Noi standarde impun cerințe de precizie pentru măsurarea energiei ceea ce reprezintă o mare schimbare relativ la practica anterioară din industrie.
de Hartmut Gräffert, LEM
Deoarece rețelele feroviare de mare viteză se extind și timpul de călătorie scade, transportul feroviar internațional este din nou în vogă. Pentru un călător, cel
puțin în cadrul Uniunii Europene, granițele naționale sunt pe hartă, dar au încetat să existe efectiv. Nu același lucru este însă în întregime adevărat pentru trenuri, fiindcă unitatea de tracțiune a trenului face o tranziție de alimentare cu energie, pe măsură ce trece de la o țară la alta. Puterea absorbită din linia aeriană va fi furnizată în continuare, în majoritatea cazurilor, de către un serviciu feroviar național, și vor fi discontinuități la frontieră: se poate – sau nu se poate – să fie la nivele de tensiune și de frecvență similare în fiecare parte a tranziției. Acest lucru prezintă proiectanților de rețele de tracțiune feroviară un număr de probleme. În primul rând, și cel mai evident, setul de tracțiune trebuie să fie “multi-standard” – adică acesta trebuie să fie capabil să opereze de la orice sursă de alimentare pe care o va întâlni în rețea, fiindcă rutele programate de azi pot însemna parcurgerea de mai multe țări într-o singură călătorie.
Măsurarea puterii la bord
O cerință ceva mai puțin evidentă este nevoia de o monitorizare exactă a puterii luată din rețea de către motoarele de tracțiune, în orice moment. Fiecare autoritate de alimentare cu energie în rețea trebuie să fie plătită pentru energia pe care un tren internațional o folosește în timp ce este în interiorul granițelor sale naționale. Monitorizarea energiei livrate către fiecare tren din reţeaua naţională a unei ţări este imposibilă, astfel că singura cale posibilă de a produce informații exacte de facturare este de a măsura și a face jurnalul de putere la intervale regulate pe parcursul călătoriei. Fiecare intrare în registru trebuie să asocieze, de asemenea, informații cu privire la poziția în care a fost trenul la fiecare punct de măsurare, iar dispozitive GPS omniprezente, pot oferi cu ușurință această parte a datelor. O altă complicație este faptul că sistemele de tracțiune moderne folosesc frânarea regenerativă, când rulează cu motoarele lor ca generatoare de curent și returnează putere în rețea, atunci când scad viteza. Pentru acuratețe fiscală completă, prin urmare, sistemul de măsurare a energiei trebuie să fie bidirecțional. Pentru a armoniza funcționarea serviciilor internaționale, a fost elaborat un standard european, specificând exact ce este funcția de măsurare a energiei (EMF), care urmează să fie efectuată (Figura 1); încă în stadiul provizoriu, și, prin urmare, care poartă prefixul “pr”, documentul este prEN50463. Acesta prevede o înregistrare care include parametri, cum ar fi data și ora, identificarea trenului, frecvența rețelei – care poate fi 16,7Hz, 50Hz, 60Hz sau DC – locația și respectiv, nucleul central pentru funcția de bază, profilul de sarcină. Înregistrarea trebuie să includă valorile energetice absolute pentru putere, atât “reală” cât și reactivă, cuprinzând informații cu privire la factorul de putere pe care trenul îl prezintă la o linie de alimentare în fiecare moment.
Noi niveluri de precizie de măsurare
Standardul EN50463 stabilește o nouă provocare în care se cere acuratețea, specificată în valori numerice care corespund la termenii din “clasa R” (Rail = feroviar). Cerința generală este pentru măsurarea energiei cu o precizie de ±1.5% pentru puterea AC și ± 2% pentru puterea DC. Există trei elemente principale în măsurarea și înregistrarea de energie: două traductoare pentru măsura valorilor instantanee de curent și tensiune și un contor care preia aceste valori, calculează și memorează valori de energie.
Pentru citirea valorilor AC, trebuie să se țină seama de diferența unghiului de fază dintre formele de undă de tensiune și de curent, pentru a obține atât valorile de putere, reale, cât și reactive.
Fiecare dintre aceste elemente contribuie cu un anumit grad de incertitudine în procesul de contorizare și aceste erori se adăugă calculând eroarea numită rădăcină medie pătratică (care este definită astfel: eroarea totală este egală cu radical indice doi din suma pătratelor cifrelor de eroare individuale). Prin urmare, traductoarele și contorul de energie trebuie să se încadreze, în mod individual, în nivele de precizie considerabil mai stricte decât nivelul global de eroare acceptat. Pentru a permite proiectanților de sisteme de tracțiune să îndeplininească cerințele din standardul EN50463, firma LEM a asamblat o ofertă potrivită de traductoare cu precizie îmbunătățită, împreună cu noul contor de energie EM4T II.
Traductoare de înaltă precizie pentru curent și tensiune
Măsurarea curentului la nivelul de precizie specificat în noul standard de măsurare este dificilă, fiind și mai dificilă în mediul de tracțiune feroviară, unde traductoarele pot fi expuse la variații mari de temperatură ambiantă, la câmpuri magnetice externe mari, precum și un nivel ridicat de zgomot electric . Curentul de măsurat conține, de asemenea, valori foarte ridicate de vârf și valori tranzitorii mari: toate acestea constrâng la alegerea unei tehnologii de măsurare corespunzătoare. Măsurarea directă folosind un șunt rezistiv este posibilă și LEM poate satisface specificațiile necesare, cu traductoare de seria DI atunci când se specifică această metodă. Cu toate acestea, o rezistență în serie, de valoare suficient de mică pentru a menține pierderile acceptabile la extremitatea superioară a intervalului de curent, va duce la reducerea de precizie necesară la măsurarea de valori de curent reduse, iar efectul de auto-încălzire face ca asigurarea de linearitate în intervalul de măsurare de curent să fie foarte dificilă. De asemenea, această abordare nu oferă izolare galvanică. De aceea, în multe cazuri, este de preferat o măsurare a curentului indirectă. Mai multe tehnologii există pentru a face măsurători indirecte pe baza câmpului magnetic generat de curentul care curge prin conductorul de alimentare al sistemului de tracțiune. În forma lor fizică acestea apar, la prima vedere, similare cu un senzor toroidal, cu un conductor primar care trece prin centrul inelului. Măsurarea fluxului magnetic indus în toroid de către curentul primar va reflecta direct valoarea acelui curent.
O formă a acestui senzor folosește efectul Hall pentru a traduce fluxul magnetic la o valoare de măsurare. Cu toate acestea, senzorii cu efect Hall au dificultăți în a menține liniaritatea pe o gamă dinamică largă, cum ar fi cea specificată în standardul EN50463 și pot prezenta, de asemenea, o precizie limitată la valorile extreme de sus și de jos din gama lor de măsurare, datorită saturării și efectelor de magnetizare reziduală din materialul magnetic.
LEM a ales pentru a rezolva problema, senzorul Fluxgate, care poartă certificarea de Clasa 0.5R (±0.5% precizie). LEM are mulți ani de experiență în senzori bazați pe tehnologia Fluxgate.
Senzorul Fluxgate foloseste un principiu numit nulling, adică se generează un flux magnetic în miezul toroidal pentru a echilibra exact fluxul indus de curentul primar, și deduce valoarea curentă din nivelul necesar să facă acest lucru. În funcționare, senzorul controlează miezul magnetic cu un semnal de curent alternativ de înaltă frecvență, care inversează constant magnetizarea de bază, și îl conduce în jurul caracteristicii cunoscută sub numele de curba B-H. Câmpul magnetic suplimentar care apare din cauza curentului primar modulează acest comportament, iar folosind această abordare, senzorul poate detecta starea de nul cu o sensibilitate extremă. La toate valorile curentului măsurat, materialul magnetic este condus la saturație în ambele direcții, eliminând orice dependență directă între liniaritatea la măsurare și caracteristicile miezului magnetic.
Rezultatul este un senzor care poate oferi foarte mare precizie și liniaritate pentru un interval dinamic larg.
Evaluat la curentul nominal de 4000A, senzorul ITC 4000 va măsura ±6000A, consumând mai puțin de 80mA (la curentul primar egal cu zero), respectiv mai puțin de ± 340mA (la curent de 4000A în primar), la o tensiune de alimentare de ± 24V în circuitul său de măsurare (secundar). După cum s-a menționat anterior, tehnologia Fluxgate este capabilă de niveluri extrem de ridicate de precizie și liniaritate; eroarea de liniaritate a senzorului ITC 4000 este sub 0,05%. Curentul de offset al dispozitivului este mai mic de ±10µA și prezintă, de asemenea, derivă de temperatură extrem de scăzută. ITC 4000 operează în gama -40 la +85°C și îndeplinește sau chiar depășește toate standardele relevante pentru siguranța și mediul de operare.
Măsurarea tensiunii este asigurată de un traductor din seria DV a lui LEM, care va fi disponibil cu precizie de 1% sau 0,75% pe întreaga gamă (Clasa 1R sau Clasa 0.75R de precizie certificată, așa cum este exprimată în standardele de tracțiune feroviare). Seria îndeplinește sau depășește toate cerințele de performanță și de siguranță ale sistemelor de tracțiune feroviare, atât cele utilizate în prezent și cât și cele planificate pentru viitor. Acest traductor oferă măsurători izolate de tensiune de la 1200 până la 4200V, într-o capsulă semnificativ mai mică decât orice alt produs de pe piață. (Figura 2).
Contorizare la standardele fiscale
Completarea ofertei se face cu noua și îmbunătățita versiune de contor de energie EM4Tde la LEM, numit EM4T II. De asemenea, EM4T II este evaluat și certificat în Clasa de precizie 0.5R. Unitatea compactă este un contor de energie monofazat, care îndeplinește toate standardele actuale și propuse pentru monitorizarea la bord a energiei de tracțiune feroviară și, în special, în conformitate cu toate cerințele noului proiect de standard EN 50463. EM4T II oferă patru canale de intrare pentru a accepta măsurători de la orice rețea AC sau DC de alimentare pentru tracțiune. Din măsurătorile de tensiune și curent, se calculează puterea activă și reactivă, se compilează un profil de sarcină, și se stochează valorile în memoria flash internă; datele sunt înregistrate la intervale selectabile de la 1 la 60 de minute. Datele din înregistrare sunt marcate cu informații, cum ar fi ora și data, identificarea trenului, iar locația exactă a trenului la fiecare interval: coordonatele locației vin de la o intrare GPS dedicată pentru EM4T II. Înregistrând la intervale de 15 minute, EM4T II are suficientă memorie internă pentru date, mai mult de 300 zile. Interfețe de date în timp real sprijină, de asemenea, schimbul de date cu alte sisteme feroviare, inclusiv un ecran de comandă. EM4T II dispune de imunitate excelentă la niveluri ridicate de zgomot electric, care sunt tipice mediului de tracțiune. Acesta susține monitorizarea bi-direcțională a fluxurilor de energie și poate înregistra în mod corect energia care a revenit în rețeaua de alimentare în timpul frânării.
În timp ce EM4T II oferă o flexibilitate de interfațare completă, și se poate conecta la orice traductor corespunzător-evaluat, combinația de contor de energie cu traductoare optimizate de curent și tensiune de la LEM oferă industriei singura cale la deplina conformitate cu standardul prEN 50463, cu clasa de precizie certificată.
www.lem.com