Este artículo explica los diseños de referencia del medidor de energía inteligente trifásico de STMicroelectronics y las ventajas de las derivaciones sobre los sensores de corriente para la metrología multifásica.
Hoy en día, las personas están más preocupadas por monitorear y controlar el consumo de electricidad, ya sea maquinaria pesada o electrodomésticos. Como se muestra en la Figura 1, las soluciones de medición basadas en derivación combinadas con la nueva tecnología avanzada de aislamiento galvánico de STMicroelectronics ofrecen varias ventajas sobre el método de medición tradicional del transformador de corriente (CT):
- Menor costo, especialmente para aplicaciones de alta corriente.
- En el caso de aislamiento, se puede utilizar un shunt para cada fase.
- Solución modular para múltiples arquitecturas de metrología.
- Inmunidad a interferencias garantizada gracias a rutas analógicas cortas desde el transmisor hasta el front-end analógico de tecnología de medición (AFE).
- Aislamiento de datos de 6kV.
- Protección contra la manipulación electromagnética.
- Robustez frente a perturbaciones provocadas por interferencias electromagnéticas (EMI).
STMicroelectronics ofrece soluciones de medición confiables que cumplen con los últimos estándares disponibles (EN 50470-x, IEC 62053-2x, ANSI12.2x) para vatímetros de CA.
¿Por qué se utilizan transformadores de corriente (TC) en los contadores de energía?
Los transformadores de corriente se utilizan comúnmente en la industria de medición para medir la corriente alterna (CA). Tiene un núcleo ferromagnético, un devanado primario y secundario de alambre de cobre.
El conductor de fase o neutro por el que fluye la corriente a medir pasa a través del anillo del transformador de corriente. La corriente alterna en el cable de fase (primario) crea un campo magnético alterno en el núcleo, que luego induce una corriente alterna en el devanado secundario del transformador de corriente. El número de vueltas en los devanados primario y secundario se elige de modo que la corriente primaria se escale a un valor medible. Una resistencia de carga conectada a través del devanado secundario produce un voltaje de salida basado en la cantidad de corriente que fluye a través de él.
La Figura 2 muestra un medidor de energía tradicional basado en CT. Algunas de las ventajas que hacen que la TC sea universal en el diseño de medidas son:
- Mayor sensibilidad en comparación con otros métodos de detección.
- Pérdida de potencia baja
- Aislamiento inherente de la red
Por lo tanto, la principal razón para usar transformadores de corriente es la protección contra peligros de alto voltaje.
Limitaciones de la TC
- El núcleo ferromagnético del transformador de corriente se satura más allá de la corriente de entrada nominal. Por lo tanto, no tiene una respuesta lineal ya que la corriente de salida ya no es proporcional a la corriente de entrada.
- La linealidad precisa para valores de corriente altos requiere sensores más caros, lo que aumenta aún más los costos.
- Un imán fuerte cerca del medidor puede saturar el CT, distorsionando el flujo en el núcleo. Como resultado, una corriente de entrada alta crea solo una pequeña fluctuación de salida, lo que manipula la lectura real del medidor y la factura de servicios públicos.
- CT introduce un cambio de fase en la corriente de salida que puede conducir a grandes errores en las mediciones de potencia y energía.
- Las distorsiones armónicas provocan perturbaciones EMI en la señal de entrada del transformador de corriente.
Por las razones anteriores, vale la pena considerar topologías de derivación para medidores trifásicos.
Ventajas de la derivación sobre la TC
variantes de derivación
Las derivaciones se pueden usar para muchas aplicaciones, como diodos de derivación, protección de circuitos y detección de corriente. Hay pocas variantes de derivaciones que se utilizan para la medición de corriente.
Los diseños que se mencionan a continuación utilizan una derivación de cinco terminales para medir la corriente consumida. Es una resistencia de 3W y 0.3mΩ. Una preamplificación de 16x en el canal de corriente, seleccionable para ambos medidores (STPMS2 y STPM32/STPM33), asegura un rango de corriente de hasta 100 A. Se registra el voltaje a través de la resistencia de derivación, que es proporcional a la corriente de entrada. por los ADC de estos dispositivos.
El STPM3x es una familia de productos estándar para aplicaciones específicas (ASSP) diseñada para mediciones de alta precisión de potencia y energía en sistemas de líneas eléctricas.
El STPMS2, un modulador sigma-delta de segundo orden, de dos canales y 24 bits, puede medir el voltaje y la corriente para cada fase. Luego sobremuestrea las señales con un reloj sincronizado de 4 MHz y multiplexa flujos de bits sigma-delta de voltaje y corriente en un solo pin de salida.
En las soluciones basadas en derivación, es imperativo aislar las fases entre sí, ya que la diferencia de potencial en la placa de circuito impreso (PCB) puede estar en el rango de cientos de voltios debido al contacto directo con el cable conductor. Esto puede resultar en una corriente de descarga que destruiría la placa de circuito y los dispositivos conectados a ella. El aislamiento se logra con el STISO621, un aislador digital de dos canales basado en la tecnología de aislamiento galvánico de óxido grueso de 6 kV de ST para transferir datos entre dominios aislados en una variedad de aplicaciones industriales.
Como podemos ver en la Figura 3, se utiliza un aislador entre el microcontrolador y el medidor STPM32 o STPMS2.
Los consumidores que desean controlar sus facturas de servicios públicos y las industrias que necesitan monitorear de cerca la potencia, la energía y el factor de potencia de la maquinaria pesada, este medidor (como se muestra en la Figura 4) brinda una forma de capturar y controlar el uso de electricidad y energía. Calcula todos los parámetros metrológicos necesarios para medir cada milivatio de consumo eléctrico industrial o doméstico. Este diseño utiliza el IC de medición STPM32 y el microcontrolador STM32L486.
La placa de evaluación EVALSTPM-3PHISO (como se muestra en la Figura 7) implementa un medidor de energía trifásico completo con sensores de corriente de derivación. La solución se basa en el dispositivo STPMS2, un modulador sigma-delta de segundo orden de dos canales y 24 bits. El circuito del sensor y el diseño de la PCB están optimizados para maximizar la relación señal-ruido para una precisión óptima.
El STPMS2 sobremuestrea la señal con un reloj de 4 MHz distribuido sincronizado por el microcontrolador y genera flujos de bits sigma delta de voltaje y corriente multiplexados en el mismo pin.
La comunicación de dos hilos entre el modulador STPMS2 y la MCU está aislada por STISO621W, una interfaz de 6 kV aislada galvánicamente que ofrece una tasa de hasta 100 Mbit/s y baja distorsión de pulso (<3 ns) para una transmisión de datos segura y rápida entre permite dominios aislados.
El firmware integrado en la solución utiliza los filtros DFSDM del STM32F413RH para convertir los seis flujos de bits en datos de tensión y corriente de 24 bits a una velocidad de 200 us. También implementa una comunicación de puerto COM virtual para acceder fácilmente a los parámetros internos para leer datos de medición, cambiar la configuración interna para una alta flexibilidad de aplicación y calibrar la tarjeta.
La Figura 8 es el diagrama de bloques de EVALSTPM-3PHISO. La documentación, las herramientas y los recursos para este tema están disponibles en el enlace
Conclusión
Con el creciente interés en la medición de corriente de derivación para la industria de medición, ST propone una solución confiable y precisa para medir y controlar la energía en entornos domésticos e industriales y muestra cómo se puede usar la derivación para la medición de corriente. Garantiza una inmunidad completa a los campos magnéticos de CC y CA y la detección de corriente sin cambio de fase al tiempo que reduce el costo general del sistema. El factor de forma pequeño garantiza una PCB compacta con muy pocos componentes para ensamblar. Por supuesto, no se limita solo a la medición de energía. Los inversores solares, la supervisión de procesos y los dispositivos de protección pueden beneficiarse de la topología de derivación.
