Come proteggere i sistemi di comunicazione a onde convogliate (PLC): due tecnologie da conoscere

I progettisti di infrastrutture energetiche intelligenti, come le smart grid, i smart meter e l'illuminazione stradale intelligente, hanno bisogno di comunicazioni affidabili, economiche e sicure. Sebbene le tecnologie wireless abbiano un loro ruolo, le vulnerabilità, i costi e le limitazioni di copertura presentano sfide significative. La tecnologia PLC (comunicazione a onde convogliate, che consente il trasferimento di dati attraverso le linee elettriche esistenti, è una buona tecnologia di base per le comunicazioni critiche.

Sebbene il PLC sia ben definito e ampiamente utilizzato, i progettisti devono essere consapevoli di alcuni problemi che possono disturbare la comunicazione, come l'attenuazione del segnale, il rumore e i transitori di tensione. Per affrontare questi problemi sono necessarie soluzioni pratiche ed efficienti che garantiscano prestazioni ottimali. Due di queste soluzioni sono i trasformatori PLC e gli scaricatori di sovratensione GMOV.

I trasformatori PLC sono ottimizzati per ridurre al minimo la perdita di inserzione nelle applicazioni a banda stretta (NB). Inoltre, riducono l'isolamento galvanico e le interferenze elettromagnetiche (EMI), migliorando la qualità e l'affidabilità del segnale. Il GMOV è un componente ibrido di protezione dalle sovratensioni che combina un tubo a scarica di gas (GDT) e un varistore metallo-ossido (MOV). È stato progettato per superare le limitazioni e i problemi di guasto dei MOV standard, che sono suscettibili di degradazione e fuga termica in ambienti difficili e non controllati.

Questo articolo illustra brevemente come funziona un PLC e perché è adatto alle infrastrutture intelligenti. Presenta quindi esempi di trasformatori PLC e di protettori GMOV di Bourns, di cui viene illustrato il funzionamento oltre ad alcuni fattori da considerare nella scelta e nell'applicazione.

Funzionamento di un PLC, applicazioni e sfide

In un sistema PLC, i dati da trasmettere vengono modulati su un segnale portante e iniettati nella linea elettrica. I dettagli variano molto da un'applicazione all'altra, ma l'IEEE 1901.2 è lo standard globale per le reti elettriche. Specifica le comunicazioni NB a bassa frequenza (≤500 kHz) fino a 500 kbps, ed è adatto ad applicazioni come smart grid, smart meter e illuminazione stradale intelligente.

Sebbene la tecnologia PLC si sia dimostrata una soluzione utile per i progettisti di infrastrutture energetiche intelligenti, non è priva di sfide. Gli ostacoli alla progettazione includono l'attenuazione del segnale, il rumore e i transitori di tensione, tutti fattori che possono degradare in modo significativo la qualità e l'affidabilità delle comunicazioni. Nello specifico:

• L'attenuazione del segnale è un problema perché i segnali PLC utilizzano linee progettate per l'alimentazione, non per i dati. Queste linee hanno caratteristiche di impedenza che possono imporre una notevole attenuazione, soprattutto su lunghe distanze. La conseguente diminuzione dell'intensità del segnale può ridurre la portata effettiva e potenzialmente portare a perdite o errori di dati.
• Il rumore può essere introdotto da varie fonti, come gli apparecchi elettronici collegati alle linee elettriche, le variazioni di alimentazione e le EMI esterne. La natura relativamente ad alta frequenza dei segnali di dati PLC li rende particolarmente suscettibili a queste fonti di rumore in una rete elettrica non schermata.
• I transitori di tensione possono verificarsi a causa di fulmini o della commutazione di carichi induttivi. Questi transitori possono indurre alte tensioni sulla linea elettrica, danneggiando potenzialmente i modem PLC.

Per affrontare le sfide dei sistemi PLC, i progettisti hanno a disposizione due tecnologie chiave da applicare: i trasformatori PLC e i protettori GMOV. Entrambi svolgono un ruolo fondamentale nel garantire l'affidabilità, le prestazioni e la sicurezza dei sistemi PLC.

Revisione di progetto: trasformatori PLC e GMOV nel circuito di accoppiamento

Per illustrare le problematiche che i trasformatori PLC e i GMOV possono risolvere, si consideri il circuito di accoppiamento illustrato nella Figura 1. Questo circuito deve isolare il modem PLC (Z_Module) dalla linea di rete (Z_Line) e fornire un percorso al segnale dati. A tal fine, il circuito di accoppiamento deve gestire sia le comunicazioni ad alta frequenza e bassa potenza, sia la c.a. a bassa frequenza e alta potenza.

Figura 1: Un circuito di accoppiamento semplificato con protezione dalle sovratensioni che isola il modem PLC (Z_Module) dalla linea di rete (Z_Line), fornendo al contempo un percorso al segnale dati. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Il trasformatore PLC (T1) fornisce l'isolamento galvanico tra il modem PLC e la linea di alimentazione, contribuendo a separare il PLC dalla rete c.a. Una caratteristica fondamentale di questi trasformatori è la perdita di inserzione minima, che riduce la distorsione e l'attenuazione del segnale. Ad esempio, la Figura 2 mostra le prestazioni dei trasformatori PLC serie PFB di Bourns, ottimizzati per applicazioni NB al di sotto dei 500 kHz. Inoltre, la capacità di un trasformatore PLC di sopprimere le EMI aiuta a ridurre il rumore, contribuendo a una comunicazione più affidabile ed efficiente.

Figura 2: Grafico della perdita di inserzione in funzione della frequenza per i trasformatori PLC serie PFB, progettati per applicazioni NB al di sotto dei 500 kHz. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Anche nella Figura 1 i transitori di tensione sono gestiti dal protettore GMOV (Figura 3). Questo nuovo dispositivo è un componente ibrido di protezione dalle sovratensioni che integra la rapidità di risposta di un MOV e l'elevata capacità di gestire le alte correnti transitorie di un GDT. Questa combinazione fornisce una solida protezione contro i transitori di tensione causati da fulmini o eventi di commutazione che possono danneggiare i circuiti elettronici nei sistemi PLC.

In un GMOV, i componenti MOV e GDT sono accoppiati in modo capacitivo in una configurazione in serie. In condizioni di bassa frequenza, la limitazione di tensione del componente GMOV è uguale alla somma delle limitazioni di tensione dei componenti MOV e GDT.

Figura 3: Il GMOV combina la rapidità di risposta di un MOV con l'elevata capacità di gestire le alte correnti transitorie di un GDT. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

A differenza dei MOV standard, soggetti a deterioramento e alla fuga termica, il protettore GMOV è capace di resistere in ambienti difficili e non controllati. Il componente MOV blocca le tensioni eccessive a livelli di sicurezza, mentre il GDT funge da dispositivo di sicurezza in caso di picchi transitori estremi. Questa funzione reindirizza l'energia eccessiva lontano dal MOV, prolungandone la durata e riducendo la probabilità di guasti al sistema.

Considerazioni sulla progettazione dei trasformatori PLC e dei protettori GMOV

La progettazione di un circuito di accoppiamento di linea per un sistema PLC richiede un'attenta considerazione dei componenti chiave e delle loro interazioni. Ecco alcuni degli aspetti da considerare nella progettazione.

Requisiti del sistema PLC: prima di iniziare la progettazione, è necessario conoscere i requisiti del sistema PLC. Ciò include la velocità di trasmissione dei dati richiesta, il raggio d'azione, il tipo di linee elettriche su cui opererà e le condizioni ambientali a cui sarà esposto.

Sicurezza e conformità: la sicurezza è particolarmente importante per i progetti accessibili agli utenti o agli addetti alla manutenzione. A seconda dell'applicazione, il progetto può richiedere la conformità alla norma EN 62368-1 (apparecchiature informatiche e audiovisive) o alla norma EN 61885 (reti di comunicazione e automazione delle utenze elettriche).

Dal punto di vista delle comunicazioni, i progetti devono essere conformi allo standard europeo CENELEC EN 50065-1, che definisce i livelli massimi di segnale e le bande di frequenza della portante consentite.

Selezione di un trasformatore PLC: verificare che il trasformatore soddisfi i requisiti di frequenza, tensione e impedenza di funzionamento. Ad esempio, la serie PFB di Bourns, citata in precedenza, è ottimizzata per le applicazioni NB PLC (NB-PLC), che la rendono adatta al funzionamento su lunghe distanze. Grazie al supporto di intervalli di bassa e media tensione, la serie PFB può essere utilizzata sia in ambienti interni che esterni.

Assicurarsi di scegliere un trasformatore con un rapporto di spire che consenta all'impedenza del modem PLC di corrispondere all'impedenza della linea elettrica. Spesso non è possibile modificare l'impedenza del modem, quindi il trasformatore deve essere scelto con cura per la corrispondenza di impedenza finalizzata alla trasmissione efficiente del segnale.

Si consideri anche l'ambiente applicativo. Ad esempio, la serie PFB è disponibile sia in forma standard che allungata. Il modello standard PFBR45-ST13150S è progettato per l'uso all'interno di alloggiamenti protetti, mentre il modello allungato PFB45-SP13150S aggiunge caratteristiche di sicurezza per l'uso in aree accessibili agli addetti alla manutenzione o agli utenti. L'isolamento rinforzato di quest'ultimo modello protegge dal contatto elettrico e isola l'utente finale dalle tensioni di ingresso pericolose. La Figura 4 illustra le caratteristiche principali dei due modelli.

Figura 4. Il trasformatore PLC allungato PFB45-SP13150S presenta caratteristiche di sicurezza più robuste rispetto al modello PFBR45-ST13150S. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Selezione di un protettore GMOV: per scegliere il protettore adatto, considerare i tipi di sovracorrenti transitorie e di transitori di tensione che il sistema potrebbe affrontare. Ad esempio, Bourns offre protettori GMOV da 14 mm, come il modello GMOV-14D301K, che supportano sovracorrenti transitorie di 6 kA e varianti da 20 mm, come il modello GMOV-20D151K, che supportano sovracorrenti transitorie di 10 kA. In particolare, entrambe le varianti da 14 e 20 mm sono compatibili con i MOV standard in termini di dimensioni e ingombro. La Figura 5 fornisce l'elenco completo delle configurazioni disponibili per questi dispositivi.

Figura 5: I protettori GMOV sono disponibili nelle varianti da 14 e 20 mm, con quest'ultima che supporta sovracorrenti transitorie più elevate. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

È inoltre importante tenere presente la capacità e la corrente di dispersione. Una capacità elevata può ostacolare la trasmissione dei dati nei sistemi PLC. La bassa capacità del protettore GMOV di Bourns, inferiore a 2 pF, riduce al minimo la distorsione del segnale, il che significa che non influisce significativamente sulla trasmissione dei dati attraverso le linee elettriche.

I protettori GMOV di Bourns hanno inoltre una corrente di dispersione inferiore a 1 µA. Anche se le perdite possono sembrare una questione banale, nelle applicazioni su scala urbana si sommano. Ad esempio, in un'applicazione di illuminazione stradale con una corrente di dispersione di 10 µA, moltiplicando questo valore per il milione di lampioni presenti in una tipica area urbana, la perdita di energia dovuta alle dispersioni diventa significativa.

Conclusione

L'avvento delle infrastrutture energetiche intelligenti, caratterizzate da smart grid, smart meter e illuminazione stradale intelligente, ha portato alla ribalta la necessità di sistemi di comunicazione affidabili, economici ed efficienti. Come mostrato, il PLC è un'opzione adatta, in particolare se supportato da trasformatori PLC specializzati e protettori GMOV per garantire la qualità e l'affidabilità del segnale e per proteggere dai transitori o dalle sovratensioni, riducendo al minimo la corrente di dispersione.