Menținerea armonicelor sub control cu ajutorul senzorilor electronici de tensiune

15 NOIEMBRIE 2020

De la turbine eoliene la sisteme de tracțiune feroviară, protecția motoarelor cu rol critic împotriva situațiilor anormale a fost întotdeauna vitală. Odată cu creșterea cantității de energie furnizată de sursele regenerabile, cum ar fi energia eoliană, este, de asemenea, vital să ne asigurăm că motoarele primesc o alimentare de înaltă calitate.

Unul dintre principalele aspecte care trebuie luate în calcul este asigurarea fiabilității și a siguranței sistemului, atunci când tensiunea de curent continuu (DC) din primar este convertită într-un sistem de curent alternativ (AC), iar acest lucru are loc în toate condițiile de mediu și la orice temperatură.

Figura 1 Limite admisibile pentru armonici de curent și tensiune la diferite tensiuni pe magistrală a)Sistemele de înaltă tensiune pot avea până la 2.0% THD atunci când cauza este un terminal HVDC ale cărui efecte se vor atenua la nivelul punctelor din rețea unde pot fi conectați potențiali utilizatori. Sursa: Extras din IEEE Std. 1159-2009, IEEE IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Power

Cererea tot mai mare de energie verde este unul dintre factorii principali ai adoptării energiei eoliene. Turbinele eoliene utilizează, de obicei, un controler de turație variabilă care, împreună cu convertorul electric de putere, are rolul de a conecta energia electrică generată la rețea. Cu toate acestea, o problemă comună a electronicii de putere este generarea și emisia de curenți armonici, care reduc dramatic calitatea curentului injectat în sistem.

Tabelul alăturat rezumă cerințele standardului IEEE 519, arătând limita admisibilă pentru armonici, atât pentru tensiune, cât și pentru curent la diferite tensiuni pe magistrală.

Sunt utilizate diferite tipuri de filtre pentru a reduce distorsiunile armonicelor la niveluri acceptabile. Aceste filtre pot compensa armonicele sarcinilor neliniare și sunt instalate de obicei aproape de punctul de distorsiune. Una dintre cele mai uzitate tehnici este utilizarea unui filtru activ de putere (Active Power Filter), care repară forma de undă distorsionată prin injectarea unei forme de undă anti-armonice. O schemă tipică a circuitului este prezentată mai jos.

Figura 2: Un filtru activ de putere poate fi utilizat pentru a repara forme de undă distorsionate

Un semnal cu formă de undă anti-armonică este apoi generat utilizând teoria p-q drept semnal de referință pentru comutarea APF. Transformata Clarke este utilizată pentru a transforma coordonatele trifazate în coordonate bifazice α-β echivalente pentru tensiune și curent.

Într-un sistem de curent mare/tensiune mare, cerințele în ceea ce privește senzorul sunt destul de exigente, deoarece acesta trebuie să trimită tensiunea măsurată către controler într-un mod sigur și izolat.

Familia DVC 1000 de senzori de tensiune electronici de la LEM oferă acest nivel ridicat de izolație, de până la 4.2kV. Designul lor modular facilitează, de asemenea, instalarea cât mai aproape de sarcină, permițând amplasarea în spații restrânse.

În aplicațiile feroviare, convertorul auxiliar care transportă energie către consumatori precum: ventilatoare, suflante, corpuri de iluminat sau încărcătoare de baterii, trebuie să efectueze o monitorizare strictă a armonicelor. În special, este foarte important să nu reinjectați niciun semnal înapoi în rețea la o frecvență de 50Hz pentru a nu provoca perturbări ale echipamentelor din rețea și în consecință, probleme din punctul de vedere al siguranței. Acesta este motivul pentru care convertoarele sunt adesea cuplate cu un senzor de tensiune, care monitorizează semnalul și joacă un rol important în bucla de siguranță.

După cum s-a menționat anterior, protejarea motorului este o cerință omniprezentă. În particular, majoritatea acționărilor electrice încorporează un circuit invertor, care rectifică curentul alternativ într-un semnal DC de înaltă tensiune. Numit DC-link, acesta servește drept sursă de alimentare pentru circuitele care generează semnale de acționare pentru a alimenta motorul. Tensiunea DC-link trebuie controlată în mod continuu. În condiții de operare clare, un motor poate funcționa ca un generator și poate furniza o tensiune mare înapoi către DC-link prin dispozitivul de alimentare al invertorului și/sau diodele de recirculare. Această tensiune ridicată se adaugă la tensiunea DC-link, iar IGBT-urile (tranzistoare bipolare cu poartă izolată) care comandă motorul pot fi afectate de o supratensiune (potențial dăunătoare). În acest caz, este necesar un senzor de tensiune izolat pentru a monitoriza tensiunea de la aplicația de control și care va opri întreaga aplicație, în siguranță, în cazul unei supratensiuni.

Figura 3: Izolarea cu un DVC1000 permite elementelor de control existente să monitorizeze aplicațiile de alimentare

Pe lângă condițiile de supratensiune și subtensiunile pot fi la fel de periculoase. Dacă luăm în considerare o unitate de 600V, supratensiunea ar trebui să fie de aproximativ 1000V, în timp ce subtensiunea ar fi de aproximativ 400V. Același senzor ar trebui să poată fi folosit între aceste limite.

Există mai multe condiții care ar putea duce la o cădere de tensiune, dar cea mai frecventă este pierderea unei faze. Acestea fiind spuse, senzorul de tensiune poate fi amplasat pe partea de intrare AC a redresorului sau, cel mai frecvent, direct la DC-link. Instalarea unui senzor de tensiune pe ambele părți va oferi mai multe informații și siguranță sporită pentru sistem.

Driverele pentru motoare nu sunt singurele aplicații care necesită senzori de tensiune izolați galvanic. Alte aplicații, cum ar fi invertoarele solare și UPS-urile, necesită, de asemenea, aceste funcții pentru a asigura protecția și siguranța aplicației. În astfel de cazuri, un senzor de tensiune trebuie să măsoare cu precizie tensiunea de pe DC-link și să asigure izolarea între zona de înaltă tensiune și zona de joasă tensiune corespunzătoare controlerului.

Figura 4: Un amplificator izolator oferă o reprezentare exactă a tensiunii de intrare la bornele de ieșire

Întrebarea este, când avem nevoie de senzori de tensiune izolați și când ar trebui să alegem un senzor neizolat sau un divizor rezistiv simplu?

Există două motive principale pentru a utiliza un senzor de tensiune izolat:

Primul caz: Atunci când microcontrolerul, care găzduiește convertorul analog – digital AD, nu are referință în același punct (borna DC – diferită) cu măsurarea tensiunii (divizorul rezistiv). O atenție sporită este necesară pentru a separa împământările diferite ale sistemului. Izolând atât semnalul de măsurat, cât și microcontrolerul, putem evita deteriorarea sistemului din cauza unor evenimente, precum vârfuri inductive sau apariția unor fulgere.

Al doilea caz: A doua întrebare este, ce reglementări de siguranță sunt în vigoare, necesitând o barieră efectivă de izolare și care nu se bazează pur și simplu pe rețeaua de atenuare? Adesea, pentru certificările de siguranță, atenuarea rezistivă nu este suficientă pentru a asigura o împământare sigură a sistemului. Măsurarea tensiunii trebuie apoi să se efectueze printr-un canal izolat pentru a asigura o barieră de siguranță adecvată.

Figura 5: DVC Seria 1000x – opțiuni de montare

Atunci când întregul sistem este proiectat pe baza unor echipamente diferite, adăugarea cerințelor de siguranță, fără a defini un echipament specific, poate fi mai eficientă economic dacă se utilizează dispozitivele existente pentru monitorizare (cum ar fi un controler sau un PLC). În acest caz, DVC 1000 oferă soluția de senzor de tensiune ușor de integrat, cu un nivel de izolare corespunzător aplicației de control. Această metodă de măsurare directă va fi și mai facilă folosind interfața standard (±10V sau 4-20mA) a DVC 1000, care este compatibilă cu intrările analogice standard ale controlerului. Versatilitatea DVC 1000 pentru a măsura AC și DC va permite accesul la o gamă largă de aplicații.

Pentru o integrare ridicată, DVC 1000-P este disponibil și într-o versiune cu montare pe PCB, pentru a economisi și mai mult spațiu. De asemenea, versiunea cu montare pe panou, DVC 1000, este la fel eficientă și nu necesită componente suplimentare.

Aplicațiile devenind din ce în ce mai mici, LEM a dezvoltat o nouă tehnologie pentru aceste măsurători de tensiune. Având la bază tehnologia amplificatorului de izolație, aceste produse au dat naștere seriei DVC.

Pentru completarea gamei de senzori digitali de tensiune de dimensiuni mai mici, LEM a dezvoltat un nou senzor de tensiune pentru măsurarea tensiunilor de până la 1000V RMS nominal și 1500V la vârf.

Figura 6: DVC 1000-P pentru montare pe PCB – DVC 1000 modele pentru montare pe panou

Pentru a măsura tensiunea (VP), seria DVC folosește doar componente electronice consacrate, cea mai importantă fiind un amplificator izolator. Tensiunea de măsurat (VP) se aplică direct pe conexiunile primare ale senzorului printr-o rețea internă de rezistori și componente, care permit semnalului să alimenteze un amplificator izolat.

Figura 7: Adaptor pentru montarea pe șină DIN propus ca opțiune pentru modelele DVC 1000.

Acest lucru permite recuperarea unui semnal izolat și apoi condiționarea sa pentru a furniza o tensiune sau un curent la conexiunile de ieșire ale senzorului, unde se regăsește reprezentarea exactă a tensiunii din primar. Un convertor DC-DC izolat intern este utilizat pentru a alimenta electronica pe partea primară.

Caracteristici ale tehnologiei amplificatorului izolator

  • Orice tip de semnal – DC, AC, puls, complex – poate fi măsurat.
  • Izolare galvanică între circuitele primare (de putere mare) și secundare (circuitul electronic).
  • Răspuns dinamic rapid pentru o bandă largă de frecvențe.
  • Necesitate de volum redus.

Această nouă familie, cunoscută sub numele de DVC, este alcătuită din două produse principale, unul pentru montarea pe PCB (DVC 1000-P) și unul pentru montarea pe panou (DVC 1000), unde este propusă și o opțiune de adaptor pentru montarea pe șină DIN.

  1. DVC 1000-P (lipit pe un PCB) este alimentat cu o sursă de alimentare de + 5V și convertește o tensiune de intrare bipolară într-o tensiune de ieșire centrată pe o valoarea de referință de 2.5V. Această referință este configurabilă de către utilizator, care își poate folosi propria referință drept alternativă.
  2. DVC 1000 (cu montare pe panou) este alimentat de la ±15 până la 24V și convertește o tensiune de intrare bipolară de 1000VRMS (±1500V de vârf) într-o ieșire bipolară de curent instantaneu de ±30 mA de vârf (DVC Model 1000) sau o ieșire de tensiune de vârf de ±10V (model DVC 1000-B) sau o ieșire unipolară de curent instantaneu de la 4-20 mA la 0 … + 1000V DC (model DVC 1000-UI) (numai pentru măsurarea tensiunii DC unipolare).

Figura 8: Performanțe oferite de seria DVC

Această tehnologie aduce o economie semnificativă de spațiu. Pentru comparație, un senzor de tensiune standard care utilizează tehnologie de izolare digitală ocupă un volum de aproximativ 304 cm3, în timp ce DVC 1000-P are nevoie de doar 37.4 cm3, reprezentând o economie de spațiu de 87%.

De asemenea, unitatea cântărește doar 22g, cu 67% mai puțin comparativ cu un model LV 25-1000 bazat pe tehnologia cu efect Hall în buclă închisă. De exemplu, versiunile DVC 1000 cu montare pe panou măsoară doar 29 mm × 51 mm × 89 mm și pot fi montate pe panouri pentru un volum total ocupat de numai 131.6 cm3 cu o greutate de numai 57g ceea ce îl face unic pe piață.

Seria DVC respectă o serie de standarde de siguranță recunoscute la nivel internațional, pe lângă respectarea specificațiilor IRIS și utilizează materiale care sunt conforme cu toate cerințele relevante de incendiu și fum (EN 45545), ce sunt obligatorii în aplicațiile feroviare.

Autor: Damien Leterrier – Global Product Manager LEM

LEM

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre