Los desarrolladores de sistemas de potencia enfrentan el reto de optimizar la eficiencia de los diseños y garantizar al mismo tiempo un funcionamiento seguro y fiable. Esto requiere mediciones precisas y análisis más avanzados.  Los osciloscopios de banco más recientes añaden potencia de procesamiento para aumentar la capacidad de análisis de los sistemas de control de potencia y motores y acelerar los proyectos de desarrollo con mediciones más automatizadas. Las mediciones de potencia implican múltiples sondas y cálculos, por lo que las configuraciones pueden ser complejas.

El software de análisis de los osciloscopios actuales puede ayudar a los ingenieros a realizar mediciones más rápidas y repetibles. El nuevo MSO Serie 4 B es uno de esos osciloscopios que acaba de salir al mercado con un sistema de procesador más potente para acelerar el análisis de los diseñadores de convertidores de potencia a un precio accesible para muchos diseñadores profesionales.

Algunos osciloscopios de banco, como el MSO Serie 4 B, pueden equiparse con 3 sondas de tensión diferencial, 3 sondas de corriente y software de análisis para medir la salida de los controladores de motores industriales.

Mediciones de potencia en convertidores CA/CC y CC/CC
Los paquetes de medición y análisis de potencia facilitan las mediciones en convertidores CA/CC y CC/CC, desde las etapas de entrada hasta las de conmutación, los bucles de control y las etapas de salida. La opción de medición y análisis de potencia avanzados (4-PWR) es un ejemplo de este tipo de paquetes. El software automatiza el proceso de configuración de las principales mediciones de potencia con mediciones para entradas de línea CA para frecuencia, tensión y corriente RMS, factor de cresta (tensión y corriente), potencia real, reactiva y aparente, factor de potencia y fase. Mediciones en la pérdida de conmutación y la pérdida magnética ayudan a los ingenieros a realizar cambios incrementales para obtener mejoras fraccionales con los dispositivos de potencia de banda ancha más recientes. También permite medir en circuito el área de funcionamiento seguro (SoA) de los dispositivos de conmutación. Los diagramas de Bode se pueden usar para evaluar la estabilidad de los bucles de control de la fuente de alimentación. El procesador más rápido de la nueva versión de la Serie 4 B, acelera los cálculos subyacentes a estas mediciones para una mayor velocidad de actualización.

El software de medición y análisis de potencia realiza de forma automática cálculos para medir las pérdidas de conmutación en convertidores de potencia. La línea roja es VDSy la verde es ID. El software configura la línea naranja que muestra la pérdida de potencia durante la conmutación.

Las mediciones respaldan la transición a dispositivos de banda prohibida ancha
La transición de los dispositivos de conmutación de silicio a los de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) ha puesto aún más presión en los sistemas de medición. Para estos dispositivos, la evaluación precisa de la conmutación requiere un ancho de banda de medición mucho mayor para dar cabida a velocidades de respuesta más altas. Hasta hace poco, las mediciones de conmutación en el lado alto de las etapas de conmutación de medio puente eran casi imposibles. Cualquier medición relativa al nodo de conmutación sufría distorsión debido a las altas señales de tensión de modo común que incidían en la señal diferencial. Una clase relativamente nueva de sondas usa el aislamiento óptico para lograr un rechazo en modo común de 80 dB a 1 GHz y superior a frecuencias menores. El MSO Serie 4 B es compatible con las sondas IsoVu aisladas ópticamente y por ende es capaz de medir señales de conmutación de 100 V/ns o más rápidas.
También está disponible un software de análisis especial para pruebas de doble pulso para ayudar a los diseñadores en la transición a la tecnología de conmutación de banda prohibida ancha. La potencia de procesamiento del instrumento se emplea para automatizar configuraciones, mediciones y cálculos que ayudan a los diseñadores a medir los parámetros de conmutación y resistencia on que son cruciales para apoyar las tareas de diseño de potencia, temporización y las características de recuperación inversa de los diodos.

Las pruebas de doble pulso se usan habitualmente para evaluar el rendimiento de los FET y los IGBT en circuito, en condiciones que se aproximan al funcionamiento a plena potencia o más allá.

Análisis trifásico de potencia y controladores de motores
Los diseñadores de controladores e inversores enfrentan retos similares. La mayoría de los sistemas modernos de controladores de motores utilizan la modulación por ancho de pulsos (PWM) para controlar la frecuencia y, por tanto, la velocidad de un motor. La modulación por ancho de pulsos dificulta las mediciones estables de estas señales. Determinar manualmente la combinación correcta de filtros y disparadores para lograr formas de onda estables es difícil, pero es un requisito para las mediciones coherentes.
Suelen tener salidas trifásicas que pueden complicar las conexiones y las configuraciones. La configuración del cableado determina los cálculos que se usan en el análisis de potencia, por lo que es importante comprender y seleccionar la configuración de cableado correcta para obtener los resultados esperados. Estas configuraciones se aplican tanto a las entradas como a las salidas de los controladores de motor. El sondeo incorrecto del sistema de controlador del motor y la integridad deficiente de las conexiones suelen causar errores al realizar mediciones del controlador del motor.
Además de medir la salida del controlador, también son importantes las mediciones para evaluar el rendimiento de las etapas de entrada del controlador, como los armónicos, la potencia y el factor de potencia. Aunque es posible exportar formas de onda sin procesar a una hoja de cálculo u otro programa de análisis, el proceso lleva mucho tiempo y exige cuidado a la hora de realizar los cálculos.
Por estas razones, la buena visión de un sistema de controlador de motor mediante un osciloscopio requiere la configuración cuidadosa, las formas de onda estables y los algoritmos de medición robustos que proporciona el software de aplicación diseñado para este fin. El mayor rendimiento de la serie 4 B lo hace idóneo para mediciones trifásicas de sistemas de potencia y control de motores que antes solo eran viables en osciloscopios de gama alta.

El software de análisis trifásico puede ayudar a conseguir mediciones estables en las salidas PWM de los controladores de motores. El diagrama fasorial muestra rápidamente la fase y la magnitud relativas de las tres tensiones y corrientes.

Utilización de 6 canales para medir sistemas trifásicos
La salida de los controladores de motores y los inversores suelen ser sistemas de 3 hilos, es decir, no tienen conductor neutro o el sistema está equilibrado y no hay corriente neutra. La potencia en estos sistemas se puede medir con precisión utilizando solo 2 canales de tensión y 2 de corriente en los osciloscopios mediante el "método de los dos vatímetros". Se necesitan dos canales de tensión y dos canales de corriente con los canales de tensión conectados de fase a fase, y una de las fases actúa como referencia. Esto se puede hacer con un osciloscopio de 4 canales.
Sin embargo, es más probable que las entradas a un controlador de frecuencia variable (VFD) industrial utilicen un sistema de 4 hilos con conductor neutro. En ese caso deben utilizarse tres vatímetros. La configuración de tres vatímetros requiere seis canales de osciloscopio: tres para las tensiones y 3 para las corrientes. Aunque varios osciloscopios ofrecen 8 canales de entrada, el MSO Serie 4 B es uno de los pocos osciloscopios de calidad profesional disponibles con 6 entradas analógicas.

Llevamos la automatización de pruebas al siguiente nivel
Como todos los instrumentos de Tektronix, el MSO Serie 4 B está equipado con interfaces de comandos estándar del sector y buses de comunicación estándar como USB y Ethernet. Además incluye las API de alta velocidad, las herramientas y el software para optimizar el tiempo de desarrollo de las pruebas y el rendimiento de la ejecución. Con el fin de ofrecer un control más simple de los instrumentos, Tektronix proporciona acceso a controladores de instrumentos nativos que traducen los comandos de los instrumentos a construcciones familiares en un lenguaje de programación determinado. Los usuarios pueden elegir entre Python, LabVIEW®, CVI, MATLAB, C, C#, .NET o casi cualquier otro lenguaje y acceder gratis a instructivos, scripts, ejemplos y vídeos, así como obtener más información usando nuestras guías de referencia de programación.

Conclusión
Las herramientas para mediciones de convertidores de potencia, pruebas de doble pulso, sondeos precisos y mediciones trifásicas ayudan a los diseñadores con mediciones rápidas y repetibles y a comercializar sus proyectos más rápidamente. El aumento del rendimiento computacional subyacente de los osciloscopios profesionales como el MSO Serie 4 B lleva los niveles de rendimiento computacional de los osciloscopios de gama alta al banco de los ingenieros, acelerando aún más el proceso de diseño y mejorando la facilidad de uso.

Sobre el autor:

Andrea Vinci es Senior Technical Marketing Manager de Tektronix. Tiene un máster en Electrónica por la Universidad de Padua. Antes de trabajar en marketing, trabajó como diseñador de RF, responsable de pruebas, ingeniero de aplicaciones y, posteriormente, en ventas como desarrollador de negocio en EMEA. Su experiencia incluye soluciones de pruebas para semiconductores, electrónica de potencia y aplicaciones de almacenamiento energético.

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