Topologia Shunt em Três

Autores: Salil JAIN, Staff Engineer, STMicroelectronics, Alok Kumar MITTAL, Senior Group Manager, STMicroelectronicsMarilena Gaetana SAMBATARO, Application Manager, STMicroelectronics

Este artigo elucida os projetos de referência do medidor de energia inteligente trifásico desenvolvido pela STMicroelectronics e as vantagens dos shunts sobre os sensores de corrente para metrologia polifásica.

Atualmente, as pessoas estão cada vez mais preocupadas em monitorar e controlar o consumo de energia, seja de máquinas pesadas ou eletrodomésticos. Conforme mostrado na figura 1, as soluções de medição baseadas em Shunt, em combinação com a nova tecnologia avançada de isolamento galvânico da STMicroelectronics, apresentam várias vantagens sobre o método tradicional de detecção de corrente do transformador de corrente (TC):

A STMicroelectronics fornece soluções confiáveis ​​para medição, em conformidade com os mais recentes padrões disponíveis (EN 50470-x, IEC 62053-2x, ANSI12.2x) para medidores de watt AC.

Os TCs são usados ​​extensivamente na indústria de medição para medir a Corrente Alternada (CA). Possui um núcleo ferromagnético, um enrolamento primário e um secundário de fio de cobre.

O fio de fase ou neutro no qual a corrente a ser medida passa pelo anel do TC. A CA no fio de fase (primário) produz um campo magnético alternado no núcleo que então induz uma CA no enrolamento secundário do TC. O número de voltas nos enrolamentos primário e secundário é escolhido para dimensionar a corrente primária para um valor mensurável. Um resistor de carga conectado ao enrolamento secundário produz uma tensão de saída com base na quantidade de corrente que flui através dele.

A Figura 2 mostra um medidor de energia tradicional baseado em TC. Algumas vantagens que tornam o TC universal no projeto de medição são:

Portanto, a principal razão por trás do uso do TC é a segurança contra riscos de alta tensão.

Pelos motivos acima, vale a pena considerar topologias utilizando shunt para medidores trifásicos.

Os shunt podem ser usados ​​para muitas aplicações como diodo shunt, proteção de circuito e medição de corrente. Para medição de corrente, existem poucas variantes de shunts que são usadas.

Para os projetos mencionados abaixo, um shunt de cinco terminais é usado para medir a corrente que está sendo consumida. É um resistor de 3W e ​​0,3 mΩ. Um ganho de pré-amplificação de 16x no canal de corrente, selecionável para ambos os dispositivos de metrologia (STPMS2 e STPM32/STPM33) garante uma faixa de corrente de até 100A. A tensão através do resistor shunt, proporcional à corrente de entrada, é detectada pelos ADCs desses dispositivos.

O STPM3x é uma família de Produtos Padrão de Aplicação Específica (ASSP) projetada para medição de alta precisão de potência e energia em sistemas de linha de energia.

O STPMS2, um modulador sigma-delta de segunda ordem e dois canais de 24 bits, pode medir tensão e corrente para cada fase. Em seguida, ele superamostra os sinais usando um clock sincronizado de 4MHz e multiplexa os fluxos de bits sigma-delta de tensão e corrente em um único pino de saída.

Em soluções baseadas em shunt, é obrigatório isolar as fases umas das outras, pois a diferença de potencial na Placa de Circuito Impresso (PCB), devido ao contato direto com o fio da rede, pode estar na faixa de centenas de volts. Isso pode produzir uma corrente de descarga que destruiria a placa e os equipamentos conectados a ela. O isolamento é obtido usando o STISO621, um isolador digital de canal duplo baseado na tecnologia de isolamento galvânico de óxido espesso de 6kV da ST para transferir dados entre domínios isolados em uma variedade de aplicações industriais.

Como podemos ver na figura 3, um isolador é usado entre o microcontrolador e o dispositivo de medição STPM32 ou STPMS2.

Os consumidores que desejam controlar suas contas de eletricidade e as indústrias onde a potência precisa, energia e fator de potência de máquinas pesadas devem ser monitorados, este medidor (como mostrado na figura 4) fornece uma maneira de detectar e controlar a potência e o consumo de energia. Ele calcula todos os parâmetros metrológicos essenciais para medir cada miliwatt de energia consumida pela indústria ou residência. O IC de medição STPM32 e o microcontrolador STM32L486 são usados ​​para este projeto.