BR102014030213B1 - Transformador de corrente com núcleo de lâminas de grãos orientados com ponte de desvio de fluxo magnético utilizado em dispositivo de interrupção - Google Patents

Abstract

transformador de corrente com núcleo de lâminas de grãos orientados com ponte de desvio de fluxo magnético utilizado em dispositivo de interrupção. a presente invenção revela um transformador compreendendo, um núcleo (15) de lâminas de aço magnéticas, enrolamentos (16) primário e (17) secundário que envolvem o circuito (35;36) magnético principal do transformador (29), possuindo orientação de grãos (e;e1) e uma ponte (20;20') de desvio de fluxo magnético onde a predominância da dita ponte (20;20') tem seus grãos orientados em direção transversal à direção do fluxo magnético circulante no dito núcleo (15) magnético,nos quais através de sua bobina (17) secundária ou de alimentação, pode suprir eletricamente circuitos eletrônicos de controle e comando do dispositivo (24) de interrupção tais como um disjuntor de caixa moldada.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[01]A presente invenção refere-sea aparelhos elétricos, mais particularmente um transformador de corrente, onde existe uma estrutura ou núcleo de um circuito magnético, associado a um enrolamento primário, que pode ser considerado como um condutor único ou um enrolamento de uma ou "n" espiras, um enrolamento secundário composto por uma ou "n" espiras e um circuito magnético de derivação, no qual um enrolamento secundário pode suprir eletricamente circuitos eletrônicos de controle e comando utilizados em dispositivos de interrupção, tais como um disjuntor de caixa moldada.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[02] Nas aplicações de transformadores de corrente utilizados em dispositivos de interrupção, tais como disjuntores de caixa moldada termomagnéticos, os transformadores de corrente apresentavam tipicamente um comportamento de geração de corrente linear no enrolamento secundário ao longo da faixa de operação. Este enrolamento secundário é normalmente interligado a um elemento bimetálico, responsável pelo disparo térmico de um dispositivo de interrupção.

[03] Atualmente, a possibilidade de incorporação da eletrônica de controle e comando a dispositivos de interrupção permite uma ampliação da faixa de operação de monitoramento em um mesmo equipamento. Foi gerada desta forma uma nova necessidade relacionada ao controle da corrente induzida no enrolamento secundário dos transformadores de corrente, em que o enrolamento secundário do transformador não mais é conectado a um elemento bimetálico e sim a um circuito de alimentação eletrônico e os valores de saida destinados a esta alimentação devem ser mais estáveis e limitados ao longo da faixa de operação, apresentando um comportamento não-linear de geração de corrente no enrolamento secundário, de forma a reduzir a geração de calor neste enrolamento e no circuito eletrônico nas faixas superiores de atuação do dispositivo de interrupção e, como consequência, permitir uma melhor eficiência e compactação proporcional do tamanho do conjunto, quando comparados a um conjunto transformador de corrente de comportamento linear convencional.

[04] São conhecidas diversas técnicas para a limitação da corrente gerada pelo dispositivo transformador de corrente, no enrolamento secundário, em regime nominal de operação e também em situações anormais, onde um núcleo magnético contendo um circuito de derivação ou desvio, o qual inclui algum tipo de restrição, como um entreferro, atua juntamente com o circuito principal do núcleo magnético, visando a referida limitação da corrente. No entanto, a inserção do entreferro pode gerar problemas de construção no punção de estampo em processos industriais quando este entreferro possuir pequenas dimensões, desta forma requerendo materiais especiais e manutenção periódica nos ferramentais. Além disto, o empilhamento das lâminas de aço magnético no núcleo pode gerar erros dimensionais de forma e posição, aumentando a necessidade de controles dimensionais a este entreferro.

[05] Portanto, o domínio do dimensionamento magnético e o controle de aquecimento, bem como a produção econômica de um transformador de corrente são fundamentais em aplicações relacionadas ao uso de circuitos elétricos e eletrônicos associados.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

[06 ] Transformadores de correntes são utilizados há muito tempo, onde os tipos mais comuns possuem uma resposta linear para a corrente induzida pelo seu enrolamento primário ao enrolamento secundário. Os transformadores de corrente mais recentes, utilizando um circuito magnético de derivação ou desvio, apresentam uma resposta não linear, amenizando a geração de corrente no enrolamento secundário e, por consequência redução de calor no referido enrolamento em relação a um aumento da corrente no condutor primário durante o funcionamento. Esta configuração de transformador de corrente é muito utilizada em dispositivos de interrupção com controles eletrônicos incorporados, onde o transformador é utilizado em um circuito de alimentação, ligado a uma unidade de controle.

[07] Diferentes construções têm sido propostas para a utilização de um núcleo magnético eficientemente construído em transformadores e outros semelhantes, em que o núcleo apresenta um circuito magnético principal e um circuito magnético auxiliar de derivação, sendo estas construções concebidas através do dimensionamento adequado de áreas controladas de passagem do fluxo. Nestas construções do núcleo magnético, lâminas de aço magnético, com ou sem a adição de silício foram montadas intercaladas, contendo entreferro ou mesmo utilizando materiais isolantes como mica, vidro, ou plástico, na conexão do circuito magnético principal ao circuito magnético de derivação, como forma de reduzir a geração de elevadas correntes no enrolamento secundário, possibilitando um maior campo da faixa de corrente operacional no dispositivo de interrupção. Normalmente o transformador de corrente é montado em conjunto com um sensor de corrente, o qual pode ser uma bobina de "Rogowski", consistindode forma geral de um núcleo toroidal de material não magnético, sobre o qual se enrolam espiras, posicionado em torno de um condutor, que faz a leitura da corrente na linha de distribuição elétrica, sendo posteriormente este sinal de corrente tratado por um circuito de medição, ligado a uma unidade de controle. Para qualquer anormalidade detectada pela unidade de controle nestes sinais, esta emite uma ordem de proteção a um mecanismo disparador, o qual desencadeia a abertura de um ou mais contatos, interrompendo desta forma a corrente de qualquer condutor da linha de distribuição elétrica conectado a seus terminais.

[08] Um exemplo apresentado no estado da técnica de um transformador que se encontra na patente DE1538250, que relata que otransformador é composto por um núcleo magnético de lâminas de aço de grãos orientados, compreendendo um enrolamento primário e um enrolamento secundárioenglobados em seu circuito magnético principal, o qual possui uma direção preferencial de alinhamento de grãos e uma derivação magnética que contempla um entreferro, caracterizado pelo fato de o circuito magnético principal possuir pelo menos uma área de ligação com a derivação, formando um braço de dispersão feito de lâminas de aço silicio, dispostas na direção preferencial de sua orientação de grãos, sendo possivel variar esta direção preferencial em sua derivação, de modo que o fluxo magnéticocircule no circuito principal, no braço de dispersão e vice-versa, sempre alinhado a orientação dos grãos das lâminas de aço silício de grãos orientados. A presente patente apresenta como um de seus objetivos proteger o enrolamento primário de um surto ou falha gerado nas proximidades do enrolamento secundário do transformador, uma vez que o excesso de fluxo gerado no circuito magnético em função destas anormalidades no sistema não será totalmente repassado em forma de sobrecorrente ao enrolamento primário. Este resultado é gerado em função do dimensionamento do circuito magnético de derivação e em especial de seu entreferro e assim sendo, pode-se concluir que sempre que o circuito magnético principal atingir um nível de fluxo acima do especificado como nominal, este excesso de fluxo será repassado ao circuito magnético de derivação.

[09] Outro exemplo pode ser visto na patente EP1946339B1, onde um dito transformador de corrente compreende uma primeira permeabilidade no circuito magnético principal, uma segunda permeabilidade no circuito magnético de derivação e uma terceira permeabilidade entre os dois circuitos, onde as ditas primeira e segunda permeabilidades são maiores que a terceira. Nesta patente uma operação adicional é necessária para reduzir o fluxo magnético no circuito magnético de derivação, o que requer o uso de diferentes materiais.

[010] A patente FR2936352 reivindica uma solução em um transformador de corrente com um circuito magnético principal e um de derivação, com ramificações, de forma a diminuir a relutância do circuito de derivação a ser submetido a correntes acima do valor nominal. 0 efeito é conseguido através de peças flexíveis que quando atraídas em operação provocam diminuição do entreferro do dito circuito magnético de derivação.

[011] A patente EP0704867 apresenta um transformador de corrente, associado a um condutor de um circuito a ser protegido, que compreende um circuito magnético, envolvendo um condutor primário e pelo menos um enrolamento secundário, uma parte do circuito magnético principal constituindo o núcleo do enrolamento secundário e uma unidade de processamento ligada ao referido enrolamento secundário do transformador de corrente. A derivação magnética é formada como uma peça única com o circuito principal e está localizado entre os enrolamentos primário e secundário. Um entreferro pode encontrar-se aproximadamente no meio da derivação ou estar adjacente ao circuito magnético principal. É utilizado também um sensor de corrente do tipo "toróide de Rogowski".

[012] Em particular a patente DE1538250 (já relatada anteriormente) apresenta um transformador que reivindica o uso de grãos orientados em sua construção, sendo utilizados para a proteção do enrolamento primário de surtos e/ou faltas originados no enrolamento secundário e repassados ao enrolamento primário via indução magnética. Resolve alguns problemas com o uso da derivação magnética em conjunto ao uso dos grãos orientados, mas apresenta uma série de dificuldades em sua execução, quando comparados à técnica atual de construção, sendo o núcleo magnético da referida invenção obtido através de lâminas de aço enroladas, as quais posteriormente são cortadas, o que resulta em duas partes moldadas do circuito magnético em formato de "C" empilhadas. Este processo de corte é necessário a fim de permitir o posicionamento dos enrolamentos primário ou secundário envolvendo o exterior destas peças. Adicionalmente existe a necessidade da retificação destas faces cortadas a fim de gerar um circuito de baixa relutância quando estas peças forem novamente unidas ou para manter um entreferro constante em toda a sua superfície no caso de sua utilização. Ocorre também a necessidade da adição de uma cinta de fechamento a fim de unir todas as partes do núcleo magnético, ou seja, o circuito magnético principal e a ponte de desvio magnético formando uma única peça. Nesta construção se pode também observar a dificuldade em se obter um produto de dimensões precisas devido a este processo de enrolamento do núcleo magnético, mas que naquela época foi útil. Atualmente em escalas de produção seriadas, novas necessidades de construção mais produtivas surgiram e esta forma construtiva se tornou inviável.

[013] Em todos estes e outros documentos encontrados no estado da técnica, é possível observar que diferentes maneiras foram utilizadas com o objetivo de reduzir a corrente excessiva no enrolamento secundário do transformador de corrente, gerada a partir de um condutor primário, visando reduzir a matéria- prima e volume deste transformador, para poder ampliar a faixa de utilização das correntes primárias, utilizando o mesmo equipamento. Também em todos os documentos do estado da técnica podemos observar o uso de entreferro como meio mais utilizado para controlar o fluxo magnético em transformadores.

[014] 0 estado da técnica também apresentava uma construção em 1949 na patente US2,671,951 contendo um método de fabricação de um núcleo de transformador, obtido por empilhamento de lâminas magnéticas e com o uso de recessos extrudados para o alinhamento e posicionamento na formação de um pacote de lâminas intertravadas.

[015] Exemplos de dispositivos de interrupção podem ser encontrados na Patente US 6, 144,271, ou ainda na US 5,943,204, ou ainda na patente EP1946339.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[016] Um objetivo da presente invenção é simplificar a construção de transformadores de corrente em que o núcleo é construído sem a presença de entreferro, intervalo de ar, ou isoladores.

[017] Um outro objetivo da presente invenção é proporcionar um núcleo magnético feito a partir de lâminas de aço magnético de grãos orientados compreendendo um circuito magnético principal ou um caminho de fluxo preferencial e um circuito magnético de derivação ou de desvio de fluxo.

[018] Um terceiro objetivo da presente invenção é proporcionar uma construção do núcleo magnético de transformadores de forma precisa e que facilite a sua repetibilidade.

[019] Um quarto objetivo da presente invenção é proporcionar a obtenção de um transformador de corrente utilizando lâminas de grãos orientados, sendo formado através de lâminas de aço estampadas, sendo posteriormente empilhadas em um único sentido, grampeadas ou rebitadas, como por exemplo num processo de intertravamento, e que atualmente possibilitam a obtenção de faces perfeitamente alinhadas perpendicularmente em relação à face frontal; o que torna o processo muito mais econômico quando comparado ao citado na patente DE1538250 do estado da técnica de construção do núcleo magnético do transformador de lâminas de aço magnético enroladas, que posteriormente são cortadas a fim de possibilitar a introdução dos enrolamentos, sendo suas faces de montagem retificadas para permitir menor relutância do circuito magnético e correto posicionamento das partes que formam o núcleo magnético onde as partes são fixadas através de cintas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[020] A Figura 1 representa uma perspectiva de um tipo de construção de transformador do estado da técnica.

[021] A Figura 2 representa uma vista frontal de um segundo tipo de construção de transformador de corrente do estado da técnica.

[022] A Figura 3 representa uma perspectiva de acordo com uma primeira incorporação preferencial do transformador de corrente de acordo com esta invenção.

[023] A Figura 4 representa uma vista frontal do núcleo magnético do transformador de corrente em uma primeira incorporação preferencial e a ilustração do caminho do circuito magnético principal de acordo com esta invenção.

[024] A Figura 5 representa uma vista frontal de uma primeira incorporação preferencial do núcleo magnético do transformador de corrente e a representação simbólica da orientação de grãos orientados das lâminas de aço de acordo com esta invenção.

[025] A Figura 6 representa uma vista frontal de uma segunda incorporação do núcleo magnético do transformador de corrente e a representação simbólica da orientação de grãos orientados das lâminas de aço de acordo com esta invenção.

[026] A Figura 7 representa uma vista frontal de uma terceira incorporação do núcleo magnético do transformador de corrente e a representação simbólica da orientação de grãos orientados das lâminas de aço de acordo com esta invenção, incluindo a ilustração do caminho do circuito magnético principal, de acordo com esta invenção.

[027] A Figura 8 representa uma vista frontal do núcleo magnético do transformador de corrente e a ilustração do fluxo magnético em uma faixa de corrente relativamente menor de acordo com a primeira incorporação preferencial desta invenção.

[028] A Figura 9 representa uma vista frontal do núcleo magnético do transformador e a ilustração do fluxo magnético em uma faixa de corrente relativamente maior, de acordo com a primeira incorporação preferencial desta invenção.

[029] A Figura 10 demonstra um diagrama de blocos de um dispositivo de interrupção incorporando um transformador de corrente de acordo com outra forma de realização desta invenção.

[030] A Figura 11 representa um exemplo de curvas de magnetização conhecidas comercialmente para materiais de lâminas de aço de grãos orientados.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS

[031] A Figura 1 representa um tipo de construção de um transformador de corrente do estado da técnica que utiliza orientação de grãos nas lâminas de aço, onde um núcleo magnético (1) é formado por um circuito magnético (2) principalcomposto de uma primeira porção (7) em formato de "C", uma segunda porção (7') em formato de "I"; e um circuito magnético (3) de derivação magnética composto de duas porções (6) idênticas em formato de "L", um entreferro (4), um enrolamento (X) primário e um enrolamento (Y) secundário, sendo o núcleo obtido a partir de lâminas de aço magnético enroladas, posteriormente cortadas (5a), retificadas na face de contato e onde uma cinta (5) metálica envolve o fechamento dos dois circuitos (2,3) magnéticos.

[032] A Figura 2 representa um segundo tipo de transformador do estado da técnica, que possui um circuito magnético (8) principal, um condutor (9) primário, um núcleo (10) magnético de um enrolamento (11) secundário, fios de saida (14) e uma derivação (12) magnética, compreendendo um entreferro (13).

[033] A Figura 3 representa uma perspectiva do transformador de corrente (29) de acordo com esta invenção, contemplando um núcleo (15) magnético envolvendo um condutor de uma ou mais espiras, tal como um enrolamento (16) primário dimensionado para conduzir uma corrente primária, um enrolamento (17) secundário de uma ou mais espiras e terminais (18) de alimentação, sendo o núcleo composto por lâminas de aço magnético de grãos orientados estampadas e empilhadas (demonstrada na Figura 5), unidas através de rebites (19), recesso extrudado ou outra forma de fixação como solda, formando um pacote único de lâminas de aço magnético.

[034] A Figura 4 representa uma vista frontal do núcleo (15) magnético que compõe o transformador (29)de corrente apresentado na Figura 3, em uma primeira incorporação preferida de acordo com esta invenção, sendo formado pela junção de uma primeira porção (15a) predominantemente alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I", que é montada entre uma primeira extremidade superior e uma segunda extremidade superior de uma segunda porção (15b), a qual apresenta um formato geométrico similar ao de uma letra "H", e de uma terceira porção (15c) predominantemente alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I" que encontra-se no interior do enrolamento (17) secundário do transformador (29) de corrente, que é montada entre uma primeira extremidade inferior e uma segunda extremidade inferior da segunda porção (15b). 0 dito núcleo (15) magnético forma um circuito (35)magnético principal, que percorre toda a área externa ao núcleo (15) magnético e uma ponte (20) de desvio de fluxo magnético na segunda porção (15b) que está posicionada entre o enrolamento (16) primário e o enrolamento (17) secundário do transformador (29) de corrente, apresentado na Figura 3.

[035] A Figura 5 representa uma vista frontal do núcleo (15) magnético do transformador (29)de corrente representado na Figura 3, em uma primeira incorporação preferida e a representação simbólica da orientação dos grãos nas lâminas de aço magnético, de acordo com esta invenção, sendo construído com as lâminas de aço contendo orientação de grãos na direção (E) e (El) conforme a necessidade de alinhamento a cada porção integrante do núcleo (15) magnético, de forma que a orientação de grãos esteja alinhada de maneira predominantemente tangencial ao dito circuito magnético (35) principal apresentado na Figura 4, formado pela primeira (15a), segunda (15b) e terceira (15c) porções do referido núcleo (15) magnético, de forma que a orientação de seus grãos estejam predominantemente alinhados à direção do fluxo magnético circulante no interior do núcleo (15) magnético, fluxo que será melhor ilustrado nas Figuras 8 e 9. 0 dito transformador de corrente (29) possui também em seu núcleo (15) magnético, uma ponte (20) de desvio magnético, descrita anteriormente na figura 4, a qual possui seus grãos orientados em direção transversal à direção do fluxo magnético (B;B1) circulante, ilustrado nas Figuras 8 e 9.

[036] A Figura 6 representa uma vista frontal do núcleo (15) magnético do transformador de corrente (29) em uma segunda incorporação e a representação simbólica da orientação dos grãos nas lâminas de aço magnético na direção (E) e (El) conforme a necessidade de alinhamento a cada porção integrante do núcleo (15) magnético, de forma que a orientação de grãos esteja alinhada de maneira predominantemente tangencial em trechos especificados do dito circuito magnético (35) principal apresentado na Figura 4, que percorre toda a área externa ao referido núcleo,o qual é formado através de uma primeira porção (15d) de formato geométrico similar ao de uma letra "A" com a direção de orientação dos grãos (E) e de uma segunda porção (15c) predominantemente alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I" com a direção de orientação (El) e que encontra-se no interior do enrolamento (17) secundário, sendo a segunda porção (15c) montada entre uma primeira extremidade inferior e uma segunda extremidade inferior da primeira porção (15d) do núcleo (15) magnético. O dito transformador (29) de corrente também possui uma ponte (20) de desvio de fluxo magnético integrada na primeira porção (15d) que está posicionada entre o enrolamento (16) primário e o enrolamento (17) secundário, onde a dita ponte (20) de desvio possui seus grãos orientados em direção transversal à direção do fluxo magnético (B;B1) circulante, melhor ilustrado nas Figuras 8 e 9.

[037] A Figura 7 demonstra a construção de uma terceira incorporação, onde o núcleo (15) magnético do transformador (29) de corrente visto na Figura 3 é formado através de uma primeira porção (15e) em formato geométrico similar ao de uma letra "U", somada a uma segunda porção (15f) predominantemente alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I", posicionada entre uma primeira extremidade superior e uma segunda extremidade superior da primeira porção (15e), juntamente a uma terceira porção (15g), também predominantemente alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I" e posicionada de forma paralela entre a primeira porção (15e) e a segunda porção (15f), sendo a terceira porção (15g) envolvida pelo enrolamento (17) secundário do transformador (29) de corrente apresentado na figura 3. O núcleo (15) magnético é construido com as lâminas de aço magnéticas, contendo orientação de grãos na direção (E;E1) conforme a necessidade de alinhamento a cada porção integrante do núcleo (15) magnético, de forma que a orientação de grãos esteja alinhada de maneira predominantemente tangencial ao circuito magnético (36) principal, formado pelas primeira (15e), segunda (15f) e terceira (15g) porções do referido núcleo, de forma que a orientação de seus grãos estejam predominantemente alinhados à direção de fluxo (E;E1) magnético, circulante no interior do núcleo (15) magnético, fluxo que será melhor ilustrado nas Figuras 8 e 9.0 núcleo (15) magnético do dito transformador (29) de corrente também possui uma ponte (20') de desvio de fluxo magnético, sendo que a referida ponte possui seus grãos orientados com direção predominantemente transversal à direção do fluxo magnético circulante, e estando localizada, para esta terceira incorporação, externamente ao circuito (36) magnético principal.

[038] Nas Figuras 8 e 9, se convencionou utilizar setas em fila única para representar um fluxo menor, aumentando gradativamente até quatro setas alinhadas lateralmente para fluxos magnéticos mais elevados.

[039] A Figura 8 representa uma vista frontal do núcleo (15) magnético do transformador (29) de corrente apresentado na Figura 3, de acordo com uma primeira incorporação preferencial desta invenção e a ilustração do fluxo "B" magnético em um primeiro estado de funcionamento, operando com correntes relativamente baixas, como por exemplo 100A.

[040] A Figura 9 representa uma vista frontal do núcleo (15) magnético do transformador (29) de corrente apresentado na Figura 3, de acordo com uma primeira incorporação preferencial desta invenção e a ilustração do fluxo "Bl" magnético em um segundo estado de funcionamento, operando com correntes relativamente altas, por exemplo, 1600A.

[041] A Figura 10 demonstra um diagrama de blocos de um circuito protegido através do dispositivo (24) de interrupção em uma incorporação, que compreende um transformador (29) de corrente como visto na Figura 3, onde tipicamente uma fonte (21) primária de energia fornece alimentação a uma carga (22), onde na linha (23) de distribuição elétrica entre eles é instalado o referido dispositivo (24) de interrupção. 0 dispositivo (24) de interrupção é instalado para proteger a dita linha (23) de distribuição elétrica contra sobrecargas ou curtos-circuitos. Os contatos (25) do dispositivo (24) de interrupção, estabelecem ou interrompem a corrente nos condutores da linha (23) de distribuição elétrica, a partir de um mecanismo (26) de operação, comandado, no caso de interrupção, por um mecanismo (27) disparador. Para que o mecanismo (27) disparador atue no sistema, uma unidade (28) de controle eletrônica é alimentada por pelo menos um transformador (29) de corrente associado a pelo menos uma fase da linha (23) de distribuição elétrica, onde o dito transformador (29) de corrente e um condutor (16) primário, inicialmente apresentado na Figura 3, representado pela linha (23) de distribuição elétrica, gera através do enrolamento (17) secundário do transformador (29) de corrente apresentado na Figura 3, uma corrente (33), que é usadapara alimentar a unidade (28) de controle através do circuito (30) de alimentação. Normalmente é montado em conjunto com o transformador (29) de corrente um sensor (31) de corrente que pode ser uma bobina de "Rogowski" ou outro sensor conhecido, que faz a leitura da corrente na linha (23) de distribuição elétrica, sendo posteriormente este sinal (34) de corrente, tratado pelo circuito (32) de medição, que se comunica com a unidade (28) de controle. Em qualquer anormalidade nos sinais (33,34) recebidos pela unidade (28) de controle, este emite uma ordem de proteção ao mecanismo (27) disparador citado anteriormente, abrindo o contato (25) e interrompendo a corrente de qualquer condutor da linha (23) de distribuição elétrica conectado.

[042] A Figura 11 representa um exemplo de uma curva de magnetização conhecida comercialmente em materiais de grãos orientados em lâminas de aço magnético, tal como o utilizado na invenção, onde em um gráfico logarítmico são representados em um primeiro eixo os valores de indução gerados, e em um segundo eixo as intensidades aplicadas de campo magnético. A primeira curva "C" representa os valores de indução gerados quando o fluxo magnético se encontra alinhado aos grãos das lâminas de aço magnético. A segunda curva "D" representa os valores de indução gerados quando o fluxo magnético se encontra posicionado transversalmente à orientação dos grãos das lâminas de aço magnético. Pode ser verificado facilmente que a curva "C" produz uma indução muito significativa da ordem de lOOOmT por exemplo, quando aplicada uma intensidade de campo magnético de aproximadamente 20A/m enquanto que na segunda curva "D" para que se obtenha os mesmos lOOOmT é necessária a aplicação de aproximadamente 200A/m.

FUNCIONAMENTO DA INVENÇÃO

[043] A presente invenção, de acordo com as Figuras 3 a 11, apresenta um transformador (29) de corrente, utilizado preferencialmente na alimentação de circuitos elétricos e eletrônicos de dispositivos de interrupção, onde uma nova solução de construção foi concebida quando comparado ao estado da técnica, onde a novidade é que no circuito (35;36) magnético principal do transformador (29) de corrente, o controle de fluxo na referida ponte (20;20') de desvio de fluxo magnético circulante no interior do núcleo (15) magnético é efetuado unicamente através da orientação de grãos das lâminas do aço magnético, ou seja, sem a presença de entreferro, intervalo de ar ou isolador. 0 uso de entreferro pode estar relacionado a problemas dimensionais ou de tolerâncias de fabricação e a quebras de ferramentais associados ao uso de estampos de corte, quando os entreferros são construídos com pequenas proporções dimensionais. Já o uso de isoladores representa um componente adicional, aumentando custos de fabricação.

[044] A invenção é construída de tal forma que em um primeiro estado de funcionamento do transformador (29) de corrente, operando com correntes relativamente baixas em seu enrolamento (16) primário, considerando como exemplo 100A, onde o núcleo (15) magnético do transformador (29) de corrente apresenta por consequência baixas intensidades de campo magnético induzido, e onde, de acordo com a Figura 8, verifica-se que a parte predominante do fluxo "B" magnético circula na combinação entre uma primeira porção (15a), a parte externa de uma segunda porção (15b) e uma terceira porção (15c) do núcleo (15) magnético, representando o circuito (35)magnético principal. Este resultado é alcançado pela relação perpendicular entre os grãos orientados das lâminas magnéticas na direção "El" na primeira porção (15a) em relação aos grãos orientados na direção "E" na segunda porção (15b), e adicionalmente, pela relação perpendicular entre os grãos orientados desta segunda porção (15b)em relação aos grãos orientados na direção "El" da terceira porção (15c) do núcleo (15) magnético, conforme a Figura 5. Esta relação perpendicular entre os alinhamentos de grãos das porções de aço magnético é responsável por proporcionar predominantemente um alinhamento entre a direção dos grãos e o fluxo circulante no circuito (35) magnético principal, e também, um posicionamento transversal da direção dos grãos com o fluxo circulante na ponte (20) de desvio magnético, fator primordial para o confinamento da maior parte do fluxo "B" magnético ao caminho do circuito (35) magnético principal, quando o enrolamento (16) primário está sendo percorrido por correntes relativamente baixas. Desta forma, utilizando-se do gráfico ilustrado por meio da Figura 11, onde são apresentadas as curvas "C" e "D" de magnetização (conhecidas comercialmente) e assumindo inicialmente o exemplo acima, ao comparar-se o caminho do circuito (35)magnético principal, o qual é regido pela curva "C" de magnetização, visto possuir seus grãos alinhados ao fluxo magnético induzido no núcleo (15) de lâminas magnéticas; e a ponte (20) de desvio magnético, regida pela curva "D" de magnetização, em virtude de possuir os grãos alinhados transversalmente ao fluxo magnético circulante pelas lâminas magnéticas, pode ser observado que, para baixas correntes, a indução gerada no circuito (35) magnético principal, será por exemplo, no minimo 8 vezes maior que a indução gerada para a mesma corrente na ponte (20) de desvio magnético.

[045] Em um segundo estado de funcionamento, após determinada faixa de intensidade de campo magnético aplicado na casa de 300 A/m, os valores de indução alcançados ficam limitados a 1700mT para a curva "C" e de uma faixa de 1300 a 1700mT para a curva "D", fazendo com que o fluxo magnético induzido no circuito (35) magnético principale na ponte (20) de desvio magnético tendam a se aproximar em seus valores aplicados. Desta forma, para um segundo estado de operação do transformador (29) de corrente, onde o enrolamento (16) primário se encontra conduzindo correntes relativamente altas, por exemplo 1600A, e por consequência, induzindo elevadas intensidades de campo magnético no núcleo (15) magnético, conforme Figura 9, fazendo com que o comportamento do fluxo "Bl" magnético principal, passe a circular de forma mais intensa também na ponte (20) de desvio magnético, devido a uma maior similaridade da indução gerada para a mesma corrente na direção preferencial de alinhamento de orientação dos grãos no circuito (35) magnético principale também na direção transversal a esta orientação preferencialna ponte (20) de desvio magnético, de acordo com as curvas "C" e "D" de magnetização; podendo esta ponte (20) de desvio magnético ser dimensionada maior, igual ou menor do que a seção transversal do circuito (35) magnéticoprincipaldo núcleo (15) magnético, de acordo com a necessidade de projeto. Este comportamento, alcançado por meio desta invenção, permite reduzir a geração de calor no enrolamento (17) secundário, além de possibilitar a redução do seu tamanho final, originando a compactação do sistema como um todo.

[046] Em resumo, a característica de baixa indução magnética na ponte (20) de desvio magnético, sendo esta indução inferior ao do circuito (35) magnético principal, para correntes relativamente baixas percorrendo o enrolamento (16) primário; e niveis similares de indução magnética entre a ponte (20) de desvio magnético e o circuito (35) magnético principal, para correntes relativamente altas percorrendo o dito enrolamento é parte fundamental do princípio de funcionamento da presente invenção. Esta característica se torna válida sempre que o circuito (35) magnético principal envolve o enrolamento (16) primário, e a ponte (20) de desvio magnético esteja posicionada paralelamente a um trecho do circuito (35) magnético principal, podendo a referida ponte (20) estar posicionada entre o enrolamento (16) primário e o circuito (35) magnético principal, ou externamente ao referido circuito (35) magnético principal. Sendo estritamente necessário que a ponte (20) de desvio magnético possua os grãos das lâminas orientados predominantemente na direção transversal à passagem de fluxo magnético (El) em sua seção, e o circuito (35) magnético principal possua os grãos das lâminas orientados predominantemente na mesma direção do devido fluxo para o referido trecho em paralelo com a ponte e o restante do circuito (35) magnético, sendo este trecho de circuito (35) magnético principal escolhido para ser envolvido pelo carretel do enrolamento (17) secundário, como pode ser verificado em todas as incorporações para a presente invenção.

[047] A invenção em uma primeira incorporação preferencial vista na Figura 4 e 5, pode ser construída através de uma primeira porção (15a) de forma alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I" do núcleo (15) magnético do transformador (29) de corrente, com a direção de orientação dos grãos das lâminas magnéticas conforme direção "El", sendo montada em suas extremidades uma segunda porção (15b) do núcleo magnético, de maneira que a direção de orientação de grãos da segunda porção (15b) esteja posicionada de forma perpendicular à direção de orientação de grãos da primeira porção (15a) de lâminas magnéticas, onde esta segunda porção (15b) em formato geométrico similar ao de uma letra "H" apresenta sua orientação de grãos na direção "E", e onde, ambas as peças serão adicionadas a uma terceira porção (15c) de forma alongada, em formato geométrico similar ao de uma letra "I", e também projetada para possuir sua direção de orientação de grãos na direção "El", e por consequência, perpendicular a orientação de grãos da segunda porção (15b). A terceira porção (15c) comporta em seu exterior o carretel do enrolamento (17) secundário na montagem final do transformador (29)de corrente e é posicionada na outra extremidade da segunda porção (15b), completando a composição do núcleo (15) magnético. A dita invenção apresenta tanto no circuito (35) magnético principal quanto na ponte (20) de desvio magnético uma técnica de controle do fluxo magnético do núcleo unicamente através da orientação de grãos, respeitando a característica construtiva acima informada.

[048] A invenção em uma segunda incorporação vista na Figura 6, pode ser construída através de uma primeira porção (15d) em formato geométrico similar ao de uma letra "A" e de uma segunda porção (15c) de forma alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I", sendo esta segunda porção (15c) projetada para possuir sua direção de orientação de grãos na direção "El", de forma a estar alinhada à direção do fluxo circulante no circuito (35) magnético principal, sendo a mesma envolvida pelo enrolamento (17) secundário na montagem final do transformador (29) de corrente e sendo posicionada de forma perpendicular às duas extremidades inferiores da dita primeira porção (15d); e a primeira porção (15d) construída coma orientação de grãos de suas lâminas em uma única direção "E", onde uma pequena parcela de grãos situada na trecho superior da dita primeira porção (15d) não se encontram alinhados à direção do fluxo circulante no circuito (35) magnético principal, que engloba a parte externa da primeira porção (15d) e a segunda porção (15c). 0 dito transformador de corrente conta também com uma ponte (20) de desvio magnético que está posicionada entre o condutor (16) primário e o enrolamento (17) secundário, onde a totalidade da dita ponte (20) de desvio magnético possui seus grãos orientados em direção transversal a passagem de fluxo magnético em sua seção. Novamente é respeitada a característica construtiva de que a ponte (20) de desvio magnético, a qual possui sua orientação de grãos em direção transversal a passagem de fluxo magnético em sua seção, se encontra em paralelo a um trecho do circuito magnético (35) principal, nesta incorporação equivalente à segunda porção (15c), envolvida pelo enrolamento (17) secundário, que diferentemente possui seus grãos orientados na mesma direção do fluxo magnético circulante no núcleo (15) magnético. Algumas pequenas perdas podem ser originadas nesta segunda incorporação, porém este formato conceptivo facilita em muito a construção do transformador (29)de corrente.

[049] A invenção em uma terceira incorporação vista na Figura 7, pode ser construída através de uma primeira porção (15e) em formato geométrico similar ao de uma letra "U", somada a uma segunda porção (15f) de forma alongada em formato geométrico similar ao de uma letra "I" posicionada entre as extremidades superiores da primeira porção (15e), e a uma terceira porção (15g) também de forma alongada em formato geométrico similar a qual é envolvida pelo enrolamento (17) secundário e posicionada de forma paralela a segunda porção (15f) permanecendo entre o enrolamento (16) primário e a primeira porção (15e), formando assim o núcleo (15) magnético. Para esta terceira incorporação, o circuito (36) magnético principal é formado pelas primeira (15e), segunda (15f) e terceira (15g) porções do núcleo (15) magnético. Este fato se dá, uma vez que a primeira porção (15e) é construída de forma a possuir sua orientação de grãos conforme a direção "E", enquanto que as segunda (15f) e terceira (15g) porções são fabricadas de modo que sua orientação de grãos esteja perpendicular a orientação de grãos da primeira porção (15e), ou seja, possuem orientação de grãos na direção de "El". Este formato proporciona o alinhamento do fluxo magnético induzido no núcleo (15) magnético e a orientação dos grãos das lâminas magnéticas dos trechos laterais esquerdo e direito da primeira porção (15e), toda a segunda porção (15f) e toda a porção (15g), formando assim o circuito (36) magnético principal.0 dito transformador (29) de corrente também possui uma ponte (20') de desvio magnético, que para esta terceira incorporação está localizada externamente ao circuito (36) magnético principal,sendo formado pela parte inferior da primeira porção (15e) onde a dita ponte (20') de desvio magnético possui seus grãos predominantemente orientados em direção transversal à direção do fluxo magnético circulante no núcleo (15) magnético, respeitando-se novamente a característica construtiva apresentada para a presente patente.

[050] Em outra incorporação, o dispositivo (24) de interrupção pode estar associado a pelo menos um dito transformador (29) de corrente, como visto na Figura 10, objeto desta invenção, conectado tipicamente a uma fonte (21) primária de energia que fornece alimentação a uma carga (22), onde na linha (23) de distribuição elétrica entre eles é instalado o referido dispositivo (24) de interrupção. 0 dispositivo (24) de interrupção é instalado para proteger a dita linha (23) de distribuição elétrica, protegendo a carga contra sobrecargas e/ou curtos-circuitos. Os contatos (25) do dispositivo (24) de interrupção, estabelecem ou interrompem a corrente nos condutores da linha (23) de distribuição elétrica, a partir de um mecanismo (26) de operação, comandando a abertura de seus contatos (25) por meio do mecanismo (27) disparador. Para que o mecanismo (27) disparador atue no sistema, uma unidade (28) de controle eletrônica é alimentada por um transformador (29) de corrente associado a pelo menos uma fase da linha (23) de distribuição, onde o dito transformador (29) de corrente e um condutor (16) primário, inicialmente apresentado na Figura 3, representado pela linha (23) de distribuição, gera através do enrolamento (17) secundário uma corrente (33) que alimenta a unidade (28) de controle através do circuito (30) de alimentação. Normalmente é montado em conjunto com o transformador (29) de corrente um sensor (31) de corrente que pode ser uma bobina de "Rogowski" ou outro sensor conhecido, que faz a leitura da corrente na linha (23) de distribuição elétrica, sendo posteriormente este sinal de corrente (34) tratado pelo circuito (32) de medição, que se comunica com a unidade (28) de controle. Para qualquer anormalidade detectada pela unidade (28) de controle nos sinais (33,34), esta emite uma ordem de proteção ao mecanismo (27) disparador citado anteriormente, o qual desencadeará a abertura de um ou mais contatos (25), interrompendo desta forma a corrente de qualquer condutor da linha (23) de distribuição elétrica conectado a seus terminais (não representados), podendo incluir logicamente uma série de outros componentes (não mostrados) para utilização na finalidade de proteção à linha (23) de distribuição elétrica.

[051] A grande vantagem do dito transformador (29) de corrente neste contexto, associado ao dito sensor (31) e demais componentes do circuito de proteção da linha (23) de transmissão do dito dispositivo (24) de interrupção é permitir um melhor arranjo dimensional, gerando menos calor, e assim compactando o sistema como um todo, de uma forma simples e econômica.

[052] Obviamente deve ser entendido que outras modificações e variações feitas a esta invenção são consideradas dentro do âmbito da presente invenção.

Claims (6)

1. "TRANSFORMADOR DE CORRENTE COM NÚCLEO DE LÂMINAS DE GRÃOS ORIENTADOS COM PONTE DE DESVIO DE FLUXO MAGNÉTICO" o dito transformador (29) compreendendo, um núcleo (15) de lâminas de aço magnéticas, enrolamentos (16) primário e (17) secundário que envolvem o circuito (35;36) magnético principal do transformador (29) de corrente, possuindo orientação de grãos (E;E1) e uma ponte (20;20’) de desvio de fluxo magnético, caracterizado pelo fato de a dita ponte (20;20‘) ter seus grãos predominantemente orientados em direção transversal à direção do fluxo (E1).

2. "TRANSFORMADOR DE CORRENTE COM NÚCLEO DE LÂMINAS DE GRÃOS ORIENTADOS COM PONTE DE DESVIO DE FLUXO MAGNÉTICO" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ponte (20) de desvio de fluxo magnético está localizada entre os enrolamentos primário (16) e secundário (17).

3. "TRANSFORMADOR DE CORRENTE COM NÚCLEO DE LÂMINAS DE GRÃOS ORIENTADOS COM PONTE DE DESVIO DE FLUXO MAGNÉTICO" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ponte (20’) de desvio de fluxo magnético está localizada externamente ao circuito (36) magnético principal.

4. " TRANSFORMADOR DE CORRENTE COM NÚCLEO DE LÂMINAS DE GRÃOS ORIENTADOS COM PONTE DE DESVIO DE FLUXO MAGNÉTICO" de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de utilizar uma técnica de controle do fluxo magnético do núcleo unicamente através da orientação de grãos.

5. "TRANSFORMADOR DE CORRENTE COM NÚCLEO DE LÂMINAS DE GRÃOS ORIENTADOS COM PONTE DE DESVIO DE FLUXO MAGNÉTICO" de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as lâminas de aço magnético empilhadas de grãos orientados do núcleo (15) serem unidas através 5 de rebites (19), recesso extrudado ou solda.

6. "DISPOSITIVO DE INTERRUPÇÃO" onde o dito dispositivo de interrupção (24) inclui um ou mais contatos desconectáveis (25), mecanismos (26;27) de operação, circuitos eletroeletrônicos de unidade (28) de controle, alimentação (30) e 10 medição (32), transformador (29) de corrente, sensor (31) de corrente, podendo incluir adicionalmente uma série de outros componentes (não mostrados) para utilização na finalidade de proteção à linha (23) de distribuição elétrica, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um transformador (29) de corrente 15 definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, estando associados com o dito dispositivo (24) de interrupção.

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