Superando retos de diseño en medición de energía DC de precisión

Gracias al desarrollo de tecnología de conversión de potencia eficiente basada en semiconductores de banda ancha, la medición de energía DC de precisión se vuelve relevante, especialmente donde la facturación energética está involucrada. Este artículo discute retos de medición DC y ofrece propuesta para diseño de medidor energía DC.

Los primeros desarrolladores de red trabajaron con corriente alterna (AC) para alimentar el mundo porque era más fácil de usar. En muchas áreas, sin embargo, la corriente continua (DC) puede mejorar drásticamente la eficiencia, y muchas aplicaciones ahora ven beneficios en cambiar a intercambio energético DC gracias al desarrollo de tecnología de conversión de potencia eficiente y económica basada en semiconductores de banda ancha. Como consecuencia, la medición de energía DC de precisión se vuelve relevante, especialmente donde la facturación energética está involucrada.

En el primer artículo de esta serie de dos partes, discutimos oportunidades para medición DC en estaciones de carga VE, generación renovable, server farms, microgrids y compartición energía peer-to-peer. Este artículo discute desafíos a medición DC y ofrece propuesta para diseño de medidor energía DC.

A principios de 1900 los medidores energía AC tradicionales eran totalmente electromecánicos. La combinación de bobina de voltaje y corriente inducía corrientes de Foucault en disco de aluminio rotatorio. El torque resultante era proporcional al producto del flujo magnético generado por ambas bobinas. Finalmente, la adición de imán de freno para el disco hizo la velocidad rotacional directamente proporcional a potencia real consumida por la carga. En este punto, medir energía consumida es simplemente contar número de rotaciones en periodo de tiempo.

Medidores AC modernos son significativamente más complejos, precisos y protegidos contra manipulación. Ahora, un smart meter state-of-the-art puede incluso monitorizar su precisión absoluta y detectar signos de manipulación 24/7 mientras instalado en campo. Es el caso del IC medidor Analog Devices ADE9153B, habilitado con tecnología mSure^®. Medidores energía —modernos, tradicionales, AC o DC— se clasifican por su constante impulsos por kWh y precisión porcentual de clase. El número de impulsos por kWh denota tasa de actualización energética, o resolución. La precisión de clase certifica el error máximo de medida de energía.

Similar al viejo medidor mecánico, energía en intervalo de tiempo dado se calcula contando estos impulsos; mayor frecuencia pulso, mayor potencia instantánea, y viceversa.

Arquitectura Medidor DC

La arquitectura básica de un medidor DC se representa en Figura 1. Para medir potencia consumida por carga (P = V × I), se requiere al menos un sensor de corriente y uno de voltaje.

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Figura 1. Arquitectura sistema medidor energía DC. (Fuente: Analog Devices)

Cuando el lado bajo está a potencial tierra, corriente fluyendo por medidor se mide comúnmente en lado alto para minimizar riesgo de fugas no medidas, pero corriente también puede medirse en lado bajo, o ambos si arquitectura lo requiere. La técnica de medir y comparar corrientes en ambos lados de la carga se usa a menudo para habilitar capacidad de detección de fallos y manipulación. Sin embargo, cuando corriente se mide en ambos lados, al menos un sensor necesita aislamiento para lidiar con alto potencial a través de conductores.

Medición de Voltaje

El voltaje se mide típicamente con divisor resistivo de potencial, donde escalera de resistencias reduce proporcionalmente el potencial a nivel compatible con entrada ADC del sistema.

Debido a la gran amplitud de señal entrada, medición precisa de voltaje puede lograrse fácilmente con componentes estándar. Sin embargo, debe prestarse atención a coeficientes de temperatura y voltaje del componente elegido, para garantizar precisión requerida en todo rango de temperatura.

Como se discutió en artículo previo, medidores energía DC para aplicaciones como estaciones carga VE a veces requieren facturar exclusivamente energía transferida al vehículo. Para cumplir requisito, medidores DC para cargadores VE pueden requerir múltiples canales voltaje, permitiendo medir voltaje también en punto entrada del vehículo (medición 4-hilos). Medición DC energía en configuración 4-hilos asegura que todas las pérdidas resistivas del poste de carga y cable se descuenten de factura energética total.

Medición de Corriente para Medición Energía DC

La corriente eléctrica puede medirse por conexión directa o indirectamente, sensando campo magnético generado por flujo de portadores de carga. La siguiente sección discute sensores más populares para medición corriente DC.

Shunt Resistor

Sensado corriente por conexión directa es método probado para medir corriente AC y DC. El flujo de corriente se enruta a través de resistor shunt de valor conocido. La caída de voltaje a través del shunt es directamente proporcional a la corriente fluyendo según ley de Ohm (V = R × I), y puede amplificarse y digitalizarse, proveyendo representación precisa de la corriente en el circuito.

Sensado por shunt es barato, preciso y potente para medir corriente de mA a kA, con ancho de banda teóricamente ilimitado. Sin embargo, el método sufre desventajas.

Cuando corriente fluye en resistor, calor Joule se genera proporcional al cuadrado de la corriente. Esto causa no solo pérdidas de eficiencia, sino que auto-calentamiento cambia el valor resistivo del shunt con consiguiente degradación precisión. Para limitar auto-calentamiento, se usa resistencia de bajo valor. Sin embargo, cuando se usa resistencia pequeña el voltaje a través del elemento sensado también es pequeño y a veces comparable con offset DC del sistema. En estas condiciones, lograr precisión requerida en extremo bajo del rango dinámico puede no ser trivial. Front-ends analógicos state-of-the-art, con offset DC ultra-bajo y deriva térmica ultra-baja, pueden superar limitaciones de shunts valor pequeño. Sin embargo, amplificadores operacionales tienen producto ganancia-ancho de banda constante, así que alta ganancia limitará ancho de banda disponible.

Shunts sensado corriente valor bajo usualmente hechos de aleaciones metálicas específicas como manganeso-cobre o niquel-cromo, que cancelan derivas térmicas opuestas de sus constituyentes resultando en deriva global orden decenas ppm/°C.

Otro contribuyente de error en medición DC conexión directa puede ser fenómeno de fuerza electromotriz térmica (EMF), también conocido como efecto Seebeck. El efecto Seebeck es fenómeno donde diferencia de temperatura entre al menos dos conductores o semiconductores disímiles formando unión produce diferencia de potencial entre ambos. Es bien conocido y ampliamente usado para sensar temperatura en termopares.

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Figura 2. EMF térmica en shunts causada por gradiente temperatura. (Fuente: Analog Devices)

En shunts conexión 4-hilos, calor Joule se forma en centro del elemento resistivo, propagándose mientras cables sensado cobre, que pueden conectarse a PCB (u otro medio), y que pueden tener diferente temperatura.

El circuito sensado formará distribución simétrica de materiales diferentes; por tanto, el potencial en uniones de cables sensado negativo y positivo aproximadamente se cancela. Sin embargo, cualquier diferencia en capacidad térmica, como cable sensado negativo conectado a mayor masa cobre (plano ground), puede producir mismatch en distribución temperatura, resultando en error de medida por efecto EMF térmico.

Por esa razón, debe prestarse atención a conexión del shunt y distribución del calor generado.

Sensado Campo Magnético — Medición Corriente Indirecta

Hall Effect Open-Loop

Sensor construido con anillo alta permeabilidad magnética por donde pasa hilo corriente sensada. Esto concentra líneas campo magnético alrededor del conductor medido onto sensor Hall, insertado dentro área cross-section del núcleo magnético. La salida se precondiciona y suele estar disponible en sabores: 0 V a 5 V, 4 mA a 20 mA, o interfaz digital. Aunque provee aislamiento y rango alta corriente por coste relativamente bajo, precisiones absolutas típicamente no bajan de 1%.

Hall Effect Closed-Loop

Devanado secundario multivuelta en núcleo permeable impulsado por amplificador corriente provee realimentación negativa para lograr condición flujo total cero. Midiendo corriente compensadora, linealidad mejora y no hay histéresis núcleo con deriva térmica superior y mayor precisión vs open-loop. Rangos error típicos bajan a 0,5%, pero circuitos compensación adicionales encarecen sensor y a veces limitan ancho de banda.

Fluxgate

Sistema complejo open- o closed-loop donde corriente se mide monitorizando variaciones flujo magnético de núcleo intencionalmente saturado. Bobina enrollada alrededor de núcleo ferromagnético alta permeabilidad saturado intencionalmente por bobina secundaria impulsada por onda cuadrada simétrica.

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Figura 3. Transductor corriente open-loop basado en concentrador flujo y sensor magnético. (Fuente: Analog Devices)

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Figura 4. Ejemplo principio funcionamiento transductores corriente closed-loop. (Fuente: Analog Devices)

La inductancia de la bobina colapsa cada vez que el núcleo se acerca a saturación positiva o negativa, y la tasa de cambio de su corriente aumenta. La forma de onda de corriente de la bobina permanece simétrica a menos que campo magnético externo se aplique adicionalmente, en cuyo caso la forma de onda se vuelve asimétrica. Midiendo el tamaño de esta asimetría, la intensidad del campo magnético externo, y consecuentemente la corriente que lo generó, puede estimarse. Provee buena estabilidad térmica y precisión hasta 0,1%. Sin embargo, electrónica compleja del sensor lo hace solución cara con precios 10x superiores a otras soluciones aisladas.

Medición Energía DC: Requisitos y Estandarización

Mientras la estandarización de medición energía DC no parezca demasiado difícil vs ecosistema estándares medición AC existente, stakeholders industriales aún debaten requisitos para diferentes aplicaciones, pidiendo más tiempo para pulir detalles exactos de medición DC.

IEC trabaja en IEC 62053-41 para definir requisitos específicos para medidores estáticos DC energía activa con clases precisión 0,5% y 1%.

El estándar propone rango voltajes y corrientes nominales y fija límites en consumo máximo potencia de canales voltaje y corriente del medidor. Además, como requisito medición AC, precisión específica definida en rango dinámico, y umbral corriente para condición no-carga.

En borrador, no hay requisito específico para ancho de banda sistema, pero test variación carga rápida requerido, definiendo requisito implícito en ancho de banda mínimo.

Medición DC en aplicaciones carga VE a veces cumple estándar alemán VDE-AR-E 2418 o viejo estándar ferroviario EN 50463-2. Según EN 50463-2, precisiones especificadas por transductor, y error energético combinado es suma cuadrática de errores voltaje, corriente y cálculo:

Tabla 1. Error Porcentual Máximo Corriente por EN 50463-2

Rango Corriente Clase 0.2R Clase 0.5R Clase 1R 1% a 5% I_N 1% 2.5% 5% 5% a 10% I_N 0.4% 1% 1.5% 10% a 120% I_N 0.2% 0.5% 1%

Tabla 2. Error Porcentual Máximo Voltaje por EN 50463-2

Rango Voltaje Clase 0.2R Clase 0.5R Clase 1R <66% V_N 0.4% 1% 2% 66% a 130% V_N 0.2% 0.5% 1%

Proof of Concept Medidor DC Estándar Compliant

Analog Devices es líder en tecnología sensado precisión, ofreciendo signal chain completa para mediciones precisión corriente y voltaje cumpliendo requisitos restrictivos de estándares. La siguiente sección muestra proof of concept para medidor energía DC compliant con próximo estándar aplicación-específico IEC 62053-41.

Considerando espacio de medición energía DC billing-grade en microgrids y data centers, podemos hipotetizar requisitos mostrados en Tabla 3.

Tabla 3. Especificaciones Medidor Energía DC — Proof of Concept

Rating

Nominal Dynamic
Range Measurement
(Max Range) Voltage ±400 V_DC 100:1 ±600 V Current ±80 A 100:1 ±240 A Accuracy 1% a 5% I_NOM 1% 5% a 120% I_NOM 0.5% Temperatura –25°C a +55°C –40°C a +70°C storage Meter Constant 1000 imp/kWh Voltage and Current Bandwidth 2.5 kHz

Sensado corriente barato y preciso puede lograrse usando shunt valor pequeño y bajo EMF (<1 μV_EMF/°C). Mantener resistencia shunt pequeña es fundamental para reducir auto-calentamiento y mantener nivel potencia bajo límites requeridos por estándar.

Un shunt comercial 75 μΩ mantendrá potencia disipada bajo 0,5 W.

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Figura 5. Arquitectura sistema medidor DC. (Fuente: Analog Devices)

Sin embargo, 1% de los 80 A nominales generará señal pequeña de 60 μV en shunt 75 μΩ, requiriendo signal chain en rango sub-microvolt offset drift performance.

El ADA4528, con voltaje offset max 2,5 μV y max offset voltage drift 0,015 μV/°C, es adecuado para proveer ultra-low drift, amplificación 100 V/V para señal shunt pequeña. Por tanto, el ADC simultaneous sampling 24-bit AD7779 puede conectarse directamente a etapa amplificación, con 5 nV/°C input referred offset drift contribution.

Alto voltaje DC puede medirse precisamente con divisor resistivo potencial 1000:1 ratio conectado directamente a entrada ADC AD7779.

Finalmente, un microcontrolador implementa funcionalidad metrología simple sample-by-sample, interrupt driven, donde para cada sample ADC la rutina interrupt:

• Lee samples voltaje y corriente
• Calcula potencia instantánea (P = I × V)
• Acumula potencia instantánea en acumulador energía
• Verifica si acumulador energía excede umbral para generar pulso energía y limpia registro acumulación energía

Además, además de funcionalidad metrología, microcontrolador habilita interfaces sistema como RS-485, display LCD, y botones.

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Figura 6. Proof of concept — prototipo. (Fuente: Analog Devices)

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Luca Martini recibió M.Eng. en ingeniería electrónica y telecomunicaciones para energía por Universidad Bologna, Italia, 2016. Como parte de su M.Eng., pasó siete meses en Fraunhofer IIS, Nuremberg, Alemania, desarrollando sistema control precisión tiempo real para caracterización cosechadores energía piezoeléctrica. 2006 a 2016 trabajó como desarrollador sistema y hardware en sector biomédico. 2016 se unió a Energy and Industrial System Group en Analog Devices, Edinburgh, UK. Contacto: luca.martini@analog.com.

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