Técnicas de detección para el control de carga en la energía inteligente y la automatización

Detección inteligente de energía

Medir la energía es una preocupación clave del mundo de hoy por motivos de conservación y facturación El cierre de centros de energía de combustible fósil conforme a iniciativas como la Directiva de grandes instalaciones de combustión de UE están forzando a las redes a confiar cada vez más en las fuentes renovables. Como resultado, esto incrementa la importancia de la gestión de la demanda y fomenta cambios en el comportamiento del consumidor. Los gobiernos alrededor del mundo están impulsando la implementación de medidores inteligentes con el objetivo de brindar a los servicios públicos y a los consumidores la información necesaria para administrar el suministro y recortar la demanda para garantizar la estabilidad de la red mientras se combate el cambio climático.

El cambio a medidores inteligentes tomará tiempo, pero los dispositivos de visualización de energía doméstica (Figura 1) ya se encuentran en el mercado. Estos ofrecen a los usuarios los datos de consumo en tiempo real para ayudar a identificar oportunidades de ahorro. Los cálculos de energía y potencia dependen de mediciones de flujo de corriente precisas recogidas por una unidad de sensor instalada en el gabinete del medidor que transmite datos de forma inalámbrica a un receptor y a la unidad de pantalla en el hogar. El sensor de corriente debe ser fácil de instalar con una interrupción mínima para el medidor existente o para el cable de alimentación principal que ingresa en las instalaciones: simplemente debe poder ajustarse al cable de alimentación, sin necesidad de estar conectado en el circuito, eso es lo ideal.

Figura 1: Una pantalla de energía en el hogar compuesta por un sensor con abrazadera y una unidad de visualización de información proporciona datos de uso sin necesidad de una completa actualización de medidores inteligentes.

Detección para la gestión y protección de equipos

Aparte de las aplicaciones de energía inteligente que está surgiendo en la actualidad, los sensores de corriente aislada tienen numerosas funciones en la automatización industrial, como ayudar a garantizar la operación eficiente de los equipos, detectar rápidamente posibles fallas en los equipos, o la coordinación de enclavamientos de seguridad. Las corrientes a detectar pueden variar desde unos pocos miliamperios hasta varias decenas o cientos de amperios. El envío de la información a un PLC permite al sistema ajustar una alerta o tomar acciones correctivas (Figura 2).

Figura 2: Control de máquinas y circuitos externos dependiente de corriente

La corrección del factor de potencia (PFC) se utiliza ampliamente para ayudar a mejorar la eficiencia energética y evitar la contaminación armónica de la línea de CA. Las cargas como los motores de gran tamaño, los cuales son altamente inductivos, tienen un factor de potencia bajo, salvo que se conecten bancos de capacitores de corrección en la entrada. La capacitancia necesaria es más alta a mayores condiciones de carga, cuando el factor de potencia se encuentra en su peor momento. En cargas más ligeras, sin embargo, puede ocurrir una sobrecorrección si no se reduce la capacitancia. La supervisión de la corriente de entrada del motor permite al sistema detectar la carga aplicada. Si la carga es ligera, un interruptor accionado por corriente puede desconectar el capacitor de PFC para impedir el exceso de corrección.

En caso de avería del equipo con automatización de fábrica, es vital para detectar la falla y tomar medidas correctivas lo antes posible. Los ejemplos incluyen el control de hornos industriales o procesos de producción farmacéutica, que requieren el calentamiento a una temperatura controlada con precisión. Cualquier falla en un elemento del calefactor debe ser detectada rápidamente para evitar la pérdida de productividad, pero la vigilancia de temperatura puede resultar un proceso lento para detectar la avería. Si no se toma ninguna acción hasta que la temperatura haya cambiado de manera significativa, la calidad puede verse comprometida y se pueden desperdiciar valiosos materiales. Detectar la caída repentina de la corriente que se produce tan pronto como el elemento falla proporciona una indicación instantánea que se puede utilizar para activar una respuesta oportuna tal como encender un calentador de respaldo.

Asimismo, la detección de la entrada de corriente a un motor permite que problemas como la interferencia de una cinta transportadora pueda ser detectada inmediatamente, y la medición de corriente sea enviada a los PLC, de forma que el motor se puede apagar rápidamente por seguridad.

Otra aplicación para la detección de corriente en equipos industriales es la gestión de los bloqueos de seguridad. Estos pueden ser diseñados para proteger a los operadores impidiendo que se abran las compuertas de seguridad de la maquinaria mientras aún está en funcionamiento. Alternativamente, los bloqueos de seguridad pueden prevenir daños al equipo o ayudar a coordinar procesos garantizando que diversas unidades y actuadores sólo puedan funcionar en la secuencia correcta. Ya que el consumo de corriente proporciona una indicación fiable de si un subsistema está encendido o apagado, los interruptores accionados por corriente proporcionan un medio ideal de coordinar estos bloqueos de seguridad.

Por último, en medio de las iniciativas destinadas a mejorar la seguridad industrial en general, se está implementando la protección contra falla a tierra en cada máquina, además de los circuitos de protección instalados normalmente en interruptores principales. El uso de un sensor de falla a tierra que supervisa la corriente en las líneas de potencia que alimentan al equipo habilita diminutas corrientes de fuga, factor sintomático de un fallo en el circuito de puesta a tierra, que puede ser detectado de forma rápida y segura.

Opciones de sensor de corriente

Los atributos importantes de un sensor apto para el uso en interruptores accionados por corriente, detectores de averías y circuitos de medición incluyen el aislamiento eléctrico para una seguridad óptima, el mínimo consumo de energía del circuito que se está supervisando, la facilidad de uso y un bajo costo. Dependiendo de la aplicación, el rango de medición, el ancho de banda y la capacidad de soportar rigurosas condiciones ambientales también pueden ser criterios importantes. Dispositivos tales como los sensores Hall, los transformadores de corriente y los sensores de bobinas de Rogowski son los tres principales tipos de sensores que cumplen estos requisitos.

Sensores Hall

El sensor de corriente de efecto Hall responde al campo magnético generado alrededor de los conductores que transportan corriente, y produce una tensión de salida proporcional a la corriente que circula en el conductor. Un típico sensor de corriente lineal combina un CI que contiene el elemento Hall con un núcleo magnético, que está diseñado para concentrar el flujo magnético en el CI de efecto Hall. El CI y el núcleo se han diseñado en una carcasa de plástico que garantiza la precisión de posicionamiento de ambos componentes en relación unos con otros.

El sensor de efecto Hall de Infineon serie TLI4970 contiene elementos Hall diferenciales integrales y no necesita un concentrador. Los efectos de histéresis son eliminados ya que no se requiere concentrador, y el principio de detección diferencial impide que los campos magnéticos externos puedan interferir con las mediciones de corriente. El ILC4970 integra los sensores Hall junto a los circuitos analógicos y digitales de acondicionamiento de señal (Figura 3) y ocupa alrededor de una sexta parte del espacio en placa necesario por sensores comparables. Es capaz de medir corriente alterna y continua hasta ±50 A. La alta capacidad de medición de corriente es una fortaleza conocida de los sensores Hall, aunque otros sensores como las bobinas de Rogowski y los transformadores de corriente generalmente ofrecen una mayor linealidad en su rango de medición.

Figura 3: El ILC4970 elimina los efectos de histéresis y ahorra espacio de placa de CI.

Transformadores de corriente

Los transformadores de corriente han sido utilizados durante mucho tiempo para el control, la protección y el monitoreo de equipos tales como fuentes de alimentación en modo conmutado, y también para realizar mediciones de corriente de precisión en aplicaciones de instrumentación. Estos dispositivos son capaces de medir las corrientes alternas, y proporcionar aislamiento eléctrico entre los bobinados primarios y secundarios.

La corriente nominal del bobinado primario gobierna efectivamente el rango de medición, y una alta proporción de giros permite una alta resolución de medición. Dependiendo del transformador de corriente y la aplicación, esta relación puede ser entre 1:20 y 1:1000. Una proporción excesivamente alta puede acentuar los efectos inductivos y capacitivos en el transformador, lo que lleva a mediciones erróneas. Por otro lado, la selección de una proporción de giros que es demasiado baja puede también provocar imprecisiones debido a la distorsión de la señal de salida.

Una desventaja de los transformadores de corriente es que los dispositivos adecuados para la medición de corrientes altas puede ser físicamente grandes. Por otro lado, los pequeños transformadores de corriente montados en superficie, como el producto de Murata Serie 5300, son aptos para el uso en equipos como los controles del motor, fuentes de alimentación en modo conmutado y balastos de iluminación electrónica y pueden medir corrientes de hasta 10 A con un ancho de banda máximo de 500 kHz.

Los típicos transformadores de corriente están bobinados en un núcleo toroidal de metal, a través del cual se debe pasar el cable de corriente. Alternativamente, un diseño de núcleo dividido permite que el transformador de corriente pueda ser sujetado alrededor del cable. Esto permite instalar el sensor más fácilmente, como en el ejemplo de visualización de datos en el hogar. CR Magnetics presenta la serie CR4100 de transductores de corriente CA RMS real que son capaces de medir ondas de corriente sinusoidal o no sinusoidal con precisión y el pedido puede hacerse para configuración de núcleo dividido o toroidal.

Sensores de bobina de Rogowski

Los sensores de corriente que utilizan el principio de la bobina de Rogowski argumentan que pueden ofrecer una serie de ventajas con respecto a los sensores de tipo Hall o transformadores de corriente. Estas incluyen la habilidad de medir grandes volúmenes de corriente sin saturar, un ancho de banda mayor que otros tipos de sensores, y la capacidad para medir las corrientes que están cambiando rápidamente hasta varios miles de amperios por microsegundo. También pueden medir pequeñas corrientes CA que tienen gran deriva de CC.

Se coloca un sensor de corriente de bobina de Rogowski alrededor del conductor que transporta corriente, como se muestra en la figura 4. El flujo de corriente en el conductor induce un voltaje en la bobina, que es proporcional a la tasa de cambio de la corriente. La corriente que fluye de modo instantáneo se calcula mediante la integración de este voltaje. La integración de los circuitos pueden ser implementada externamente, o puede ser integrada en el sensor para producir un voltaje en los terminales de salida que es proporcional a la corriente. Ya que la bobina no está conectada eléctricamente al circuito que transporta la corriente, el aislamiento eléctrico se considera implícito.

Figura 4: La bobina de Rogowski se coloca alrededor del cable que transporta la corriente que se quiere medir.

Los sensores de corriente de la bobina de Rogowski pueden ser diseñados para medir las corrientes que van desde unos pocos cientos de miliamperios a cientos de kiloamps. Pulse Electronics tiene una gran selección de sensores incluida la serie PA320, que tiene un rango dinámico desde 0.1 A a 1.000 A, un ancho de banda de 500 kHz, y cumple de modo muy preciso con normas ANSI C12.20 de precisión de clase 0.2 y especificaciones IEC 62053-21 de clase 1. Esto permite que los sensores sean utilizados para la medición precisa de corriente en medidores inteligentes.

Conclusión

Desde la medición de corriente de alta precisión en aplicaciones de medición, hasta el uso del monitoreo de corriente de alta velocidad para ayudar a manejar la maquinaria industrial y detectar fallos críticos de manera inmediata, los sensores de corriente de efecto Hall, los transformadores de corriente y los sensores de corriente de bobina de Rogowski ofrecen a los diseñadores opciones flexibles para lograr una solución que cumpla con importantes objetivos tales como el rendimiento, la fiabilidad y el costo.