Un element cheie al sistemului de propulsie pentru transportul urban de joasă viteză și până la trenurile intercity de mare viteză este convertorul de tracțiune care transformă puterea de la sursa de alimentare, fie cu pantograf fie cu motor diesel, pentru a comanda motoarele electrice.
Figura 1: Sistemul de comandă a tracțiunii
Convertorul de tracțiune constă dintr-un redresor dacă este conectat la o sursă de tensiune AC sau un filtru în cazul conexiunii directe la o rețea DC, precum și un invertor pentru a comanda motorul. Legătura DC este conexiunea dintre redresor sau rețeaua de DC și invertor. Cu scopul de a garanta o performanță sustenabilă, este necesară o legătură de tensiune constantă DC, indiferent de sarcină. Pentru a realiza stabilizarea, este crucial să se dispună de o măsurare sigură a nivelului de tensiune. O componentă cheie pentru a realiza acest lucru este un traductor de tensiune.
Trenurile trebuie să se deplaseze în zone cu condiții severe de mediu, inclusiv extreme de temperatură, uscăciune și umiditate, ceea ce înseamnă că dispozitivele convertoare de tracțiune și componentele lor sunt puternic afectate.
Suplimentar, evoluția tehnologică în electronica de putere, în vreme ce aduce avantaje semnificative, implică, de asemenea și niște constrângeri suplimentare cu impact asupra comportamentului componentelor.
Principalul avantaj al acestei evoluții pentru convertoarele de tracțiune vine de la industria semiconductoarelor care, cu frecvențe mai mari de comutație, ajută semnificativ la reducerea pierderilor și permite un design mult mai compact.
Dezavantajele sunt reprezentate de câmpuri magnetice mai mari și perturbații de mod comun mai mari, iar traductoarele de tensiune sunt puternic influențate de aceste perturbații.
Figura 2: Seria de traductoare de tensiune DVM, de la 600 până la 4200VRMS
Tehnologiile vechi utilizate pentru aceste dispozitive nu mai sunt potrivite pentru noile și mai solicitantele condiții de mediu, iar acesta este motivul pentru care soluția potrivită o reprezintă noile traductoare DVM, utilizând tehnologii dovedite și patentate de la LEM. Acestea au o imunitate extrem de ridicată la câmpuri magnetice externe și un nivel de descărcare parțială mai mare decât tensiunea de legătură DC maximă. Cu un design compact, o bună precizie, o deviere foarte mică cu temperatura și abilitatea de a rezista perturbațiilor ridicate de mod comun dv/dt, DVM este alegerea perfectă pentru măsurarea tensiunii de legătură DC.
Noul traductor de tensiune LEM (DVM)
LEM a proiectat o nouă gamă de traductoare de tensiune bazate pe tehnologie DVL (lansată cu succes în 2012). Rezultatul este seria de traductoare de tensiune DVM care acoperă măsurarea de tensiuni nominale de la 600 până la 4200VRMS (acoperire prin 6 referințe – Figura 2) și care reprezintă o cale de a extinde măsurarea tensiunii peste 2000VRMS, care este cea mai ridicată tensiune nominală măsurată cu seriile DVL. Pentru a opera, este nevoie doar de conectare la tensiunea de măsurat, fără a insera rezistențe adiționale în partea primară și o sursă de tensiune DC standard de la ±13.5V la ±26.4V.
Cu o tensiune primară mai mare decât zero, traductorul consumă maxim 30mA (consum intern maxim), plus curentul de ieșire (tipic 50mA la valoarea nominală) – pentru set-up cu ieșire de curent.
DVM prezintă o combinație a tuturor avantajelor produselor LEM anterioare cu respectarea tuturor noilor cerințe EMC. Această serie de produse a fost proiectată în acord cu standardele IRIS și ISO 9001 și se diferențiază față de generațiile anterioare prin următoarele 4 performanțe:
• Consum redus, de aproximativ 30mA
• Bandă de frecvență de 12kHz
• Izolare sigură de 12 kV
• O foarte bună precizie cu temperatura
Figura 3: Tehnologia DVM: Principiul de lucru al tehnologiei de izolare digitală
Cum operează?
Începând de la stânga diagramei din figura 3 din partea primară, unde tensiunea de intrare poate fi în mod tipic de ±4.2kV, prima etapă este un divizor de tensiune care reduce tensiunea până la numai câțiva volți și care este capabil să reziste la variații mari dv/dt, cu o derivă termică redusă. Apoi, un modulator sigma delta convertește semnalul din analog în digital ca o ieșire pe 16-biți.
Acest lucru este urmat de un encoder digital ce produce un singur semnal serial, permițând ca datele să fie transmise printr-un singur canal izolat. Ulterior, un amplificator trimite semnalul către partea primară a unui transformator, necesar pentru a oferi izolarea galvanică dorită.
La sfârșit, tensiunea de test de izolație a produsului este de maxim 12kV.
Transformatorul trebuie, prin urmare, să reziste la o astfel de tensiune de test, pentru a putea garanta – în același timp – durata de viață a izolației.
Această asigurare este posibilă numai dacă este respectată o descărcare parțială mai mică de 10 pico-Coulombi atunci când între primar și secundar se aplică o tensiune de 5kV. DVM a fost special proiectat pentru oferi aceste performanțe.
Pe partea secundară, șirul de biți este decodat și filtrat de un filtru digital. Deoarece semnalul dreptunghiular din primar este distorsionat de transformator, este nevoie de un trigger Schmitt în partea secundară a transformatorului pentru a readuce semnalul la formă dreptunghiulară. Semnalul este apoi trimis într-un decodor și un filtru digital; funcția acestuia este de a decoda șirul de biți de date într-o valoare digitală standard, care să poată fi utilizată într-un convertor digital – analog al unui microcontroler. Semnalul de ieșire obținut este complet izolat de primar (tensiune înaltă) și este o reprezentare exactă a tensiunii din primar.
Figura 4: Conturul DVM față de LV 100-VOLTAGE
Traductorul poate fi cu ușurință adaptat pentru diferite plaje de tensiuni prin modificarea câștigului programat de microcontroler.
Acest lucru nu necesită schimbări în designul transformatorului sau în designul plăcilor de circuite aflate în carcasă. Microcontrolerul elimină abaterile și reglează câștigul prin software și apoi convertește semnalul din digital în ieșire analogică. Microcontrolerul transferă datele de la filtrul digital la un convertor D/A pe 12 biți cu un timp de transfer de aproximativ 6μs. Tensiunea de ieșire analogică este apoi filtrată și convertită într-un curent (±75mA pe scala completă) utilizând un generator de curent protejat împotriva scurtcircuitelor.
Microcontrolerul stabilizează, de asemenea, un convertor DC/DC care creează o sursă de tensiune stabilizată internă secundară. Utilizatorul DVM livrează tipic o tensiune DC de ±24V sau ±15VDC, în vreme ce convertorul DC/DC permite alimentarea convertorului sigma delta și a encoderului digital din primar cu ±5V și ±3.3V. Circuitul adițional este prezentat ca grup în partea superioară a schemei de circuit, cu o frecvență a convertorului DC/DC dată de microcontroler.
Ultimul bloc de la dreapta microcontrolerului este un convertor tensiune – curent pentru clienții care preferă o ieșire de curent, tipic de 50mA la tensiune nominală, cu scopul de a conforma cu normele de compatibilitate electromagnetică (EMC). Ieșirea de curent de joasă impedanță este mai puțin înclinată către interferențele de la câmpurile electromagnetice externe. O versiune cu ieșire de tensiune de 10V la tensiune nominală este, de asemenea disponibilă, precum și o ieșire de 4 – 20mA pentru măsurări unipolare.
Figura 5: Comportamentul tipic de mod comun al DVM 4000 la un dv/dt de 6kV/µs (4200V aplicați): numai 0.5% din VPN ca eroare generată cu un timp de revenire de mai puțin de 50µs.
Caracteristici principale
Cu o precizie tipică de ±0.5% din VPN la temperatura ambientală, DVM prezintă o derivă termică foarte redusă, conducând la o precizie tipică de numai ±1% din VPN pe domeniul său de temperaturi de operare de la -40°C la 85°C. Abaterea inițială la 25°C este de maxim 50µA, cu o derivă maximă posibilă de ±100µA (tipic) pe domeniul temperaturii de operare. Liniaritatea este de ±0.1%.
Timpul de răspuns tipic al traductorului DVM (definit la 90% din VPN) la o treaptă de tensiune la VPN este de 48µs (maxim 60µs). Ca rezultat al timpului rapid de răspuns, a fost verificată o lățime de bandă de 12kHz la -3dB.
Parte mecanică și standarde
LEM a proiectat noile sale produse pentru a fi compatibile, dar să depășească performanțele generațiilor anterioare de traductoare de tensiune LEM (familiile LV 100). Caracteristicile și funcțiile importante includ compatibilitate 100% în termeni de funcțiuni și performanțe, precum și nivele îmbunătățite de precizie și stabilitate cu temperatura, simplificând puternic înlocuirea vechilor componente.
Seria DVM este 100% compatibilă ca amprentă și bază de montare, dar cu mici diferențe în partea de contur, precum locurile de conectare pentru primar și secundar. Mulțumită noului design, DVM este mai mic în înălțime (cu 30% mai mic) și ocupă un volum cu 25% mai redus, fiind cu 56% mai ușor!
Reducerea în dimensiune nu compromite imunitatea ridicată a DVM împotriva perturbațiilor externe înconjurătoare sau împotriva variațiilor de tensiune ridicată, mulțumită unui design electronic intern foarte concentrat aplicat pe placa de circuit imprimat, precum și mulțumită proiectului mecanic Cu un DVM 4000, eroarea ce rezultă în condițiile de mod comun, cu 6kV/µs și o tensiune aplicată de 4200V, este limitată la 0.5% din VPN, având și un timp de revenire mic, de mai puțin de 50µs, în vreme ce, cu un echivalent LV 100-VOLTAGE în aceleași condiții de test eroarea poate crește până la 18%, iar timpul de revenire poate ajunge la 500µs.
Datorită capacității parazite reduse a DVM, efectul dinamic de mod comun este aproape eliminat (inclusiv ca precizie) (figura 5), aceasta fiind o caracteristică importantă deoarece noile tehnologii precum IGBT și MOSFET SIC furnizează valori mai mari dv/dt între primar și secundar. Secundarul este în general conectat la masă pentru motive de siguranță. În primar are loc măsurarea tensiunii diferențiale, dar tensiunea poate fluctua.
Schimbarea potențială din primar poate cauza perturbații în secundar, iar acest lucru nu poate fi filtrat deoarece ar reduce timpul de răspuns. De aceea capacitatea parazită între primar și secundar trebuie să fie redusă la cea mai mică valoare posibilă în designul traductorului.
Generația anterioară de traductoare de tensiune, modelele LV 100-VOLTAGE, este bazată pe tehnologie cu efect Hall în mod buclă închisă și utilizează un circuit magnetic, făcându-le mai sensibile la câmpurile magnetice externe, în vreme ce DVM nu utilizează un circuit magnetic.
DVM permite o adaptare simplă la mărimea izolatorului pe intrare, în funcție de tensiunea de intrare și la orice conexiune pentru partea secundară precum conectori, cabluri ecranate, terminale (filetate, M4, M5, inserții, UNC etc.) în acord cu specificațiile clientului.
Modelele DVM au fost proiectate și testate în acord cu cele mai recente standarde recunoscute pe plan mondial, cu privire la tracțiune și aplicații industriale.
Standardul EN 50155 “Echipament electronic utilizat în materialul rulant” în aplicațiile feroviare este standard de referință pentru parametrii electrici, de mediu și mecanici. El garantează performanțele globale ale produsului în mediul de cale ferată. În ceea ce privește zona industrială pot fi enumerate: IEC 61800 pentru aplicații de comandă, IEC 62109 pentru aplicații solare și IEC 61010 pentru siguranță.
După cum s-a menționat anterior, a fost alocată o atenție specială pentru proiectarea mecanică a DVM, cu scopul de a asigura un nivel redus de descărcări parțiale la o tensiune ridicată. Cu cât este mai mare tensiunea de descărcare parțială (>5kV), cu atât este mai bine, deoarece nu se produce descărcare în timpul funcției normal definite. Nivelul de descărcare parțială este definit la 10pC.
Odată cu creșterea tensiunii, încep unele descărcări parțiale disruptive între 2 puncte, uzual la potențiale opuse în orice produs. Menținând nivelele de descărcare se va reduce în timp izolația produsului, afectând calitatea produsului până la cedare. Aceste descărcări se întâmplă la un nivel numit tensiune de aprindere și sunt definite ca dispărând uzual atunci când ating un nivel de 10 pico-Coulombi, când scade tensiunea aplicată (tensiune de extincție). În mod uzual tensiunea de extincție este totdeauna mai mică decât tensiunea de aprindere.
Pentru a asigura produse cu durată mare de viață, scopul este desigur de a avea o tensiune de extincție la un nivel mai mare decât tensiunea nominală de lucru.
Utilizarea DVM asigură acest lucru, mulțumită tensiunii de extincție de 5kV, în vreme ce produsul a fost definit pentru a măsura o tensiune nominală de la 600 la 4200VRMS.
Pentru a estima rata de defectare au fost realizate teste accelerate, inclusiv cicluri de temperatură, completând caracterizarea produsului în conformitate cu standardele. Mulțumită unui design inovativ ce utilizează un transformator de izolație legat la tehnologie digitală, modelele DVM garantează izolația și nivelele de descărcare parțială pentru aplicații de înaltă tensiune de până la 5kV la vârf.
În principal proiectate pentru tensiuni medii și mari, traductoarele DVM sunt, de asemenea, potrivite pentru orice fel de medii dure, cerând performanțe bune în termeni de precizie, amplificare, liniaritate, abatere inițială redusă, derivă termică redusă etc. De exemplu, prezentând imunitate ridicată la interferențele externe generate de curenți adiacenți sau perturbații externe, precum și imunitate ridicată împotriva variațiilor mari de tensiune, traductoarele DVM oferă o excelentă siguranță în funcționare.
Autor: Michel Ghilardi, Research & Development Senior Engineer, LEM
Michel Ghilardi este licențiat ca inginer electronist la Universitatea de Tehnologie din Saint-Etienne (Franța). El este șeful echipei de tracțiune la LEM R&D, lucrând la LEM din 2001.
LEM | www.lem.com
