais­lamiento y de descargas parciales para aplicaciones de alta tensión con picos de hasta 5kV.

Los transductores DVM, diseña­dos principalmente para tensiones medias y altas, también resultan adecuados para cualquier entorno robusto, exige unas buenas pres­taciones en cuanto a precisión, ganancia, linealidad, bajo offset inicial, baja deriva térmica, etc. Los transductores DVM, caracterizados por su alta inmunidad frente a las interferencias externas generadas por corrientes adyacentes y pertur­baciones externas, por ejemplo, y a una elevada inmunidad frente a al­tas variaciones de tensión, ofrecen una excelente fiabilidad.



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