El ingeniero

Luca Martini, ingeniero de sistemas, dispositivos analógicos

En el siglo XXI, los gobiernos del mundo están trabajando en planes de acción para abordar desafíos complejos y de largo plazo en la reducción de las emisiones de CO2. Se ha demostrado que las emisiones de CO2 son responsables de los efectos devastadores del cambio climático, y las necesidades de una nueva tecnología de conversión de energía eficiente y una química de batería mejorada están creciendo rápidamente.

Incluyendo fuentes de energía renovables y no renovables, la población mundial consumió casi 18 billones de kWh solo el año pasado y la demanda sigue creciendo; de hecho, más de la mitad de la energía jamás generada se ha consumido en los últimos 15 años.

Nuestras redes eléctricas y generadores de energía están en constante expansión; la necesidad de una energía más eficiente y respetuosa con el medio ambiente nunca ha sido mayor. Debido a que era más fácil de usar, los primeros desarrolladores de redes trabajaron con corriente alterna (CA) para suministrar energía al mundo, pero en muchas áreas, la corriente continua (CC) puede mejorar drásticamente la eficiencia.

Impulsadas por el desarrollo de tecnología de conversión de energía eficiente y económica basada en semiconductores de banda ancha ancha, como los dispositivos de GaN y SiC, muchas aplicaciones ahora ven beneficios al cambiar al intercambio de energía de CC. Como consecuencia de ello, la medición de energía de CC de precisión se está volviendo relevante, especialmente cuando se trata de la facturación de energía. En este artículo, se analizarán las oportunidades para la medición de CC en estaciones de carga de vehículos eléctricos, la generación de energía renovable, las granjas de servidores, las microrredes y el intercambio de energía entre pares, y se propondrá un diseño de medidor de energía de CC.

La tasa de crecimiento de los vehículos eléctricos (EV) enchufables se estima en +70 % CAGR a partir de 20181 y se prevé que crezca +25 % CAGR año tras año desde 2017 hasta 2024.2 El mercado de estaciones de carga seguirá con una CAGR del 41,8 % desde 2018 2023.3 Sin embargo, para acelerar la reducción de la huella de CO2 causada por el transporte privado, los vehículos eléctricos deben convertirse en la primera opción para el mercado automotriz.

En los últimos años se ha hecho un gran esfuerzo para mejorar la capacidad y la vida útil de las baterías, pero una red de carga de vehículos eléctricos extendida también es una condición fundamental para permitir viajes largos sin preocuparse por la autonomía o el tiempo de carga. Muchos proveedores de energía y empresas privadas están implementando cargadores rápidos de hasta 150 kW, y existe un gran interés en los cargadores ultrarrápidos con una potencia de hasta 500 kW por pila de carga. Si se tienen en cuenta las estaciones de carga ultrarrápida con una potencia máxima de carga localizada de hasta megavatios y las tarifas premium de energía de carga rápida asociadas, la carga de vehículos eléctricos se convertirá en un mercado masivo de intercambio de energía, con la consiguiente necesidad de una facturación de energía precisa.

Actualmente, los cargadores EV estándar se miden en el lado de CA con el inconveniente de que no se mide la energía perdida en la conversión de CA a CC y, en consecuencia, la facturación es inexacta para el cliente final. Desde 2019, las nuevas regulaciones de la UE obligan a los proveedores de energía a facturar al cliente solo por la energía transferida al EV, lo que hace que las pérdidas de conversión y distribución de energía sean a cargo del proveedor de energía.

Si bien los convertidores SiC EV de última generación pueden alcanzar una eficiencia superior al 97 %, existe una clara necesidad de permitir una facturación precisa en el lado de CC para cargadores rápidos y ultrarrápidos, donde la energía se transfiere en CC cuando se conecta directamente a la batería de el vehículo. Además de los intereses de medición de carga de vehículos eléctricos públicos, los esquemas de carga de vehículos eléctricos entre pares privados y residenciales podrían tener aún más incentivos para la facturación de energía precisa en el lado de CC.

Figura 1. Medición de energía de CC en la estación de combustible EV del futuro.

Figura 2. Medición de energía de CC en una infraestructura de microrred sostenible.

¿Qué es una microrred? En esencia, una microrred es una versión más pequeña de un sistema de energía de servicios públicos. Como tal, se requiere energía segura, confiable y eficiente. Se pueden encontrar ejemplos de microrredes en hospitales, bases militares e incluso como parte de los sistemas de servicios públicos donde la generación renovable, los generadores de combustible y el almacenamiento de energía trabajan juntos para crear un sistema de distribución de energía confiable.

Otros ejemplos de microrredes se pueden encontrar en edificios. Con el amplio despliegue de generadores de energía renovable, los edificios pueden incluso volverse autosuficientes, con paneles solares en los techos y turbinas eólicas a pequeña escala que generan tanta energía como se utiliza, de forma independiente pero respaldada por la red.

Además, hasta el 50% de las cargas eléctricas de un edificio funcionan con CC. Actualmente, cada dispositivo electrónico debe convertir la alimentación de CA a CC, y se pierde hasta un 20 % de la energía en el proceso, con un ahorro total estimado de hasta un 28 % en comparación con la distribución tradicional de CA.4

En un edificio de CC, el consumo de energía se puede reducir convirtiendo CA en CC de una sola vez y alimentando CC directamente a los electrodomésticos que lo necesitan, como luces LED y computadoras.

El interés en las microrredes de CC está creciendo rápidamente, al igual que la necesidad de estandarización.

IEC 62053-41 es un estándar pendiente que indica los requisitos y los niveles nominales para los sistemas de CC residenciales y los medidores de tipo cerrado similares al equivalente de CA para la medición de energía de CC.

El segmento de microrredes de CC está valorado en alrededor de $ 7 mil millones a partir de 20175 y verá un mayor crecimiento a partir de la tendencia emergente de distribución de CC.

Los operadores de centros de datos están considerando activamente diferentes tecnologías y soluciones para mejorar la eficiencia energética de sus instalaciones, ya que la energía es uno de sus mayores costos.

Los operadores de centros de datos ven beneficios relevantes en la distribución de CC a medida que disminuye el número mínimo de conversiones requeridas entre CA y CC, y la integración con energía renovable es más fácil y eficiente. La reducción de etapas de conversión se estima como:

Figura 3. Se requieren menos componentes en un suministro de CC para centros de datos y hay menos pérdidas que con la distribución de CA tradicional.

Figura 4. Integración de energía renovable en un centro de datos de CC.

Los voltajes del bus de distribución varían hasta alrededor de 380 V CC, y la medición precisa de la energía de CC está ganando interés, ya que muchos operadores están cambiando al enfoque más medible de cobrar al cliente de colocación por uso de energía.

Las dos formas más populares de cobrar a los clientes de colocación por el uso de energía son:

Con miras a fomentar la eficiencia energética, el enfoque de salida medida está ganando popularidad y los precios para el cliente pueden describirse como:

Costo recurrente = tarifa de espacio + (lectura de medidor para equipo de TI × PUE)

Un rack moderno típico consume hasta 40 kW de potencia de CC. Por lo tanto, las corrientes de hasta 100 A deben monitorearse con medidores de CC de grado de facturación.

A principios de la década de 1900, los medidores de energía CA tradicionales eran completamente electromecánicos. La combinación de un voltaje y una bobina de corriente se usó para inducir corrientes de Foucault en un disco de aluminio giratorio. El par resultante sobre el disco era proporcional al producto del flujo magnético generado por las bobinas de tensión y corriente. Finalmente, la adición de un imán de ruptura para el disco hizo que la velocidad de rotación fuera directamente proporcional a la potencia real consumida por la carga. En este punto, medir la energía consumida es simplemente una cuestión de contar el número de rotaciones durante un período de tiempo.

Los medidores de CA modernos son significativamente más complejos, precisos y están protegidos contra manipulaciones. Ahora, un medidor inteligente de última generación puede incluso monitorear su precisión absoluta y detectar signos de manipulación las 24 horas del día, los 7 días de la semana mientras está instalado en el campo. Este es el caso del CI de medición ADE9153B de Analog Devices, habilitado con la tecnología mSure®. Los medidores de energía, ya sean modernos, tradicionales, CA o CC, se clasifican por sus impulsos por kWh constante y precisión de clase porcentual. El número de impulsos por kWh denota la tasa de actualización de energía o resolución. La clase de precisión certifica el máximo error de medida de la energía.

Similar al viejo medidor mecánico, la energía en un intervalo de tiempo determinado se calcula contando estos impulsos; cuanto mayor sea la frecuencia del pulso, mayor será la potencia instantánea, y viceversa.

La arquitectura básica de un medidor de CC se representa en la Figura 5. Para medir la potencia consumida por la carga (P = V × I), se requiere al menos un sensor de corriente y un sensor de voltaje. Cuando el lado bajo está al potencial de tierra, la corriente que fluye a través del medidor se mide comúnmente en el lado alto para minimizar el riesgo de fugas no medidas, pero la corriente también se puede medir en el lado bajo o en ambos lados si así lo requiere la arquitectura de diseño. La técnica de medir y comparar corrientes en ambos lados de la carga se usa a menudo para habilitar el medidor con capacidad de detección de fallas y manipulaciones. Sin embargo, cuando la corriente se mide en ambos lados, es necesario aislar al menos un sensor de corriente para poder manejar el alto potencial entre los conductores.

El voltaje generalmente se mide con un divisor de potencial resistivo, donde se usa una escalera de resistencias para reducir proporcionalmente el potencial a un nivel compatible con la entrada ADC del sistema.

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

Como se mencionó anteriormente, a veces se requiere que los medidores de energía de CC para aplicaciones tales como las estaciones de carga de vehículos eléctricos facturen exclusivamente por la energía transferida al vehículo. Para cumplir con el requisito de medición, es posible que se requiera que los medidores de energía de CC para cargadores de vehículos eléctricos tengan múltiples canales de voltaje, lo que permite que el medidor detecte el voltaje también en el punto de entrada del vehículo (medición de 4 cables). La medición de energía de CC en una configuración de 4 hilos garantiza que todas las pérdidas resistivas de la pila de carga y el cable se descuenten de la factura total de energía.

Figura 5. Arquitectura del sistema de medición de energía de CC.

La corriente eléctrica se puede medir ya sea por conexión directa o indirecta, al detectar el campo magnético generado por el flujo del portador de carga. La siguiente sección discutirá los sensores más populares para la medición de corriente continua.

La detección de corriente de conexión directa es un método probado para medir corriente CA y CC. El flujo de corriente se enruta a través de una resistencia de derivación de valor conocido. La caída de voltaje a través de la resistencia de derivación es directamente proporcional a la corriente que fluye como se describe en la conocida ley de Ohm (V = R × I), y puede amplificarse y digitalizarse, proporcionando una representación precisa de la corriente que fluye en el circuito. .

La detección de resistencias de derivación es un método económico, preciso y potente para medir la corriente de mA a kA, con un ancho de banda teóricamente ilimitado. Sin embargo, el método adolece de algunas desventajas.

Cuando la corriente fluye en una resistencia, el calor Joule se genera proporcionalmente al cuadrado de la corriente. Esto causará no solo pérdidas en términos de eficiencia, sino que el autocalentamiento cambiará el propio valor resistivo de derivación con la consiguiente degradación de la precisión. Para limitar el efecto de autocalentamiento, se utiliza una resistencia de bajo valor. Sin embargo, cuando se usa una resistencia pequeña, el voltaje a través del elemento sensor también es pequeño y, a veces, comparable con la compensación de CC del sistema. En estas condiciones, lograr la precisión requerida en el extremo inferior del rango dinámico puede no ser una tarea trivial. Los extremos frontales analógicos de última generación, con compensación de CC ultrabaja y deriva de temperatura ultrabaja, se pueden utilizar para superar las limitaciones de las resistencias de derivación de valor pequeño. Sin embargo, como los amplificadores operacionales tienen un producto ganancia-ancho de banda constante, una ganancia alta limitará el ancho de banda disponible.

Las derivaciones de detección de corriente de bajo valor generalmente están hechas de aleaciones metálicas específicas, como manganeso-cobre o níquel-cromo, que cancelan las variaciones de temperatura opuestas de sus constituyentes para dar como resultado una variación general del orden de decenas de ppm/°C.

Otro contribuyente de error en la medición de CC de conexión directa puede ser el fenómeno de la fuerza termoelectromotriz (EMF), también conocido como efecto Seebeck. El efecto Seebeck es un fenómeno en el que una diferencia de temperatura entre al menos dos conductores eléctricos o semiconductores diferentes que forman una unión produce una diferencia de potencial entre los dos. El efecto Seebeck es un fenómeno bien conocido y se usa ampliamente para detectar la temperatura en termopares.

En el caso de derivaciones de corriente conectadas a 4 hilos, el calor Joule se formará en el centro del elemento de aleación resistivo, propagándose mientras los cables de detección de cobre, que pueden estar conectados a una PCB (o a un medio diferente), y que pueden tener una temperatura diferente

El circuito de detección formará una distribución simétrica de diferentes materiales; por lo tanto, el potencial en las uniones de los cables de detección negativos y positivos se cancelará aproximadamente. Sin embargo, cualquier diferencia en la capacidad térmica, como la conexión de un cable de detección negativo a una masa de cobre más grande (plano de tierra), puede producir una discrepancia en la distribución de temperatura, lo que resulta en un error de medición causado por el efecto EMF térmico.

Por ello, se debe prestar atención a la conexión del shunt ya la distribución del calor generado.

Figura 6. FEM térmica en derivaciones causadas por gradiente de temperatura.

El sensor está construido con un anillo de alta permeabilidad magnética a través del cual pasa el cable de corriente detectado. Esto concentra las líneas de campo magnético que rodean al conductor medido en un sensor de efecto Hall, que se inserta dentro del área de la sección transversal del núcleo magnético. La salida de este sensor está preacondicionada y suele estar disponible en diferentes sabores. Los más comunes son: 0V a 5V, 4mA a 20mA o interfaz digital. Si bien proporciona aislamiento y un alto rango de corriente a un costo relativamente bajo, las precisiones absolutas generalmente no varían por debajo del 1%.

Un devanado secundario de múltiples vueltas en el núcleo permeable impulsado por un amplificador de corriente proporciona retroalimentación negativa para lograr una condición de flujo total cero. Al medir la corriente de compensación, se mejora la linealidad y no hay histéresis central con una deriva de temperatura superior general y una mayor precisión en comparación con la solución de bucle abierto. Los rangos de error típicos se reducen al 0,5%, pero el circuito de compensación adicional hace que el sensor sea más costoso y, a veces, limitado en ancho de banda.

¿Es un sistema complejo de lazo abierto o cerrado donde la corriente se mide al monitorear las variaciones del flujo magnético de un núcleo saturado intencionalmente? Una bobina se enrolla alrededor de un núcleo ferromagnético de alta permeabilidad que se satura intencionalmente por una bobina secundaria impulsada por un voltaje de onda cuadrada simétrica. La inductancia de la bobina colapsa cada vez que el núcleo se acerca a la saturación positiva o negativa, y la tasa de cambio de su corriente aumenta. La forma de onda actual de la bobina permanece simétrica a menos que se aplique adicionalmente un campo magnético externo, en cuyo caso la forma de onda se vuelve asimétrica. Midiendo el tamaño de esta asimetría, se puede estimar la intensidad del campo magnético externo y, en consecuencia, la corriente que lo generó. Proporciona una buena estabilidad de la temperatura y una precisión de hasta el 0,1 %. Sin embargo, la compleja electrónica del sensor lo convierte en una solución costosa con precios 10 veces más altos que las otras soluciones aisladas.

Figura 7. Un transductor de corriente de bucle abierto basado en un concentrador de flujo y un sensor magnético.

Figura 8. Un ejemplo del principio de funcionamiento de los transductores de corriente de bucle cerrado.

Si bien la estandarización de la medición de energía de CC puede no parecer demasiado difícil de lograr en comparación con el ecosistema de estándares de medición de CA existente, las partes interesadas de la industria aún están debatiendo los requisitos para las diferentes aplicaciones y solicitan más tiempo para resolver los detalles exactos de la medición de CC.

IEC está trabajando en IEC 62053-41 para definir requisitos específicos para medidores estáticos de CC para energía activa con clases de precisión de 0,5% y 1%.

La norma propone un rango de tensiones y corrientes nominales, y establece límites en el consumo máximo de energía de los canales de tensión y corriente del medidor. Además, al igual que el requisito de medición de CA, la precisión específica se define en todo el rango dinámico, así como el umbral de corriente para la condición sin carga.

En el borrador, no hay un requisito específico para el ancho de banda del sistema, pero se requiere una prueba de variación de carga rápida para cumplir con éxito, definiendo un requisito implícito sobre el ancho de banda mínimo del sistema.

La medición de CC en aplicaciones de carga de EV a veces cumple con el estándar alemán VDE-AR-E 2418 o el antiguo estándar ferroviario EN 50463-2. De acuerdo con EN 50463-2, las precisiones se especifican por transductor, y el error de energía combinado es entonces una suma en cuadratura de voltaje, corriente y error de cálculo:

Analog Devices es un líder de la industria en tecnología de detección de precisión, que ofrece una cadena de señal completa para mediciones precisas de corriente y voltaje para cumplir con los requisitos de los estándares restrictivos. La siguiente sección mostrará una prueba de concepto para un medidor de energía de CC que cumpla con el próximo estándar específico de la aplicación IEC 62053-41.

Teniendo en cuenta el espacio de medición de energía de CC de grado de facturación en microrredes y centros de datos, podemos suponer los requisitos que se muestran en la Tabla 3.

Se puede lograr una detección de corriente económica y precisa mediante el uso de un valor pequeño y una derivación EMF baja (<1 μVEMF/°C). Mantener pequeña la resistencia de derivación es fundamental para reducir el efecto de autocalentamiento y mantener el nivel de potencia por debajo de los límites exigidos por la norma.

Una derivación comercial de 75 μΩ mantendrá la potencia disipada por debajo de 0,5 W.

Figura 9. Arquitectura del sistema de medidor de CC.

Sin embargo, el 1% de la corriente nominal de 80 A generará una pequeña señal de 60 μV en una derivación de 75 μΩ, lo que requiere una cadena de señal en el rango de rendimiento de deriva de compensación de submicrovoltios.

El ADA4528, con un voltaje de compensación máximo de 2,5 μV y una deriva de voltaje de compensación máxima de 0,015 μV/°C, es ideal para proporcionar amplificación de 100 V/V de deriva ultrabaja para la señal de derivación pequeña. Por lo tanto, el ADC AD7779 de 24 bits de muestreo simultáneo se puede conectar directamente a la etapa de amplificación, con una contribución de desviación de compensación referida a la entrada de 5 nV/°C.

El alto voltaje de CC se puede medir con precisión con un divisor de potencial resistivo de relación 1000:1 conectado directamente a la entrada ADC AD7779.

Finalmente, un microcontrolador implementa una funcionalidad simple de metrología controlada por interrupción, muestra por muestra, donde para cada ADC muestrea la rutina de interrupción:

Además, además de la funcionalidad de metrología, el microcontrolador habilita interfaces a nivel de sistema como RS-485, pantalla LCD y botones pulsadores.

Figura 10. Prueba de concepto - prototipo.

1 Tom Turrentine, Scott Hardman y Dahlia Garas. "Dirigir la transición del vehículo eléctrico hacia la sostenibilidad". Centro Nacional para el Transporte Sostenible, UC Davis, julio de 2018.

2 "Informe de mercado global de vehículos eléctricos por tipo (vehículo eléctrico de batería, vehículo eléctrico híbrido y vehículos eléctricos híbridos enchufables), por tipo de vehículo (de dos ruedas, automóvil de pasajeros y vehículos comerciales) y por regiones: tendencias de la industria, tamaño , Participación, Crecimiento, Estimación y Pronóstico, 2017-2024". Investigación de Mercado de Valor.

3 Mercado de estaciones de carga de vehículos eléctricos por estación de carga (estación de carga de CA, estación de carga de CC), tipo de instalación (residencial, comercial) y región (América del Norte, Europa, Asia Pacífico y fila): Pronóstico global para 2023. Investigación y mercados , abril de 2018.

4 Venkata Anand Prabhala, Bhanu Prashant Baddipadiga, Poria Fajri y Mehdi Ferdowsi. "Una descripción general de las arquitecturas y los beneficios del sistema de distribución de corriente continua". MDPI, septiembre de 2018.

5 "Mercado global de microrred por tipo (microrred de CA, microrred de CC, híbrida), conectividad (conectada a la red, remota/isla), oferta (hardware, servicios, software), fuente de energía (gas natural, solar, celdas de combustible, calor combinado y energía, diesel y otros), aplicación (salud, industria, militar, servicio eléctrico e instituciones educativas), región (América del Norte, Europa, Asia Pacífico, América del Sur y Medio Oriente y África), análisis de la industria global, tamaño del mercado , participación, crecimiento, tendencias y pronóstico, 2018-2025". Researchstore.biz.

Luca Martini recibió un M.Eng. Licenciado en ingeniería electrónica y de telecomunicaciones para la energía de la Universidad de Bolonia, Italia, en 2016. Como parte de su M.Eng. grado, pasó siete meses en Fraunhofer IIS, Nuremberg, Alemania, desarrollando un sistema de control de precisión en tiempo real para la caracterización de recolectores de energía piezoeléctrica. De 2006 a 2016, Luca trabajó como desarrollador de sistemas y hardware en el sector biomédico. En 2016, Luca se unió al Grupo de Sistemas Industriales y de Energía en Analog Devices, en Edimburgo, Reino Unido. Se le puede contactar en [email protected]