Датчики тока, используемые в фотоэлектрических инверторах, должны соответствовать следующим тенденциям: они должны быть компактными и обеспечивать эквивалентную или лучшую производительность при меньшей стоимости по сравнению с заменяемыми ими датчиками. В фотоэлектрических установках датчики тока обычно используются в трех точках. Один расположен на стороне постоянного тока для системы отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). Два других расположены на стороне переменного тока: первый для определения параметров формы выходного тока, а второй — по соображениям безопасности для измерения остаточного тока (RCM) на выходе, который генерируется утечкой на землю и может привести к отключению системы при необходимости. В данной статье представлен новый компактный датчик, специально разработанный для измерения остаточного тока.
1. ВВЕДЕНИЕ
На рисунке 1 показаны основные компоненты, окружающие инвертор в фотоэлектрической системе, обычно используемой в жилых домах мощностью до 20 кВт. Несколько инверторов этого типа можно объединить для создания полноценной системы, которая подключается к электросети через счетчики.
Рисунок 2. Остаточные напряжения и токи в фотоэлектрической установке.
За последнее десятилетие в инверторы были внедрены новые кремниевые MOSFET-транзисторы, и в будущем кремниевые MOSFET-транзисторы начнут вытеснять кремниевые. Это позволяет увеличить частоту переключения, что, в свою очередь, уменьшает размеры реактивных компонентов (индукторов, конденсаторов) и, следовательно, их габариты. Инвертор мощностью 2 кВт, доступный в 2010 году и весивший, по заявлению производителя, 20 кг, был заменен в 2016 году моделью весом менее 10 кг. Чтобы гарантировать, что используемые в качестве измерительных устройств в фотоэлектрической системе преобразователи тока будут по-прежнему занимать незначительную долю общего пространства и веса, их размеры также должны быть уменьшены без ущерба для производительности. Аналогичным образом, их стоимость также должна быть снижена, чтобы соответствовать нисходящей тенденции в отношении инверторных систем в целом.
На рисунке показаны три датчика тока LEM, каждый из которых содержит специально разработанные фирменные CMOS ASIC с полностью интегрированными элементами Холла. На стороне постоянного тока инвертора находится разомкнутый GO; на стороне переменного тока — замкнутый LPSR для системы управления инвертором; а на выходе — замкнутый LDSR, новый дифференциальный датчик для RCM. (Подробное описание разомкнутых и замкнутых датчиков Холла см. в ссылке (1))
На рисунке 2 показаны осциллограммы напряжения на стороне постоянного и переменного тока инвертора. Следует отметить, что в бестрансформаторной системе на «стороне постоянного тока» действительно присутствует напряжение постоянного тока, соответствующее выходному напряжению фотоэлектрических элементов между узлами PV+ и PV- (возможно, потребуется повысить его с помощью преобразователя постоянного тока), но каждый узел PV также имеет напряжение переменного тока, пиковое значение которого аналогично пиковому выходному напряжению на стороне переменного тока. Если это не учитывать на уровне системы, это представляет собой серьезную проблему безопасности.
2. Измерение остаточного тока в целях безопасности.
В типичной фотоэлектрической системе узлы PV+ и PV- имеют большие размеры. Среднее напряжение в каждом узле относительно земли составляет половину напряжения на фотоэлектрических элементах, но оно также содержит переменное напряжение с пиковым значением, аналогичным значению напряжения на элементах. Если человек коснется узлов PV+ или PV- (или, в общем, любого узла на стороне постоянного тока инвертора), между системой и человеком возникнет ток утечки, направленный на землю. Поскольку в системе есть только один узел, потенциал которого поддерживается на уровне земли — выходной узел N, — этот ток утечки должен вернуться в систему через узел N, вызывая дисбаланс постоянного тока, или остаточный ток, между выходами L и N. Этот остаточный ток необходимо обнаружить, чтобы система могла как можно быстрее отреагировать и защитить человека, вызвавшего остаточный ток. Среди проблем, связанных с RCM, выделяются следующие:
i) абсолютное значение тока, который необходимо обнаружить, невелико, порядка нескольких десятков мА, и поэтому смещения преобразователя должны быть достаточно малыми, чтобы обнаружить этот уровень тока;
ii) Выходной переменный ток имеет значение от нуля до десятков ампер, и остаточный ток должен быть обнаружен при его наличии;
iii) Емкость между фотоэлектрическими панелями и землей означает, что всегда протекает ток к заземлению, и цель системы состоит в том, чтобы отличить его от дополнительного тока, вызванного опасным контактом человека.
На рисунке 2 показан путь тока утечки в упрощенной инверторной системе с новым преобразователем LEM LDSR, используемым для RCM.
Из трех упомянутых выше пунктов (i) и (ii) были достигнуты с помощью LDSR благодаря специальной конструкции для RCM, а пункт (iii) — путем применения алгоритма обработки сигнала к выходному сигналу преобразователя.
На рисунке 3 показана базовая структура RCM: в центре замкнутого контура преобразователя находится микросхема ASIC с датчиком Холла, аналогичная той, что используется в преобразователе LPSR. Переменные токи I1 и I2 взаимно компенсируются, а низкий остаточный ток детектируется микросхемой ASIC с датчиком Холла и компенсируется во вторичной обмотке, которая имеет гораздо меньше витков, чем LPSR, поскольку детектируемый ток значительно ниже.
Рисунок 3: Принцип работы RCM на основе технологии замкнутого контура с эффектом Холла.
Детальный анализ положения первичного проводника на рисунке 3 показывает, что компенсация токов I1 и I2 не идеальна, и остаточное магнитное поле в воздушном зазоре зависит от их положения. Поэтому было решено точно определить положение первичных проводников, и для этой цели внутри преобразователя была выбрана многослойная печатная плата. Кроме того, RCM требует всего несколько десятков витков во вторичной обмотке, что означает, что их также можно вытравить на печатной плате. Это приводит к созданию инновационного датчика со значительно более простой конструкцией, чем у других датчиков с замкнутым контуром. Хотя размещение первичных проводников на печатной плате ограничивает максимальный ток в первичной обмотке, допустимое значение в 35 А на проводник более чем достаточно для бытовых установок.
Для целей тестирования на печатную плату ASIC наматывается дополнительная катушка, расположенная концентрично вторичной обмотке. Это полезно для тестирования системы: протекающий через неё ток будет обеспечивать выходной сигнал преобразователя аналогично разности токов между первичными обмотками.
Подобно преобразователю LPSR, интегральная схема ASIC разработана таким образом, чтобы иметь минимальное смещение, а смещение, связанное с входным током, уменьшается за счет размещения отверстия в печатной плате под микросхемой ASIC, что делает воздушный зазор в магнитной цепи как можно меньше.
В связи с высокой чувствительностью LDSR, вокруг ASIC и воздушного зазора размещается магнитное экранирование.
На рисунке 4 представлена фотография преобразователя LDSR.
В общем случае, токи утечки, обнаруживаемые LDSR, будут иметь как переменную, так и постоянную составляющие, и каждый пользователь будет использовать свой собственный алгоритм на выходе преобразователя для определения момента, когда утечка становится «чрезмерной», и для принятия соответствующих мер. Особенно сложная ситуация возникает, когда присутствует большая, естественная и переменная переменная составляющая утечки (например, в зависимости от влажности окружающей среды) из-за паразитных емкостей, и необходимо обнаружить максимальный уровень утечки, вызванный прикосновением человека к стороне постоянного тока. Сопротивление, создаваемое человеком, очень высокое, поэтому, как показано на рисунке 5, добавленный ток практически равен среднеквадратичному значению тока утечки; основной эффект — фазовый сдвиг.
Рисунок 5: Эффект после добавления резистивного пути к утечке.
Конечно, на рисунке 5 также присутствует шум, который добавляется к действительной и мнимой частям тока. Если известна только одна частота, ее необходимо анализировать с помощью дискретизированной формы сигнала; алгоритм Гертцеля очень эффективен. На рисунке 6 к среднеквадратичному значению «ток утечки человека» 30 мА добавляется среднеквадратичное значение «емкостного тока утечки» 7,5 мА шума через 0,1 с. Видимый эффект на общий ток утечки практически незаметен, но после обработки с помощью алгоритма Гертцеля ток легко восстанавливается до 30 мА. Если это значение превышает заданный порог, можно принять соответствующие меры на системном уровне.
Рисунок 6. Моделирование остаточного тока при неисправности и выходные данные алгоритма Гертцеля.
Заключение
В этой статье на примере фотоэлектрических установок иллюстрируются последние достижения в области преобразователей тока LEM для измерения остаточного тока. Их размеры и стоимость были уменьшены, при этом их характеристики остались прежними или улучшились. Теперь преобразователи разработаны без ранее необходимого компонента магнитной индукции. Это нововведение стало возможным благодаря тому, что сложность конструкции преобразователя была перенесена на используемые в нем специализированные интегральные схемы на основе эффекта Холла.
Ссылка (1): https://www.lem.com/en/file/3139/download
