Un único CI resuelve el desafío de la medición de energía monofásica

Actualmente, se han ampliado las discusiones sobre la “energía” y la “potencia”. No es solo en el “micronivel” relacionado con la cantidad que utiliza un circuito o sistema, sino que también hay consideraciones sobre la energía y la potencia de la línea de CA (corriente alterna), principalmente con respecto al uso y el ahorro de energía, y las fuentes renovables. Veamos qué significan realmente estos términos y cómo medirlos de manera efectiva.

Una de las primeras lecciones de los estudiantes de ingeniería incluye los significados de “energía” y “potencia”. Estos dos términos están relacionados, pero son claramente diferentes; sin embargo, a menudo se usan indistintamente en conversaciones e informes informales (¡incluso entre ingenieros!).

Formalmente, la energía es la capacidad de realizar un trabajo y la potencia es la tasa a la que se gasta o se adquiere energía. Matemáticamente, la potencia es la derivada temporal de la energía, mientras que la energía es la integral temporal de la potencia.

El voltaje de valor RMS (cuadrático medio) y el valor de corriente son esenciales en el análisis de la potencia y la energía. Matemáticamente, el valor RMS de un voltaje f(t) variable en el tiempo se calcula usando:

Ecuación 1

Donde T = el período de la forma de onda.

Tenga en cuenta que, para una onda sinusoidal básica no distorsionada, existe una relación simple entre el voltaje de CA máximo y el valor RMS:

Ecuación 2

¿Cuál es el significado del valor RMS en general? El valor RMS de una señal de CA compara el valor de calentamiento de una señal de CA desconocida con el de una señal de CC (corriente continua) conocida en cargas idénticas y es igual a la cantidad de CC necesaria para producir la misma cantidad de calor en la carga. Cuando la disipación de potencia en las cargas es igual, el voltaje de CC conocido es igual al valor RMS de la señal de CA desconocida.

Por ejemplo, si se aplica 1 voltio RMS de CA a un elemento de calentamiento resistivo, produciría la misma cantidad de calor que produce 1 voltio de CC. De hecho, algunos instrumentos RMS de CC preelectrónicos utilizaban una disposición en la que una fuente de CC y la fuente RMS desconocida calentaban resistencias idénticas. Luego se ajustó la fuente de CC para que las temperaturas de las resistencias coincidieran; eso indicaría el valor RMS.

Afortunadamente, los CI (circuitos integrados) hicieron que el desafío de determinar el valor RMS fuera bastante sencillo utilizando configuraciones de cálculo totalmente analógicas (Figura 1). En este circuito, el amplificador de diferencia de ganancia programable AD628 (aquí configurado para un factor de atenuación de 25) reduce la señal de la línea de alimentación antes de aplicarla al convertidor de RMS a CC AD8436 de Analog Devices.

Figura 1: Este circuito totalmente analógico de dos circuitos integrados proporciona una salida de CC que representa la entrada RMS de la línea de alimentación de CA. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El amplificador de diferencia tiene una entrada de modo común y un rango de modo diferencial de ±120 voltios, lo que lo convierte en una buena opción para dividir la línea de alimentación de alto voltaje. El equivalente de CC preciso del valor RMS de la forma de onda de CA se proporciona en la SALIDA RMS.

La realidad actual de las líneas de CA exige mucho más

Si bien el enfoque RMS-CC totalmente analógico funciona, solo puede indicar una cosa. En el entorno actual de gestión de energía, el sistema necesita saber mucho más sobre la forma de onda de CA monofásica además de su valor RMS.

Lo que complica el problema es el hecho de que el voltaje de CA no es una onda sinusoidal limpia y agradable, sino que tiene muchas desviaciones del nominal y distorsiones. Además, la carga rara vez es una resistencia pura, por lo que hay cambios de fase entre la forma de onda de voltaje y la forma de onda de corriente. En general, hay atributos que sólo pueden determinarse mediante análisis numéricos adicionales impulsados digitalmente.

En esta realidad de la línea de CA es donde se destaca el CI de medición de energía ADE9153A con calibración automática de Analog Devices (Figura 2). Está dirigido a aplicaciones como medidores de energía monofásicos, medición de energía y potencia, alumbrado público, sistemas inteligentes de distribución de energía y monitoreo del estado de las máquinas. El puerto de SPI (interfaz periférica serial) de alta velocidad de 10 MHz (megahercios) del ADE9153A permite el acceso a los registros del ADE9153A. Funciona con una fuente de alimentación de 3.3 voltios y está disponible en un paquete LFCSP de 32 conductores.

Figura 2: El CI de medición de energía ADE9153A con calibración automática está dirigido a aplicaciones monofásicas y tiene bloques funcionales internos analógicos y digitales para un análisis detallado. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El ADE9153A hace mucho más que proporcionar la función básica de digitalizar los valores de voltaje y corriente de la línea de CA. Su avanzado motor de metrología calcula resultados clave relacionados con la energía/potencia y puede calcular el voltaje y la corriente de la línea, la energía activa (vatios hora [Wh]), la energía reactiva fundamental (voltiamperios hora reactiva [VARh]), la energía aparente, y cálculos RMS de corriente y voltaje.

El ADE9153A también incluye mediciones de calidad de energía, como detección de cruce por cero, cálculo de período de línea, medición de ángulo, caída y aumento, detección de pico y sobrecorriente, y mediciones del PF (factor de potencia). Además, respalda los estándares definidos por las agencias reguladoras, como los estándares de energía activa (IEC 62053-21, IEC 62053-22, EN50470-3, OIML R46 y ANSI C12.20) y los estándares de energía reactiva (IEC 62053-23 y IEC 62053-24).

El rendimiento comienza con los canales de sensores

El rendimiento real logrado utilizando las características y funcionalidades de cualquier dispositivo avanzado de medición de energía depende en gran medida de canales de sensores efectivos y creíbles. El ADE9153A aborda estos problemas a través de dos enfoques: conectividad física adecuada para los sensores de corriente y voltaje, y un esquema de calibración único.

El ADE9153A tiene dos canales de corriente. El canal A es una ruta de datos sofisticada y optimizada para su uso con una derivación y se muestra de forma simplificada y detallada en la Figura 3.

Figura 3: Se muestra el circuito de aplicación simplificado con un sensor de corriente en derivación en el canal de corriente A (arriba). También se muestra la ruta de datos detallada del canal de corriente A (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El canal B debe usarse con un transformador de corriente. También se muestra en versiones simplificadas y detalladas en la Figura 4. Tenga en cuenta que se incluye un integrador digital en el canal de corriente B para interactuar con un sensor de corriente di/dt como una bobina de Rogowski.

Figura 4: Se muestra un circuito de aplicación con un transformador de corriente como sensor de corriente en el canal de corriente B (arriba). También se muestra una ruta de datos detallada del canal de corriente B (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

De manera similar, el ADE9153A tiene un único canal de voltaje con su propia ruta de datos, que se muestra en versiones simplificadas y detalladas en la Figura 5.

Figura 5: Se muestra un circuito de aplicación simplificado con voltaje detectado a través de un divisor de resistencia (arriba). También se muestra un esquema más detallado de la ruta de datos del canal de voltaje (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para el desafío continuo de la calibración de canales, el ADE9153A incorpora la función de calibración automática mSure para reducir significativamente el tiempo, la mano de obra y los costos de equipo para la calibración. Esta característica permite que un medidor calibre automáticamente los canales de corriente y voltaje sin necesidad de una fuente precisa o un medidor de referencia cuando se utiliza una resistencia en derivación como sensor de corriente.

La CC (constante de conversión) de cada canal se puede medir encendiendo el medidor. Ese valor por sí solo es suficiente para realizar la calibración automática (CC es el valor que mSure devuelve al estimar la función de transferencia del sensor y del Front End).Los medidores estándar de la industria Clase 1 y Clase 2 son compatibles con la calibración automática de mSure. Si bien ningún número puede capturar las múltiples facetas de la precisión de este CI, un buen número de trabajo de primer orden para los resultados es una precisión de aproximadamente el uno por ciento.

En resumen

Un CI avanzado como el ADE9153A es potente y sofisticado, pero no es fácil de configurar y utilizar en todo su potencial. Para abordar este problema, Analog Devices respalda el ADE9153A con una hoja de datos de 50 páginas, junto con otros documentos que brindan detalles sobre las mejores prácticas para el diseño de la placa de CI, así como información técnica adicional (consulte el contenido relacionado).

La placa de expansión y evaluación EV-ADE9153ASHIELDZ ofrece más soporte, la cual se asienta en la plataforma del escudo Arduino (Figura 6). El escudo tiene una resistencia de derivación incorporada para la medición de la corriente de la línea. Además, permite una evaluación rápida y la creación de prototipos de sistemas de medición de energía que utilizan el ADE9153A.

Figura 6: La placa de expansión y evaluación de EV-ADE9153ASHIELDZ es un escudo Arduino que acelera la evaluación y la creación de prototipos de sistemas de medición de energía que utilizan el ADE9153A. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La derivación integrada para la medición de la corriente de la línea maneja una corriente nominal de 5 A y una corriente máxima de 10 A. Admite mediciones de voltaje de línea neutra de hasta 240 voltios RMS (nominal).

También se encuentran disponibles la biblioteca Arduino y ejemplos de aplicaciones para ADE9153A para simplificar la implementación de sistemas más grandes. Con el uso de la calibración automática de mSure, el escudo se puede calibrar para medir energía con una precisión del 1% en el rango dinámico sin la necesidad de costosos equipos de calibración.

Conclusión

Los desafíos que enfrentan los diseñadores para cumplir con los requisitos de medición de líneas de CA actuales, conscientes del consumo de energía, no pueden satisfacerse con un convertidor RMS-CC básico. En cambio, necesitan digitalizar los valores de voltaje y corriente de la línea de CA y luego aplicar funciones de cálculo para determinar los parámetros de potencia y energía necesarios. El ADE9153A de Analog Devices proporciona las características y la precisión necesarias para hacer esto con sus rutas de datos de interfaz de señal de entrada de voltaje y corriente, un núcleo de motor de metrología interno y una interfaz SPI estándar.

Contenido relacionado

1: AN-1562, Consideraciones de diseño al agregar monitoreo de energía a un sistema usando el ADE9153A

2: UG-1253, Guía del usuario de EV-ADE9153ASHIELDZ

3: UG-1247, Manual de referencia técnica del ADE9153A