ES2221973T3 - Circuito de alimentacion para un contador de electricidad. - Google Patents
Circuito de alimentacion para un contador de electricidad.Info
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Abstract
CONTADOR DE ELECTRICIDAD ELECTRONICO QUE COMPRENDE UN CIRCUITO METROLOGIO Y UN CIRCUITO DE ALIMENTACION. EL CIRCUITO DE ALIMENTACION COMPRENDE UN CONDENSADOR PRINCIPAL ( O ) Y UN TRANSFORMADOR (5) REGULADO POR UN CIRCUITO DE CORTE. EL TRANSFORMADOR SE CARACTERIZA POR UN BOBINADO SUPLEMENTARIO (10) ENTRE LA MOLDURA CILINDRICA (5) Y EL PRIMARIO (6) Y UN CIRCUITO DE INTEGRACION (14, 1) DIMENSIONADOS PARA PROPORCIONAR EN LA SALIDA UNA IMAGEN DE TENSION SENSIBLEMENTE PROPORCIONAL A LA TENSION DEL CONDENSADOR PRINCIPAL.
Description
Circuito de alimentación para un contador de
electricidad.
La presente invención se refiere a un contador de
electricidad electrónico que comprende un circuito metrológico
para medir el consumo de electricidad y un circuito de alimentación
que comprende un condensador principal alimentado por una red
eléctrica y un transformador de conmutación que tiene al menos un
primario arrollado alrededor del núcleo magnético del transformador
y al menos un secundario arrollado alrededor del primario, estando
conectado el primario al condensador principal a través de un
circuito de conmutación y estando conectado el secundario al
circuito metrológico.
El uso de un transformador ajustado por un
circuito de conmutación ("transformador de conmutación") en un
circuito de alimentación como convertidor "DC/DC" es bien
conocido en el contexto de los contadores electrónicos. El
condensador principal está conectado y desconectado en alternancia
al primario del transformador por el circuito de conmutación para
generar una tensión en el secundario del transformador. La tensión
obtenida de este modo se filtra y se suministra al circuito
metrológico. El transformador de conmutación está controlado para
suministrar una tensión relativamente constante al circuito
metrológico.
Este ajuste de tensión se efectúa normalmente
mediante un arrollamiento cerrado que vigila la tensión del
secundario y que envía una señal de control al circuito de
conmutación para controlar el tiempo de conexión del condensador
principal al transformador. El arrollamiento cerrado se arrolla
normalmente alrededor del núcleo magnético entre el primario y el
secundario. El arrollamiento cerrado tiene un acoplamiento fuerte
con el secundario para vigilar de manera precisa la variación de la
tensión en las salidas de los secundarios para generar la señal de
control enviada al circuito de conmutación.
Hay que destacar que la masa del circuito
metrológico a menudo es diferente de la del circuito de
alimentación. Por ejemplo, para un contador polifásico apto para
funcionar en el caso de una pérdida del neutro, el condensador
principal estará alimentado por una corriente que resulta de la
rectificación de todas las fases y del neutro efectuada en relación
con una masa que es común al rectificador y al circuito de
alimentación y que es diferente del neutro. En cambio, la masa del
circuito metrológico está constituida simplemente por el
neutro.
En el caso de un corte de corriente, la
alimentación del circuito metrológico estará garantizada durante un
periodo de tiempo por la carga almacenada en el condensador. Para
identificar un corte de corriente y determinar la cantidad de carga
que queda, el circuito metrológico tiene que vigilar la evolución
de la tensión en los bornes del condensador principal. Sin embargo,
dada la diferencia entre la masa del circuito de alimentación y la
del circuito metrológico, no es posible para el circuito
metrológico medir directamente la tensión.
En sistemas convencionales, una medida de la
tensión se hace a través de una interfaz aislante entre los dos
circuitos, por ejemplo, utilizando un optoacoplador o un
amplificador diferencial que puede medir la diferencia de potencial
entre los bornes del condensador. Estas soluciones son
relativamente caras y necesitan el uso de un gran número de
componentes para definir la interfaz.
El documento EP 0 129 454 se refiere a un
procedimiento de medición de la autonomía de una alimentación
eléctrica de conmutación y a un dispositivo para su
realización.
Uno de los objetos de la presente invención es
solucionar los problemas asociados con los sistemas conocidos para
permitir la vigilancia de la tensión del condensador del circuito
de alimentación con el mínimo de componentes adicionales.
Un contador de electricidad según la presente
invención se caracteriza por un circuito de vigilancia que
comprende un arrollamiento complementario arrollado alrededor del
núcleo magnético del transformador entre el núcleo magnético y al
menos una parte del primario, así como un circuito de integración
conectado en paralelo con el arrollamiento complementario y
dimensionado para suministrar una tensión sensiblemente
proporcional a la tensión del condensador principal.
El arrollamiento complementario, situado entre el
núcleo magnético del transformador y el primario, tiene un
acoplamiento muy fuerte con el primario. En cambio, está blindado
por el primario de los efectos de las corrientes circulantes en los
arrollamientos secundarios y en el arrollado cerrado. El efecto del
acoplamiento entre el arrollamiento complementario y el primario es
permitir al arrollamiento complementario seguir estrechamente la
evolución de la tensión en el condensador principal y proporcionar
así una indicación de una desconexión de corriente y una medición
de la carga que queda en el condensador.
El arrollamiento complementario puede arrollarse
directamente alrededor del núcleo magnético entre el núcleo
magnético y el primario. Sin embargo, otros modos de realizaciones
son posibles, por ejemplo, en los que el primario se divide en dos
partes, estando arrollado el arrollamiento complementario entre las
dos partes del primario. No obstante, el arrollamiento
complementario estará blindado por el primario en contra de los
efectos de las corrientes circulantes en los arrollamientos
secundarios y/o circulantes en un arrollamiento cerrado.
Tal como se entenderá, en comparación con los
sistemas de vigilancia convencionales, la solución de la presente
invención es poco costosa y puede implementarse con un pequeño
número de componentes.
Tal como se ha descrito anteriormente, en un
transformador de conmutación, la tensión del condensador se aplica
para un periodo de tiempo variable. Este periodo de tiempo está
determinado por la señal de control recibida, por ejemplo, del
arrollamiento cerrado. El objetivo de este sistema de control es
garantizar una tensión relativamente constante en las salidas del
secundario. El arrollamiento cerrado tiene un acoplamiento fuerte
con el secundario y genera una señal de control que responde
rápidamente a los cambios de tensión del secundario. Por tanto, es
imposible determinar el valor de la tensión del condensador
principal utilizando el valor de la tensión en la salida del
secundario.
En cambio, en el circuito de vigilancia, el
acoplamiento fuerte entre el arrollamiento complementario y el
primario, así como el acoplamiento débil entre el arrollamiento
cerrado y el arrollamiento complementario y la dimensión del
circuito de integración permiten al circuito de vigilancia
proporcionar una fiel imagen de la tensión del condensador, a pesar
de la conmutación de la tensión efectuada por el circuito de
conmutación.
Los valores exactos de los componentes en el
circuito de integración se elegirán por el fabricante en función de
otros parámetros del sistema, especialmente las tensiones y las
corrientes que circulan en el circuito, las dimensiones del
transformador, etc. Sin embargo, para garantizar un buen
funcionamiento del circuito de vigilancia, el circuito de
integración está dimensionado para tener una constante de tiempo
relativamente pequeña.
En un circuito de integración compuesto de un
condensador y de una resistencia, normalmente el valor de la
resistencia es relativamente elevado y normalmente el valor de un
condensador es relativamente bajo.
En comparación, el circuito de filtrado situado
entre un arrollamiento secundario y el circuito metrológico está
normalmente definido por una constante de tiempo relativamente
grande y está dotado con un condensador de gran tamaño.
Preferiblemente, el número de espiras del
arrollamiento complementario es relativamente pequeño en relación
con el número de espiras del arrollamiento primario. Por ejemplo,
en el caso de una relación de valor 40:1 entre la tensión del
condensador principal y la tensión medida por el circuito de
vigilancia, la relación entre el número de espiras del
arrollamiento complementario y el número de espiras del
arrollamiento primario puede tener un valor de 1:33. Tal como se
entenderá, el valor exacto de la relación depende de las
dimensiones del circuito, del acoplamiento entre el primario y el
núcleo magnético, del acoplamiento entre el núcleo magnético y el
arrollamiento complementario, etc.
Preferiblemente, el circuito de integración
también está dotado con un diodo para rectificar la corriente de
salida del arrollamiento complementario.
La presente invención se aplica especialmente a
un circuito de alimentación para un contador de electricidad con
un transformador de conmutación dotado con un arrollamiento cerrado
que vigila la tensión del secundario para suministrar una señal de
control al circuito de conmutación.
Se conocen otros modos de realizaciones de un
transformador de conmutación, por ejemplo, que utilizan un sensor
para medir directamente la tensión del secundario para generar la
señal de control aplicada al circuito de conmutación. Ahora bien,
un arrollamiento cerrado representa la solución óptima dada la
necesidad de aislar el primario del secundario del
transformador.
En un modo de realización preferido de la
presente invención, el transformador de conmutación tiene dos
secundarios que tienen una masa común y están arrollados alrededor
del transformador en sentidos contrarios entre sí para proporcionar
respectivamente una tensión positiva y una tensión negativa.
La mayoría de los circuitos metrológicos
utilizados en la medida de energía necesitan una alimentación apta
para suministrar una tensión positiva y una tensión negativa y este
modo de realización responde a esta necesidad.
La invención se entenderá mejor con la lectura de
la siguiente descripción de un modo de realización de la
invención, dada a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo y
que hace referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 muestra la arquitectura general de un
contador eléctrico;
la figura 2 muestra la arquitectura de un
convertidor continua/continua según la presente invención que
comprende un transformador acoplado con un regulador PWM;
la figura 3 es un esquema de la disposición
interna de los diferentes arrollamientos alrededor del núcleo
magnético en el transformador de la figura 2;
la figura 4 es la curva de la salida del
arrollamiento complementario en función de la tensión de los bornes
del condensador principal; y
la figura 5 muestra la evolución temporal de la
tensión de salida del arrollamiento complementario y de la tensión
de los bornes del condensador principal.
La figura 1 resalta la organización interna de un
ejemplo de contador trifásico que puede soportar una pérdida de
neutro. Este contador cuya referencia es 1 está formado de un
circuito de alimentación que comprende una parte 2 rectificador y
una parte 3 convertidor continua/continua, así como un circuito 4
metrológico. La primera parte, el circuito 2 rectificador, permite
la conexión del contador 1 a las tres fases L_{1}, L_{2},
L_{3} y al neutro N de la red trifásica y proporciona en la
salida una tensión continua a un condensador C_{o} principal. El
objetivo de la invención es obtener una imagen de esta tensión
continua en los bornes de C_{o} que se encuentra en la entrada
del circuito 3 convertidor continua/continua para detectar posibles
caídas de corriente en la red.
El circuito 2 rectificador y el circuito 3
convertidor, alimentan el circuito 4 metrológico. Tal como lo
muestra la figura 2, el circuito convertidor continua/continua
utilizado se compone de un circuito de conmutación con un regulador
20 PWM y de un transformador 5. También se reconoce en la entrada
el condensador C_{o} principal del que se quiere obtener la
imagen de la tensión.
Los circuitos de alimentación y el circuito
metrológico no tienen la misma referencia de potenciales. Así se
hace referencia al condensador C_{o}, al regulador 20 PMW y al
circuito 6 primario del transformador 5 en relación con la masa del
circuito, mientras que se hace referencia al conjunto del circuito
secundario compuesto por los elementos 7, 8, 10, que alimenta el
circuito metrológico, así como se hace referencia al propio
circuito metrológico en relación con el neutro. Tal como se
entenderá, es difícil hacer una medida directa de la tensión en los
bornes del condensador principal al nivel del secundario porque las
referencias de potenciales no son las mismas.
El transformador 5 utilizado, presentado en la
figura 3, está formado inicialmente de cuatro arrollamientos
sucesivos diferentes: un arrollamiento 6 primario que está
arrollado alrededor del núcleo 12 magnético, un arrollamiento 9
cerrado alrededor del arrollamiento 6 primario, un primer
arrollamiento 7 secundario alrededor del arrollamiento 9 cerrado y,
finalmente, un segundo arrollamiento 8 secundario alrededor del
primer arrollamiento 7 secundario. Para obtener una fiel imagen de
la tensión del condensador C_{o}, que se encuentra además en los
bornes del primario 6, un arrollamiento 10 complementario está
introducido entre el núcleo 12 magnético y el arrollamiento 6
primario según la presente invención.
Se desea obtener en la salida de los dos
circuitos secundarios una tensión continua y constante. Una tensión
positiva Vcc debe obtenerse en la salida del primer circuito
secundario y, de manera simétrica, una tensión negativa Vee debe
obtenerse en la salida del secundo circuito secundario. Por eso,
cada circuito secundario comprende un diodo, un condensador y una
resistencia situados en paralelo con el arrollamiento.
Se conecta por ejemplo un diodo D_{1} después
del arrollamiento 7, un condensador C_{1} y una resistencia
RL_{1} en paralelo con el arrollamiento y con el diodo para
obtener una tensión positiva Vcc. Asimismo, se conecta por ejemplo
un diodo D_{2} después del arrollamiento 8, un condensador
C_{2} y una resistencia RL_{2} en paralelo con el arrollamiento
y con el diodo para obtener una tensión negativa Vee.
El sentido de arrollamiento de los
arrollamientos, indicado en los esquemas de manera convencional por
el punto situado al lado de cada arrollamiento, y la orientación de
los diodos son inversos entre los 2 circuitos para obtener
respectivamente una tensión positiva en la salida del primer
circuito secundario y una tensión negativa en la salida de secundo
arrollamiento secundario.
El arrollamiento 9 cerrado unido a un diodo 21 y
a un condensador 24 vigila la tensión en los bornes de los
circuitos secundarios y tiene por función la modificación de la
tensión en el primario para obtener las tensiones continuas en la
salida de los circuitos secundarios. Hay un acoplamiento fuerte
entre el arrollamiento cerrado y los secundarios. Este circuito
cerrado, bajo la influencia de los circuitos secundarios, controla
el regulador PWM 20 y un transistor 11. Estos dos últimos forman un
circuito de conmutación que controla el tiempo de conexión del
condensador principal C_{o} en el arrollamiento 6 primario. Un
circuito 16, que comprende un diodo Zener y un diodo clásico,
además está introducido en paralelo al arrollamiento primario para
limitar la sobretensión debida a la fuerza electromotriz inducida
en la bobina de autoinducción del primario en el momento de la
apertura del circuito de conmutación. De manera similar, un diodo
Zener está situado en paralelo al transistor 11 para protegerle de
una tensión demasiado fuerte aplicada a sus bornes. Una resistencia
22 permite la polarización del diodo 23 Zener para gobernar el
transistor y proteger su entrada de las sobretensiones.
La posición de los arrollamientos en el
transformador 5 confiere a cada uno una función particular. Así, la
adición de un nuevo arrollamiento 10 según la invención no se
realiza obligatoriamente entre el núcleo 12 magnético y el primario
6 porque sólo debe experimentar la influencia del arrollamiento
primario. Tal como lo muestra la figura 3, el arrollamiento 10
complementario se encuentra alejado del arrollamiento 9 cerrado, y
por eso no desempeña ninguna función en la regulación que resulta
de este arrollamiento 9 cerrado y, a la inversa, no experimenta la
influencia de este arrollamiento.
Se toma por ejemplo un arrollamiento 6 primario
de 132 vueltas, un primer arrollamiento 7 secundario de 23 vueltas,
un segundo arrollamiento 8 secundario de 17 vueltas, un
arrollamiento 9 cerrado de 34 vueltas y un arrollamiento 10
complementario de 4 vueltas. Las 132 vueltas del arrollamiento
primario son suficientes para crear un blindaje alrededor del
arrollamiento complementario para que éste no experimente la
influencia del arrollamiento cerrado y el número de espiras del
arrollamiento complementario es pequeño en relación con el del
primario y poco costoso.
La figura 5 proporciona las indicaciones de los
valores de las tensiones en los bornes del condensador y de salida.
Para una tensión de 200 V en la entrada del circuito convertidor
continua/continua se obtiene una tensión de 5 V de salida. Existe
una relación de 40:1 entre las dos tensiones. La relación entre el
número de espiras del arrollamiento complementario y el número de
espiras del arrollamiento primario es preferiblemente de 1:33.
Finalmente, el arrollamiento complementario tiene
un acoplamiento muy fuerte únicamente con el primario. Gracias a
un diodo 13 unido al arrollamiento complementario y a un circuito
de integración de constante de tiempo muy débil, la tensión
obtenida en la salida es una fiel imagen de la tensión del primario
y, por tanto, de la de los bornes del condensador C_{o}. El
circuito de integración, definido por el condensador 14, la
resistencia 15, y el diodo 13, está dimensionado para permitir un
filtrado de la tensión y para no dar cuenta de la conmutación de la
tensión del arrollamiento primario generada por el circuito de
conmutación.
En este modo de realización, los componentes
utilizados en los circuitos de salidas de cada uno de los
arrollamientos 7, 8, 10, tienen los siguientes valores:
Condensador 14 = 100 nF
Condensador C1 = 220 \mu F
Condensador C2 = 220 \mu F
Resistencia 15 = 167,3 K\Omega
Resistencia RL1 = 62 \Omega
Resistencia RL2 = 250 \Omega
Los valores RL1 y RL2 estarán determinados más
precisamente por la resistencia del circuito metrológico del
contador.
La figura 4 muestra la relación de linealidad
obtenida entre la tensión de salida y la de los bornes del
condensador C_{o}. La figura 5 muestra la representación visual
de un osciloscopio conectado para comparar la evolución temporal de
la tensión de los bornes del condensador C_{o}, curva 17, y la de
la tensión de salida, curva 18. Con una ligera diferencia, la
tensión de salida reproduce la tensión de los bornes del
condensador C_{o}. Una variación de la tensión en los bornes del
condensador genera inmediatamente una variación de la tensión de
salida. Por tanto, una caída de tensión en la alimentación de la
red se reproducirá y se identificará instantáneamente en la
salida.
Claims (9)
1. Contador de electricidad electrónico que
comprende un circuito metrológico y un circuito de alimentación,
que comprende un condensador (C_{o}) principal alimentado por una
red eléctrica y un transformador (5) de conmutación que tiene al
menos un primario arrollado alrededor del núcleo (6) magnético del
transformador y al menos un secundario arrollado alrededor del
primario (10), estando conectado el primario al condensador
principal a través de un circuito (20, 11) de conmutación y estando
conectado el secundario al circuito metrológico,
caracterizado por un circuito de vigilancia que comprende un
arrollamiento (10) complementario arrollado alrededor del núcleo
magnético del transformador entre el núcleo magnético y al menos
una parte del primario, así como un circuito (14, 15) de
integración conectado en paralelo con el arrollamiento
complementario y dimensionado para proporcionar una tensión (SPY)
entre los puntos de conexión de la salida del circuito de
integración prácticamente proporcional a la tensión del condensador
principal.
2. Contador de electricidad electrónico según la
reivindicación 1, en el que el circuito de integración está
dimensionado para tener una constante de tiempo relativamente
pequeña en relación con un circuito de filtrado del circuito
metrológico.
3. Contador de electricidad electrónico según la
reivindicación 1 ó 2, en el que el circuito de integración está
compuesto de un condensador y de una resistencia y siendo el valor
de la resistencia relativamente elevado y siendo el valor del
condensador relativamente bajo en relación con un circuito de
filtrado del circuito metrológico.
4. Contador de electricidad electrónico según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el número de
espiras del arrollamiento complementario es relativamente pequeño
en relación con el número de espiras del arrollamiento primario.
5. Contador de electricidad electrónico según la
reivindicación 4, en el que la relación entre el número de espiras
del arrollamiento complementario y el número de espiras del
arrollamiento primario tiene un valor de 1:33.
6. Contador de electricidad electrónico según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el circuito de
integración también está dotado con un diodo para rectificar la
corriente de salida del arrollamiento complementario.
7. Contador de electricidad electrónico según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el
transformador de conmutación está dotado con un arrollamiento
cerrado que vigila la tensión del secundario para proporcionar una
señal de control al circuito de conmutación.
8. Contador de electricidad electrónico según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el
transformador de conmutación tiene dos secundarios que tienen una
masa común y están arrollados alrededor del transformador en
sentidos contrarios entre sí para proporcionar respectivamente una
tensión positiva y una tensión negativa.
9. Contador de electricidad electrónico según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que se hace
referencia al condensador principal y al primario del transformador
en relación con una primera masa y se hace referencia al circuito
metrológico y al secundario en relación con el neutro.
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