Topología de derivación en tres

Autores: Salil JAIN, ingeniero de personal, STMicroelectronics,Alok Kumar MITTAL, gerente sénior de grupo, STMicroelectronicsMarilena Gaetana SAMBATARO, gerente de aplicaciones, STMicroelectronics

Este artículo aclara los diseños de referencia del medidor de energía inteligente trifásico desarrollado por STMicroelectronics y las ventajas de las derivaciones sobre los sensores de corriente para la metrología polifásica.

Hoy en día, las personas se preocupan cada vez más por monitorear y controlar el consumo de energía, ya sea maquinaria pesada o electrodomésticos. Como se muestra en la figura 1, las soluciones de medición basadas en derivación, en combinación con la nueva tecnología avanzada de aislamiento galvánico de STMicroelectronics, presentan varias ventajas sobre el método de detección de corriente del transformador de corriente (CT) tradicional:

STMicroelectronics ofrece soluciones confiables para medición, que cumplen con los últimos estándares disponibles (EN 50470-x, IEC 62053-2x, ANSI12.2x) para medidores de vatios de CA.

Los TC se utilizan ampliamente 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 cable de fase o neutro en el que la corriente a medir pasa a través del anillo CT. La CA en el cable de fase (primario) produce un campo magnético alterno en el núcleo que luego induce una CA en el devanado secundario del TC. El número de vueltas en los devanados primario y secundario se elige para escalar la corriente primaria 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 ventajas que hacen universales a los TC en el diseño de la medición son:

Por lo tanto, la razón principal detrás del uso de CT es la seguridad frente a los peligros de alto voltaje.

Por las razones anteriores, vale la pena considerar topologías que usan derivación para medidores trifásicos.

Las derivaciones se pueden usar para muchas aplicaciones, como diodos de derivación, protección de circuitos y medición de corriente. Para la medición de corriente, se utilizan pocas variantes de derivaciones.

Para los diseños que se mencionan a continuación, se utiliza una derivación de cinco terminales para medir la corriente que se extrae. Es una resistencia de 3W y 0,3 mΩ. Una ganancia de preamplificación de 16x en el canal de corriente, seleccionable para ambos dispositivos de metrología (STPMS2 y STPM32/STPM33) asegura un rango de corriente de hasta 100A. El voltaje a través de la resistencia de derivación, proporcional a la corriente de entrada, es detectado por los ADC de estos dispositivos.

El STPM3x es una familia de productos estándar para aplicaciones específicas (ASSP) diseñada para la medición de alta precisión de potencia y energía en sistemas de líneas eléctricas.

El STPMS2, un modulador sigma-delta de segundo orden de 24 bits y dos canales, puede medir el voltaje y la corriente para cada fase. Luego sobremuestrea las señales usando 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 obligatorio aislar las fases entre sí, ya que la diferencia de potencial en la placa de circuito impreso (PCB), debido al contacto directo con el cable de línea, puede estar en el rango de cientos de voltios. Esto puede producir una corriente de descarga que destruiría la placa y el equipo conectado a ella. El aislamiento se logra utilizando 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 dispositivo de medición STPM32 o STPMS2.

Los consumidores que desean controlar sus facturas de electricidad y las industrias donde se debe monitorear la potencia, la energía y el factor de potencia precisos de la maquinaria pesada, este medidor (como se muestra en la figura 4) proporciona una forma de detectar y controlar el consumo de energía y potencia. Calcula todos los parámetros metrológicos esenciales para medir cada milivatio de potencia consumido por la industria o el hogar. Para este diseño se utilizan el IC de medición STPM32 y el microcontrolador STM32L486.

La Figura 5 y la Figura 6 explican el diagrama de bloques del diseño.

Medidor de energía trifásico basado en STPMS2 (EVALST-3PHISO)

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 24 bits y doble canal. Los circuitos de detección y el diseño de PCB están optimizados para maximizar la relación señal-ruido para una precisión óptima.

El STPMS2 sobremuestrea la señal utilizando un reloj de 4 MHz distribuido de manera sincronizada 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, un Interfaz aislada galvánica de 6 kV, que permite una velocidad de hasta 100 Mbps y una distorsión de pulso baja (<3 ns) para una transferencia de datos segura y rápida entre dominios aislados. El firmware integrado en la solución aprovecha los filtros DFSDM del STM32F413RH para convertir los seis flujos de bits en -bits de datos de tensión y corriente, a razón de 200us. También implementa una comunicación de puerto COM virtual para acceder fácilmente a los parámetros internos para leer datos de metrología, modificar la configuración interna para una alta flexibilidad de la aplicación y calibrar la placa.

La Figura 8 es el diagrama de bloques de EVALSTPM-3PHISO. La documentación, las herramientas y los recursos para este diseño están disponibles en https://www.st.com/en/e Evaluation-tools/evalstpm-3phiso.html.

Dado el creciente interés en la detección de corriente en derivación para la industria de medición, ST propone una solución confiable y precisa para la medición y el control de la energía en el entorno doméstico e industrial, que muestra cómo utilizar la derivación para la detección de corriente. Asegura una inmunidad completa a los campos magnéticos de CC y CA y la detección de corriente sin ningún cambio de fase al tiempo que reduce el costo general del sistema. El factor de forma pequeño garantiza una placa de circuito compacta, con muy pocos componentes para ensamblar. Por supuesto, no solo se limita a la medición de energía. Los inversores solares, la supervisión de procesos y los dispositivos de protección pueden beneficiarse de la topología Shunt.