Misurare la resistenza di isolamento

Nelle applicazioni ad alta tensione, come ad esempio i motori industriali, le produzioni di energia solare e i sistemi per la gestione della batteria dei veicoli elettrici, la misurazione della resistenza di isolamento è determinante per stabilire se il sistema possa essere messo in funzione senza gravi problemi di sicurezza. In condizioni di alta tensione, un guasto di isolamento può causare elevate dispersioni di correnti, danni al sistema e lesioni all’utente. La resistenza di isolamento deve essere misurata periodicamente poiché è soggetta a degrado precoce a causa dell’alta tensione elettrica e della sollecitazione termica. Pertanto, è importante che il sistema sia installato con una funzione di misurazione della resistenza di isolamento per monitorare il degrado e adottare misure preventive prima che si verifichi un malfunzionamento. Di seguito viene spiegato il modo in cui gli optoaccoppiatori possono garantire l’isolamento dell’alta tensione e attivare la funzione di misurazione della resistenza all’isolamento nel sistema.

Il principio di funzionamento

Per determinare la resistenza di isolamento, si applica al sistema una tensione continua maggiore di 500 V. Per i motori industriali, lo standard Ieee 43-200 fornisce le linee guida della tensione Cc, come mostrato nella Tab. 1. La tensione, Vsense (rilevata) viene quindi rilevata attraverso uno shunt, Rshunt per determinate la dispersione di corrente, Ileakage. La resistenza di isolamento, Riso del motore che si avvolge alla struttura può essere quindi calcolata applicando la legge di Ohm, come mostrato in Fig. 1. Rsel la rete di resistenza è utilizzata per selezionare e coprire l’intera gamma della resistenza di isolamento. Usando lo stesso standard Ieee come riferimento, la regola di base generale per un’ottima resistenza di isolamento è superiore a 10 MΩ. Per la produzione di energia solare, le norme Din En 61646, Din Iec 61215 e Din Vde 0126-1-1 specificano lo standard per i moduli fotovoltaici (Riso > 40 MΩm2) e per gli invertitori (Riso > 1 kΩ/V, 500 kΩ minimo). Poiché durante la misurazione della resistenza di isolamento viene applicata l’alta tensione (>500 V), è richiesto un isolamento galvanico per separare e proteggere il microcontrollore a bassa tensione e l’utente che utilizza l’attrezzatura. Sebbene l’isolamento e la misurazione della resistenza di isolamento possano essere eseguiti tramite semplici isolatori analogici e digitali con sensori di tensione e interruttori separati, Broadcom possiede un ampio portafoglio di optoaccoppiatori con funzioni integrate per offrire una soluzione compatta e semplice da utilizzare.

Optoaccoppiatori per la misurazione della resistenza di isolamento 

Gli optoaccoppiatori di Broadcom sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni ad alta tensione in ambito industriale e automobilistico, come gli invertitori nelle unità di comando per motori e la trazione nei veicoli elettrici. Uno dei motivi è il fatto che l’optoaccoppiatore può fornire un isolamento galvanico potenziato certificato secondo le norme di sicurezza Iec/En/Din, UL e Csa. L’altro motivo è che l’optoaccoppiatore possiede un’elevata immunità ai transitori di modo comune per mantenere l’integrità del segnale negli ambienti rumorosi industriali e automobilistici. La Fig. 2 mostra come l’isolamento, i relè e il sensore di tensione della Fig. 1 possono essere sostituiti con il relè a stato solido isolato ASSR-601J/JV/JT e il sensore di tensione ACPL-C87B/C87BT di Broadcom. L’ASSR-601J e l’ASSR-601JV/JT sono relè a stato solido fotovoltaici Mosfet per le applicazioni industriali e automobilistiche a 125°C. L’ASSR-601J è composto di uno stadio di ingresso Led accoppiato otticamente per commutare due Mosfet ad alta tensione separati con una tensione di ripartizione maggiore di 1500 V. Anche l’isolamento tra lo stadio di ingresso e l’uscita del Mosfet è certificato secondo la norma Iec 60747-5-5 con una tensione di impiego di 1414 Vpeak. La tensione di ripartizione e l’ingresso del Mosfet per la tensione di isolamento in uscita fa sì che l’ASSR-601J sia idoneo per i test di tensione della resistenza di isolamento fino a 1000 V. A un test di tensione delle resistenza di isolamento applicata di 1000 V, l’ASSR-601J disattivato ha una dispersione di corrente minore di 1 µA. Ciò si traduce in una resistenza a vuoto di 1 GΩ, due volte superiore di una resistenza di isolamento buona di 10 MΩ, facendo sì che sia un interruttore ideale per la misurazione della resistenza di isolamento. L’ASSR-601J ha una resistenza molto ridotta di 100 Ω, che non interferisce sulla precisione della misurazione, e una corrente di carico massima ammissibile di 50 mA. Solitamente ciò è più che sufficiente rispetto a meno di 10 mA tipico dell’applicazione. Per l’applicazione ad alte temperature, come i sistemi per la gestione della batteria dei veicoli elettrici, la categoria automobilistica dell’ASSR-601JV ha una dispersione di corrente a vuoto garantita minore di 1 µA (fino a 105 ºC) e dell’ASSR-601JT minore di 5 µA (fino a 125 °C). L’alta proprietà di resistenza a vuoto è determinante perché la resistenza di isolamento degrada con l’aumento della temperatura. Lo standard Ieee 43 afferma che la resistenza si dimezza per ogni aumento di temperatura di 10 °C. In altre parole, la resistenza di isolamento misurata a temperatura ambiente deve essere ridotta di un fattore di correzione della temperatura durante il funzionamento a temperature elevate. Si deve comunque sottolineare che la proprietà della dispersione di corrente a vuoto ad alte temperature dell’ASSR-601JV e dell’ASSR-601JT non interferisce con la misurazione della resistenza di isolamento a dispetto delle condizioni della temperatura di funzionamento. Il contenitore dell’ASSR-601J è specificatamente progettato per soddisfare i requisiti di isolamento funzionale e riduce la possibilità di innesco ad arco elettrico sui pin di uscita, se si applica l’alta tensione. L’ASSR-601J è equivalente ai relè elettromeccanici 1 Forma A di un contenitore Soic a 16 pin di 300 mil. Tale contenitore garantisce una distanza di dispersione maggiore di 5 mm tra i pin di scarico dei Mosfet ai pin di uscita. L’isolamento funzionale richiede una distanza di dispersione di 1 mm per ogni 200 V di tensione applicata. Questo contenitore consente un test di tensione di una resistenza di isolamento fino a 1000 V. I sensori di tensione del ACPL-C87B e del ACPL-C87BT sono amplificatori di isolamento ottico specificatamente progettati per il rilevamento della tensione nelle applicazioni industriali e automobilistiche a 125ºC. Sono certificati secondo la norma Iec 60747-5-5 con una tensione di impiego di 1414 Vpeak, che si adatta ottimamente al test di tensione per la resistenza di isolamento fino a 1000 V. L’ACPL-C87B/C87BT ha una tolleranza di ±0,5%, una linearità eccellente, un’ampia gamma d’ingresso di 2 V e, cosa più importante, un’elevata impedenza di ingresso di 1 GΩ, idonea per la rilevazione della tensione isolata negli shunt. È opportuno sottolineare che la resistenza shunt, generalmente, ha una resistenza minima di 2 kΩ. In una connessione parallela, l’impedenza di ingresso del sensore di tensione interferisce sulla precisione oppure dovrà essere compensata. Un’impedenza di ingresso di 1 GΩ, che è superiore di 6 livelli rispetto allo shunt, ha un impatto irrilevante (minore dello 0,001%) sulla resistenza generale dello shunt, e quindi sulla precisione della corrente dello shunt.

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