ES2970573T3 - Medición de energía y detección de sobrecorriente - Google Patents

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Abstract

Se proporciona un circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente. Utiliza un transformador de corriente. Un primer dispositivo de detección de corriente está conectado al lado secundario del transformador para la medición de energía y un segundo dispositivo de detección de corriente está conectado al lado secundario, con un filtro de paso alto, para la detección de sobrecorriente. De este modo, un solo componente puede proporcionar medición de energía y detección de sobretensiones. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Medición de energía y detección de sobrecorriente
Campo de la invención
La invención se refiere a un circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente.
Antecedentes de la invención
La medición de energía es de creciente interés para los consumidores a medida que intentan reducir su consumo de energía. Es de interés en general para calcular y supervisar costes de energía.
Por ejemplo, se sabe que algunas aplicaciones de iluminación LED supervisan el consumo de energía de los LED por diversas razones. Por ejemplo, puede requerirse la verificación del consumo de energía de un sistema de iluminación para la remuneración de los costes de energía.
Para este fin, una disposición de iluminación LED puede incluir, por ejemplo, un convertidor de analógico a digital (ADC) como parte de un circuito de medición de energía, colocado entre los terminales de entrada (que se conectan a una entrada de red eléctrica rectificada) y una etapa de controlador. Valores medidos de tensión y corriente, que representan la tensión y la corriente de la fuente de luz LED, se proporcionan al ADC, que muestrea las entradas y calcula la energía consumida. Un microcontrolador de la disposición de iluminación LED puede usar a continuación esta información para controlar el funcionamiento del controlador.
La robustez frente a sobretensiones de los controladores de LED es otro tema de creciente interés. Cuanto mayor sea la sobretensión que puede soportar el controlador, más robusto será el controlador. También es de interés supervisar eventos de sobretensión. Por ejemplo, si se puede predecir el final de la vida útil del controlador debido a sobrecorriente, se puede realizar un mantenimiento preventivo. Especialmente para aplicaciones de iluminación vial, el mantenimiento predecible es importante.
Uno de los parámetros clave para la predicción del final de la vida útil es una medición precisa de la sobrecorriente. Sin embargo, la medición de la sobrecorriente es una función de alto coste. El microprocesador de supervisión debe aislarse del punto donde se detecta la sobrecorriente, por lo que se requiere un aislador. El uso de un optoaislador requeriría un suministro adicional que no se desea.
Por lo tanto, se ha propuesto una solución pasiva basada en un transformador de corriente, ya que tiene un coste menor que un sistema de aislamiento óptico y es más fiable para hacer frente a altas sobrecorrientes (y tensiones correspondientes). Por ejemplo, el documento US 2016/018457 A1 divulga un circuito de detección de corriente de falla de alta velocidad configurado con un par de transformadores de corriente secundarios, configurados para conectarse respectivamente a la sección de circuito de detección de fallas para detectar una corriente de falla que excede una corriente nominal del disyuntor y la sección de circuito de detección de sobretensiones para detectar una sobrecorriente de manera separada para detectar independientemente una corriente de falla y una sobrecorriente que tienen tamaños de corriente muy diferentes de los mismos.
Sin embargo, cuando se trata de sistemas separados para la supervisión de sobrecorriente y la medición de energía, hay un aumento significativo en el coste del sistema para proporcionar estas soluciones de supervisión.
Sumario de la invención
La invención está definida por las reivindicaciones.
De acuerdo con ejemplos de acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente, que comprende:
un transformador de corriente que tiene un devanado primario y un devanado secundario;
una primera disposición de detección de corriente conectada al devanado secundario, para la medición de energía; y
una segunda disposición de detección de corriente conectada al devanado secundario, para la detección de sobrecorriente, en donde la segunda disposición de detección de corriente comprende un filtro de paso alto.
Este circuito permite tanto la medición de energía de una carga como la detección de sobrecorriente con un solo transformador. Esto proporciona una forma compacta y de bajo coste para implementar ambas funciones. El filtro de paso alto significa que el funcionamiento correcto de la medición de energía no se ve afectado por la segunda disposición de detección de corriente, debido a que una corriente a la frecuencia operativa normal es filtrada por la segunda disposición de detección de corriente. Por ejemplo, el transformador de corriente puede operar a la frecuencia de la red (50 Hz o 60 Hz) y el filtro de paso alto bloquea la frecuencia de la red (es decir, la frecuencia de corte está por encima de 50 Hz o 60 Hz).
La primera disposición de detección de corriente puede comprender una primera resistencia a través de la cual se mide una señal de medición de energía. La corriente que fluye hacia la primera resistencia (cuando no hay un evento de sobretensión) es una proporción conocida de una corriente de carga, cuya corriente de carga (o una porción de la misma) fluye a través del devanado primario. Por tanto, se puede derivar el consumo de energía por la carga. La señal de medición de energía, por ejemplo, comprende una tensión a través de la primera resistencia.
La segunda disposición de detección de corriente, por ejemplo, comprende una segunda resistencia a través de la que se mide una señal de sobrecorriente. Por tanto, para eventos de sobretensión que tienen alta frecuencia (es decir, corta duración), los picos de corriente no se filtran por el filtro de paso alto, y se puede medir una señal. La señal de sobrecorriente, por ejemplo, comprende una segunda tensión a través de la segunda resistencia.
La primera resistencia, por ejemplo, tiene una resistencia mayor que la segunda resistencia. En concreto, la primera resistencia es para detectar una pequeña corriente resultante del funcionamiento normal de la carga, por lo tanto, se usa una resistencia grande para generar una tensión de detección significativa. La segunda resistencia es para detectar un pulso de corriente grande (pero de corta duración), por lo tanto, se puede usar una resistencia de detección más pequeña.
El filtro de paso alto, por ejemplo, comprende un condensador en serie entre el devanado secundario y la segunda resistencia. En combinación con la segunda resistencia, se forma un filtro de paso alto.
La primera disposición de detección de corriente puede comprender además un filtro de paso bajo en una entrada de la primera disposición de detección de corriente.
Esto se usa para filtrar señales de sobrecorriente de alta amplitud, que de otro modo saturarían la señal de lectura del medidor de energía, por ejemplo, estando fuera del rango de un convertidor de analógico a digital del sistema de medición de energía.
La segunda disposición de detección de corriente puede comprender además un circuito de muestreo y retención en una salida de la segunda disposición de detección de corriente. Esto se usa para almacenar la señal de una sobrecorriente de corta duración, para facilitar la lectura de la señal. El circuito de muestreo y retención, por ejemplo, comprende un circuito detector de máximos.
El devanado secundario puede comprender porciones de devanado primera y segunda en serie, en donde una tierra virtual se define en la unión entre la primera y segunda porciones de devanado, y cada uno de los extremos de la primera y segunda porciones de devanado opuestas a la unión se conectan a una salida de transformador a través de un respectivo diodo directo, y en donde cada una de la primera y segunda disposición de detección de corriente está conectada a la salida del transformador y a la tierra virtual.
Esta disposición significa que la sobrecorriente puede detectarse con cualquier polaridad.
La invención también proporciona un circuito de iluminación LED que comprende:
una unidad de LED; y
un circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente como se ha definido anteriormente para medir el uso de energía por parte de la unidad de LED y detección y conteo de sobrecorriente.
El circuito comprende además preferentemente un controlador de LED, en donde el circuito para la medición de energía y la detección de sobrecorriente está conectado con el devanado primario del transformador de corriente en serie a lo largo de una línea de entrada al controlador de LED.
Estos y otros aspectos de la invención se apreciarán y se dilucidarán mejor con referencia a la(s) realización(es) que se describe(n) a continuación.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la invención, y para mostrar más claramente cómo puede llevarse a cabo, ahora se hará referencia, únicamente a modo de ejemplo, a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra un sistema de medición de energía conocido;
la figura 2 muestra un ejemplo de un circuito de acuerdo con un ejemplo de la invención;
la figura 3 muestra una modificación del circuito de la figura 2; y
la figura 4 muestra un circuito de iluminación LED que comprende una unidad de LED y el circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente.
Descripción detallada de las realizaciones
La invención se describirá con referencia a las figuras.
Debería entenderse que la descripción detallada y los ejemplos específicos, aunque indican realizaciones ilustrativas del aparato, sistemas y métodos, están destinados únicamente a fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la invención. Estas y otras características, aspectos y ventajas del aparato, sistemas y métodos de la presente invención se entenderán mejor a partir de la siguiente descripción, las reivindicaciones adjuntas y los dibujos adjuntos. Se debe entender que las figuras son meramente esquemáticas y no están dibujadas a escala. También se debe entender que se han usado los mismos números de referencia en todas las figuras para indicar las mismas partes o unas similares.
La invención proporciona un circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente. Esta utiliza un transformador de corriente. Una primera disposición de detección de corriente está conectada al lado secundario del transformador para la medición de energía y una segunda disposición de detección de corriente está conectada al lado secundario, con un filtro de paso alto, para la detección de sobrecorriente. Por tanto, un único componente puede proporcionar medición de energía y detección de sobretensiones.
La figura 1 muestra un sistema de medición de energía conocido. Un transformador de corriente 10 tiene un devanado primario (devanado, es decir, bobina L1) y un devanado secundario (porciones de devanado primera y segunda en serie, es decir, bobinas, L2 y L3). Una corriente que se está supervisando se suministra al devanado primario. El transformador tiene una gran relación de vueltas, p. ej., 1:100, de modo que el devanado secundario suministre una pequeña corriente.
Se define una tierra virtual en la unión entre la primera y la segunda bobinas secundarias L2, L3, y cada uno de los extremos de las bobinas L2, L3 opuestos a la unión se conecta a una salida de transformador Vfuera a través de un respectivo diodo directo D1 y D2, formando por tanto un rectificador.
Una resistencia de detección de corriente R1 está conectada entre la salida del transformador Vfuera y la tierra virtual. Esta disposición significa que la tensión de salida Vfuera es independiente de la polaridad de la corriente de entrada.
La terminación del lado secundario con una resistencia R1 convierte por tanto la corriente primaria en el transformador en una tensión en el lado secundario. Esta disposición funciona bien dentro de un cierto intervalo de corriente.
La invención tiene como objetivo proporcionar un circuito que sea adecuado para su uso tanto como un sensor de sobrecorriente (p. ej., contador) con corrientes típicamente en el intervalo de 1 kA a 10 kA y para un sistema de medición de energía para supervisar corrientes típicamente en el intervalo de 1 a 10 A. Para conseguirlo, se puede usar un convertidor de analógico a digital para procesar Vfuera con una precisión y un intervalo muy altos (p. ej., más de 20 bits). La invención tiene como objetivo proporcionar una solución de menor coste.
La figura 2 muestra un ejemplo de un circuito de acuerdo con un ejemplo de la invención.
Los componentes de circuito mostrados en el bloque 20 corresponden a la figura 1.
El circuito genera dos salidas desde el nodo de salida Vfuera. Una primera salida es la señal de medición de energía V_em, medida a través de la resistencia R1 de la misma manera que en la figura 1. La resistencia R1 funciona así como una primera disposición de detección de corriente conectada al devanado secundario L2, L3, para la medición de energía.
Una segunda salida es una señal de detección de sobrecorriente V_sc, medida a través de una segunda resistencia R2. También hay un condensador en serie C2. La resistencia R2 y el condensador C2 funcionan como una segunda disposición de detección de corriente conectada al devanado secundario L2, L3, para la detección de sobrecorriente. La resistencia R2 y el condensador C2 funcionan como un filtro de paso alto.
En funcionamiento normal, el devanado primario L1 del transformador de corriente se alimenta con una corriente del orden de 1 A a la frecuencia de la red, p. ej., 50 Hz. En el devanado secundario L2, L3, una corriente de 10 mA estará presente para una relación de vueltas 1:100.
El condensador C2 tiene una alta impedancia para las señales de 50 Hz, por lo que toda la corriente secundaria fluirá a la otra (primera) resistencia de detección R1. Como ejemplo, R1=3,3 kü. Esto dará como resultado una tensión de 3,3 V, adecuada para su aplicación a la entrada de un convertidor analógico a digital estándar.
Por supuesto, la relación de vueltas y la resistencia de R1 pueden tomar cualquier valor adecuado para obtener un nivel de tensión deseado para supervisar en la salida con fines de medición de energía.
Cuando una sobrecorriente de, por ejemplo, 1 kA está presente en el devanado de entrada L1, las frecuencias de sobretensión están en el intervalo de >100 kHz. El condensador C2 actuará como un cortocircuito, por lo que la corriente secundaria de aproximadamente 10 A se alimentará a la segunda resistencia de detección de corriente R2. La combinación del condensador C2 y la resistencia R2 funciona como un filtro de paso alto.
El filtro de paso alto significa que el funcionamiento correcto de la medición de energía no se ve afectado por la disposición de detección de sobrecorriente, porque se filtra una corriente a la frecuencia de funcionamiento normal. El filtro de paso alto bloquea la frecuencia de la red eléctrica (es decir, la frecuencia de corte está por encima de 50 Hz o 60 Hz, por ejemplo, en el intervalo de 100 Hz a 500 Hz).
La segunda resistencia R2 tiene una resistencia más baja que la primera, de modo que se puede medir la tensión resultante de una gran sobrecorriente (1 kA). Por ejemplo, si R2=1 O, esto daría como resultado un pulso de 10 V.
Este circuito permite tanto la medición de energía de una carga como la detección de sobrecorriente con un solo transformador. Esto proporciona una forma compacta y de bajo coste para implementar ambas funciones.
Durante un evento de sobrecorriente, la tensión aumenta, por ejemplo, a 10 V como se ha explicado anteriormente. Debido a que la salida del transformador Vfuera está acoplada a ambas salidas de detección V_sc y V_em, la salida de supervisión de energía también aumenta a 10 V. Esto está fuera del intervalo para la tensión de entrada del convertidor de analógico a digital, que se saturará.
Para evitar imprecisiones en la función de supervisión de energía que podrían resultar, se puede usar una modificación de circuito como se muestra en la figura 3.
La primera disposición de detección de corriente comprende adicionalmente un filtro de paso bajo R10, C10 entre el devanado secundario (es decir, Vfuera) y el primer componente de detección de corriente, es decir, la resistencia R1. Por tanto, el filtro de paso bajo está en la entrada de la primera disposición de detección de corriente. Esto se usa para filtrar señales de sobrecorriente de alta amplitud, que de otro modo saturarían la señal de lectura del medidor de energía, por ejemplo, estando fuera del rango del convertidor de analógico a digital del sistema de medición de energía. Una ventaja adicional es que, con este filtro de paso bajo, se atenúan los armónicos más altos de la frecuencia de red.
Un requisito de IEC para la medición de energía es que la medición debe ser de hasta el 5° armónico.
El filtro de paso bajo tiene una frecuencia de corte para permitir que la señal de la red eléctrica pase pero corte las frecuencias más altas por encima del armónico máximo deseado. La frecuencia de corte está, por ejemplo, en el intervalo de 250 Hz a 1 kHz.
Este filtro de paso bajo bloquea, por tanto, la sobrecorriente protegiendo de ese modo el circuito que está midiendo la corriente para la medición de energía.
Como la sobrecorriente es un pico corto, o bien se necesita un convertidor rápido de analógico a digital para procesar V_sc o bien puede usarse una función de muestreo y retención. La figura 3 muestra una función de muestreo y retención implementada por un circuito detector de máximos D3, C3, R3 para procesar la tensión a través de la resistencia R2 antes de la entrega a la circuitería de medición.
El pico de corriente hace que el condensador C3 se cargue a través del diodo directo D3 a un nivel que depende del máximo del pico de corriente. La descarga del condensador (después de un tiempo suficiente para la medición de la señal) depende de la resistencia de descarga R3 en paralelo con el condensador C3. Este circuito almacena temporalmente la señal de una sobrecorriente de corta duración, para facilitar la lectura de la señal.
La figura 4 muestra un circuito de iluminación LED que comprende una unidad de LED y el circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente como se ha descrito anteriormente.
La entrada al circuito es la línea y las líneas neutras L, N. El devanado primario L1 del transformador de corriente 10 está en serie con cualquiera de las líneas de entrada. La figura 4 muestra el circuito 30 para medición de energía y detección de sobrecorriente conectado con el devanado primario L1 en serie con la línea neutra, de modo que la corriente a neutro fluya a través del devanado primario L1.
La etapa 32 de EMI está aguas abajo de las líneas de entrada, seguida por el rectificador 34. El rectificador suministra energía a un controlador de LED 36 tal como un convertidor de energía de modo de conmutación (de cualquier tipo adecuado). Este controlador suministra energía a la unidad de LED 38.
El circuito 30, por ejemplo, se conecta, a través de sus conexiones a tierra, a la tierra del chasis del controlador de LED 36. Esta tierra del chasis, por ejemplo, se conecta a la salida negativa del rectificador (no mostrado en la figura 4). En cambio, el aislamiento de la red eléctrica puede estar en el controlador 36, en cuyo caso el circuito 30 puede conectarse a tierra a una ubicación dentro del controlador de LED 36.
El LED y el controlador no se describen en detalle ya que puede usarse cualquier disposición conocida.
La invención es de particular interés para los controladores de LED, pero también se puede usar en una amplia gama de aplicaciones donde se usan un contador de sobretensiones y una función de medición de energía.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente, que comprende:
un transformador de corriente (10) que tiene un devanado primario (L1) y un devanado secundario (L2, L3); una primera disposición de detección de corriente (R1) conectada al devanado secundario, para la medición de energía; y
una segunda disposición de detección de corriente (R2) conectada al devanado secundario, para la detección de sobrecorriente, en donde la segunda disposición de detección de corriente comprende un filtro de paso alto (R2, C2),
caracterizado por que
el devanado secundario comprende porciones de devanado primera y segunda (L2, L3) en serie, en donde se define una tierra virtual en la unión entre las porciones de devanado primera y segunda, y cada uno de los extremos de las porciones de devanado primera y segunda (L2, L3) opuestos a la unión se conecta a una salida de transformador (Vfuera) a través de un respectivo diodo directo (D1, D2), y en donde cada una de la primera y segunda disposición de detección de corriente está conectada a la salida del transformador (Vfuera) y a la tierra virtual.
2. El circuito de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el filtro de paso alto (R2, C2) tiene una frecuencia de corte por encima de una frecuencia de funcionamiento normal del transformador de corriente (10).
3. El circuito de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la frecuencia de funcionamiento normal del transformador de corriente (10) es una frecuencia de red.
4. El circuito de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la primera disposición de detección de corriente comprende una primera resistencia (R1) a través de la cual se mide una señal de medición de energía (V_em).
5. El circuito de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la señal de medición de energía comprende una tensión a través de la primera resistencia (R1).
6. El circuito de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en donde la segunda disposición de detección de corriente comprende una segunda resistencia (R2) a través de la cual se mide una señal de sobrecorriente (V_sc).
7. El circuito de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la señal de sobrecorriente (V_sc) comprende una segunda tensión a través de la segunda resistencia (R2).
8. El circuito de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en donde la primera resistencia (R1) tiene una resistencia mayor que la segunda resistencia (R2).
9. El circuito de acuerdo con la reivindicación 6, 7 u 8, en donde el filtro de paso alto comprende un condensador en serie (C2) entre el devanado secundario y la segunda resistencia (R2).
10. El circuito de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la primera disposición de detección de corriente comprende además un filtro de paso bajo (R10, C10) en una entrada de la primera disposición de detección de corriente.
11. El circuito de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la segunda disposición de detección de corriente comprende además un circuito de muestreo y retención (D3, C3, R3) en una salida de la segunda disposición de detección de corriente.
12. El circuito de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el circuito de muestreo y retención comprende un circuito detector de máximos.
13. Un circuito de iluminación LED que comprende:
una unidad de LED; y
un circuito para medición de energía y detección de sobrecorriente de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para medir el uso de energía por la unidad de LED y detección y conteo de sobrecorriente.
14. El circuito de iluminación LED de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende además un controlador de LED, en donde el circuito para la medición de energía y la detección de sobrecorriente está conectado con el devanado primario del transformador de corriente en serie a lo largo de una línea de entrada al controlador de LED.
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