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Calibración de frecuencias armónicas para mediciones de potencia
La calibración de los e-metros es vital cuando se trabaja a altas frecuencias con armónicos elevados. De lo contrario, las mediciones y lecturas serán incorrectas. Existen soluciones sencillas para medir los armónicos con gran precisión.
Cuando funcionan a frecuencias más altas, los contadores electrónicos no siempre son capaces de medir con fiabilidad la corriente y la tensión. La calibración clásica se realiza a 50 Hz, pero los armónicos superiores no se calibran y, por tanto, se miden mal. En consecuencia, el margen de error resultante es mayor para los armónicos más altos.
La medición de armónicos impone mayores exigencias a los instrumentos de medición (contadores en nuestro caso). Una mayor frecuencia de muestreo requiere convertidores AD más rápidos y más potencia de cálculo del procesador para el procesamiento de datos. Estas cuestiones son conocidas y están bien descritas. Pero de lo que nunca se habla es de la frecuencia de calibración. No es de extrañar, porque las normas actuales no afectan al estado de la red.
¿Cuál es el comportamiento del sensor de tensión y corriente a frecuencias más altas?
Para calcular la potencia eléctrica y, en consecuencia, la energía eléctrica, es necesario medir y digitalizar con precisión ambas señales: la tensión y la corriente. Además de la magnitud de las señales, el desfase entre ellas es crucial. Ambos canales constan del propio sensor (divisor de tensión resistivo, transformador de corriente), seguido de amplificadores, filtros de paso bajo (LPF) y, por último, los convertidores analógico-digitales (ADC).
Todos los componentes alteran ligeramente la magnitud y la fase de la señal, por lo que los canales deben probarse como un sistema completo, en lugar de como elementos individuales.
La respuesta del canal de corriente consta de características de paso alto (transformador de corriente) y de paso bajo (LPF siguiente). La respuesta del canal de tensión está representada únicamente por las características del filtro de paso bajo.
Es evidente que existe un desplazamiento de fase significativo de la señal dentro de la gama de frecuencias. De ahí que sea necesario recurrir a la calibración para calcular correctamente la potencia eléctrica.
Agilización de los procesos de calibración
La calibración durante el proceso de fabricación del contador de energía debe ser lo más rápida y sencilla posible, por lo que no es conveniente realizarla en todos los puntos (30 pts.) como en las imágenes siguientes.
La relación entre los errores de canal y la frecuencia puede describirse fácilmente mediante la combinación de las funciones de transferencia del HPF y el LPF. Entonces sólo es necesario medir realmente unos pocos puntos. Las líneas continuas de la imagen inferior representan los resultados de un proceso de calibración de tres puntos. Se eligieron la frecuencia nominal (50 Hz) y los múltiplos decimales – 500 Hz y 5000 Hz (10º y 100º armónicos).
Las diferencias entre la frecuencia medida y la calculada en la calibración de tres puntos en función de los errores son aceptables. Las diferencias son inferiores a 0,2 grados y 0,2% de los errores de fase y relación respectivamente para los canales de corriente y tensión.
Sólo se necesitan ocho constantes de calibración para describir la dependencia de los errores de la frecuencia en ambos canales: tensión y corriente. Todas estas constantes se almacenan en la FPGA, que puede calcular correcciones para todas las frecuencias discretas después del proceso FFT. La aplicación de la corrección a los resultados de los cálculos de la FFT garantiza que la magnitud y las fases de los componentes de frecuencia sean correctas y que la potencia eléctrica calculada no se vea afectada.
Consideraciones sobre el comportamiento del canal y limitaciones
La utilización del método de corrección presupone el comportamiento invariable de los canales en condiciones reales. En este artículo se ha utilizado un transformador de corriente lineal tolerante a CC. Estos TC tienen un error de fase significativo pero casi constante (unos 4 grados a 50 Hz). Este error es constante incluso con la presencia de corriente continua.
Por el contrario, los TC de doble núcleo que también se utilizan en los contadores de energía son capaces de medir con la presencia de corriente continua, pero el error de fase cambia cuando se produce la corriente continua. Por lo tanto, este error de fase no se puede corregir porque no hay información sobre la corriente continua en el contador de energía.
Conclusión
Hemos demostrado que es posible realizar una calibración sencilla de la frecuencia de los TC con muy poco error. Todos los cálculos de calibración se realizan en FPGA. Esta solución proporciona la capacidad de medir con precisión la energía de alta frecuencia y, como subproducto, desarrollar un análisis de frecuencia de la tensión y la corriente en la red.