El ingeniero

Jun 17, 2023

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 nuevas tecnologías eficientes de conversión de energía y de una mejor química de las baterías están creciendo rápidamente.

Incluyendo fuentes de energía tanto renovables como no renovables, la población mundial consumió casi 18 billones de kWh sólo 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 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.

Impulsada por el desarrollo de una tecnología de conversión de energía eficiente y económica basada en semiconductores de banda prohibida amplia, 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 precisa de la energía de CC está adquiriendo relevancia, especialmente cuando se trata de 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, granjas de servidores, microrredes y el intercambio de energía entre pares, y se propondrá un diseño de medidor de energía de CC.

Se estima que la tasa de crecimiento de los vehículos eléctricos enchufables (EV) será de +70 % CAGR a partir de 20181 y se prevé que crezca +25 % CAGR año tras año de 2017 a 2024.2 El mercado de estaciones de carga seguirá con una CAGR del 41,8 % de 2018 a 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 han realizado grandes esfuerzos para mejorar la capacidad y la vida útil de las baterías, pero una red de carga de vehículos eléctricos generalizada también es una condición fundamental para permitir viajes largos sin preocupaciones sobre 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 cargadores ultrarrápidos con una potencia de hasta 500 kW por pila de carga. Teniendo en cuenta las estaciones de carga ultrarrápida con potencia máxima de carga localizada de hasta megavatios y las primas de energía de carga rápida asociadas, la carga de vehículos eléctricos se convertirá en un mercado de intercambio de energía masivo, con la consiguiente necesidad de una facturación energética precisa.

Actualmente, los cargadores de vehículos eléctricos 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 vehículo eléctrico, lo que hace que las pérdidas de conversión y distribución de energía sean asumidas por el proveedor de energía.

Si bien los convertidores de SiC para vehículos eléctricos 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 públicos de medición de la carga de vehículos eléctricos, los esquemas privados y residenciales de carga de vehículos eléctricos entre pares podrían tener aún más incentivos para una facturación precisa de la energía en el lado de CC.

Figura 1. Medición de energía CC en la estación de combustible para vehículos eléctricos del futuro.

Figura 2. Medición de energía 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 servicio público. 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 los edificios. Con el amplio despliegue de generadores de energía renovable, los edificios pueden incluso volverse autosuficientes, con paneles solares en los tejados y turbinas eólicas de 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 corriente continua. Actualmente, cada dispositivo electrónico debe convertir energía de CA a CC, y hasta un 20 % de la energía se pierde en el proceso, con un ahorro total estimado de hasta un 28 % en comparación con la distribución de CA tradicional.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 la necesitan, como luces LED y computadoras.

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

IEC 62053-41 es una norma pendiente que indica los requisitos y niveles nominales para sistemas residenciales de CC y 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 de dólares en 20175 y verá un mayor crecimiento gracias a 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 menores pérdidas que con la distribución de CA tradicional.

Figura 4. Integración de energías renovables 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 energía de CC está ganando interés ya que muchos operadores están cambiando al enfoque más mensurable de cargar al cliente de colocación según el 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 producción medida está ganando popularidad y los precios al cliente pueden describirse como:

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

Un bastidor moderno típico consume hasta 40 kW de potencia CC. Por lo tanto, es necesario monitorear corrientes de hasta 100 A con medidores de CC de calidad de facturación.

A principios del siglo XX, los contadores de energía de CA tradicionales eran enteramente electromecánicos. Se utilizó la combinación de una bobina de voltaje y corriente para inducir corrientes parásitas en un disco de aluminio giratorio. El par resultante sobre el disco era proporcional al producto del flujo magnético generado por las bobinas de voltaje y corriente. Finalmente, la adición de un imán de frenado 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 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 tecnología mSure®. Los medidores de energía, ya sean modernos, tradicionales, de CA o de CC, se clasifican según sus impulsos por kWh, constante y precisión de clase porcentual. El número de impulsos por kWh indica la tasa de actualización de energía o resolución. La clase de precisión certifica el error máximo de medida de la energía.

De manera similar al antiguo medidor mecánico, la energía en un intervalo de tiempo determinado se calcula contando estos impulsos; cuanto mayor es la frecuencia del pulso, mayor es 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 requieren 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 comúnmente se mide 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 del diseño. La técnica de medir y comparar corrientes en ambos lados de la carga se utiliza a menudo para permitir que el medidor tenga 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 hacer frente al 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 de voltaje del componente elegido, para garantizar la precisión requerida en todo el rango de temperatura.

Como se analizó anteriormente, a veces se requiere que los medidores de energía de CC para aplicaciones como 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 CC en una configuración de 4 hilos garantiza que todas las pérdidas resistivas de la pila de carga y del cable se descuentan de la factura energética total.

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

La corriente eléctrica se puede medir mediante conexión directa o indirectamente, detectando el campo magnético generado por el flujo del portador de carga. La siguiente sección analizará los sensores más populares para la medición de corriente CC.

La detección de corriente de conexión directa es un método probado para medir corriente CA y CC. El flujo de corriente se conduce a través de una resistencia en derivación de valor conocido. La caída de voltaje a través de la resistencia en derivación es directamente proporcional a la corriente que fluye como lo describe 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 resistencia en derivación es un método económico, preciso y potente para medir corriente de mA a kA, con un ancho de banda teóricamente ilimitado. Sin embargo, el método adolece de algunas desventajas.

Cuando la corriente fluye por una resistencia, se genera calor Joule proporcionalmente al cuadrado de la corriente. Esto no sólo provocará pérdidas en términos de eficiencia, sino que el autocalentamiento cambiará el propio valor resistivo de la derivación con la consiguiente degradación de la precisión. Para limitar el efecto de autocalentamiento, se utiliza una resistencia de valor bajo. Sin embargo, cuando se utiliza 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. Se pueden utilizar terminales analógicos de última generación, con compensación de CC ultrabaja y variación de temperatura ultrabaja, para superar las limitaciones de las resistencias en derivación de pequeño valor. 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 suelen estar hechas de aleaciones metálicas específicas, como manganeso-cobre o níquel-cromo, que cancelan las variaciones de temperatura opuestas de sus componentes para dar como resultado una deriva general del orden de decenas de ppm/°C.

Otro factor que contribuye al error en la medición de CC con conexión directa puede ser el fenómeno de la fuerza electromotriz térmica (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 temperatura en termopares.

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

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

Por este motivo, se debe prestar atención a la conexión del shunt y a la distribución del calor generado.

Figura 6. EMF térmico 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 del campo magnético que rodean el conductor medido en un sensor de efecto Hall, que se inserta dentro de la sección transversal del núcleo magnético. La salida de este sensor está preacondicionada y normalmente está 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 oscilan por debajo del 1%.

Un devanado secundario multivuelta 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 del núcleo con una deriva de temperatura superior en 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 encarece el sensor y, a veces, limita su ancho de banda.

¿Es un sistema complejo de circuito abierto o cerrado donde la corriente se mide monitoreando las variaciones del flujo magnético de un núcleo intencionalmente saturado? Se enrolla una bobina alrededor de un núcleo ferromagnético de alta permeabilidad que se satura intencionalmente mediante 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 buena estabilidad de temperatura y precisión de hasta 0,1%. Sin embargo, la compleja electrónica del sensor lo convierte en una solución costosa con precios 10 veces superiores a los de 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 transductores de corriente de circuito 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 diferentes aplicaciones y pidiendo 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 del 0,5% y el 1%.

La norma propone un rango de tensiones y corrientes nominales y establece límites al 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 existe un requisito específico para el ancho de banda del sistema, pero se requiere una prueba de variación de carga rápida para completarse con éxito, definiendo un requisito implícito sobre el ancho de banda mínimo del sistema.

La medición de CC en aplicaciones de carga de vehículos eléctricos a veces cumple con la norma alemana VDE-AR-E 2418 o la antigua norma ferroviaria EN 50463-2. Según 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 líder de la industria en tecnología de detección de precisión y ofrece una cadena de señales completa para mediciones precisas de corriente y voltaje para cumplir con los requisitos de estándares restrictivos. La siguiente sección mostrará una prueba de concepto para un medidor de energía de CC que cumple con la próxima norma IEC 62053-41 para aplicaciones específicas.

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

Se puede lograr una detección de corriente económica y precisa utilizando un valor pequeño y una derivación EMF baja (<1μVEMF/°C). Mantener pequeña la resistencia de la derivación es fundamental para reducir el efecto de autocalentamiento y mantener el nivel de potencia por debajo de los límites requeridos 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 requerirá 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 muy adecuado para proporcionar una deriva ultrabaja, amplificación de 100 V/V para la señal de derivación pequeña. Por lo tanto, el muestreo simultáneo, ADC AD7779 de 24 bits se puede conectar directamente a la etapa de amplificación, con una entrada de 5 nV/°C referida a la contribución de deriva de compensación.

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 de metrología simple, muestra por muestra, impulsada por interrupciones, donde para cada ADC muestra 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 de los vehículos eléctricos hacia la sostenibilidad". Centro Nacional para el Transporte Sostenible, UC Davis, julio de 2018.

2 “Informe del mercado mundial de vehículos eléctricos por tipo (vehículo eléctrico con batería, vehículo eléctrico híbrido y vehículos eléctricos híbridos enchufables), por tipo de vehículo (vehículos de dos ruedas, turismos y vehículos comerciales) y por regiones: tendencias de la industria, tamaño , Participación, Crecimiento, Estimación y Pronóstico, 2017-2024”. Investigación de Mercados 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 hasta 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 beneficios de los sistemas de distribución de corriente directa". MDPI, septiembre de 2018.

5 “Mercado global de microrredes por tipo (microrredes de CA, microrredes de CC, híbridas), conectividad (conectada a la red, remota/isla), oferta (hardware, servicios, software), fuente de energía (gas natural, energía solar, pilas de combustible, calor combinado y energía, diésel y otros), aplicación (atención médica, industrial, militar, servicios eléctricos 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 una maestría en ingeniería. Licenciado en ingeniería electrónica y de telecomunicaciones para la energía de la Universidad de Bolonia, Italia, en 2016. Como parte de su M.Eng. Licenciado, 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 de Analog Devices, en Edimburgo, Reino Unido. Puede ser contactado en [email protected]