BR102019021093A2 - transdutor de corrente elétrica sem fio autoalimentado pelo campo magnético - Google Patents

Abstract

A presente patente de invenção, pertencente à área de eletrônica, refere-se a um dispositivo eletrônico capaz de capturar a forma de onda da corrente elétrica, fazer sua digitalização, armazenamento, processamento e transmissão sem fio em formato digital, utilizando como fonte de alimentação para seu circuito eletrônico, a própria energia disponível no campo magnético existente ao redor do condutor de corrente que está sendo medido.
O transdutor de corrente pode ser considerado um dispositivo de medição de corrente elétrica totalmente isolado galvanicamente, pois não depende de nenhuma conexão elétrica com o sistema medido ou com a rede de alimentação do usuário, já que tanto o meio de medição quanto o meio de extração de energia se dão pelo campo magnético da corrente a ser medida e a transmissão da medição é também por uma interface de comunicação sem-fio.

Description

TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO Campo da invenção.

[001] A presente patente de invenção, pertencente à área de eletrônica, refere-se a um dispositivo eletrônico capaz de capturar a forma de onda da corrente elétrica, fazer sua digitalização, armazenamento, processamento e transmissão sem fio em formato digital, utilizando como fonte de alimentação para seu circuito eletrônico, a própria energia disponível no campo magnético existente ao redor do condutor de corrente que está sendo medido.

[002] Nos últimos tempos, cenários futurísticos revolucionários têm surgido com base em avanços tecnológicos em duas áreas da eletrônica: o desenvolvimento de processadores com alto poder de processamento e alta eficiência energética; e o desenvolvimento de protocolos de comunicação sem fio com altas taxas de transferência e baixo consumo. Estes avanços têm estimulado uma revolução no mundo dos sensores que vem sendo chamada IoT (do inglês “Internet of Things”) ou Internet das Coisas, onde se vislumbra que todos os dispositivos apresentarão, no futuro próximo, algum tipo de inteligência e interconexão por meio da internet.

[003] No ambiente industrial, uma outra revolução relacionada a estes avanços tecnológicos vem se estabelecendo, a chamada quarta revolução industrial, ou Indústria 4.0, onde os sistemas físicos do chão de fábrica tem seus parâmetros monitorados e modelos digitais da sua condição operativa e de manutenção são atualizados para fins de tomada de decisão e otimização.

[004] Uma outra tendência igualmente forte, em função das preocupações com o impacto ambiental gerado por toda esta difusão da eletrônica de consumo e da eletrônica industrial é a coleta de energia do ambiente (do inglês “ “Energy Harvesting”). Esta se baseia na coleta de energia do ambiente para o acionamento de uma eletrônica eficiente, evitando-se a dependência do sistema elétrico e eliminando o uso de baterias ou reduzindo-o significativamente. Outro aspecto vantajoso de dispositivos com coleta de energia está relacionado às facilidades de instalação, uma vez que fontes e cabos de alimentação ligados a tomadas de energia não se fazem necessários, configurando-se uma alimentação de energia sem fio.

[005] Neste contexto, o transdutor de corrente se insere no campo da “Internet das Coisas” com sua interface de comunicação sem fio para aplicações de monitoramento de corrente elétrica condizentes com as tendências da Indústria 4.0 e fazendo uso de coleta de energia do ambiente (campo magnético da corrente medida), ou seja, uma fonte de alimentação também sem fio.

Fundamentos da invenção.

[006] O dispositivo se baseia na integração de 5 elementos: módulo microprocessado com interface sem fio; conversor análogo-digital; transdutor de corrente de medição; transformador de corrente de extração de potência e módulo de condicionamento de potência.

[007] Transformadores de corrente são comumente utilizados para fins de medição. Nestes transformadores, o enrolamento primário é constituído pelo próprio cabo cuja corrente será medida, passando por dentro de um núcleo de material com alta permeabilidade magnética (como, aço-silício e ferrite, por exemplo) e o enrolamento secundário é constituído por centenas ou milhares de voltas ao redor deste núcleo, no intuito de se abaixar significativamente a corrente para o dispositivo de medição. O transformador de corrente para extração de potência tem a mesma constituição, no entanto, o enrolamento secundário é otimizado para gerar na saída uma tensão e potência adequadas à carga que se quer alimentar.

[008] Em termos de circuito elétrico, a eletrônica do dispositivo se acopla magneticamente ao circuito cuja corrente está sendo medida, de modo que ela passa a representar uma impedância equivalente que ficará em série com a impedância do circuito medido. Deste modo, tem-se que a impedância equivalente em série do transdutor de corrente deve ser muito menor que a impedância da carga do circuito para que a interferência na medição seja praticamente nula.

Descrição do estado da técnica.

[009] A medição de corrente elétrica de máquinas e sistemas é de grande utilidade na indústria. As medições de corrente são usadas para várias aplicações: cálculo de potência elétrica; cálculo de energia elétrica e rateio de energia entre centros de custo; investigação de mau funcionamento de sistemas por meio do monitoramento de eventos (do inglês “Troubleshooting”); e manutenção baseada na condição (do inglês “Condition Based Maintenance” - CBM) por meio de técnicas de análise da assinatura elétrica de equipamentos, como, por exemplo motores.

[010] Os principais métodos de transdução de corrente são: resistor “shunt”, transformador de corrente, transdutor de efeito Hall e transdutor de efeito Rogowski.

[011] No caso do resistor “shunt”, ele é colocado em série no circuito cuja corrente será medida e produz uma tensão em seus terminais proporcional a esta corrente e a seu valor de resistência. Pode ser usado para medir tanto correntes alternadas quanto contínuas. Como fica em série no circuito, deve ser instalado a priori, para não causar interrupções, caso contrário, implicará na interrupção do circuito em uma instalação a posteriori.

[012] O transformador de corrente de medição é um transformador elevador de tensão que produz em seu enrolamento secundário uma corrente menor e proporcional à corrente do primário. Esta corrente pode ser transformada em tensão por meio de um resistor de carga e permite medir apenas correntes alternadas. Seu núcleo pode ser bipartido não havendo a necessidade de interromper o circuito para instalação.

[013] O transdutor de efeito Hall utiliza o efeito físico de mesmo nome para medição de correntes alternadas e contínuas, possuindo uma eletrônica que precisa ser alimentada externamente. Também pode apresentar núcleo bipartido, não requerendo a interrupção do circuito medido em sua instalação.

[014] O transdutor de efeito Rogowski utiliza o efeito físico de mesmo nome para medição de correntes alternadas apenas. Possui eletrônica que precisa ser alimentada externamente e não requer a interrupção do circuito a ser medido para a sua instalação.

[015] Todos os métodos de medição de corrente descritos são, usualmente, empregados conjuntamente com outros dispositivos eletrônicos com funções de: mostradores, medidores, relés, registradores, transmissores e analisadores de energia, por exemplo. Estes dispositivos necessitam, via de regra, de uma fonte de energia que, em geral, é constituída por baterias ou fontes de alimentação com conexão à rede elétrica.

Apresentação dos problemas no estado da técnica.

[016] A partir do conhecimento dos métodos de transdução de corrente com seus necessários dispositivos eletrônicos de visualização, medição, proteção, registro, transmissão ou análise, por exemplo, é possível inferir que, em situação de medição fixa permanente as fontes de alimentação de energia usuais configuram um limitante que deve ser considerado.

[017] As baterias, em suas mais diversas formas e tecnologias, quando consideradas como fontes de energia para dispositivos de medição permanentes, apresentam o inconveniente de possuírem uma quantidade limitada de energia e precisarem constantemente serem substituídas, principalmente em uma situação de medição constante, implicando em um significativo inconveniente para o usuário. Além disto, baterias usadas demandam um maior cuidado no descarte e constituem um relevante passivo ambiental.

[018] As fontes de alimentação de energia com conexão à rede elétrica são mais adequadas para alimentação de dispositivos de medição instalados fixamente, pois não há um limite de energia enquanto a rede elétrica estiver disponível. No entanto, a instalação de uma fonte de alimentação num painel elétrico industrial já montado, por exemplo, é um processo invasivo, que pode representar uma dificuldade, caso o espaço físico seja restrito, ou mesmo um impeditivo, caso não haja espaço disponível no painel elétrico. Além disto, há um grau maior de invasão no sistema já existente, pois, neste caso, há a necessidade de uma conexão elétrica do sistema de medição à rede elétrica do usuário.

[019] Deve-se considerar também que, no estado da arte, em uma medição de corrente permanente, devem ser instalados usualmente três elementos: o transdutor de corrente propriamente dito, o dispositivo eletrônico que fará a conversão análogo-digital, processamento, armazenamento e/ou apresentação da medição realizada e a fonte de alimentação, sendo que a ligação entre estes três elementos é feita por cabos, que podem complicar a instalação em termos de seu roteamento e acomodação nas calhas de cabos já existentes. Mais ainda, se o sistema de medição for conectado à rede para disponibilização das medidas em um supervisório, por exemplo, pode ser ainda necessário mais um cabo que será o meio de realização desta comunicação.

[020] Em pesquisa no banco de patentes do Instituto Nacional da Propriedade Industrial - INPI foram encontrados inúmeros processos abordando transdutores de corrente, com destaque no campo técnico da patente ora descrita para a patente PI 7901040-7 que aborda um transdutor de corrente que inclui um membro de material ferromagnético, envolvendo o condutor por onde passa a corrente a ser medida, de forma a intensificar a densidade de fluxo magnético, tendo um entreferro para dar maior linearidade ao sensor, um dispositivo de elemento portador (C.D.C.) conhecido por magnetômetro que gera uma corrente proporcional à corrente que está sendo medida, um elemento condicionador de sinal que o prepara e aguça os tempos de subida e descida convertendo os sinais elétricos em sinais óticos para serem transmitidos por uma fibra ótica, a patente cita que necessariamente o C.D.C. não precisa do elemento ferromagnético envolvendo o condutor e a saída do condicionador pode ser adaptada para outras formas de uso do sinal além de fibra ótica, e ainda conforme a reivindicação 3 todo o transdutor é alimentado pela corrente gerada em um concentrador magnético que envolve quase totalmente o condutor por onde passa a corrente medida; a patente PI 8207157-8 que descreve um transdutor de corrente que capta o campo magnético gerado por um condutor de potência (linha de distribuição) atravessado pela corrente que se deseja medir, por um par de bobinas situadas a 45° da horizontal e ligadas de forma que os efeitos são aditivos para o condutor que se quer medir e subtrativos para os condutores adjacentes; a patente PI 8400540-8 que descreve um transdutor de corrente dinâmico com uma montagem especial de uma bobina de Rogowsky cujo sinal de impedância varia com a corrente que flui pelo condutor de uma linha de transmissão e é convertido em um sinal ótico através de um diodo laser que é modulado e cuja polarização tem uma faixa de passo com frequência máxima de 30 MHz que é aplicada a uma fibra ótica de até 1 00 metros de comprimento e recebido na outra extremidade pelo conversor de recepção, todo o circuito é alimentado por um transformador principal com forma toroidal acoplado a estrutura do sensor ou por uma bateria, a concepção do transdutor usando fibra ótica visa isolar a alta tensão da linha de transmissão; a patente MU 7800121-8 que descreve um transdutor de corrente por Gerador de Efeito Hall, caracterizado por um circuito ativo de deslocamento de nível de referência, a fim de manter a sua polarização numa região onde o sinal de saída teria um comportamento variado, de forma a melhorar a operação nas diversas situações e por uma polarização em corrente através de uma fonte de corrente estabilizada termicamente e com baixa sensibilidade a variações da tensão de alimentação e a ruídos, o processo de fabricação do núcleo magnético com um entreferro onde é instalada a pastilha Hall assegura uma excepcional linearidade graças à liga metálica especial e também pelos procedimentos de recozimento do material estampado e depois pela oxidação do mesmo; a patente PI 0502283-5 que aborda um transdutor de corrente do tipo bobina de Rogowski usa eletrônica de baixo custo constituído por um suporte de seção preferencialmente circular (rígida ou flexível), envolvido por uma bobina sensora, que circunda perpendicularmente o condutor no qual está presente a corrente alternada a ser medida, um dispositivo mecanicamente resistente e isolante elétrico e não ferromagnético que mantém o condutor centrado no interior da bobina, um circuito integrador que fornece uma tensão terminal que é proporcional à corrente no condutor e que pode ser medida em um voltímetro ou em um osciloscópio, tem como vantagem a ausência de corrente no enrolamento induzido que evita o atraso inerente do circuito resistivo-indutivo verificado no transformador de corrente convencional (TC); as patentes BR1120140222630, BR1120140251703 e BR 1120140223645 descrevem diferentes tipos de montagem da bobina de Rogowsky para medições de correntes; e as patentes BR1020150012594, BR1020160061180, BR1020160071186 e BR102160161029 que abordam diferentes transdutores de corrente ópticos cujo princípio básico é a deflexão da luz conduzida no interior de uma fibra ótica instalada junto ao condutor em que se pretende medir a corrente e cujos sinais proporcionais ao feixe luminoso são traduzidos em tensões e/ou correntes, são conhecidos como TCs óticos.

[021] No banco de patentes dos Estados Unidos da América destacam-se no campo técnico desta invenção a patente US 5,701,253 que descreve um transdutor de derivação (shunt) de corrente isolado incluindo uma derivação de corrente que produz uma diferença de tensão em suas extremidades, que possui uma barreira de isolamento posicionada entre o desvio de corrente e um circuito de processamento para isolar o circuito de processamento da voltagem comum das extremidades do shunt de corrente, dois ou mais transdutores podem ser incluídos em um medidor de energia para medir a energia fornecida a uma dada carga em um circuito de distribuição de energia polifásico; a patente US 6,064,191 que descreve um transdutor de corrente incluindo um transformador de corrente no qual o condutor que passa a corrente a ser monitorada constitui o primário e o secundário é enrolado em um núcleo toroidal, operado abaixo de sua frequência de corte, de modo que a saída no secundário seja proporcional a corrente no primário e a saída secundária é integrada em um circuito integrador em intervalos predeterminados para a medição de corrente de uma dada máquina elétrica; a patente US 6,437,554 que descreve o sistema de medição de um transdutor de corrente com núcleo de ar que é fornecido para medir o fluxo de corrente em uma linha de transmissão de alta tensão, incluindo uma bobina para detectar o fluxo de corrente na linha de transmissão de forma a produzir um sinal de saída derivado no tempo que é transmitido via fibra ótica, todo o conjunto possui uma blindagem eletrostática contra os altos campos eletromagnéticos; a patente US 8,421,444 que descreve um dispositivo para detectar a corrente elétrica ou a tensão elétrica em um sistema de distribuição de energia usando um transformador de relação de corrente compensado ativamente, que inclui um primeiro núcleo magnético com uma primeira permeabilidade e um segundo núcleo magnético com uma segunda permeabilidade maior que a primeira permeabilidade, o enrolamento primário com P espiras que é acoplado ao primeiro e ao segundo núcleo magnético, um enrolamento de medição com M espiras que é acoplado aos primeiro e segundo núcleos magnéticos, de modo que a corrente no enrolamento primário induz corrente no enrolamento de medição, e um enrolamento de sentido contendo S voltas é acoplado ao segundo núcleo magnético, um amplificador conectado ao enrolamento sensível recebe a tensão desenvolvida no enrolamento sensível e produz uma corrente de compensação em resposta à tensão recebida, o amplificador tem uma saída acoplada ao enrolamento sensor para alimentar a corrente de compensação através do enrolamento sensor de forma a reduzir a tensão desenvolvida no enrolamento sensor para um valor substancialmente de zero e um resistor de carga é acoplado ao enrolamento de medição e ao enrolamento sensível para receber a soma da corrente induzida no enrolamento de medição e da corrente de compensação; a patente US 8,525,511 que aborda um sistema que monitora a corrente alternada e inclui um transdutor de corrente magneto-óptico (MOCT) adaptado para modular um sinal óptico correspondente à magnitude da corrente alternada medida, os divisores de feixe estão em comunicação com o MOCT, que por sua vez são conectados aos respectivos canais, cada canal inclui um LED que é alimentado por uma fonte de corrente constante; a patente US 8,600,695 que descreve um transdutor de corrente com cancelamento de fase para uso em um medidor de energia incluindo uma unidade de correção de erros e uma memória para armazenar fatores de correção de erros, o dispositivo de processamento de dados da unidade de correção de erros ajusta a saída do transdutor para corrigir os erros de fase e de relação produzidos pelo transformador de corrente do transdutor; a patente US 9,423,469 que descreve um transdutor de corrente toroidal composto de uma unidade de detecção do fluxo em forma de anel, um núcleo magnético saturável, uma bobina de excitação enrolada em torno do núcleo saturável e uma casca magnética montada em torno da bobina de excitação, do suporte em forma de anel e do núcleo saturável, todo o conjunto fornece uma corrente proporcional à corrente medida com baixo erro de fase e relação; a patente US 9,494,619 que aborda um circuito magnético com loop fechado, um detector de campo magnético e um conjunto de bobina de compensação configurado para gerar um campo magnético oposto ao campo magnético criado pela corrente elétrica medida, fluindo em um ou mais condutores primários que se estendem através de uma abertura central no circuito magnético, trata-se de um TC auto compensado; as patentes US 9,507,006, US 9,557,350, US 9,684,017, US 9,791,478 que usam diferentes formas de montagem da bobina de Rogowski e diferentes circuitos eletrônicos para as formatações e compensações dos sinais captados; as patentes US 9,817,037, US 9,841,441, US 10,094,856 que descrevem transdutores de correntes com circuitos magnéticos, sensores de campos magnéticos e entreferros de diferentes arranjos e entreferros onde são inseridos os elementos sensores, normalmente pastilhas Hall como magnetômetros; e a patente US 10,126,332 que descreve um transdutor de corrente elétrica com um circuito fechado para medir uma corrente primária que flui em um condutor primário, compreendendo uma cabeça de medição do fluxo magnético e um circuito eletrônico com um microprocessador para processamento do sinal digitalizado, a cabeça de medição inclui uma bobina secundária e um detector de fluxo compreendendo uma bobina de excitação e um núcleo de material ferromagnético, o circuito eletrônico compreende um circuito de acionamento da bobina de excitação, configurado para gerar uma tensão de excitação alternada para fornecer à bobina de excitação uma corrente de excitação alternada, a bobina secundária é conectada em um circuito de realimentação do circuito eletrônico para acionamento da bobina de excitação, todas estas compensações são para medir a corrente com alta exatidão e boa relação sinal/ruído.

[022] Embora os transdutores apresentados nos processos de patentes, com diferentes especificidades inovadoras, são capazes de medir correntes elétricas de linhas de distribuição e transmissão, e de circuitos de baixa, média e alta tensão nenhum deles encontram-se adequados para uso em IoTs e condizentes com as exigências da automatização e digitalização impostas pela filosofia da Indústria 4.0, a saber: pequenas dimensões (compacto), auto alimentado e com interface de comunicação sem fio.

[023] Os transdutores descritos nas patentes PI 7901040-7 e PI 8400540-8 são auto alimentados, mas apenas fazem a transformação do sinal elétrico da corrente medida em um sinal ótico para ser transportado por fibras óticas, que por concepção gastam pouca energia para tal finalidade; e não são adequados de serem utilizados nas instalações industriais, comerciais e rurais pelas dificuldades de instalação em relação aos espaços disponíveis.

[024] Outro problema apresentado é em relação ao tamanho e a compactação; não basta reduzir as dimensões dos transdutores mostrados nas patentes anteriormente citadas, pois todas as funcionalidades devem ser integradas numa única eletrônica especialmente adaptada aos requisitos da IoT.

Definição da solução proposta

[025] Considerando-se os problemas apresentados no estado da arte atual e, buscando superá-los na presente invenção, foi desenvolvido um novo e inédito dispositivo de transdução de corrente constituído pela integração, em um único dispositivo eletrônico, de todos os componentes necessários para a medição de corrente elétrica: 1 ) o transdutor de corrente propriamente dito; 2) a circuitaria eletrônica para conversão, processamento, armazenamento e transmissão da medida com interface de comunicação sem fio; e 3) a fonte de alimentação de energia. O transdutor de corrente pode ser considerado um dispositivo de medição de corrente elétrica totalmente isolado galvanicamente, pois não depende de nenhuma conexão elétrica com o sistema medido ou com a rede de alimentação do usuário, já que tanto o meio de medição quanto o meio de extração de energia se dão pelo campo magnético da corrente a ser medida por um único circuito magnético e a transmissão da medição é também por uma interface de comunicação sem-fio.

Descrição da solução em linhas gerais.

[026] O “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO” contempla um sistema totalmente isolado galvanicamente e autocontido capaz de, ao envolver o cabo elétrico de interesse, se alimentar pelo campo magnético oriundo da corrente elétrica que estiver passando no cabo, medir esta corrente elétrica e fazer a sua transmissão via um meio de comunicação sem fio para um dispositivo de armazenamento, processamento, monitoramento e/ou apresentação.

[027] O cerne da solução é um transformador de corrente de núcleo bipartido projetado para a extração de potência e não medição de sinal ou proteção. Um transformador de corrente, abreviado por TC, é basicamente constituído por um núcleo e por um enrolamento secundário, sendo que o enrolamento primário é o próprio cabo a ser medido. Em TCs de medição, os núcleos magnéticos e os enrolamentos secundários são projetados para medição de correntes nominais dentro de uma margem de erro especificada, garantido linearidade entre a corrente no primário e no secundário. No projeto de TCs de proteção, a margem de erro nas correntes nominais é maior, mas evita-se a saturação magnética do núcleo para que as altas correntes de falha possam ser razoavelmente medidas no secundário e um dispositivo de proteção possa atuar. Tanto para TCs de medição quanto para TCs de proteção, a saída fica no nível do sinal elétrico, não havendo potência significativa envolvida. Já no projeto de um TC de extração de potência, o principal critério de projeto é a máxima extração de potência para alimentação da carga conectada ao enrolamento secundário com a mínima corrente disponível no enrolamento primário.

[028] Em linhas gerais, para se projetar o TC de extração de potência, deve-se conhecer: a) a mínima corrente disponível no cabo a partir da qual se deseja que o sistema de medição opere; b) a potência, tensão e corrente demandadas pela aplicação de medição, processamento, armazenagem e transmissão sem fio da corrente medida; c) as dimensões do núcleo magnético, com base no diâmetro externo do cabo a ser medido e no peso desejado para o sistema de medição; e d) a curva de magnetização do núcleo escolhido, que pode ser de diferentes materiais: aço-silício, metal amorfo, metal nano-cristalino, ferrite dentre outros. Com base nestas informações, deve-se montar um modelo de simulação computacional, abrangendo o TC de extração com uma fonte de corrente primária, configurada para a mínima corrente, e conectado à carga equivalente da aplicação. O parâmetro livre deste modelo é o número de espiras do secundário, que será otimizado para a máxima transferência de potência para a aplicação.

[029] Caso os requisitos mínimos de potência, tensão e corrente da carga da aplicação não sejam atendidos após a otimização do número de espiras do secundário, um novo núcleo magnético maior deve ser escolhido e o processo de modelamento e otimização repetido até que os requisitos sejam atingidos.

[030] O modelamento do sistema para a simulação deve ser o mais completo possível para que os resultados sejam significativos. Por exemplo, é importante considerar, neste modelamento, os estágios de retificação e conversão tensão CC-CC (corrente contínua para corrente contínua) com tensão regulada para a aplicação, já que, nestes estágios, parte da potência é perdida.

[031] No que diz respeito à aplicação, ela deve contar com alguns módulos básicos integrados entre si: a) um TC de medição, para medição da corrente propriamente dita; b) um conversor análogo-digital, para digitalização da corrente medida; c) um módulo microprocessado, para processamento e armazenagem das medidas; e d) um módulo de interface de comunicação sem fio, para transmissão das medidas.

Descrição detalhada das técnicas utilizadas.

[032] Em um modelo simplificado de um TC de extração de potência conectado a uma carga resistiva, Rc, tem-se que a relação entre a corrente no primário e a corrente no secundário segue a equação: Ip = N.Is, onde Ip é a corrente no primário, N é o número de espiras no secundário e Is é a corrente no secundário. A corrente no secundário, Is, possui duas componentes: a corrente de magnetização, Im,s, e a corrente da carga, IL. Deste modo, Is pode ser descrita pela equação a seguir: Is = √I2m,s + I2C. A corrente de magnetização, Im,s, flui pela indutância de magnetização referida ao secundário, Lm,s. E a corrente da carga, Ic, flui pela resistência da carga, RL. Lm e RL estão em paralelo, formando um circuito divisor de corrente. A tensão na carga, Us, é dada pela equação: Us = Rc.lc = ω.Lm,s.Im,s, onde ω é a frequência da corrente em rad/s. A potência na carga, Pl, é expressa pela equação: Pc = US.IL = Rc.I2c. Deste modo, para se maximizar a potência na carga, deve-se maximizar a corrente IC, aumentando-se a reatância de magnetização, ω.Lm,s, e fazendo com que a maior parte da corrente Is seja IC.

[033] Se a frequência, ω, é constante, aumentar a reatância de magnetização, ω.Lm,s, significa aumentar a indutância de magnetização, Lm,s. A equação a seguir detalha os parâmetros que influem em Lm,s para um núcleo toroidal: Lm,s = μ0.μr.Αe.Ν2/π.D, onde μ0 é a permeabilidade magnética do vácuo, μr é a permeabilidade relativa do material do núcleo, Ae é a área efetiva da seção do núcleo, N é o número de espiras e e D é o diâmetro médio do núcleo. Pode-se concluir que a indutância de magnetização referida ao secundário, Lm,s, é diretamente proporcional à permeabilidade relativa do material do núcleo, μr, à área efetiva, Ae, e ao número de espiras, N; e, inversamente proporcional ao diâmetro médio, D. Deve-se observar ainda que a permeabilidade relativa, μr, não é constante e varia com o campo magnético B no material. Portanto, uma vez que se tenha escolhido o núcleo em função de seu peso, material e dimensões, apenas o número de espiras pode ser alterado para se maximizar a potência na carga. No entanto, apesar de ω.L m,s ser diretamente proporcional a N2, Is é inversamente proporcional a N , pois Is = Ip/N, e, logo, há um valor ótimo de N para se maximizar a potência na carga, Pc.

[034] O valor ótimo de N deve ser determinado por via de simulação computacional utilizando um modelo de transformador saturável para representar o TC de extração de potência e um modelo da carga equivalente da aplicação, levando-se em conta os modelos dos estágios de condicionamento de potência, como, por exemplo, retificadores e conversores CC-CC.

[035] Como uma das principais aplicações para o transdutor de corrente é o monitoramento de motores através do monitoramento da assinatura de corrente, as altas correntes de partida dos motores também devem ser consideradas. Para tanto, propõe-se o uso de uma proteção do tipo ceifadora de tensão após o estágio de retificação, para garantir que a tensão na entrada do conversor CC-CC se mantenha dentro dos limites máximos em situações de partida e sobrecorrente no motor.

[036] Outro detalhe importante é a garantia de uma tensão estabilizada para o módulo microprocessado da aplicação. Para isto, é proposto o uso de uma chave temporizada que só se fecha após decorrido um tempo programado a partir do surgimento da tensão regulada no circuito.

[037] Ainda, para garantir que a aplicação entrou em operação corretamente, propõe-se o uso de um circuito cão-de guarda que alterna os estados aberto e fechado da chave temporizada até que uma saída digital, ligada ao bom funcionamento do módulo microprocessado seja ativada, interrompendo a alternância de estados da chave e mantendo-a fechada.

Breve descrição das figuras.

[038] A invenção será ilustrada a título de exemplo pelas figuras a seguir, não ficando limitada aos exemplos ilustrados.

[039] A Figura 1 apresenta uma visão geral do transdutor de corrente.

[040] Na Figura 2 pode-se visualizar como o transdutor de corrente é instalado para a medição das correntes de um motor.

[041] A Figura 3 mostra os transformadores de correntes -TCs usados no transdutor de corrente.

[042] A Figura 4 mostra o diagrama de blocos do transdutor de corrente.

[043] A Figura 5 apresenta o modelo simplificado do TC de extração de potência e a montagem para ensaio do seu núcleo para determinação da reatância de magnetização.

[044] A Figura 6 apresenta a curva da impedância de magnetização do núcleo magnético de aço-silício para o TC extrator de potência.

[045] Figura 7 apresenta o modelo computacional para simulação e otimização do número de espiras do secundário do TC de extração de potência.

[046] A Figura 8 apresenta o gráfico da otimização do número de espiras do TC de extração de potência resultado da simulação computacional.

[047] A Figura 9 apresenta o espectro de corrente para um motor de indução usando o protótipo funcional do transdutor de corrente em um aplicativo em microcomputador para exposição do espectro.

Descrição da solução em detalhes.

[048] Esta seção apresenta detalhadamente a solução proposta na presente invenção, referenciando-se às figuras descritas na seção anterior.

[049] A Figura 1 apresenta uma visão geral do transdutor de corrente (1) instalado junto a um cabo (2) elétrico por onde circula a corrente a ser medida e cujas informações são transmitidas por uma interface de comunicação sem-fio (3).

[050] Na Figura 2 pode-se visualizar como o transdutor de corrente (1 ) é instalado para a medição das correntes de um motor (4).

[051] A Figura 2a mostra que a caixa de ligação (5) do motor (4) de indução trifásico é o local por onde entram os cabos de alimentação do motor (2). Esses cabos passam por uma bandeja de cabos (6) que é um local propício para instalação do dispositivo TC (1 ).

[052] A Figura 2b mostra que normalmente o transdutor de corrente (1 ) é instalado na bandeja de cabos (6) de modo a envolver o cabo (2) de alimentação por onde circula a corrente que alimenta o motor (4). No caso de um motor (4) de indução trifásico pode-se utilizar três transdutores de corrente (2) um para cada uma das fases (A, B e C). O transdutor de corrente (1 ) pode ser decomposto em três partes principais: o módulo de processamento (7) com interface de comunicação sem-fio (3), o módulo de transdução e digitalização (8) e o módulo de extração e condicionamento de potência (9).

[053] A Figura 3 mostra os transformadores de correntes - TCs usados no transdutor de corrente. A Figura 3a mostra o TC de medição (10) e a Figura 3b mostra o TC de extração (11). Ambos são toroidais com núcleos bipartidos e confeccionados em materiais ferromagnéticos de alta permeabilidade tais como aço-silício, metal amorfo, metal nano-cristalino e ferrite. O TC de medição (10) é um transformador cujo enrolamento primário é constituído pelo próprio cabo (2) cuja corrente será medida, passando por dentro do núcleo de material magnético e o enrolamento secundário é constituído por centenas ou milhares de voltas ao redor deste núcleo, no intuito de se abaixar significativamente a corrente para o dispositivo de medição. O TC de extração (1 1 ) de potência tem a mesma constituição, no entanto, o enrolamento secundário é otimizado para gerar na saída uma tensão e potência adequadas para alimentar os circuitos eletrônicos do transdutor de corrente (1 ).

[054] A Figura 4 mostra o diagrama de blocos do transdutor de corrente (1 ). Ele é instalado em torno do cabo (2) elétrico e constituído pelo TC de medição (10), que, por meio de um resistor, produz uma tensão proporcional à corrente do primário para o circuito de condicionamento de sinal (12), que amplifica e filtra o sinal para o conversor análogo-digital (13), que digitaliza a medição e a envia ao microprocessador (14) para armazenagem, processamento e transmissão através da interface de comunicação (7) sem-fio (3). Todos estes blocos são alimentados pelo módulo de extração de potência e condicionamento, constituído pelo TC de extração (1 1 ) de potência que apresenta na sua saída uma tensão alternada que é entregue a um retificador (15) para ser retificada. Se esta tensão está dentro dos limites permitidos pelo conversor CC- CC (17), ela passa sem alteração pela proteção contra sobretensão (16), caso contrário, a tensão é ceifada em um nível menor ou igual ao limite permitido. A tensão na saída do conversor CC-CC (17) é regulada para alimentar os todos os circuitos eletrônicos do transdutor de corrente (1 ), mas só é disponibilizada após um período programado que é contado a partir do instante de energização da chave do temporizador (18). Após o tempo programado, a chave se fecha e disponibiliza a tensão regulada para o circuito de condicionamento de sinal (12), para o circuito de conversão análogo-digital (13), para o microprocessador (14) e para a interface de comunicação (7) sem-fio (3). Uma vez que o microprocessador (14) entra em operação, uma de suas linhas digitais aciona o circuito cão-de-guarda (19) que desabilita o temporizador, garantido que a chave fique fechada enquanto o sinal digital estiver presente. Se o microprocessador (1 4) se desligar por uma falha ou energia insuficiente, o sinal digital não mais aciona o circuito cão-de-guarda (19) e a chave do temporizador (1 8) se abre pelo período programado, fechando, ao final, e ficando fechada se o microprocessador (14) entrar em funcionamento.

[055] A Figura 5 apresenta o modelo simplificado do TC de extração (1 1 ) de potência e a montagem para ensaio do seu núcleo para determinação da reatância de magnetização.

[056] A Figura 5a apresenta o modelo simplificado do TC de extração (1 1 ) de potência, ressaltando-se o circuito primário (21), onde há uma fonte de corrente (22) e o enrolamento primário constituído por uma única espira, que é o próprio cabo (2) cuja corrente se quer medir. O TC de extração (11) de potência é modelado por uma indutância de magnetização (23) e pela resistência equivalente da carga (24).

[057] Na Figura 5b pode-se visualizar que a reatância de magnetização do núcleo magnético (25), ω.Lm, pode ser levantada com um ensaio de laboratório, onde se usa uma fonte de corrente variável (26), um amperímetro (27) para se medir Ip e um voltímetro (28) para se medir Us. Variando-se a fonte de corrente variável (26) a um passo adequado e anotando-se os valores de Ip e Us pode-se achar a reatância de magnetização, pois, pelo modelo e pela configuração do ensaio: ω.Lm = Us/Im,s = Us/Is, onde Is= Ip/N.

[058] A Figura 6 apresenta a curva da impedância de magnetização (31) do núcleo magnético (25) de aço-silício para o TC extrator (11) de potência. O eixo das abcissas (30) mostra a corrente de magnetização Im,s em Amperes e o eixo das ordenadas (29) mostra a reatância Xm em ohms, na curva da impedância de magnetização (31) pode-se perceber a saturação magnética (32). Esta curva pode ser usada em modelos computacionais para se otimizar o valor de N para a máxima extração de potência.

[059] Figura 7 apresenta o modelo computacional utilizado para simulação e otimização do número de espiras do secundário do TC de extração (1 1) de potência. A fonte de corrente (33) injeta uma corrente no primário do TC de extração (1 1 ) que possui 1 espira, o valor RMS da corrente (34) é calculado e mostrado no mostrador da corrente primária (35). O retificador de onda completa (36) a transforma em corrente contínua que alimenta a carga simulada (37) do transdutor de corrente (1 ). A tensão desenvolvida sob a carga simulada (37) pode ser visualizada no mostrador de tensão instantânea (38) e após ser calculado o seu valor médio (39) mostrado no mostrador de tensão média (40). O tempo de integração para cálculo do valor médio é de 10 segundos.

[060] A Figura 8 apresenta o gráfico da otimização do número de espiras do TC de extração (1 1 ) de potência resultado da simulação computacional. O eixo das abcissas (41) mostra o número de espiras N e o eixo das ordenadas (42) mostra a tensão na carga simulada (37) em Volts, a curva modelo (43) mostra a curva esperada de um TC com núcleo magnético (25) de aço-silício simulada e a curva do TC de extração (44) o resultado de medições em laboratório. Como pode-se ver ficou determinado que o número de espiras ótimo para o secundário do TC de extração (11) é de 180 espiras (45).

[061] A Figura 9 apresenta o espectro de corrente para um motor (4) de indução usando o protótipo funcional do transdutor de corrente (1 ) em um aplicativo em microcomputador para exposição do espectro. O eixo das abcissas (46) mostra a frequência e o eixo das ordenadas (47) a intensidade da corrente em decibéis. Este exemplo usando o transdutor de corrente (1 ) apresenta um espectro de corrente real de um motor (4) de indução com dois polos, em uma aplicação de monitoramento da condição por análise da assinatura de corrente, nele pode-se ver a componente fundamental de 60 Hz (48), a componente de 2a harmônica em 120 Hz (49) e a componente de 3a harmônica em 180 Hz (50).

[062] O transdutor de corrente (1) aqui descrito, objeto da presente patente de invenção, pode ter a construção de seus elementos básicos constituintes em diferentes tecnologias, bem como diferentes configurações acessórias conforme a necessidade de cada usuário e do tipo instalação a ser realizada; logicamente alterações podem ser feitas no “TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO ” sem a perda da inovação aqui apresentada.

Claims (9)

1. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO ” constituído de um sensor de corrente, um circuito conformador do sinal analógico da corrente medida, um conversor análogo-digital, uma unidade de processamento, armazenamento e de transmissão do sinal de saída e uma fonte de alimentação para suprir a energia para o funcionamento dos circuitos eletrônicos que o constitui, caracterizado por o sensor de corrente ser do tipo TC de medição (10) que sob um resistor de carga gera uma tensão proporcional à corrente que circula no cabo (2) elétrico que é amplificada e filtrada pelo circuito de condicionamento de sinal (12), digitalizado pelo conversor análogo-digital (13), que o envia ao microprocessador (1 4) para armazenagem, processamento e transmissão através da interface de comunicação (7) sem-fio (3), todos os circuitos eletrônicos do transdutor de corrente (1 ) são alimentados pela energia contida no campo magnético da corrente que está sendo medida e captado pelo TC de extração (1 1) de potência que apresenta em sua saída uma tensão alternada que é entregue ao retificador (15) para ser convertida em tensão contínua, e se seu valor estiver dentro dos limites permitidos pelo conversor CC-CC (17), ela passa sem alteração pela proteção contra sobretensão (16) , caso contrário, é ceifada em um nível menor ou igual ao limite permitido e disponibilizada após um período programado que é contado a partir do instante de energização da chave do temporizador (18) que alimenta os circuitos eletrônicos e faz operar o microprocessador (1 4) que aciona o circuito cão-de-guarda (19) que desabilita o temporizador, garantido que sua chave fique fechada enquanto o sinal digital estiver presente.
2. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO ” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sensor de corrente poder ser um TC de medição (10), um transdutor de efeito Hall, uma bobina de efeito Rogowski ou qualquer outro meio de medição de corrente.
3. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO” de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por o TC de medição (1 0) ter núcleo toroidal, bipartido em material ferromagnético de alta permeabilidade como aço-silício, metal amorfo, metal nano-cristalino ou ferrite, de forma a abraçar o cabo (2) elétrico por onde circula a corrente a ser medida sem a necessidade de desenergizá-lo para que o transdutor de corrente (1) seja instalado ou retirado.
4. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO” de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por permitir que mais de um sensor de corrente externo possa ser ligado ao circuito de condicionamento de sinal (12), aproveitando a existência de mais de um canal no conversor análogo-digital (13) do transdutor de corrente (1).
5. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o circuito de extração de potência ter um TC de extração (11) com núcleo toroidal, bipartido em material ferromagnético de alta permeabilidade como aço-silício, metal amorfo, metal nano- cristalino ou ferrite, de forma a abraçar o cabo (2) elétrico por onde circula a corrente a ser medida sem necessidade de desenergizá-lo para que o transdutor de corrente (1) seja instalado ou retirado.
6. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO ” de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado por o TC de extração (11) de potência ter o enrolamento secundário com um número de espiras otimizado para gerar na saída uma tensão e potência adequadas para alimentar os circuitos eletrônicos do transdutor de corrente (1 ).
7. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO” de acordo com a reivindicação 1 , 5 e 6 caracterizado por permitir que seja acoplada uma bateria auxiliar recarregável, ou não, para conveniência do usuário, permitindo o uso do transdutor de corrente (1 ) em medições de correntes abaixo da mínima necessária para operação do conversor CC-CC (17).
8. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a proteção contra sobretensão (1 6) ceifar a tensão oriunda do retificador (1 5) de modo a garantir que a tensão na entrada do conversor CC-CC (1 7) se mantenha dentro do limite máximo permitido em situações de partida e de sobrecorrente no motor (4) ou em qualquer outra carga.
9. “ TRANSDUTOR DE CORRENTE ELÉTRICA SEM FIO AUTOALIMENTADO PELO CAMPO MAGNÉTICO” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por todos os módulos constituintes do transdutor de corrente (1) estarem acondicionados num mesmo gabinete, constituindo uma única peça compacta, com dobradiça e fecho de engate rápido, permitindo a fácil instalação do dispositivo em um cabo (2) elétrico.

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