ES2947611T3 - Impedancia de desacoplamiento electrónico - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de desacoplamiento activo para estabilizar la impedancia en una línea eléctrica en una determinada banda de frecuencia. El dispositivo de desacoplamiento de la invención está acoplado inductivamente a la línea eléctrica y comprende un transformador con un devanado primario conectable a la línea eléctrica, y un devanado secundario cerrado sobre una red de carga. En una aplicación, la invención se utiliza para desacoplar un contador inteligente de las variaciones de la impedancia de carga. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Impedancia de desacoplamiento electrónico
Ámbito de la invención
La presente invención se refiere a las impedancias activas electrónicas que pueden utilizarse para desacoplar un dispositivo (denominado en adelante "dispositivo víctima") en una línea eléctrica, de la impedancia que se pueda producir en la propia línea, ya sea del lado de la red o en el lado de la carga. La invención es aplicable a varios dispositivos que no pueden tolerar impedancias demasiado bajas en la red en un rango de frecuencia determinado, por ejemplo, filtros activos. Un caso especial de aplicación es el de los dispositivos medidores de electricidad "inteligentes" que registran el consumo de energía eléctrica y comunican la información al proveedor de electricidad, a través de un módem de línea eléctrica.
Descripción del estado de la técnica relacionado
La lectura automática de la medición de energía es conocida en el estado de la técnica y se basa en varias tecnologías de transmisión de datos.
En los medidores eléctricos, las señales de comunicación de la línea de alimentación generalmente se inyectan habitualmente entre la fase y el conductor neutro, es decir, en modo diferencial. En Europa, se utilizan la banda CENELEC A (35 kHz a 91 kHz) o la banda CEn El EC B (98 kHz a 122 kHz). La amplitud de las señales puede ser de aproximadamente 10 V de máxima o menos. EP2501052 desarrolla, entre otros, un medidor inteligente con filtros de muesca.
Las bandas de frecuencia de comunicación por línea eléctrica adecuadas para la presente invención se asignan de la siguiente manera:
Banda CENELEC A (35 kHz a 91 kHz) Europa
Banda CENELEC B (98 kHz a 122 kHz) Europa
Banda ARIB (155 kHz a 403 kHz) Japón
FCC (155 kHz a 487 kHz) EE. u U. y el resto del mundo.
Un problema con estos dispositivos es que las señales son atenuadas por la impedancia de carga existente en la línea eléctrica. Cuando la impedancia de carga es demasiado baja, por ejemplo, por debajo de 1 ohm, la señal se atenúa a niveles peligrosamente bajos y la comunicación puede fallar.
Además, las cargas en la red generan perturbaciones y señales espurias en la banda de frecuencias de señalización, lo que puede dar lugar a errores de transmisión. Un ejemplo de la técnica anterior se puede encontrar en el documento EP 2501052
Es conocido introducir una red de cebadores, u otra red de atenuación pasiva, del flujo descendente del medidor inteligente, entre este y la carga, para generar una inductancia que limite la atenuación de la señal a 35 kHz y más, sin bloquear la corriente de alimentación. a 50/60 Hz. El estrangulador debe ser lo suficientemente grande para evitar la saturación y necesariamente introduce pérdidas de potencia.
La situación anterior no se limita a los contadores inteligentes, sino que se produce siempre que es necesario aislar un dispositivo en una red eléctrica a partir de la variación de impedancia de esta, en una determinada banda de frecuencia, como puede ser el caso de filtros EMI activos, por ejemplo, en un paquete más pequeño y a menor costo que con soluciones pasivas conocidas.
Breve resumen de la invención
La presente invención está definida por las reivindicaciones independientes adjuntas. Otras realizaciones preferidas se pueden encontrar en las reivindicaciones dependientes. La presente invención divulga una impedancia de desacoplamiento activo (20) que comprende un transformador (25) que tiene un devanado primario conectado en una línea de energía eléctrica (35) entre un dispositivo víctima (40) y una carga eléctrica (32), y una red de carga ( 29), caracterizado porque la red de carga está conectada a un devanado secundario del transformador (25), y en que la red de carga está dispuesta para generar una primera impedancia en la línea eléctrica a una frecuencia industrial, y una segunda impedancia con un valor absoluto mayor que el de la primera impedancia en una banda de frecuencia predeterminada por encima de la frecuencia industrial.
La presente invención presenta una solución mejorada para estabilizar la impedancia de línea de flujo descendente de un dispositivo víctima en una banda de frecuencia predeterminada. En un modo de uso, el
dispositivo víctima es un módem PLC o un medidor inteligente que transmite en la banda de frecuencia antes mencionada. La invención supera las limitaciones de la técnica conocida mediante una impedancia de desacoplamiento activo que tiene las características de la primera reivindicación independiente. La presente invención propone una impedancia activa con un transformador que tiene un primario conectable a la línea de energía eléctrica, como un transformador de corriente, y 45 cuyo secundario está cargado por un circuito de carga activa. El circuito de carga activa está dispuesto para presentar una baja impedancia a la frecuencia de la red y una mayor impedancia en la banda objetivo. Una ventaja adicional es que el transformador y la carga están aislados galvánicamente de la línea de alimentación.
Gracias a las características de la invención, la caída de tensión de frecuencia eléctrica se contiene, debido al bajo valor de la carga, de tal manera que el flujo de magnetización se contiene y una pequeña cantidad es suficiente para evitar la saturación. Al mismo tiempo, la impedancia de la carga 50 en la banda objetivo es mayor, de modo que la impedancia vista desde el lado primario del transformador es proporcionalmente mayor y las señales no se atenúan. El dispositivo de la invención puede dimensionarse para introducir una impedancia adicional en la banda objetivo, y de esta forma evitar una atenuación excesiva, independientemente de la carga. Esta impedancia es preferentemente de naturaleza resistiva, y su magnitud puede ser superior a 5 ohmios, o mejor 10 ohmios. En una realización práctica, se pueden alcanzar valores de aproximadamente 50-100 ohmios.
Las reivindicaciones dependientes se refieren a características ventajosas opcionales que incluyen la frecuencia de la banda objetivo que, de acuerdo con los estándares mencionados anteriormente, puede ser de 35 kHz hasta 500 kHz; una estructura activa ventajosa con un amplificador o un búfer de ganancia unitaria que cancela una corriente que fluye en la red de carga en la banda objetivo, en respuesta a la salida de un filtro de paso alto; una red de carga que incluye una serie de impedancias. La red de carga y el filtro de paso alto están dimensionados de tal manera que, a la frecuencia eléctrica, la corriente de salida del amplificador es esencialmente cero mientras que, en la banda objetivo, la red de carga no extrae corriente del transformador.
Breve descripción de los dibujos
La invención se comprenderá mejor con la ayuda de la descripción de un modo de realización dado a modo de ejemplo e ilustrado por las figuras, en las que:
La figura 1 muestra una instalación de contador inteligente que incluye la impedancia activa inventiva, en una representación simplificada.
Las Figuras 2a y 2b muestran un modelo simplificado del canal de transmisión para un dispositivo víctima que necesita protección contra variaciones de la impedancia de carga, respectivamente de la impedancia de la red.
La figura 3 es un circuito equivalente del dispositivo de la invención que incluye un transformador y una carga de carga.
Las figuras 4a y 4b son los circuitos equivalentes resultantes de la impedancia de línea de la invención a frecuencia industrial, respectivamente, en la banda objetivo.
La figura 5 muestra esquemáticamente una realización con un transformador de corriente tipo anillo.
Las Figuras 6a y 6b muestran una realización de fuente de voltaje controlada por voltaje de bucle abierto del dispositivo inventivo.
Las Figuras 7a y 7b muestran una realización controlada por corriente en bucle cerrado.
La Figura 8 muestra una realización de fuente de corriente controlada por voltaje de bucle abierto.
La Figura 9 muestra una realización de circuito de la carga activa para una realización controlada por voltaje de bucle abierto.
La Figura 10 es un gráfico de la impedancia resultante en las bandas de potencia y señalización de un medidor inteligente.
Descripción detallada de posibles realizaciones de la invención
La figura 1 muestra una instalación de contador inteligente que incluye la impedancia de desacoplamiento de la invención. El área 30 representa una instalación eléctrica de un cliente, con varias cargas conectadas a una
línea de potencia secundaria 35 que proviene de un transformador de distribución 35 (no representado) y puede servir también a otros clientes.
Un contador inteligente 40 colocado en la entrada registra el consumo eléctrico acumulado y lo transmite, a través del módem plc 45 y el concentrador de datos 47, a un servidor 60 del proveedor de electricidad. La información de consumo se utiliza para facturar y controlar la red, por ejemplo. También es posible la comunicación bidireccional, del servidor al contador.
La impedancia de desacoplamiento electrónico 20, colocada entre el medidor 40 y las cargas 32, evita que la impedancia de la línea sea destruida por la impedancia de la carga, y evita la atenuación de la señal de comunicación y mitiga el emisor de ruido de la carga mencionada en la introducción.
Se entiende que, en la medida en que el objeto de la presente invención es desacoplar un dispositivo en una red eléctrica de las variaciones de impedancia en la red, su utilidad no se limita a los contadores inteligentes, sino que se extiende también a muchas situaciones en las que es necesario, para proteger un dispositivo (denominado "dispositivo víctima"), de la variación de la impedancia en una red. Por lo tanto, la forma de uso que se muestra en la figura 1 no es exhaustiva, y la invención podría usarse para desacoplar cualquier dispositivo víctima 40, independientemente de la presencia de una interfaz de comunicación plc. El dispositivo víctima puede protegerse de las fluctuaciones de impedancia en el lado de la carga, como en la figura 2a, así como en el lado de la red, como en la figura 2b.
La figura 5 muestra cómo el dispositivo de desacoplamiento de la invención se acopla inductivamente a la línea eléctrica entre 50 el dispositivo víctima 40 y la carga 32. La impedancia activa de desacoplamiento de la invención comprende un transformador con un devanado primario conectable a la línea eléctrica. y un devanado secundario cerrado sobre una red de carga 29. Ventajosamente, el transformador puede ser un transformador de corriente con núcleo anular sólido 25 en el que se puede insertar el cable de línea de alimentación o bus, de forma que el número de espiras en el primario sea Np=i. De esta manera, la impedancia de desacoplamiento activo de la invención se puede instalar sin cortar la línea eléctrica, como se muestra en la figura 3. Otras disposiciones posibles incluyen transformadores de núcleo dividido, que se pueden sujetar a la línea eléctrica sin abrirla y, por otra parte, incluyen también transformadores con primario devanado.
En la siguiente descripción consideramos un modelo de transformador con todos los valores referidos al lado primario. El modelo de transformador normalmente incluiría un transformador ideal donde se considera la relación de transformación. Para simplificar, se supone que el transformador de esta descripción tiene una relación de transformación de 1:1. En la mayoría de los casos de uso real, el transformador tendrá un devanado primario de 1 vuelta y varias vueltas en el secundario. La línea eléctrica ve la impedancia de la red de carga escalada por el cuadrado de la relación de giro: zp = Zs ■ (Np/N s) ¿
Los componentes espurios como la dispersión de inductancia, la resistencia del devanado y las capacidades de dispersión también se ignoran en esta descripción. Para un funcionamiento adecuado del circuito, la impedancia de estos componentes, dentro de la banda de frecuencia operativa, debe mantenerse pequeña en comparación con otros parámetros de impedancia del circuito.
El coeficiente de acoplamiento del transformador, k, debe estar lo suficientemente cerca de 1. En este caso, la inductancia de dispersión será pequeña en comparación con otros valores de inductancia.
Relación de tensión SIN
La figura 2a es una representación de la línea eléctrica donde se inserta el dispositivo víctima. el dispositivo víctima puede ser un contador inteligente como el de la figura 1, un filtro EMC activo, o cualquier dispositivo que deba ser desacoplado de las variaciones de impedancia de la carga. Considere los siguientes voltajes e impedancias en el punto de la red donde se encuentra el dispositivo víctima conectado
Vs Tensión de la señal de comunicación
Zs Impedancia de fuente de señal de comunicación
Vm Tensión recibida en el dispositivo víctima
Zm Impedancia de entrada del dispositivo víctima
Z i Impedancia de desacoplamiento
Vn Voltaje de ruido de la carga
Zn Impedancia de la fuente de ruido de la carga
El voltaje recibido en el dispositivo víctima vm es la suma de la señal de comunicación de la red y el voltaje de ruido de la carga. La relación de señal de voltaje a ruido, indicada como SNR a continuación, indica la capacidad del dispositivo víctima para leer la señal del ruido. Se supone que la impedancia de entrada del dispositivo
víctima Zm es alta en comparación con las otras impedancias. En esta aproximación, el circuito equivalente de la figura 2 se puede resolver y la SNR antes y después de la inserción de la impedancia del estabilizador Zi se calcula de la siguiente manera:
Sin la invención
Con la invención
La impedancia de desacoplamiento activo de la invención estabiliza la impedancia de carga vista y produce una mejora de la relación SIN de voltaje dada por:
Por lo tanto, para mejorar la relación señal de voltaje a ruido debemos tener 
Se aplica una consideración similar al caso en el que la impedancia de desacoplamiento 20 está en el lado de la red, como en la figura 2b.
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento se discutirá ahora con referencia a las figuras 3, 4a, 4b, de las cuales la primera muestra un circuito equivalente a la impedancia de desacoplamiento con
Vp voltaje primario
ip corriente primaria
Lm Inductancia magnetizante
Rm Resistencia a la pérdida de núcleo
im Corriente de magnetización
Lb Inductancia de carga
ib Carga actual
Rr Resistencia residual
ir Corriente residual
ic Corriente de compensación
La corriente primaria está definida por 
Frecuencia de red (Figura 4a)
Suponga ic = 0 and ir = 0 una corriente incidente a frecuencia industrial da ip = im ib . Cuando Lm >> Lb entonces ip ≈ ib, por lo tanto, el voltaje primario será vp = ip • jωLb y la corriente magnetizante im = vp/(jwLm). Entonces = ip • jωLb . = ip • jωLb .
Por lo tanto, ip/lm = Lm/Lb y el núcleo del transformador tiene una corriente de saturación de im. La adición de la carga permite que la corriente de fase sea ip = (Lm/Lb) • im.
Nótese que lo anterior depende de la suposición de que la impedancia total de la inductancia parásita y todas las resistencias de los devanados son significativamente menores que la impedancia Lb a frecuencia industrial.
Frecuencia objetivo (Figura 4b)
Hacer , ic = im ih entonces ip = ir ; un voltaje vp de señal incidente produce una corriente ir. La impedancia primaria es Zp = vp/ir. Además, ir = vp / Rr, por lo tanto, Zp = Rr.
Preferiblemente, el transformador debe tener un coeficiente de acoplamiento significativamente alto para realizar la expresión anterior. Un coeficiente de acoplamiento más bajo dará como resultado una inductancia parásita más alta que disminuirá la efectividad.
Realización controlada por voltaje de lazo abierto (Figuras 6a-6b)
Las figuras 6a y 6b muestran un posible ejemplo de realización de la impedancia de desacoplamiento inventiva, con una red de carga activa configurada como un controlador de bucle abierto. La carga está conectada al devanado secundario de un transformador, como se ilustra en la figura 6b, y la figura 6a es un circuito equivalente visto desde el lado primario. El filtro 105 selecciona la señal de tensión en la banda de frecuencias donde tiene lugar la comunicación plc y, mediante el amplificador 108 y la fuente de tensión controlada 112, genera una tensión de compensación. Introducimos las siguientes abreviaturas:
Vp Tensión primaria
Ip Corriente primaria
Zmb Impedancia equivalente de magnetización y carga
Imb Corriente equivalente de magnetización y carga
Rr Resistencia residual
Ir Corriente residual
Ic Corriente de compensación
Av Ganancia de voltaje de lazo
Requerimos Ic= lmb para que ip = ir. Entonces vp = ic • Zmb y vo = ic • (Zo Zmb). Por lo tanto, la ganancia de voltaje del lazo es Av = vo/vp = (Zo Zmb)/Zmb y la impedancia resultante en el primario viene dada por Zp = vp /ir= Rr.
La figura 6b muestra la carga activa 29 en la variante de la figura 6a, conectada directamente al devanado secundario del transformador 25.
La figura 9 muestra una posible implementación de un circuito de carga activa 29 que podría usarse en la realización de las figuras 6a-6b. El amplificador 108 genera una tensión que se inyecta en el nodo entre las inductancias L1 y L2, reduciendo así la corriente que circula por ellas, en la banda objetivo. Son posibles otras disposiciones de inductancia en las que pueden omitirse L1 o L2.
Realización controlada por corriente de bucle cerrado (Figuras 7a-7b)
Otro posible ejemplo de realización incluye, como se representa, una fuente de corriente controlada 114 que es accionada por un amplificador 108 cuya entrada está conectada al sensor de corriente 24, que puede ser un transformador de corriente auxiliar. El filtro 10 limita la acción del circuito de compensación a la banda objetivo, de manera que, a frecuencia industrial, la impedancia de desacoplamiento de la invención es equivalente al circuito de la figura 4a. Introducimos las siguientes abreviaturas:
vp Tensión primaria
ip Corriente primaria
Zmb Impedancia equivalente de magnetización y carga
Imb Corriente equivalente de magnetización y carga
Rr Resistencia residual
ir Corriente residual
ic Corriente de compensación
Ai Ganancia de corriente de bucle
Requerimos lc = Imb para que ip= ir. Entonces imb =vp /Zmb e ir =vp / Rr. La ganancia del bucle de corriente es A i = ic /ir = Rr / Zmb, y la impedancia primaria resultante viene dada por Zp = vp/ir = Rr como en el ejemplo anterior.
La figura 7b muestra la carga activa 29 en la variante de la figura 7a, conectada directamente al devanado secundario del transformador 25 con un transformador de corriente adicional 24 utilizado para extraer la señal ip.
Realización de fuente de corriente controlada por voltaje de bucle abierto (Figura 8)
La figura 8 ilustra otra posible estructura para el circuito de la invención, basada en una fuente de corriente controlada por voltaje 114 alimentada por el voltaje de entrada Vp a través de un filtro de paso de banda 105 y una red que comprende un integrador 103 cuya salida es ponderada por (1/Lm + 1/Lb) y una rama proporcional de peso 1/Rm, de manera que, en la banda de frecuencias seleccionada por el filtro 105, la corriente de corrección viene dada por ic = vp /Rm + (1/ Lm + 1/Lb) I vp dt. de manera que ip = vp /R r. Entonces Zp = vp /Rr = Rr. Téngase en cuenta que, dado que la corriente de salida ic no influye directamente en el voltaje vp detectado, esto es un control de lazo abierto.
El circuito de carga activa de la figura 8 se puede conectar en las terminales secundarias del transformador, como en la figura 6b.
La figura 10 es un diagrama de Bode que muestra la acción de la impedancia de desacoplamiento inventiva, en la realización de la figura 9. El circuito ha sido optimizado para señalización en la banda A de CENELEC. Las bandas de frecuencia de la distribución de energía y la utilizada por la señalización del plc están indicadas por las áreas rayadas 130 y 140 respectivamente. Se puede apreciar que la magnitud de la impedancia primaria 120 es muy baja a 50-60 Hz, lo que conduce a pérdidas bajas y aumenta la corriente máxima que puede circular sin saturar el núcleo y se eleva a aproximadamente 100 Q en la banda de señalización. Como se muestra en el diagrama de fase 125, la impedancia en la banda de señalización es esencialmente de naturaleza resistiva.
Números de referencia utilizados en las figuras
20 Impedancia de desacoplamiento activo, estabilizador de impedancia activo
24 Transformador de detección
25 Transformador
27 Autotransformador
28 Fuente de alimentación auxiliar
29 Red de carga activa
30 Cliente
32 Carga
35 Línea de alimentación
40 Dispositivo víctima / medidor inteligente
42 Medidor de kWh
45 Módem PLC
47 Concentrador de datos
60 Servidor
103 Integrador
104 Atenuación
105 Filtro
108 Amplificador
112 Fuente de voltaje controlado
114 Fuente de corriente controlada
120 Magnitud
125 Fase
130 Banda de frecuencia de potencia
140 Banda objetivo de frecuencia, banda de señalización
Claims (7)
1. Una impedancia de desacoplamiento activo (20) que comprende un transformador (25) que tiene un devanado primario conectable en una línea de energía eléctrica (35) entre un dispositivo víctima (40) y una carga eléctrica (32), y una red de carga (29), caracterizado porque la red de carga está conectada a un devanado secundario del transformador (25), y porque la red de carga está dispuesta para generar una primera impedancia en la línea eléctrica a una frecuencia de potencia, y una segunda impedancia con un valor absoluto mayor que el de la primera impedancia en una banda predeterminada de frecuencia por encima de la frecuencia de la red.
2. La impedancia activa de desacoplamiento de la reivindicación anterior, donde el transformador (25) es un transformador de corriente.
3. La impedancia de desacoplamiento activo (20) de la reivindicación anterior, donde la banda predeterminada está comprendida en cualquiera de los siguientes intervalos: 35 kHz a 91 kHz; 98 kHz a 122 kHz; 155 kHz a 403 kHz; 155kHz a 487kHz.
4. La impedancia de desacoplamiento activo (20) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un valor absoluto de la impedancia vista en la línea eléctrica en la banda predeterminada de al menos 10 Ohm.
5. La impedancia de desacoplamiento activo (20) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un valor absoluto de la impedancia vista en la línea eléctrica en la banda predeterminada de al menos 5 Ohm.
6. La impedancia de desacoplamiento activo (20) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un filtro (105) que selecciona los componentes del voltaje de línea en la banda de frecuencia predeterminada, un amplificador (108) que tiene una entrada conectada a una salida del filtro, estando dispuesto el amplificador (108) para cancelar una corriente (lp) que fluye en la red de carga en la banda predeterminada, de manera que se aumenta la impedancia de la red de carga en la banda de frecuencia predeterminada.
7. La impedancia de desacoplamiento activo (20) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores en combinación con un medidor eléctrico (40) conectable en la línea de energía eléctrica (35) entre un proveedor de energía y una o varias cargas eléctricas (32) para medir el uso de energía eléctrica por la una o varias cargas eléctricas (32), donde el medidor eléctrico (40) cuenta con una interfaz PLC (45) para transmitir y/o recibir datos a través de la línea eléctrica (35) en la banda de frecuencia predeterminada, estando conectado el estabilizador de impedancia de línea entre el contador eléctrico y una o varias cargas eléctricas.
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