BR102019023509B1

BR102019023509B1 - Transformador de corrente, dispositivo de proteção eletrônica e disjuntor elétrico

Info

Publication number: BR102019023509B1
Application number: BR102019023509-8A
Authority: BR
Inventors: Patrick Mas; Xiaodong Shi
Original assignee: Schneider Electric Industries Sas
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2022-11-01
Also published as: ES2864740T3; EP3660875A1; BR102019023509A2; AU2019268212A1; EP3660875B1; CN111243835A; FR3089340B1; AU2019268212B2; US20200176166A1; FR3089340A1; US11295885B2

Abstract

"TRANSFORMADOR DE CORRENTE, DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO E DISJUNTOR ELÉTRICO, QUE INCLUI TAL TRANSFORMADOR". A presente invenção refere-se a um transformador de corrente (1) que inclui um circuito magnético (2) feito de material magnético, que se destina a ser colocado em torno de um condutor primário (3), e um enrolamento secundário (4) que é enrolado sobre uma porção (5) de dito circuito magnético (2) para fornecer uma corrente secundária a circuitos de processamento (32). Neste transformador de corrente, o circuito magnético (2) compreende pelo menos um dispositivo (6, 6A, 6B) para variar a magnetização de uma porção de dito circuito magnético de acordo com a temperatura, para limitar ou diminuir o fluxo magnético no circuito magnético quando a temperatura do circuito magnético aumenta. O dispositivo de proteção e o disjuntor elétrico incluem esse transformador.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um transformador de corrente que compreende: - um circuito magnético feito de material magnético que se destina a ser colocado ao redor de um condutor primário; e - um enrolamento secundário que é enrolado sobre uma porção de dito circuito magnético, para fornecer uma corrente secundária a um circuito de processamento.

[002] A invenção também se refere a um dispositivo de proteção e um disjuntor que compreende um transformador de corrente.

TÉCNICA ANTERIOR

[003] Um transformador de corrente conhecido 1 é mostrado na figura 1. Ele compreende um circuito magnético 2 que se destina a ser colocado em torno de um condutor primário 3 e um enrolamento secundário 4 que é enrolado sobre uma porção 5 de dito circuito magnético. O circuito magnético é muitas vezes produzido como folhas empilhadas. Essas folhas são predominantemente compostas de ferro e são projetadas para operar nas frequências da rede elétrica, em particular a 50 Hz ou 60 Hz.

[004] Quando a frequência fundamental da rede elétrica aumenta e excede 100 Hz ou quando uma corrente de alta frequência ou harmônicos de corrente são sobrepostos à corrente de carga que circula no condutor primário 3, perdas de energia são geradas no ferro do circuito magnético. Essas perdas no ferro resultam em aquecimento do circuito magnético bem como dos componentes adjacentes ou em contato com o circuito magnético. Esses aumentos de temperatura são especialmente significativos quando os transformadores são integrados em invólucros de isolamento com outros componentes elétricos ou eletrônicos. O uso de invólucros de isolamento assegura que isolamento elétrico seja fornecido entre o condutor primário 3 e o restante do equipamento elétrico associado ao transformador de corrente.

DIVULGAÇÃO DA INVENÇÃO

[005] O objetivo da invenção é um transformador de corrente capaz de evitar ou reduzir aumentos de temperatura no circuito magnético, bem como um dispositivo de proteção e um disjuntor que compreende esse transformador de corrente.

[006] Em um transformador de corrente que compreende um circuito magnético feito de material magnético que se destina a ser colocado em torno de um condutor primário, e um enrolamento secundário que é enrolado sobre uma porção de dito circuito magnético, para fornecer uma corrente secundária para um circuito de processamento de acordo com a invenção, o circuito magnético compreende pelo menos um dispositivo para variar a magnetização de uma porção de dito circuito magnético de acordo com a temperatura, para limitar ou diminuir o fluxo magnético no circuito magnético quando a temperatura do circuito magnético aumenta.

[007] De preferência, o dispositivo para variar magnetização limita a circulação do fluxo magnético a um valor que é inferior a 50% do valor a 20°C quando a temperatura é superior a 150°C.

[008] De um modo vantajoso, o dispositivo para variar a magnetização cria uma folga adicional completa ou parcial no circuito magnético, para limitar a circulação do fluxo magnético, quando a temperatura for superior a um limiar predeterminado. De preferência, dito limiar predeterminado se situa entre 120°C e 180°C.

[009] De acordo com uma primeira modalidade preferida da invenção, o dispositivo para variar magnetização compreende um dispositivo mecânico alojado em um recesso do circuito magnético, para produzir uma folga ou aumentar uma folga abrindo o circuito magnético quando a temperatura atinge dito limiar predeterminado.

[0010] De um modo vantajoso, o dispositivo mecânico compreende tiras bimetálicas, que são montadas cabeça-com-cauda e estão alojadas em uma reentrância, para efetuar uma separação do circuito magnético, gerando uma folga.

[0011] De preferência, o dispositivo mecânico compreende de 6 a 12 tiras bimetálicas.

[0012] Vantajosamente, dita folga é superior a 0,5 mm quando a temperatura é superior a 120°C ou o circuito magnético sofre um aumento de temperatura de 120 K.

[0013] De acordo com uma segunda modalidade preferida da invenção, o dispositivo para variar magnetização compreende um dispositivo estático alojado em uma seção de dito circuito magnético, sendo dito dispositivo estático constituído por um material magnético com um ponto Curie ou uma temperatura Curie menor que aquela do material magnético do circuito magnético.

[0014] De preferência, o material do dispositivo estático tem uma temperatura Curie entre 80°C e 200°C.

[0015] De um modo vantajoso, o material do dispositivo estático é predominantemente constituído de ferro - níquel ou de ferrita.

[0016] De preferência, o material do dispositivo estático compreende recortes para evitar perdas de corrente através de correntes parasitas.

[0017] Um dispositivo de proteção eletrônica de acordo com a invenção, que compreende uma unidade de processamento eletrônica ligada a pelo menos um transformador de corrente, e que fornece um sinal eletrônico em resposta às funções de proteção, compreende um transformador de corrente, tal como definido acima, que tem um enrolamento secundário conectado à dita unidade de processamento para fornecer uma medição secundária ou corrente de alimentação de energia elétrica.

[0018] Um disjuntor elétrico de acordo com a invenção, que compreende pelo menos um contato elétrico principal para interromper uma corrente em um circuito elétrico, um mecanismo para controlar a abertura de dito contato elétrico e um dispositivo de proteção que fornece um sinal de controle a dito mecanismo de controle, compreende pelo menos um transformador de corrente como definido acima, conectado a uma unidade de processamento de dito dispositivo de proteção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] Outras vantagens e características tornar-se-ão mais claramente evidentes a partir da descrição a seguir de modalidades particulares da invenção, que são fornecidas por meio de exemplos não limitativos, e são mostradas nos desenhos anexos, nos quais: - a figura 1 mostra um transformador de corrente da técnica anterior; - a figura 2 mostra um transformador de corrente de acordo com uma primeira modalidade da invenção; - a figura 3 mostra um transformador de corrente de acordo com uma segunda modalidade da invenção; - a figura 4 mostra um transformador de corrente de acordo com uma terceira modalidade da invenção; - as figuras 5 a 8 mostram disposições de uma primeira modalidade mecânica de um dispositivo para variar magnetização; - as figuras 9 a 11 mostram detalhes de tiras que formam o dispositivo para variar magnetização de acordo com a primeira modalidade; - a figura 12 mostra uma segunda modalidade estática de um dispositivo para variar magnetização; - a figura 13 mostra uma curva de magnetização de um dispositivo para variar magnetização de acordo com a temperatura; - as figuras 14 e 15 mostram disposições de uma segunda modalidade de um dispositivo para variar magnetização estática; e - a figura 16 mostra um diagrama de blocos de um disjuntor e de um dispositivo de proteção que compreende um transformador de acordo com uma modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES

[0020] A Figura 1 mostra um transformador de corrente 1 que compreende um circuito magnético 2 feito de material magnético, que se destina a ser colocado em torno de um condutor primário 3, e um enrolamento secundário 4 que é enrolado sobre uma porção 5 do circuito magnético 2 para distribuir uma corrente secundária a circuitos de processamento. O circuito magnético compreende folhas que são predominantemente compostas de ferro e são projetadas para operar nas frequências da rede elétrica, em particular a 50 Hz ou 60 Hz.

[0021] Para evitar aquecer o circuito magnético quando perdas de energia no ferro do circuito magnético aumentam, o circuito magnético compreende pelo menos um dispositivo 6 para variar a magnetização de uma porção 7 de dito circuito magnético, para limitar ou diminuir o fluxo magnético no circuito magnético quando a temperatura do circuito magnético aumenta. A Figura 2 mostra um transformador de corrente de acordo com uma modalidade da invenção, com um dispositivo 6 interposto em uma seção 7 do circuito magnético.

[0022] As perdas de energia no ferro do circuito aumentam particularmente quando a frequência fundamental da rede elétrica aumenta e excede 100 Hz, ou quando uma corrente de alta frequência ou harmônicos de corrente são sobrepostos à corrente de carga que circula no condutor primário 3.

[0023] Por exemplo, o dispositivo para variar magnetização limita a circulação do fluxo magnético a um valor inferior a 50% do valor a 20°C quando a temperatura é superior a 150°C. Em uma modalidade preferida, o dispositivo para variar magnetização cria uma folga adicional completa ou parcial no circuito magnético, para limitar a circulação do fluxo magnético quando a temperatura excede um limiar predeterminado. Assim, o dispositivo 6 é um dispositivo para limitar fluxo magnético de acordo com a temperatura. A vantagem desse dispositivo envolve não criar uma folga adicional em um nível de corrente baixo, para o qual é necessária uma boa transferência de energia para o enrolamento secundário. Além disso, a um nível de corrente baixo, o aquecimento permanece baixo.

[0024] A Figura 3 mostra um transformador de corrente de acordo com outra modalidade da invenção. O circuito magnético tem uma forma parcialmente redonda e compreende uma derivação magnética 8 com uma folga 9. A derivação 8 desvia um fluxo magnético quando a magnetização do circuito magnético excede um nível predeterminado, de modo a reduzir o fluxo na porção 5 do circuito magnético que recebe o enrolamento secundário 4. O objetivo da derivação 8 é limitar a corrente secundária do enrolamento 4 quando a corrente no condutor primário aumenta. Na modalidade da figura 3, a derivação 8 é produzida a partir das mesmas folhas que o circuito magnético 2. No entanto, outras modalidades são possíveis. Por exemplo, derivações podem ser adicionadas sobre o circuito magnético e produzidas a partir de um material diferente, em particular a partir de pó de ferro, para uma melhor regulação da corrente no enrolamento secundário.

[0025] Outra modalidade de um transformador de corrente de acordo com a invenção é mostrada na figura 4. Um dispositivo 6A para variar a magnetização de uma porção 7A de dito circuito magnético é retido por um dispositivo de retenção 10 do circuito magnético. Se o dispositivo 6A é mecânico, o dispositivo de retenção 10 também é usado para garantir o retorno à posição normal. Um dispositivo 6B para variar a magnetização de uma porção 7B de dito circuito magnético também pode ser disposto no espaço 9 da derivação 8. Nesse caso, se o dispositivo 6B for um dispositivo mecânico e se uma abertura for colocada no porção 7B do circuito magnético remoto do dispositivo 6B, então é possível uma abertura maior na porção 7B para reduzir a magnetização do circuito magnético 2.

[0026] De acordo com uma primeira modalidade do dispositivo para limitar fluxo magnético de acordo com a temperatura que é mostrada nas figuras 5 a 8, o dispositivo 6 para variar magnetização compreende um dispositivo mecânico 11 alojado em um recesso 12 do circuito magnético 2, para produzir uma folga 13 ou aumentar uma folga abrindo o circuito magnético 2 quando a temperatura atinge dito limiar predeterminado. De preferência, dito limiar predeterminado se situa entre 120°C e 180°C.

[0027] O dispositivo mecânico 11 cria uma folga adicional, que aumentará a partir de uma temperatura limiar. Para este fim, o dispositivo mecânico 11 compreende tiras 14 bimetálicas que são montadas cabeça-com-cauda e estão alojadas no recesso 12 para efetuar uma separação do circuito magnético, assim gerando uma folga 13. O recesso 12 permite que as duas tiras sejam retidas em posição de modo a produzir um empuxo perpendicular à sua deformação sob o efeito da temperatura. Um dispositivo de retenção 10 do circuito magnético compreende uma mola de retorno para assegurar o fechamento correto do circuito magnético ou o seu refechamento, e para evitar ruído.

[0028] Assim, a deflexão das tiras bimetálicas separa as bordas da folga a partir de uma temperatura de ajuste. Nesse caso a resiliência mecânica do circuito magnético é usada, portanto a operação é reversível. Uma separação ou uma folga de 0,5 mm é suficiente para reduzir significativamente as perdas no ferro em 50% e, assim, reduzir ou limitar o aquecimento do circuito magnético. Tal separação do circuito magnético tem pouco impacto na corrente secundária quando a corrente primária é uma corrente nominal de operação. De um modo vantajoso, dita folga é maior do que 0,5 mm, quando a temperatura é mais elevada do que 120°C.

[0029] De preferência, o dispositivo mecânico compreende desde 6 a 12 tiras bimetálicas. Nas figuras 5 a 8, a modalidade do dispositivo de limitação mecânica compreende 8 tiras de material bimetálico montadas cabeça-com-cauda.

[0030] O recesso é de preferência localizado no circuito magnético com uma separação de uma seção de recorte, como nas figuras. No entanto, o recesso também pode ser disposto em uma borda ou fora do circuito magnético ou sobre um suporte que causa a separação da folga.

[0031] As Figuras 9 a 11 mostram detalhes de tiras que formam o dispositivo para variar magnetização de acordo com a primeira modalidade. Um exemplo de uma tira bimetálica é mostrado na figura 9, uma primeira face 16 da tira é composta de um primeiro material com um primeiro coeficiente de expansão, e uma segunda face 17 é composta de um segundo material com um segundo coeficiente de expansão abaixo do primeiro coeficiente de expansão. A Figura 9 mostra duas tiras 15 montadas cabeça-com-cauda ou face-com-face a uma temperatura baixa, por exemplo, 20°C, e a figura 11 mostra as mesmas tiras a uma temperatura elevada de aproximadamente 130°C. A deformação das tiras se destina a empurrar as paredes de uma seção do circuito magnético para criar uma folga em alta temperatura. Em uma modalidade, o tamanho de cada tira é 8,5 mm de comprimento, 3,00 mm de largura e 0,6 mm de espessura. Assim, o movimento ou comprimento é superior a 0,5 mm quando a temperatura é superior a 120°C ou o circuito magnético experimenta um aumento de temperatura de 120 K. Para um conjunto de 8 tiras, o movimento é de 0,6 mm. O movimento com 10 tiras será de aproximadamente 0,74 mm. O material de tira bimetálica de preferência será selecionado com uma deformação linear de -20°C a 200°C. Este movimento é um valor teórico que não leva em conta a pressão da mola de retorno do dispositivo de retenção 10. Na prática, os movimentos podem ser ligeiramente mais curtos em função das molas.

[0032] Para evitar movimentos mecânicos do circuito magnético, em uma segunda modalidade do dispositivo para limitar fluxo magnético de acordo com a temperatura, o dispositivo para variar magnetização compreende um dispositivo estático 18 alojado em uma seção de dito circuito magnético. De acordo com esta segunda modalidade da invenção, o dispositivo estático 18 é constituído por um material magnético que possui um ponto Curie ou temperatura Curie inferior àquela do material do circuito magnético. O material do dispositivo estático 18 tem preferencialmente uma temperatura Curie que está entre 80°C e 200°C, por exemplo, em torno de 130°C. De um modo vantajoso, o material do dispositivo estático é predominantemente constituído por ferro- níquel (FeNi) ou de ferrita. Outro exemplo desse tipo de material é "Phytherm", da Aperam.

[0033] Assim, para limitar a temperatura do circuito magnético, dito circuito magnético compreende um recorte que pode gerar uma folga. Um elemento feito de material magnético com um baixo ponto Curie (Tc) é inserido nesse recorte ou abertura. A magnetização deste material diminui de acordo com a temperatura, até que seja anulada para a temperatura Tc. Na faixa de temperaturas que não apresenta quaisquer riscos para o sensor, por exemplo, abaixo de 120°C, o material possui propriedades magnéticas que permitem a operação normal do sensor, enquanto permite livremente que o fluxo magnético passe pela abertura. Nesse caso, a energia fornecida pelo sensor em níveis baixos de corrente dificilmente é afetada. Ao se aproximar da temperatura limite definida, o material perde suficientemente sua magnetização para se comportar como o ar. As perdas no ferro e o aquecimento são, então, reduzidas tal como na primeira solução com tiras bimetálicas.

[0034] A Figura 12 mostra uma modalidade de um dispositivo estático 18 para variar magnetização, que compreende recortes 19 para evitar perdas de correntes parasitas. Quando o material é ferrita não são necessários recortes, uma vez que esse material não é um bom condutor elétrico ou isolante.

[0035] A Figura 13 mostra uma curva de magnetização 20 de um dispositivo para variar magnetização de acordo com a temperatura. Em torno de 20°C, a magnetização ainda é máxima. Então, quando a temperatura aumenta, a magnetização do material diminui até se tornar praticamente zero quando se ultrapassa o ponto Curie 21.

[0036] As Figuras 14 e 15 mostram disposições de acordo com a segunda modalidade de um dispositivo 18 para variar magnetização estática para limitar o fluxo magnético de acordo com a temperatura. O circuito magnético compreende entalhes ou aberturas para criar folgas a altas temperaturas. Na figura 14, a folga estará completa, uma vez que uma abertura 22 ocupa toda a seção. Neste caso, um dispositivo de retenção 10 impede qualquer movimento do circuito magnético. Na figura 15, a folga é parcial, com um entalhe 23 ocupando apenas uma porção da seção do circuito magnético. Assim, um elemento 18 feito de material magnético com um baixo ponto Curie (Tc) é inserido nos entalhes ou aberturas 22 ou 23. De preferência, a distância da folga das aberturas 22 ou 23 está entre 0,5 e 1 mm.

[0037] A Figura 16 mostra um diagrama de blocos de um disjuntor 30 e um dispositivo de proteção 31 que compreende um transformador 1 de acordo com uma modalidade da invenção.

[0038] O dispositivo de proteção eletrônica 31 compreende uma unidade de processamento eletrônica 32 conectada a pelo menos um transformador de corrente e que fornece um sinal eletrônico D em resposta a funções de proteção. O dispositivo de proteção compreende um transformador de corrente 1 de acordo com uma modalidade da invenção para variar magnetização. O transformador 1 tem um enrolamento secundário 4 conectado à unidade de processamento 32 para fornecer uma medição secundária ou uma corrente de suprimento de energia elétrica Is. No caso particular da figura 16, o dispositivo de proteção compreende um transformador de corrente 1 com um dispositivo para variar magnetização de acordo com a temperatura para alimentar a unidade de processamento 32, e um sensor de corrente 33 para fornecer um sinal de medição de corrente Im para a unidade de processamento.

[0039] O disjuntor elétrico 30 compreende pelo menos um contato principal 34 para interromper uma corrente Ip em um circuito elétrico 35, um mecanismo 36 para controlar a abertura de dito contato elétrico 34, e um dispositivo de proteção 31 que fornece um sinal de controle D a dito mecanismo de controle 36. Este disjuntor compreende pelo menos um transformador de corrente 1 com um dispositivo para variar magnetização de acordo com a temperatura, para alimentar a unidade de processamento 32 do dispositivo de proteção 31. O condutor primário 3, que faz parte do circuito elétrico 35, passa pelo interior do circuito magnético 2 do transformador de corrente 1.

Claims

1. Transformador de corrente (1) que compreende: - um circuito magnético (2) feito de material magnético, que se destina a ser colocado ao redor de um condutor primário (3); e - um enrolamento secundário (4) que é enrolado sobre uma porção (5) de dito circuito magnético (2), para fornecer uma corrente secundária a um circuito de processamento (32), caracterizado pelo fato de o circuito magnético (2) compreender pelo menos um dispositivo (6, 6A, 6B) para variar a magnetização de uma porção (7) de dito circuito magnético (2) dependendo da temperatura, para limitar ou para diminuir o fluxo magnético no circuito magnético (2) quando a temperatura do circuito magnético (2) aumenta.

2. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dispositivo (6, 6A, 6B) para variar magnetização limitar a circulação do fluxo magnético a um valor inferior a 50% do valor a 20°C quando a temperatura é superior a 150°C.

3. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o dispositivo (6, 6A, 6B) para variar magnetização criar uma folga adicional completa ou parcial no circuito magnético (2), para limitar a circulação do fluxo magnético quando a temperatura excede um limiar predeterminado.

4. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de dito limiar predeterminado estar entre 120°C e 180°C.

5. Transformador de corrente, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o dispositivo (6, 6A, 6B) para variar a magnetização compreender um dispositivo mecânico (11, 14) alojado em um recesso (12) do circuito magnético (2), para produzir uma folga (13) ou aumentar uma folga (13) pela abertura do circuito magnético (2) quando a temperatura atinge dito limiar predeterminado.

6. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o dispositivo mecânico (11, 14) compreender tiras bimetálicas (15) montadas cabeça-com-cauda e ser alojado em um recesso (12), que atua em uma separação do circuito magnético (2) gerando uma folga.

7. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o dispositivo mecânico (11, 14) compreender de 6 a 12 tiras bimetálicas (15).

8. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de dito espaço (13) ser superior a 0,5 mm quando a temperatura é superior a 120°C ou o circuito magnético (2) experimenta um aumento de temperatura de 120 K.

9. Transformador de corrente, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o dispositivo (6, 6A, 6B) para variar magnetização compreender um dispositivo estático (18) alojado em uma seção de dito circuito magnético (2), dito dispositivo estático (18) sendo constituído por um material magnético com um ponto Curie ou uma temperatura Curie inferior àquela do material magnético do circuito magnético (2).

10. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o material do dispositivo estático (18) ter uma temperatura Curie entre 80°C e 200°C.

11. Transformador de corrente de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de o material do dispositivo estático (18) ser predominantemente constituído de ferro- níquel (FeNi) ou de ferrita.

12. Transformador de corrente de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de o material do dispositivo estático (18) compreender entalhes (19) para evitar perdas de corrente por correntes parasitas.

13. Dispositivo de proteção eletrônica (31) que compreende uma unidade de processamento eletrônico (32) conectada a pelo menos um transformador de corrente (1) e que fornece um sinal eletrônico (D) em resposta a funções de proteção, cujo dispositivo é caracterizado pelo fato de compreender um transformador de corrente (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, com um enrolamento secundário (4) conectado à dita unidade de processamento (32), para fornecer uma medição secundária ou uma corrente de suprimento de energia elétrica (Is).

14. Disjuntor elétrico (30) que compreende pelo menos um contato elétrico principal (34) para interromper uma corrente (Ip) em um circuito elétrico (35), um mecanismo (36) para controlar a abertura de dito contato elétrico (34) e um dispositivo de proteção (31) que fornece um sinal de controle (D) a dito mecanismo de controle (36), caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um transformador de corrente (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, conectado a uma unidade de processamento (32) de dito dispositivo de proteção (31).