česky english Vítejte, dnes je sobota 04. prosinec 2021

S elektronickými snímači napětí máte harmonické složky pod kontrolou

DPS 1/2021 | Měření - články
Autor: Damien Leterrier, LEM

Ať se již bude jednat o větrné turbíny, nebo např. trakční systémy používané na železnici, ochrana klíčových motorů hrála v případě nestandardních situací pokaždé rozhodující úlohu. S rostoucím podílem energie dodávané z obnovitelných zdrojů, např. větru, je ale rovněž nezbytné zajistit, aby motory obdržely skutečně kvalitní napájení. Jeden ze stěžejních bodů spočívá v zajištění spolehlivosti a také bezpečnosti systému při konverzi primárního napětí mezi DC a AC sítí, a to za všech provozních podmínek i teplot.

S elektronickými snímači napětí máte harmonické složky pod kontrolou

Hybnou silou při zavádění zdrojů závisejících na větru se stává též rostoucí poptávka po zelené energii. Větrné turbíny obvykle používají regulátor proměnné rychlosti, který pracuje společně s výkonovým měničem tak, aby bylo možné vyráběnou elektřinu přivádět přímo do sítě. Častým problémem výkonové elektroniky však je generování a emise harmonických proudů, což u dodávaného proudu zásadně snižuje jeho kvalitu. Tabulka níže shrnuje požadavky IEEE 519 a ukazuje přípustné limity harmonických složek při různých napětích na sběrnici jak pro napětí, tak i proud.

S elektronickými snímači napětí máte harmonické složky pod kontrolou 1

K potlačení harmonického zkreslení na přijatelné úrovně se používají různé typy filtrů. Taková filtrace pak dokáže u nelineárních zátěží kompenzovat vyšší harmonické a zpravidla bude nasazována poblíž místa výskytu zkreslení. Jeden z běžnějších postupů zahrnuje aktivní filtr napájení, který zkreslené průběhy „opravuje“ tím, že k nim jako doplněk přičítá „antiharmonické“ průběhy. Typické blokové schéma vidíte na obrázku. Antiharmonický průběh signálu je zde generován na základě p-q teorie jako referenční signál pro spínání aktivního paralelního filtru APF. K převodu třífázových souřadnic na ekvivalentní souřadnice α-β dvoufázového systému pro napětí a proud poslouží Clarkova transformace.

V systémech s vysokými proudy a stejně tak i napětím budou požadavky kladené na snímače docela vysoké. Informaci o měřeném napětí je totiž nutné řídicímu systému zprostředkovat bezpečně a s potřebným galvanickým oddělením. Zmíněnou vysokou míru izolace až 4,2 kV nabízí rodina elektronických senzorů napětí DVC 1000 od společnosti LEM. Díky svému modulárnímu řešení je možné snímače nainstalovat co nejblíže zátěži, protože se vejdou i do míst s omezeným prostorem.

V aplikacích na železnici budou muset pomocné měniče zajišťující napájení pro zátěže, jako jsou ventilátory, dmychadla, systémy osvětlení či nabíječky baterií, zajistit přísné monitorování harmonických složek. Zejména je důležité, aby se zpátky do napájecího systému nedostal žádný signál na kmitočtu 50 Hz, který by mohl ve výsledku rušit elektrická zařízení a ohrožovat bezpečnost. Z tohoto důvodu jsou měniče často spojovány s napěťovým snímačem, který monitoruje signál a v rámci bezpečnostní smyčky zde proto hraje významnou roli.

S elektronickými snímači napětí máte harmonické složky pod kontrolou 2

Jak již bylo zmíněno, k trvalým požadavkům patří ochrana motoru. Většina elektrických pohonů zahrnuje obvody usměrňující střídavý (AC) vstup na stejnosměrné (DC) poměrně vysoké napětí. Tento DC mezilehlý obvod pak slouží pro napájení výkonových obvodů generujících veličiny pro napájení motoru a jeho napětí musí být nepřetržitě regulováno. Motor může za určitých pracovních podmínek sloužit jako generátor a prostřednictvím výkonového obvodu střídače a/nebo jeho zpětných diod může na DC mezilehlý obvod působit zpětně. Napětí na sběrnici se následně zvyšuje a tranzistory IGBT (insulated-gate-bipolar transistor) pro řízení motoru tak mohou být namáhány vysokým a potenciálně nebezpečným nárůstem napětí. Ke zpětnému sledování podmínek řídicí aplikací, která v případě přepětí celý systém bezpečně vypíná, je tedy nezbytný senzor napětí s galvanickým oddělením.

Stejně jako přepěťové stavy však mohou být nebezpečná i podpětí. Jestliže uvažujeme jmenovitou hodnotu napětí 600 V, může k přepětí docházet okolo 1 000 V, zatímco podpětí odpovídá zhruba 400 V. Stejné čidlo by tedy mělo být schopné pracovat mezi těmito dvěma hodnotami. K poklesu napětí může vést několik podmínek, ale nejčastěji se bude jednat o výpadek jedné fáze. Napěťový senzor pak může být umístěn na vstupní, střídavé straně usměrňovače, nebo, a to je i nejběžnější, přímo na DC sběrnici meziobvodu. Jakmile však snímač napětí bude nainstalován na obě strany, obdrží řízení více informací a systém tak bude ještě bezpečnější.

S elektronickými snímači napětí máte harmonické složky pod kontrolou 3

Řízení motorů však není jedinou aplikací vyžadující galvanicky oddělené senzory napětí. Pro zajištění ochrany a bezpečného provozu budou takové funkce nezbytné i v případě dalších systémů, např. u solárních invertorů a UPS. Čidlo zde musí přesně změřit napětí na DC sběrnici a zajišťovat přitom oddělení mezi částí s vysokým napětím a nízkonapěťovou stranou řídicího systému. Otázkou tedy zůstává, kdy potřebujeme snímat napětí s galvanickým oddělením a kdy lze pro změnu zvolit neizolovaný senzor, nebo snad jednoduchý odporový dělič.

Pro použití takového odděleného snímače existují dva hlavní důvody. Je to za prvé tehdy, není-li mikrokontrolér, který má implementován analogově-číslicový převodník, vztažen ke stejnému bodu (např. DC-), jaký má pro měření napětí (odporový dělič). Pozornost je přitom zapotřebí věnovat odlišným zemím. Jakmile od sebe galvanicky oddělíme veličinu určenou k měření a mikrokontrolér, dokážeme zabránit zničení systému způsobenému indukovanými špičkami nebo úderem blesku.

S elektronickými snímači napětí máte harmonické složky pod kontrolou 4

Druhý případ se pojí s otázkou účinných bezpečnostních předpisů, které místo prosté závislosti na oddělovacích obvodech vyžadují skutečnou izolační bariéru. Z hlediska spolehlivého uzemnění systému i bezpečnostních certifikátů totiž odporové členy mnohdy nestačí. Pro zajištění odpovídající ochranné bariéry proto potřebujeme snímat napětí prostřednictvím izolovaného kanálu.

Pokud již celý systém využívá různých zařízení, může být, aniž bychom definovali konkrétní vybavení, zapracování bezpečnostních požadavků z hlediska ceny mnohem efektivnější, využijeme-li stávajících prvků pro monitorování (kontroléry nebo PLC). V takovém případě pak senzor DVC 1000 nabídne řídicí aplikaci nezbytné a snadno využitelné možnosti napěťového snímání s patřičným oddělením. Díky standardnímu rozhraní čidel DVC 1000 (±10 V nebo smyčka 4−20 mA), které je kompatibilní s obvyklými analogovými vstupy řídicích systémů, bude přímé monitorování ještě snadnější. Univerzální řešení pro měření AC i DC veličin tak nahrává potřebám celé řady aplikací.

Aby bylo možné prvky DVC 1000 využít ještě lépe a ušetřit přitom místo, je také k dispozici verze k osazení na desku plošného spoje. Zcela „soběstačná“ a bez potřeby dodatečných součástí bude podobně i varianta DVC 1000 určená k osazení na panel.

Protože rozměry instalovaných zařízení klesají, vyvinula společnost LEM pro zmíněná měření napětí novou technologii. S využitím principů izolačního zesilovače vznikla právě řada snímačů DVC. Aby výrobce doplnil svou nabídku digitálních senzorů napětí s menšími rozměry, vyvinul nový snímač se jmenovitým napětím až 1000 VRMS a pro špičkové hodnoty ±1 500 V.

Série DVC využívá k měření primárního napětí (VP) jen obecně známých elektronických komponentů, především pak izolačního zesilovače. Zkoumané napětí se přivádí rovnou na primární vývody senzoru, odkud se pak prostřednictvím vnitřního odporového děliče a dalších obvodů dostane až ke zmíněnému zesilovači. Oddělený signál lze proto zpětně rekonstruovat a přizpůsobit tak, aby výsledné napětí, příp. proud na výstupních svorkách přesně odpovídaly primárnímu napětí. K napájení elektroniky na primární straně slouží interní DC/DC měnič s galvanickým oddělením.

Technologie izolačního zesilovače se vyznačuje:

  • možností měřit jakékoli druhy signálu – stejnosměrné, střídavé, pulzní, komplexní,
  • galvanickým oddělením mezi primárními (s vysokým výkonem) a sekundárními obvody (elektronické systémy),
  • rychlou dynamickou odezvou v rámci širokého kmitočtového pásma,
  • malými fyzickými rozměry.

Nová rodina senzorů, známá pod označením DVC, zahrnuje dva stěžejní produkty – první pro osazení na desku plošného spoje (DVC 1000-P) a další k připevnění na panel (DVC 1000), u něhož je rovněž k dispozici volitelný adaptér pro montáž na DIN lištu. Snímač DVC 1000-P určený k zapájení na desku plošného spoje je napájen ze zdroje +5 V a převádí vstupní bipolární napětí na výstupní napětí se středem definovaným napěťovou referencí 2,5 V. Reference je přístupná, takže lze případně použít i svou vlastní.

Model DVC 1000 určený k připevnění na panel je napájen ze zdroje ±15 V až ±24 V. Převádí bipolární vstupní napětí 1 000 VRMS (špičkově ±1 500 V) na okamžitě reagující bipolární proudový výstup ±30 mA (špička, varianta DVC 1000) nebo na napěťový výstup ±10 V (špička, model DVC 1000-B), případně též na unipolární proudový výstup okamžité smyčky 4−20 mA. V případě vstupního napětí 0 až +1 000 VDC (verze DVC 1000-UI) měří jen unipolární stejnosměrná napětí.

Zmiňovaná technologie navíc představuje výraznou úsporu místa. Jen pro srovnání, standardní snímač napětí využívající digitální technologie s galvanickým oddělením zabírá přibližně objem 304 cm3, zatímco senzor DVC 1000-P si vystačí pouze s 37,4 cm3, což představuje 87% úsporu místa. Kromě toho jeden snímač váží pouze 22 gramů, tedy o 67 % méně než model LV 25-1000 využívající v uzavřené smyčce technologie Hallova jevu. Varianta snímače DVC 1000 určeného k osazení na panel měří pouze 29 × 51 × 89 mm, takže ve výsledku zabírá jen 131,6 cm3. S přihlédnutím ke své hmotnosti jen 57 gramů tak na trhu vytváří jedinečné řešení.

Vedle podpory požadavků IRIS a využívání materiálů, které odpovídají všem příslušným podmínkám, pokud jde o riziko vzniku kouře či ohně (EN 45545), což je pro použití na železnici závazné, senzory řady DVC rovněž vyhovují mnoha mezinárodně uznávaným bezpečnostním standardům.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik