Sectoarele de piaţă industriale şi de tracţiune pe şine sunt definite ca medii extrem de provocatoare în termeni de sisteme electronice care sunt create pentru a monitoriza puterea electrică. Ele necesită cele mai ridicate nivele de siguranţă în funcţionare şi de performanţă, amândouă necesitând sisteme care să continue să opereze în condiţii de mediu extrem de agresive.
Aceste sectoare necesită de asemenea cele mai înalte nivele de siguranţă pentru utilizatori şi izolaţie electrică, asigurând că personalul este protejat continuu împotriva oricărei posibilităţi de contact cu potenţiale periculoase, dar şi că circuitele de control şi instrumentaţia sensibilă sunt protejate împotriva problemelor ce pot apărea.
Autor: Michel Ghilardi, LEM
La nivel de componente individuale, module şi subsisteme, cele de mai sus pot fi traduse ca necesitate pentru nivele înalte de izolaţie şi valori de descărcare parţială îmbunătăţite, o mai bună imunitate împotriva câmpurilor electrice, magnetice şi electromagnetice. Aproape prin definiţie, orice componentă ce furnizează înalte nivele de imunitate EMI (interferenţă electro-magnetică) la disturbanţe externe, cel mai probabil că vor răspunde constrângerilor legate de emisii reduse şi nu vor afecta performanţele circuitelor adiacente – dar este încă o zonă în care performanţa trebuie să fie asigurată.
Sectorul de transport feroviar adaugă cerinţe speciale în termeni de performanţe la foc şi fum; nu numai că materialele din care sunt realizate componentele trebuie să ofere performanţele electrice potrivite, ci ele trebuie de asemenea să răspundă cerinţelor stringente în termeni de rezistenţă la incendii şi să nu emită substanţe periculoase în caz de flacără.
Dacă toate cele de mai sus nu sunt provocări suficiente pentru furnizorii de produse de măsurare pentru sectoarele menţionate, acestea din urmă prezintă cerinţe ridicate şi cu privire la performanţe şi precizie. În domeniul transportului feroviar, precum şi la proiectarea sistemelor de comandă electrică ce trebuie să funcţioneze mai bine şi cu mai mare eficienţă, există cerinţe mai strânse de măsurare fiscală. Trenurile care traversează frontierele şi trec de la un domeniu de alimentare cu energie la altul, trebuie să genereze date care să permită o facturare precisă. Specificaţiile din domeniul feroviar necesită precizii de măsurare semnificativ mai bune de 1% în tensiune şi curent.
Piaţa industrială caută o mai mare eficienţă a comenzilor motoarelor electrice. Un control mai bun rezultă întotdeauna în urma unei mai bune măsurări; nu numai a nivelelor de tensiune şi curent ci şi a timpului, pentru a identifica precis, de exemplu punctele de trecere prin zero în formele de undă, astfel încât invertoarele să poată implementa comutaţie fără pierderi.
O nouă generaţie de traductoare
Referitor la cele de mai înainte, LEM a crescut performanţele traductoarelor sale de tensiune cu introducerea seriei DVL care furnizează măsurători de tensiune izolată de la 50 la 2000VRMS. Cerinţele pe care fiecare sector le adresează unui traductor – componenta de la capătul final al lanţului de măsurare şi control – pot fi traduse ca necesitate de excelenţă în parametri precum imunitate la interferenţe de mod comun, derivă termică redusă, timp de răspuns rapid, lăţime de bandă şi zgomot redus.
Unele dintre situaţiile specifice în care a fost nevoie de performanţe de măsurare a tensiunii crescute includ piaţa transportului feroviar:
• Linii de 750VDC şi 1500VDC în reţele feroviare de alimentare catenare.
• Linii AC de alimentare pentru trenuri până la 2000VRMS.
• Funcţii de control şi conversie de putere precum invertoare, convertoare, redresoare şi circuite de frânare.
• Substaţiile de distribuţie de putere în care traductoarele de tensiune monitorizează tensiunile DC furnizate către reţelele catenare la ieşirea redresorului DC.
• În configuraţiile invertoare şi de comandă, tensiuni de legătură DC de până la 2000VDC, şi tensiuni de fază individuală pentru motoare.
• Măsurarea tensiunilor de cale.
Similar, au fost luate în considerare şi cerinţele pentru performanţe de tensiune îmbunătăţite în domeniul industrial şi cel al energiilor regenerabile;
• Drivere AC de viteză variabilă şi pentru convertizoarele statice pentru drivere DC.
• Aplicaţii alimentate la baterii, incluzând (dar fără a fi limitate) surse de tensiune neîntreruptibile (UPS).
• Surse de tensiune specializate pentru sudare cu arc, pentru aplicaţii medicale şi pentru infrastructura de telecomunicaţii mobile.
• Condiţionare aer şi ventilaţie (HVAC).
• Invertoare şi convertoare de înaltă putere în generatoare solare (fotovoltaice) şi turbine eoliene.
În ciuda faptului că sistemele de monitorizat şi controlat sunt adesea mari şi sunt subiectul unor efecte termice externe ce fac să pară mică disiparea internă de putere a dispozitivelor precum un traductor de tensiune, există întotdeauna cerinţe de piaţă pentru ca dispozitivele să fie mai mici şi să consume mai puţină energie. LEM a proiectat noile sale produse să fie complet compatibile cu generaţiile anterioare de traductoare de tensiune (precum familiile AV 100 şi LV 100) în termeni de funcţii, performanţe şi amprentă constructivă, dar cu noi nivele de precizie şi stabilitate cu temperatura, simplificând astfel puternic utilizarea schemelor mai vechi.
La o dimensiune de 137,8 mm × 63 mm × 64,3 mm, DVL se potriveşte cu profilul traductorului de curent cu efect Hall tip LV 100, ocupând un volum cu 271 cm3 mai mic şi fiind mai uşor cu 30% decât modelul AV 100. Traductoarele implică conectarea electrică directă la tensiunea de măsurat şi furnizează izolaţie internă (galvanică): ele se bazează pe elemente de circuit electronice şi de aceea sunt relativ nesensibile la câmpuri magnetice externe, prin comparaţie cu traductoarele de tensiune cu efect Hall sau bazate pe poartă flux (magnetice). Circuitul lor a fost proiectat pentru un consum energetic redus şi pierderi mici, radiatoarele externe pentru răcire nefiind necesare, păstrând însă un înalt nivel de siguranţă în funcţionare şi aducând şi o economie energetică pentru utilizator. Dimensiunea mică şi autoîncălzirea redusă înseamnă că traductoarele pot fi utilizate în spaţii închise – în carcasa motoarelor de exemplu – şi în carcase etanşe.
De vreme ce este o conexiune directă între tensiunea de măsurat şi intrarea de detecţie a traductorului, trebuie oferită o izolaţie a unităţii: aceasta este obţinută utilizând un transformator patentat special.
Figura 1 oferă o mai bună înţelegere a modului în care funcţionează acest traductor. De la pinul de intrare, unde tensiunea poate fi de până la ±2kV, prima treaptă este un divizor de tensiune care reduce potenţialul măsurat la câteva sute de milivolţi: el este proiectat să tolereze viteze de variaţie foarte mari ale semnalului de măsurat (raport ridicat dv/dt), dar având o derivă termică redusă. Imediat după aceea – la următoarea treaptă din arhitectura traductorului – semnalul este convertit într-o formă digitală serială de un modulator sigma-delta. Deoarece majoritatea circuitelor traductorului sunt după aceea digitale, deriva termică poate fi ţinută la nivele foarte scăzute, iar offset-ul şi sensibilitatea pot fi reglate în software pentru fiecare dispozitiv individual în timpul fabricaţiei.
Fluxul de biţi digital este apoi trecut prin transformatorul de izolaţie menţionat anterior: designul patentat al acestuia implică o protecţie specială la medii cu tensiune ridicată, putând fi încă mic datorită frecvenţei ridicate a trenului de pulsuri (10 MHz).
În partea secundară fluxul de biţi este decodat şi filtrat de către un filtru digital, oferind o valoare digitală standard convertorului digital – analogic (DAC) din microcontroler (MCU). Semnalul de ieşire recuperat este complet izolat de primar (tensiune ridicată), dar este o reprezentare exactă a tensiunii primare.
Dispunând de un microcontroler în traductor, se oferă toată flexibilitatea unui control digital şi a programării software. Un singur dispozitiv poate fi uşor adaptat pentru diferite domenii de măsurare prin modificarea amplificării programate de către MCU.
Microcontrolerul neutralizează offset-urile şi reglează amplificarea în software, iar apoi converteşte semnalul digital către ieşirea analogică. Tensiunea de ieşire analogică este apoi filtrată şi convertită într-un curent (scara completă ±75mA) utilizând un generator de curent protejat la scurtcircuit. Ca opţiune este disponibilă o versiune cu ieşire de curent de la 4 la 20 mA, uzual utilizată în controlul industrial.
MCU controlează de asemenea un convertor DC/DC care creează o sursă de tensiune internă pentru circuitele primare şi secundare. Această arhitectură face ca seria DVL să prezinte un consum energetic intern de nivel scăzut şi pierderi mici; dispozitivul utilizează numai între 20 şi 25mA de la o sursă de tensiune de ±24 VDC (domeniul complet pentru tensiunea de alimentare este de la ±13,5 la ±26,4 V), o economie energetică de 30% faţă de predecesorii săi.
Caracteristici principale
Acest design inovativ prezintă un dispozitiv de măsurare cu o precizie globală de ±0,5% din VPN (tensiunea de intrare maximă neîntreruptă) la temperatura ambientală, şi o precizie globală de ±1% din VPN pe domeniul temperaturii de operare de la -40°C la 85°C, cu o derivă de offset de ±150µA, o derivă a sensibilităţii de ±0,5% şi o eroare de liniaritate de ±0,5%, toate acestea din urmă pe întreg domeniul temperaturii de operare. Designul intern, care conduce la un foarte înalt nivel de izolaţie pe calea semnalului, este însoţit de o construcţie de carcasă ce combină alegerea materialului de turnare cu atenţie la separarea fizică a pinilor şi terminalelor, cu păstrarea interstiţiilor şi a căilor de conturnare. Aceasta conduce la o tensiune de testare a izolaţiei de 8,5 kVRMS pentru un minut la o tensiune de lucru de 2kV, şi un nivel de descărcare parţială de peste 2,7 kVRMS la 10pC.
În zonele de aplicaţii dorite, DVL trebuie să ofere un răspuns rapid şi o frecvenţă clară, pentru a detecta rapid schimbările tensiunii de intrare şi pentru a ajuta la menţinerea calităţii formei de undă în circuitul inversor. Timpul său de răspuns este mai mic de 60μsec, lăţimea de bandă (răspunsul de frecvenţă) este de 14 kHz la un punct de -3dB, iar zgomotul de ieşire este mai mic de 10μA între 1Hz şi 100kHz. Proiectul de detaliu conduce la o capacitate parazită redusă, iar circuitul primar a fost configurat pentru a fi perfect simetric: aceasta contribuie la o imunitate foarte ridicată la zgomotul dinamic de mod comun.
Aspecte mecanice şi standarde
O abordare cu design modular oferă flexibilitate în configurarea conexiunilor; tensiunea primară poate fi adusă prin terminale sau cabluri izolate, iar o gamă largă de conexiuni este posibilă pentru secundar: conectori, cabluri ecranate sau terminale. Modelele DVL au fost proiectate şi testate în acord cu cele mai recente standarde recunoscute pe plan mondial pentru aplicaţii de transport şi industriale, inclusiv EN 50155, EN 50178, EN 50121-3-2, şi EN 50124-1.
Centrele principale de producţie LEM pentru traductoarele pentru transport sunt certificate IRIS – o calificare vitală pentru companiile care furnizează produse pentru piaţa transporturilor feroviare – şi au aprobare ISO TS16949 pentru piaţa industrială.
Traductoarele DVL au marca CE ca garanţie a conformităţii la Directiva Europeană EMC 2004/108/ EEC şi Directiva de joasă tensiune 2006/95/EEC.
În procesul de design şi producţie au fost utilizate principiile de eco-design, utilizând mai puţin material (cu 30% mai uşor) şi reducând energia necesară cu 30%. Testele cuprinzătoare utilizând cicluri de temperatură şi principii de durată de viaţă accelerată au fost realizate pentru a oferi un înalt nivel de încredere, cu o rată de defectare estimată foarte mică, pe o durată de viaţă de operare lungă şi stabilă.
www.lem.com