L’importanza dello Shunt nella misura di potenza

ANALIZZATORI DI POTENZA –

Newtons4th ha creato una linea di Power Analyzer caratterizzata da un ottimo rapporto tra prezzo e prestazioni.

Rapidi sviluppi nelle tecnologie di conversione di potenza combinate con la necessità di migliore efficienza creano nuove pressioni ai progettisti di sistemi di potenza moderni per quantificare più accuratamente il vero valore della potenza elettrica. Questo ha creato una maggiore attenzione all'accuratezza degli strumenti per la misura della potenza ed è diventato chiaro che caratteristiche di potenza complesse, associate a tecniche moderne di conversione di potenza richiedono performance in alta frequenza che sono al di fuori delle specifiche di analizzatori di potenza convenzionali. Per esempio, possiamo considerare il segnale di tensione associato a un inverter Pwm: Chiaramente, se vogliamo quantificare accuratamente la potenza totale, dobbiamo includere tutte le componenti in frequenza del segnale. Questo può sembrare chiaro a prima vista in quanto diversi strumenti offrono un appropriato range in frequenza ma in molti casi, misure di potenza con elevate accuratezza sono fatte in range di frequenza limitati. Questo è illustrato dalla linea di risposta 1 che rappresenta l'accuratezza tipica di molti analizzatori di potenza rispetto alla linea 2 che rappresenta un analizzatore di potenza che mantiene l'elevata accuratezza nel suo range operativo di frequenza.

Disegno hardware
Una delle sfide maggiori nell'ottenere un'ottima accuratezza nella misura di potenza nell'intero range di frequenza è l'hardware degli ingressi di tensione e corrente. Per l'ingresso di tensione, la risposta in frequenza è largamente influenzata dalla capacità parassita e per l'ingresso in corrente dove è usato uno shunt a bassa resistenza, la risposta in frequenza è largamente influenzata dall'induttanza parassita. Ne consegue che le specifiche a larga banda di un analizzatore di potenza possono essere ottimizzate minimizzando la reattanza capacitiva dell'ingresso in tensione e la reattanza induttiva dell'ingresso in corrente. Normalmente, la migliore possibilità per uno strumento di potenza AC è di utilizzare uno shunt di corrente a bassa induttanza. Questo è particolarmente difficile in un analizzatore di potenza perché la resistenza dello shunt deve essere bassa in modo che la potenza dissipata sia minimizzata. Comunque, siccome l'induttanza parassita di un componente è funzione della sua geometria, ne consegue che uno shunt di una particolare geometria avrà un errore di fase maggiore se la resistenza è ridotta, in quanto la stessa induttanza rappresenterà una porzione maggiore dell'impedenza totale. Siccome l'impedenza induttiva aumenta con la frequenza, ne consegue che gli errori associati all'induttanza parassita aumentano con la frequenza.

Soluzioni convenzionali
Per ridurre la componente induttiva di uno shunt resistivo, diverse tecniche sono usate per ottenere la cancellazione del campo magnetico, tutte con l'obbiettivo di creare flussi di corrente adiacenti uguali ed opposti. Diverse sono le tecniche comunemente utilizzate: resistenze assiali con avvolgimento in parallelo; foglio di resistenza modellato; shunt coassiale.

Una soluzione innovativa
Mentre la cancellazione di campo di uno shunt coassiale è buona, le dimensioni fisiche, la complessità meccanica e i costi sono proibitivi ragion per cui questa tecnica è poco utilizzata. In ogni caso, una società innovativa nella strumentazione per la misura di potenza nel Regno Unito ha sviluppato e perfezionato una tecnologia che raggiunge una cancellazione di campo uguale al miglior shunt coassiale mantenendo bassi i costi di produzione permettendone l'utilizzo sugli analizzatori di potenza a livello commerciale. Siccome il costo dello shunt coassiale è principalmente nella materia prima, nella lavorazione e nell'assemblaggio di uno shunt che incorpora tre dimensioni, l'obiettivo per questo disegno innovativo era di ottenere una cancellazione di campo ottimale su un normale Pcb piatto. La scheda richiede un piano conduttore più sottile di quelli normalmente utilizzati combinati con uno strato di isolamento tra I conduttori, che ottimizza la cancellazione di campo, e uno strato di laminato esterno per fornire la resistenza meccanica. Usando le piste collegate centralmente alle resistenze a montaggio superficiale che sono posizionate sul lato esterno della scheda, viene raggiunto il miglior bilanciamento tra lo scambio di potenza tra le resistenze e la cancellazione del campo.

Comparazione di impedenza e fase
Per capire la risposta di Fase e Impedenza di questo nuovo shunt rispetto ai modelli a bassa induttanza disponibili sul mercato, è stato fatto un confronto tra tre modelli che mostra i valori nominali di resistenza e induttanza.

 Shunt  Resistenza  Induttanza
 PCL series  15 mΩ  20 nH
 RO10-F1-K2  10 mΩ  10 nH
 Newtons4th
Current Shunt
 10 mΩ 250 pH

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