Figura 1: Un sistem invertor pentru instalațiile fotovoltaice.
1. INTRODUCERE
Figura 1 prezintă componentele principale ale unui invertor dintr-un sistem fotovoltaic utilizat tipic într-o instalație rezidențială de până la aproximativ 20kW. Câteva asemenea invertoare pot fi combinate pentru a realiza o instalație completă care este conectată la rețeaua de alimentare prin aparate de măsurare.
În ultimul deceniu, au fost introduse în invertoare noi MOSFET-uri pe siliciu, iar în viitor, acestea vor fi înlocuite de MOSFET-uri bazate pe SiC și GaN. Astfel, sunt permise frecvențe de comutație mai mari, care înseamnă în schimb, componente reactive (inductoare, condensatoare) de valori mai mici și de aici, dimensiuni fizice mai mici ce pot fi utilizate. Un invertor de 2kW disponibil în 2010 și cântărind peste 20 kg în conformitate cu datele tehnice ale producătorului, a fost înlocuit în 2016 cu un model ce cântărește mai puțin de 10 kg. Ținând cont că traductoarele de curent utilizate în dispozitivele de măsurare dintr-un sistem PV continuă să utilizeze o parte neglijabilă din spațiul și masa generală, dimensiunea lor trebuie, de asemenea, să se reducă fără degradări ale performanțelor. Similar, costul lor trebuie să se reducă pentru a urmări tendința scăderii costurilor sistemului complet de inversor.
Figura 2: Tensiuni și curenți reziduali în instalația PV.
În figura 1 există 3 traductoare de curent LEM, toate conținând ASIC-uri CMOS particularizate cu celule Hall complet integrate. Pe partea de curent continuu a invertorului există o buclă deschisă GO; pe partea de curent alternativ există o buclă închisă LPSR pentru sistemul de control al invertorului, iar la ieșirea LDSR, există un nou traductor diferențial pentru RCM, de asemenea, cu o arhitectură de buclă închisă. (Pentru o explicare detaliată a traductoarelor cu efect Hall în buclă deschisă și închisă vedeți referința bibliografică [1])
Figura 2 prezintă formele de undă din partea de curent continuu și cea din partea de curent alternativ a invertorului. Se poate observa că într-un sistem fără transformator, “partea de curent continuu” are într-adevăr o tensiune DC corespunzătoare producției celulelor fotovoltaice între nodurile PV+ și PV- (aceasta poate fi crescută cu ajutorul unui convertor DC-DC) dar fiecare dintre nodurile PV are, de asemenea, o tensiune de curent alternativ, a cărei valoare de vârf este similară vârfului tensiunii de ieșire a părții de curent alternativ. Dacă nu este luat în considerare la nivel de sistem, acest lucru reprezintă un pericol serios legat de siguranță.
Figura 3: Traductor GO-SMS într-o capsulă SOIC-16.
2. TRADUCTOARE DE CURENT ÎN INVERTORUL PV
2.1 Partea de curent continuu.
În funcție de intensitatea luminoasă a celulei PV, sarcina care maximizează puterea transferată de la ele variază și astfel sistemul de control utilizează un algoritm de timp real MPPT pentru încărcarea celulelor în vederea unui transfer de putere maxim. În cazul unor panouri PV motorizate, algoritmul MPPT poate fi utilizat pentru a obține o orientare optimă. De vreme ce ținta algoritmului este pur și simplu pentru a găsi vârful în transferul de putere, precizia la nivelul traductorului de curent utilizat nu este foarte exigentă, iar un traductor în buclă deschisă este ideal pentru acest scop. LEM a lansat de curând familia de traductoare GO (Referința bibliografică [2]) care are conductorul primar integrat într-o capsulă de circuit integrat standard. Este posibilă astfel reducerea amprentei pe PCB cu 70%, prin comparație cu un traductor mic ce include un circuit magnetic. Traductorul SOIC-16 este prezentat în figura 3. Parametrii cei mai importanți de menționat ai traductorului GO-SMS în capsula sa SOIC-16 sunt prezentați în tabelul 1.
Precizia traductoarelor GO o depășește pe cea care este necesară pentru algoritmul MPPT, iar ele pot fi, de asemenea, utilizate și la nivel de sistem pentru alte scopuri, de exemplu pentru comparația ieșirilor diferitelor panouri PV care recepționează iluminare similară pentru a identifica panouri cu probleme.
2.2 Partea de curent alternativ
Traductorul prezentat după invertor în figura 1 este un element cheie al buclei de control care comandă comutațiile invertorului, astfel guvernează precizia formei de undă a curentului de ieșire. El trebuie să aibă un timp de răspuns rapid, un zgomot redus și o bună liniaritate, iar în particular compensarea și deriva sa cu temperatura trebuie să fie reduse astfel încât componenta de curent continuu a curentului injectat în rețea să răspundă cerințelor din normative. Traductoarele în buclă închisă au o arhitectură care, datorită efectului de transformator, oferă performanțe bune de viteză, zgomot și liniaritate. Din punct de vedere istoric, cerințele de offset redus au fost întâlnite utilizând o sondă magnetometrică ca element sensibil magnetic. Totuși, offsetul redus (și deriva de offset redusă) este acum obținut prin inovațiile din proiectul de CMOS ASIC utilizat de exemplu în familia de traductoare LPSR. ASIC-ul include celule Hall și amplificatoare cu offset redus unite într-o nouă arhitectură patentată, care permite ca deriva de offset relativă la intrare să fie de aproximativ 4ppm/°C (modelul de 25A). Rezultatul este un senzor a cărui construcție este mai simplă decât cea a familiilor de sonde magnetometrice cu performanțe similare. Tabelul 2 prezintă parametrii de performanță cheie. Familia de traductoare LPSR a fost descrisă în detaliu în referința bibliografică [3].
Figura 4: Traductor de curent LPSR cu un ASIC utilizând tehnologie de buclă închisă cu efect Hall.
2.3 Măsurarea curentului rezidual pentru motive de siguranță.
Nodurile PV+ și PV- din figura 1 sunt mari din punct de vedere fizic într-un sistem PV tipic. Tensiunea medie în fiecare nod, relativ la masă, este jumătate din tensiunea de la celula PV, dar la aceasta se adaugă o tensiune de curent alternativ, a cărei valoare vârf la vârf este similară cu cea a celulei. În eventualitatea că o persoană atinge nodurile PV+ sau PV- (sau în general orice nod de pe partea de curent continuu a invertorului) o pierdere de curent se va scurge din sistem prin persoană la masă. Deoarece în sistem există un singur nod al cărui potențial este menținut la nivelul împământării, nodul N de la ieșire, această scurgere trebuie să curgă înapoi în sistem prin acest nod, iar acest lucru va cauza un dezechilibru al curentului DC, adică un curent rezidual între ieșirile L și N. Acest curent rezidual trebuie detectat, permițând sistemului să acționeze foarte rapid pentru a proteja persoana care a cauzat curentul rezidual. Printre provocările din cadrul RCM sunt:
i) Valoarea absolută a curentului ce trebuie detectat este mică, de câteva zeci de miliamperi, iar astfel offsetul traductorului trebuie să fie suficient de redus pentru ca
acest nivel de curent să fie detectat;
ii) Curentul AC la ieșire este între zero și zeci de amperi, iar curentul rezidual trebuie detectat în prezența acestuia;
iii) Capacitatea dintre panourile PV și masă înseamnă că există întotdeauna un curent ce se scurge la masă, iar obiectivul sistemului este de a-l distinge față de un extracurent
cauzat de contact uman periculos.
Figura 2 prezintă calea de scurgere a curentului într-un sistem de invertor simplificat cu un nou traductor LEM LDSR utilizat pentru RCM.
Dintre cele trei provocări prezentate, prima și a doua au fost rezolvate în LDSR de către un design special de traductor dedicat pentru RCM, în vreme cea a treia a fost rezolvată prin aplicarea unui algoritm de procesare a semnalului la ieșirea traductorului.
Figura 5: Principiul operării RCM este bazat pe tehnologia în buclă închisă cu efect Hall.
Figura 5 prezintă principiul unui RCM: un ASIC cu celulă Hall similar cu cel utilizat în exemplul LPSR prezentat mai sus este inima unui traductor în buclă închisă. Curenții AC I1 și I2 se anulează, iar micul curent rezidual este detectat de ASIC-ul celulei Hall și compensat de o înfășurare secundară ce are mult mai puține spire față de cazul LPSR, de vreme ce curentul care trebuie detectat este mult mai mic.
Figura 6: Traductorul LDSR cu conductoare planare primare și nucleu magnetic.
Figura 7: LDSR în versiunile cu o fază și cu trei faze.
Analizele detaliate ale efectului poziției conductoarelor primare din figura 5, arată că anularea curenților I1 și I2 nu este perfectă, iar câmpul magnetic rezidual din spațiul de aer depinde de poziția conductoarelor. De aceea s-a decis să se definească pozițiile din primar în mod exact, prin plasarea lor pe un PCB multistrat din interiorul traductorului. Mai mult, pentru RCM sunt necesare doar câteva duzini de spire pentru înfășurarea secundară, ceea ce înseamnă că pot fi, de asemenea, scrise pe un PCB. În acest fel a fost proiectat un senzor inovativ a cărui construcție este mult mai simplă față de senzorii anteriori. A avea conductorii din primar pe un PCB, se limitează curentul maxim din primar, dar valoarea permisă de 35A pe fiecare conductor este mai mult decât suficientă pentru instalații casnice.
În cazul curenților primari de această valoare, proiectarea PCB-ului pe care este montat LDSR-ul este importantă. Simulările au arătat că în cazul unui design optimizat, creșterea de temperatură în traductor datorată unui curent primar de 35A este limitată la 13°C.
Figura 6 prezintă un desen simplificat al traductorului LDSR cu capsula îndepărtată. Pentru motive de testare o bobină suplimentară este înfășurată pe PCB-ul ASIC concentric cu circuitul secundar. Acest lucru este folositor pentru un test al sistemului: un curent trece prin el și va furniza o ieșire a traductorului în același mod precum diferența dintre curenții din primar.
Figura 6 prezintă traductorul cu o singură fază în primar, dar fiind valabil și cu trei faze.
Ca și în cazul traductorului LPSR, ASIC este proiectat cu un offset minim, iar offsetul referit înapoi la curentul de intrare este redus prin plasarea unei găuri în PCB sub ASIC, permițând cel mai mic spațiu de aer posibil în circuitul magnetic.
Figura 8: Efectul adăugării unei căi rezistive asupra pierderii de curent.
Din cauza înaltei sensibilități a LDSR în jurul ASIC și spațiului de aer este plasat un ecran magnetic (care nu se observă în figura 6). Figura 7 prezintă o fotografie a unui traductor LDSR.
Figura 9: Simularea curentului rezidual pe durata unei probleme și ieșirea în urma aplicării algoritmului Goertzel.
În general, pierderile de curent detectate de LDSR vor avea o componentă AC și una DC și fiecare utilizator va utiliza un algoritm specific pe ieșirea traductorului pentru a determina când o pierdere este “excesivă” și pentru a decide o acțiune potrivită. O provocare particulară apare atunci când există o componentă mare de pierdere AC naturală și variabilă (depinzând de umiditatea ambientală, de exemplu) prin capacități parazite și trebuie detectată o extra-pierdere cauzată de o persoană ce atinge partea de DC. Impedanța prezentată de o persoană este puternic rezistivă și astfel, după cum se poate observa în figura 8, extra-curentul aproape că nu prezintă nicio diferență în valoarea RMS a pierderii de curent; efectul principal fiind o schimbare a fazei.
În general, există de asemenea, un zgomot care se adaugă curenților real și imaginar din figura 8. În cazul în care trebuie analizată numai o frecvență cunoscută într-o formă de undă eșantionată, algoritmul Goertzel este în particular eficient. În figura 9, o pierdere de curent de 30mA rms cauzată de o persoană este adăugată unei pierderi de curent capacitive de 300mA rms cu un zgomot de 7.5mA rms la timpul de 0.1s. Efectul vizibil asupra pierderii de curent totale este aproape invizibil, dar după aplicarea algoritmului Goertzel, treapta de curent de 30mA este cu ușurință evidențiată, iar dacă valoarea depășește o valoare de prag predefinit, pot fi declanșate acțiuni potrivite la nivelul sistemului.
Concluzie
Articolul a utilizat exemplul unei instalații fotovoltaice pentru a arăta progresele din cadrul traductoarelor de curent de la LEM. Dimensiunile și costul lor sunt reduse, în vreme ce performanțele sunt menținute sau chiar îmbunătățite. Traductoarele sunt acum proiectate fără circuit magnetic sau sondă magnetometrică, anterior necesare. Această inovație este permisă prin deplasarea complexității designului traductorului în ASIC-urile cu efect Hall particularizate pe care le utilizează.
Bibliografie
[1] https://www.lem.com/en/file/3139/download
[2] Bodo’s Power Systems April 2017 issue “A New Family of Miniature, Fast and Accurate Transducers for Isolated Current Measurement”
[3] Bodo’s Power Systems May 2017 issue “Closed Loop Current Transducers with Excellent Performance are also Cost-Effective”
LEM | www.lem.com