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.
