Como respuesta al encarecimiento de los combustibles fósiles y a la preocupación por el medio ambiente está registrando un fuerte auge la instalación de paneles solares fotovoltaicos. Otro factor que ha impulsado su instalación ha venido en forma de incentivos para las tarifas de suministro a las redes eléctricas nacionales; cerca del 99% (Referencia 1) de la energía producida por las instalaciones solares está “conectada a la red” mediante un inversor. Todas las instalaciones de paneles fotovoltaicos exigen una medida precisa de la corriente generada, tanto para un control eficiente del inversor como desde el punto de vista de la protección.

Los inversores conectados a la red pueden incluir o no un transformador para ofrecer aislamiento galvánico: las configuraciones sin transformador conllevan un mayor riesgo de experimentar pérdidas a tierra. Existen cuatro tipos principales de diseños aplicados a los inversores. Dos diseños utilizan un transformador (de baja o alta frecuencia) y otros dos diseños no incluyen transformador, e incorporan o no un troceador (chopper) de CC o un convertidor elevador. Por razones de coste pero también de tamaño, eficiencia y peso, los transformadores se ven menos favorecidos por los nuevos diseños.

Referencia 1; IMS PV Inverter Database – Edición Premium – Última Versión - 7 Abril 2011.

Control del punto de máxima potencia, control y protección del inversor
Para cada topología diferente es necesario medir la corriente y la tensión CC instantánea en la salida del panel fotovoltaico, con el fin de fijar el punto de máxima potencia (maximum power point, MPT) en el cual se puede extraer la máxima potencia de salida del panel solar. También se necesita la medida de la corriente como entrada al lazo de control del inversor, así como para asegurar la protección en caso de cortocircuito o sobrecarga. En los transductores de corriente y de tensión se emplean tecnologías de efecto Hall en lazo abierto y cerrado.

Medida de la inyección de corriente CC
En los diseños sin transformador y en las configuraciones con transformador de alta frecuencia, la corriente CC que se permite inyectar al inversor en la red debe limitarse a un valor máximo entre 10 mA y 1 A, en función de los diferentes estándares aplicados en los diferentes países (entre los estándares de referencia se encuentran IEC 61727, IEEE 1547, UL 1741 y VDE 0126-1). Esto exige transductores con una precisión muy elevada (superior al 1%) y bajos niveles de deriva térmica y gananciales. Una tecnología ideal es el transductor de inducción magnética (Fluxgate) en lazo cerrado (ver figura 1).

Medida de la corriente de fuga
En los inversores sin transformador que no incorporan aislamiento galvánico existe un potencial de que se produzcan corrientes de fuga. (ver figura 2). Éstos son algunos de los riesgos que comportan:

1.    La capacidad entre el panel solar y el techo puede ofrecer una ruta a la corriente de fuga CA.
2.    Toda ruta eléctrica en sentido inverso de la línea CA al panel puede conectar el panel a la tensión de línea, con el consiguiente riesgo de choque eléctrico.
3.    Las corrientes de fuga pueden originar interferencias electromagnéticas, distorsión de corriente en la red y pérdidas en el sistema.

La medida ideal de la corriente de fuga desde el punto de vista de la seguridad debería ser sin contacto y no intrusiva. Las corrientes de fuga CA de 50/60 Hz serán pequeñas, generalmente con valores de hasta 300 mA, y se pueden medir como componente residual de una medida diferencial de corrientes en varios conductores. La medida debe detectar un repentino aumento de 30 mA en la corriente de fuga, que puede ser indicativo de que una persona está tocando un panel. Entre los requisitos se encuentran una vez más la precisión y, especialmente, bajas derivas térmicas y gananciales, con el fin de asegurar la resolución de estas corrientes pequeñas medidas. La capacidad de albergar varios conductores para su aplicación en sistemas monofásicos o trifásicos dentro de la apertura del transductor supone una gran ventaja.

Medida de la corriente por fallo en la conexión a tierra
Una monitorización segura debe detectar una corriente en caso de fallo de la conexión a tierra provocada por un defecto en el aislamiento en los diseños sin transformador. Esta corriente puede ser CA o CC, dependiendo de dónde se produzca el fallo y de si el panel fotovoltaico está conectado o no a tierra. (ver figura 3). Para la medida de la corriente de fuga los requisitos son similares. La precisión, si bien sigue siendo importante, es un factor menos relevante en este caso ya que las corrientes de cortocircuito son mayores que las corrientes de fuga. Todas estas necesidades relativas a la medida de la corriente residual en diseños de inversores sin transformador constituyen un requisito fundamental para la seguridad y deben cumplir todos los estándares correspondientes.

Tecnología de inducción magnética en lazo cerrado
La tecnología de inducción magnética en lazo cerrado ofrece los niveles necesarios de precisión, fiabilidad y aislamiento para la medida de pequeñas corrientes. LEM la ha aplicado para crear sus transductores de corriente “CTSR” (figura 4). Los transductores de corriente en lazo cerrado miden corrientes en amplios rangos de frecuencia, incluyendo CC.
Para rangos de frecuencia más elevados, estos transductores funcionan de la misma manera que los transformadores de corriente (pasivos); pero a CC, y en rangos de baja frecuencia, la tensión inducida en el devanado secundario (medida) es demasiado reducida como para controlar una corriente lo suficientemente alta en el secundario y para utilizar el mismo principio. En este dominio, la densidad de flujo magnético en el núcleo del transductor se mide por medio de un elemento sensor y se aplica una tensión al circuito secundario que, por encima de todo, mantiene la densidad del flujo cercana a cero, creando así un lazo de control cerrado.

Características de CTSR
El transductor CTSR utiliza un detector de inducción magnética para la realimentación en lugar del dispositivo Hall empleado en los transductores estándar en lazo cerrado. Se obtiene así una mayor tensión por unidad de enlace de corriente o “sensibilidad en lazo abierto”. Esta técnica también presenta una baja deriva de offset. El cabezal magnético de CTSR se ha optimizado para medir la corriente residual (la suma algebraica de las corrientes que circulan en los hilos que atraviesan la apertura del transductor), con un valor máximo inferior a 1A, cuando las corrientes del primario son del orden de varias decenas de amperios en cada hilo.

El CTSR también incorpora una función de autotest y una función de desmagnetización que elimina cualquier offset de magnetización, y resulta indicado para redes monofásicas y multifásicas. En el interior del dispositivo un ASIC lleva a cabo el proceso de la señal; los elementos del circuito forman un oscilador que junto a la inducción magnética lo lleva a saturación cada semiciclo, a una frecuencia de varios centenares de kHz. Un flujo magnético CC presente en el núcleo de inducción magnética provoca una alteración del ciclo de trabajo de la tensión de control (figura 5) y este cambio indica el valor de ese flujo residual.

Las etapas de proceso de señal comprende la demodulación del ciclo de trabajo, la compensación de respuesta frecuencial, un integrador y un amplificador de puente que suministra una corriente secundaria. Esta arquitectura de salida puede proporcionar una tensión (duplicada) más alta al circuito secundario: en esta configuración, la resistencia de carga (o medida) es flotante, y se usa un amplificador diferencial que forma parte del ASIC.
El núcleo magnético comprende un par de capas magnéticas (figura 6) que contienen la inducción magnética en una construcción que protege la inducción magnética frente a cualquier campo magnético parásito. La tecnología de inducción magnética en lazo cerrado ha logrado una medida precisa de corrientes CC y CA residuales de muy pequeño valor con un offset muy bajo y derivas de la ganancia a lo largo de un amplio rango de temperaturas de trabajo de –40 ºC a +105 ºC. Los dispositivos se pueden montar sobre una placa de circuito impreso y son componentes ligeros (28g) con una apertura de 20,1 mm de diámetro para múltiples conductores. La capacidad de corriente residual mide la suma de todas las corrientes instantáneas que circulan por la apertura, en configuraciones monofásica o trifásica, y toleran un pulso de sobrecarga de 3300 A durante 100 µs, con una rampa de subida de 500 A/µs. Los conductores pueden transportar corrientes en el primario de hasta 30 A/hilo, CA o CC.

Conformidad a estándares
Los transductores cumplen los requisitos de los estándares más recientes de referencia, como VDE 0126-1-1, UL 1741, DK 5940 e IEC 61010-1, en parámetros como las distancias de creepage y clearance (11 mm) y un índice de seguimiento comparativo (comparative tracking index, CTI) de 600 V. El requisito para la fuente de alimentación es de +5 Vcc; una patilla adicional proporciona acceso a la tensión de referencia interna (2,5 V) que se puede utilizar como tensión de referencia de un convertidor A/D; esta patilla extra también puede aceptar una referencia aportada por un procesador de señal externo o un convertidor A/D para cancelar la deriva de la temperatura de referencia. El diseño del transductor permite disponer de una versión con cuatro conductores de corriente integrados en el primario para montaje en la placa de circuito impreso (corrientes trifásicas además del test o neutro). También es posible disponer de versiones para una mayor corriente que midan hasta 3ARMS .

Conclusión
Gracias a una electrónica de conversión eficiente que contribuye a asegurar la máxima rentabilidad y devuelve energía a las redes eléctricas nacionales, la energía solar es una fuente de energía competitiva que experimentará una mayor expansión en todo el mundo. La tecnología avanzada de transductor ofrece un elemento clave que consolidará la calidad, seguridad, fiabilidad y eficiencia de esta nueva capacidad de generación.

Autor:

Bernard Richard, Claude Gudel y Stéphane Rollier, LEM.

Los autores:

Bernard Richard (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.) Director de Desarrollo del Negocio, Energías Renovables y Fuentes de Alimentación; Claude Gudel, Ingeniero Jefe de Investigación y Desarrollo; y Stéphane Rollier, Director de Producto y de Comunicaciones de Marketing; de LEM.

Más información o presupuesto