Medición de inversores ultrarrápidos con alta precisión
El desarrollo de los inversores es un factor importante para la expansión de la movilidad eléctrica y la transición hacia las energías renovables (figura 1). Mucho depende de su capacidad para convertir la corriente continua procedente de baterías y sistemas fotovoltaicos en corriente alterna utilizable. La velocidad de conmutación es un parámetro importante. Otro es el rendimiento.
Especialmente en los análisis de inversores ultrarrápidos basados en SiC o GaN, a veces se produce un fenómeno curioso: parece que sale más potencia de CA de la que entra de CC. Esta paradoja física se percibe inmediatamente como un error. La situación se complica cuando una medición muestra un valor realista, pero erróneo. Se trata de evitar errores de medición como estos. Esto solo es posible con instrumentos de medición que estén a la altura de las nuevas tecnologías. Y estos son los sistemas de medición de potencia con una corrección fiable de los errores de fase.
La fiabilidad de muchos analizadores de potencia se ve limitada por el SiC y el GaN
Los errores de fase apenas tienen efecto hasta frecuencias de conmutación de unos 10 kHz. Sin embargo, más allá de este límite, muchos analizadores de potencia calculan rendimientos erróneos. En el caso de los inversores basados en SiC, ya son posibles frecuencias de conmutación diez veces superiores, de hasta 100 kHz. Los inversores basados en GaN conmutaban incluso con un factor de 100, hasta 1 MHz. En consecuencia, los analizadores de potencia habituales en el mercado producen mediciones poco fiables en lo que respecta a la diferencia de fase. Una de las razones es el uso de sensores de corriente de terceros que no se han desarrollado específicamente para su uso con analizadores de potencia y que, por lo tanto, no tienen un retardo de tiempo constante. Es precisamente esto lo que provoca desviaciones en las mediciones a altas frecuencias. Conclusión: aunque los analizadores de potencia de alta calidad funcionan a la perfección, a menudo alcanzan sus límites de precisión cuando se trata de inversores de alta frecuencia basados en tecnologías de SiC y GaN.
La corrección automática del desfase minimiza los errores de fase
Para corregir los errores de medición en la diferencia de fase a altas frecuencias de conmutación, Hioki ha desarrollado un sistema de corrección del desfase especialmente eficaz para el analizador de potencia PW8001 (figura 2). Para que este funcione de forma fiable, deben cumplirse dos requisitos:
- un analizador de potencia que realice correctamente la corrección de fase
- un sensor de corriente de flujo cero con un retardo conocido y constante. La nueva corrección del desfase es comparable a la conocida función «Deskew» de los osciloscopios: cuando dos señales diferentes llegan al osciloscopio con desfase debido a las latencias, la función «Deskew» elimina el desfase de las señales compensando la latencia con un valor de tiempo fijo. El error de fase está directamente relacionado con el retardo temporal del sensor de corriente. Por ejemplo, en el caso de un sensor de corriente de la serie CT68xxA de Hioki, el retardo se muestra en la imagen 3. Se puede observar el retardo temporal en nanosegundos en función de la frecuencia.
Importante: un retardo de 100 ns a 100 Hz no tiene el mismo efecto que un retardo de 100 ns a 1 MHz. Esto queda claro cuando se convierte el retardo temporal en retardo de fase (expresado en grados) (figura 4).
Los analizadores y los sensores funcionan en perfecta sincronía
Hioki ha desarrollado sus sensores de corriente de flujo cero junto con sus analizadores de potencia por una buena razón. Para compensar eficazmente el retraso de fase, el retraso temporal del sensor de corriente debe permanecer constante independientemente de la frecuencia. Además, los parámetros más importantes de los sensores de corriente se transmiten automáticamente al analizador de potencia mediante el sistema «plug-and-play». Se trata, además del error de fase, de la corriente nominal, el tipo de sensor y el número de serie. Basta con conectar el sensor de corriente al analizador de potencia PW8001 para que funcione sin errores y compense automáticamente los errores de fase. Los sensores de corriente habituales en el mercado muestran un comportamiento como el que se ilustra en la imagen 5.
En el caso de los sensores de corriente de otros fabricantes, el retardo varía en función de la frecuencia. Para el sistema de medición resulta totalmente impreciso determinar cuál de los parámetros de «deskew» debe utilizarse. La corrección del desfase resulta prácticamente imposible con sensores ajenos al sistema.
No hay margen de error
Otra particularidad: la posición del conductor no influye en absoluto en el retardo de fase. En el diagrama de la imagen 6 solo se aprecia una curva. Esto se debe a que las curvas de retardo de fase son idénticas para las cinco posiciones de medición.
No hay margen alguno para el error. También en este caso se aplica lo siguiente: no todos los sensores de corriente ofrecen esta característica de serie. Como se desprende del diagrama de la imagen 7, en otros sensores habituales en el mercado, la posición del conductor dentro del sensor influye en el error de fase.
Divisor de alta tensión para aplicaciones de hasta 5 kV
Para aplicaciones de alta tensión también existe una solución adecuada: el divisor de alta tensión VT1005. Mide tensiones de hasta 5 kV y ofrece un ancho de banda de hasta 4 MHz con la máxima precisión. El conocido error de fase del divisor de alta tensión permite su compensación en el analizador de potencia. Esto supone un enorme avance en cuanto a precisión en comparación con las soluciones anteriores con sondas diferenciales y resulta especialmente útil en aplicaciones de alta tensión y alta frecuencia con semiconductores de SiC y GaN.
El objetivo es lograr una alta reproducibilidad de los resultados de las mediciones
La reproducibilidad de los resultados de las mediciones es fundamental para obtener conclusiones válidas. Para garantizarla, Hioki ha medido el rendimiento de un inversor basado en SiC durante 30 segundos con el analizador de potencia PW8001, en combinación con los sensores de corriente CA/CC CT6872, diseñados para 50 A.
La frecuencia de conmutación de los semiconductores de SiC era de 50 kHz; el motor funcionaba a una velocidad constante de 1000 rpm. El tiempo de integración para la medición se fijó en 200 ms. La corriente del motor en este experimento fue de aproximadamente 2 A. El gráfico de la imagen 8 ilustra la sorprendente estabilidad de la medición. Como se puede observar, la diferencia entre el valor de medición más alto y el más bajo a lo largo de 30 segundos es inferior al 0,2 %. Esto demuestra una reproducibilidad muy buena, incluso con intensidades de corriente bajas. Esto es importante, sobre todo en la fase de desarrollo. De este modo, gracias a una corrección fiable del desfase, se pueden determinar de forma sencilla y precisa incluso las mejoras más insignificantes en el rendimiento. Se sometieron a prueba, en las mismas condiciones, los analizadores de potencia de dos competidores de renombre. El resultado se muestra en la imagen 9. La reproducibilidad de los resultados de medición es, sin duda, bastante peor. En ambos sistemas, la diferencia entre la eficiencia máxima y la mínima supera el 1 %. En este caso, a los ingenieros les resulta muy difícil verificar si los cambios en el diseño surten efecto o no. Incluso si, por ejemplo, se mide un rendimiento un 0,9 % superior, esto podría deberse únicamente a la mala reproducibilidad de la medición, sin que el rendimiento se haya mejorado realmente.
Analizador de potencia y sensores, todo de un mismo proveedor
Es posible realizar una corrección fiable del desfase, pero solo con una combinación ideal de un analizador de potencia con corrección de desfase y un sensor de corriente con un retardo estable y conocido. El PW8001 detecta automáticamente el sensor de corriente y lee los cuatro parámetros de forma autónoma. Basándose en los datos de desfase, la corrección automática del desfase compensa el error de fase (figura 10).
Durante el desarrollo, Hioki ha prestado especial atención a garantizar un retardo estable. Los sensores de corriente de flujo cero de otros fabricantes son adecuados para aplicaciones en las que las características de retardo son menos importantes. Sin embargo, solo los analizadores de potencia de Hioki, en combinación con los sensores de corriente de flujo cero de Hioki (imagen 11), miden los inversores de alta frecuencia con absoluta precisión.
