Tendencias en los contadores de energía trifásicos: una nueva e innovadora arquitectura ADC aislada permite disponer de contadores de energía trifásicos con derivaciones

La idea en resumen

Los contadores de energía trifásicos tradicionales utilizan transformadores de corriente (TC) para detectar las corrientes de fase y neutro. Una de las ventajas de los TC es el aislamiento eléctrico inherente que proporcionan entre la línea eléctrica que funciona a cientos de voltios y la tierra del contador, normalmente conectada al neutro. Los TC pueden alcanzar una buena linealidad y tienen la capacidad de medir una amplia gama de corrientes ajustando las relaciones de los transformadores y las resistencias de carga. Sin embargo, también tienen algunas desventajas para su uso en contadores de electricidad. En primer lugar, el núcleo magnético de los TC puede estar saturado por campos magnéticos de corriente continua externos. Ahora es fácil para el propietario medio obtener imanes de corriente continua de tierras raras extremadamente potentes y utilizarlos para manipular los contadores. En segundo lugar, los TC también pueden estar saturados por equipos electrónicos de potencia, como los inversores de conexión directa para la generación solar distribuida, que producen corrientes continuas en la línea. Los fabricantes pueden contrarrestar estos dos efectos mediante el apantallamiento y el uso de TC tolerantes a la corriente continua; sin embargo, esto aumenta el coste y algunos sugieren que por cada TC de este tipo se puede encontrar un imán permanente para manipularlo. En tercer lugar, los TC introducen un retardo de fase en la medición que depende de la frecuencia de las corrientes de línea. Si sólo interesa la componente fundamental de la corriente de línea, es relativamente fácil compensar este retraso. Sin embargo, la medición del contenido armónico es cada vez más importante, y es muy difícil compensar los retrasos del componente fundamental y de todos los armónicos combinados.

En las aplicaciones de contadores trifásicos se utilizan con menos frecuencia otros sensores de corriente, como los sensores di/dt, como las bobinas Rogowski o los sensores de efecto Hall. Aunque pueden tener ventajas en algunas aplicaciones, tienen sus propios retos. Por ejemplo, las bobinas de Rogowski tienen una excelente linealidad y pueden detectar corrientes muy elevadas, pero pueden ser más difíciles de fabricar y más difíciles de conseguir la buena inmunidad al ruido necesaria para realizar mediciones precisas de corrientes bajas. Desde el punto de vista de la manipulación, también pueden ser sensibles a los campos magnéticos alternos. Los sensores de efecto Hall requieren una compensación activa del desplazamiento por temperatura y son intrínsecamente sensibles a los campos magnéticos.

Derivaciones y medición de energía trifásica

El uso de derivaciones resistivas en contadores monofásicos ha aumentado rápidamente en los últimos años, debido a las ventajas de coste, inmunidad magnética y tamaño. En muchos casos, estos contadores monofásicos están referenciados a la tensión de la línea y así evitan la necesidad de un aislamiento adicional. En los contadores trifásicos, el reto es crear una barrera de aislamiento entre cada derivación y el núcleo del contador. Los problemas de calentamiento también se convierten en un problema, lo que generalmente limita el uso de derivaciones a contadores con una corriente máxima de 120 A o menos.

Considera primero la fase A de un sistema trifásico y su carga. Imagina que se utiliza una derivación para detectar la corriente de fase (figura 1).

Esta es exactamente la configuración de un contador de energía monofásico: la derivación se coloca en la línea eléctrica y un divisor de tensión detecta la tensión entre la fase y el neutro. Las tensiones en la derivación y el divisor de tensión se detectan mediante un convertidor analógico-digital (ADC). La tierra es el polo de la derivación compartido con el divisor de tensión. Los contadores monofásicos son principalmente residenciales y su corriente máxima suele ser inferior a 120 A. Este límite y su bajo coste hacen que los shunts sean los captadores de corriente más utilizados en los contadores de energía monofásicos.

Cuando este esquema se repite en las tres fases, cada ADC tiene su propia tierra (Figura 2).

Como el microcontrolador (MCU) que los gestiona todos está situado al mismo potencial que la línea neutra, para que la comunicación entre los ADC y el MCU funcione, los canales de datos deben estar aislados. Entonces, cada ADC debe tener su propia fuente de alimentación aislada (Figura 3).

Esta arquitectura de contadores ya se utiliza: los convertidores analógicos de dos canales transmiten la información en serie a la MCU a través de la barrera de aislamiento mediante optoacopladores o transformadores a escala de chip. Las fuentes de alimentación aisladas se construyen con componentes autónomos o con convertidores CC-CC aislados que utilizan transformadores a escala de chip.

Lo ideal es muestrear simultáneamente todas las corrientes y tensiones de fase, para poder utilizar sus valores instantáneos en un análisis trifásico completo. Pero las lecturas del ADC en cada fase son totalmente independientes de las demás porque no hay sincronización del ADC. Esta es la primera limitación de esta arquitectura. Los contadores de energía que utilizan transformadores de corriente o bobinas de Rogowski no tienen este problema, ya que pueden utilizar un frontal de medición analógico (AFE) que lee todas las corrientes y tensiones de fase simultáneamente.

Otro problema de esta arquitectura es el elevado número de componentes: una MCU, tres ADC, tres aisladores de datos multicanal y cuatro fuentes de alimentación. Los contadores que utilizan TC no tienen este problema, ya que la placa de circuito impreso suele contener una MCU, un AFE de medición y una fuente de alimentación.

Entonces, ¿cómo crear un contador que tenga las ventajas de las derivaciones, con el menor número de componentes para esta arquitectura (es decir, una MCU, una fuente de alimentación y tres ADC), y que muestre todas las corrientes y tensiones de fase simultáneamente?

La arquitectura del ADC aislado

La respuesta a este reto es crear un chip que incorpore al menos dos ADC, un convertidor DC-DC aislado y aislamiento de datos, y que disponga de una tecnología que permita a los ADC pertenecientes a diferentes chips muestrear los datos simultáneamente (Figura 4). La fuente de alimentación VDD de la MCU también alimenta este chip. Un convertidor CC-CC aislado que utiliza la tecnología de transformadores a nivel de chip proporciona la alimentación aislada a la primera etapa de los ADC. Un ADC detecta la tensión a través de la derivación, y un segundo detecta la tensión de fase a neutro utilizando un divisor de tensión. La tierra determinada por uno de los polos de derivación es la tierra del lado aislado del chip. Los ADC son sigma-delta y sólo la primera etapa se coloca en el lado aislado del chip. El flujo de bits que sale de la primera etapa pasa a través de los transformadores del chip que forman los canales de comunicación de datos aislados. Los bits se reciben en el lado no aislado del chip, se filtran, se ponen en palabras de 24 bits y se suministran a un puerto serie SPI.

La tecnología de transformadores a escala de chip es la que más contribuye a esta nueva arquitectura ADC: el transformador patentado de Analog Devices iAcoplador^® los aisladores digitales tienen mayor fiabilidad que los optoacopladores, menor tamaño, menor consumo de energía, mayor velocidad de comunicación y mayor precisión de sincronización. Pero esto no es suficiente. Los moduladores sigma-delta aislados llevan mucho tiempo en el mercado, utilizando optoacopladores o transformadores a escala de chip. La contribución más importante de la tecnología de transformadores a escala de chip es el acompañamiento isoPotencia^® convertidor DC-DC aislado que puede integrarse con ADCs, bloque digital y canales de datos aislados en la misma carcasa de montaje superficial de bajo perfil.

Como el núcleo de los transformadores a escala de chip es de aire, el iAisladores digitales de acoplamiento y el isoLos convertidores CC-CC aislados no se ven afectados en absoluto por los imanes permanentes, lo que hace que este lado del contador de energía sea completamente inmune a la manipulación magnética de la CC. Los transformadores también están muy bien protegidos contra los campos magnéticos alternos. La superficie de las bobinas es tan pequeña que se necesitaría un campo magnético de 10 kHz de 2,8 T para afectar al isoComportamiento de la bobina de potencia. En otras palabras, habría que crear una corriente de 10 kHz de 69 kA en un cable y acercar ese cable a menos de 5 mm del chip para que afectara al comportamiento de los transformadores a escala del chip.

La información se transmite a través de la barrera de aislamiento mediante impulsos PWM de muy alta frecuencia. Esto crea corrientes de alta frecuencia que se propagan a través de la placa de circuito, provocando radiaciones de borde y dipolo. La carga del convertidor CC-CC aislado está formada únicamente por la primera etapa de los convertidores analógicos sigma-delta, y su magnitud es bien conocida. Por tanto, las bobinas se han diseñado para una carga conocida, lo que reduce la radiación típicamente asociada a los convertidores de CC a CC y elimina la necesidad de placas de circuito impreso de cuatro capas. Los fabricantes de contadores de energía pueden utilizar placas de circuito impreso de dos capas y superar la norma CISPR 22 Clase B requerida cuando utilizan CI con esta arquitectura.

Para que la interfaz con la MCU sea lo más sencilla posible, el bloque digital del chip realiza el filtrado del flujo de bits de la primera etapa y crea salidas ADC de 24 bits a través de un sencillo puerto serie esclavo SPI. Como el contador de energía tiene un ADC aislado en cada fase, sigue siendo un reto conseguir salidas ADC coherentes. La primera etapa de los ADC puede muestrear a la misma hora exacta en todas las fases si funcionan con el mismo reloj. Esto se consigue fácilmente si la señal CLKIN de la Figura 4 es generada por la MCU. Como alternativa, se puede utilizar un cristal para crear un reloj para un chip y utilizar la señal CLKOUT con buffer para sincronizar todos los demás ADCs aislados. Todos los ADC aislados se controlan para generar sus salidas ADC exactamente al mismo tiempo. Ahora el contador de energía puede realizar un análisis trifásico preciso y completo utilizando derivaciones para la detección de corriente.

La figura 5 muestra un contador trifásico que utiliza tres ADCs aislados. El medidor sólo tiene una fuente de alimentación que alimenta la MCU y los ADC aislados. La MCU utiliza una interfaz SPI para leer las salidas del ADC de cada CI.

La descripción anterior supone el uso de una MCU externa para realizar los cálculos metrológicos. Para los fabricantes de contadores que prefieran una solución que incluya la metrología, es posible acoplar los ADC aislados a un circuito integrado que realice todos los cálculos de metrología, como se muestra en la Figura 6.

Nuevos productos basados en esta arquitectura

Esta arquitectura ya se ha diseñado en una nueva familia de productos de Analog Devices: ADE7913, ADE7912, ADE7933 y ADE7932. La figura 7 muestra el diagrama de bloques del ADE7913. Es muy similar a la figura 4, pero tiene un canal ADC adicional que detecta una tensión auxiliar multiplexada con un sensor de temperatura. La tensión auxiliar puede ser la tensión a través de un disyuntor y el sensor de temperatura puede utilizarse para corregir la variación de temperatura de la derivación. El ADE7912 es una variante que no tiene la medición de la tensión auxiliar, pero tiene el sensor de temperatura.

El ADE7933 y el ADE7932 sustituyen la interfaz SPI por una interfaz de flujo de bits y, por lo demás, reproducen las características del ADE7913 y el ADE7912, respectivamente. Estos son los ADC aislados que se muestran en la Figura 6. El CI de metrología de la figura se ha implementado como el ADE7978.

Conclusión

Se ha presentado una nueva arquitectura ADC aislada. Contiene un isoConvertidor DC-DC de alimentación aislada que utiliza la alimentación de la MCU para alimentar la primera etapa de un ADC sigma delta multicanal a través de la barrera de aislamiento. Los flujos de bits que salen del ADC pasan por la barrera de aislamiento iLos datos se aíslan del acoplador y son recibidos por un bloque digital. Este bloque las filtra y crea salidas ADC de 24 bits que se pueden leer mediante una sencilla interfaz SPI. Un ADC puede medir la corriente que fluye a través de una derivación, un segundo puede medir la tensión de fase a neutro utilizando un divisor de tensión, y un tercero puede medir una tensión auxiliar o un sensor de temperatura. Permite realizar contadores de energía trifásicos mediante derivaciones, proporcionando una inmunidad total a los campos magnéticos de CC y CA y una detección de la corriente sin ningún cambio de fase, al tiempo que reduce el coste total del sistema. El pequeño factor de forma garantiza una placa de circuito impreso muy pequeña con muy pocos componentes para ensamblar. El sistema integrado isoLos transformadores de potencia a escala de chip están diseñados para una carga ADC conocida para minimizar las emisiones radiadas. Han sido sometidos a pruebas para superar la norma CISPR 22 Clase B con placas de circuito impreso de dos capas.

Por supuesto, la detección de corriente mediante derivaciones no se limita a la medición de energía. La monitorización de la calidad de la energía, los inversores solares, la monitorización de procesos y los dispositivos de protección pueden beneficiarse de esta nueva arquitectura ADC.