BRPI0502038B1 - dispositivo para medição de corrente elétrica, sensor de corrente, unidade de disparo elétrico e dispositivo interruptor constituindo tal dispositivo medidor - Google Patents
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Abstract
"dispositivo para medição de corrente elétrica, sensor de corrente, unidade de disparo elétrico e dispositivo interruptor constituindo tal dispositivo medidor". o dispositivo de medição de corrente do tipo rogowski compreende pelo menos três bobinas (2) eletricamente ligadas em série e formando um contorno poligonal fechado projetado para circundar um condutor (7) para efetuar medição de corrente. a indutância local de pelo menos uma das extremidades (a) das ditas bobinas (2) é maior que a indutância local no sentido da parte central (b) das ditas bobinas.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO PARA MEDIÇÃO DE CORRENTE ELÉTRICA, SENSOR DE CORRENTE, UNIDADE DE DISPARO ELÉTRICO E DISPOSITIVO INTERRUPTOR CONSTITUINDO TAL DISPOSITIVO MEDIDOR".
Antecedentes da Invenção A presente invenção refere-se a um dispositivo para medição de corrente do tipo Rogowski que compreende pelo menos três bobinas eletricamente ligadas em série e formando um contorno poligonal fechado projetado para circundar um condutor para efetuar medição de corrente.
Estado da Técnica O uso de dispositivos de medição de corrente compreendendo sensores indutivos do tipo Rogowski são extensamente descritos na literatura.
Os dispositivos medidores de corrente do tipo Rogowski compreendem um suporte construído de material não-magnético aplicado em torno de um condutor ou linha de corrente em que a corrente a ser medida passa. Um fio condutor é bobinado sobre o suporte para formar um enrola-mento secundário. O conjunto forma um transformador onde o dito condutor ou linha de corrente constitui um enrolamento primário e o dito enrolamento secundário fornece um sinal de medição. A tensão (voltagem) alimentada nos terminais do enrolamento secundário é diretamente proporcional à intensidade da corrente elétrica de passagem no condutor ou linha de corrente. O fato da inexistência de qualquer núcleo magnético a ser saturado habilita a realização de uma ampla faixa de medição.
Para obter uma medição de tensão independente da posição do condutor no suporte e suprimir a influência de outro condutor disposto no exterior do suporte, o número de espiras por comprimento unitário tem de ser constante através da inteira extensão da bobina e as espiras tem de ser ligadas.
Determinadas soluções (US 4.611.191, WO 01/57.543 A1) compreendem bobinas na forma de solenóides toroidais. O fio elétrico pode então ser enrolado sobre um suporte não condutivo toroidal de seção transver- sal circular ou retangular. Embora sejam muito eficientes, soluções usando um toróide fechado permanecem difíceis de industrializar devido à geometria do toróide. O enrolamento de um toróide na realidade permanece complexo e isto é particularmente verdadeiro quando é pequena a dimensão do dispositivo medidor de corrente, Para reparar estes problemas de realização, outras soluções consistem em utilizar um conjunto de várias bobinas eletricamente ligadas em série e dispostas em uma configuração poligonal. Cada lado do polígono é então formado por uma bobina linear ou quase linear. Em ermos genéricos, tanto maior o número de bobinas usado mais próximo está daquele de um toróide cilíndrico (US n2 3.262.6291; DE 19.731.170).
Para otimizar a realização industrial do polígono, soluções utilizando configurações poligonais com quatro lados de forma quadrada ou retangular podem ser usadas (EP 209.415, FR 2.507.811; DE 2.432.919) Como representado na figura 1, o dispositivo de medição de corrente atual 1 é então formado por quatro bobinas lineares 2 eletricamente ligadas em série com os seus eixos geométricos longitudinal Y dispostos no mesmo plano radial. O condutor primário 7 sobre o qual a medição de corrente é efetuada é colocado no interior do dispositivo medidor de corrente em uma direção perpendicular ao dito plano radial do dispositivo de medição de corrente 1.
Todavia, estas soluções às vezes apresentam a deficiência de serem demasiadamente sensíveis a fenômenos exteriores ao polígono. A medição da corrente que passa no condutor 7 pode assim se tornar falsa.
Na verdade, quando várias bobinas 2 são usadas para constituir um dispositivo de medição de corrente fechado de forma poligonal, uma zona de descontinuidade magnética H existe na região de cada conexão entre duas bobinas 2. Distintamente de um dispositivo medidor de corrente compreendendo um solenóide de forma toroidal perfeita, o número de espi-ras por comprimento unitário não é mais constante através da inteira extensão do enrolamento do dispositivo medidor. Uma descontinuidade estrutural existe devido ao fato de que a última espira de uma bobina 2 não estar ligado com a primeira espira da bobina 2 que está diretamente ligada com a mesma. 0 coeficiente de indução mútua MO entre o dispositivo medidor de corrente e um circuito externo não é zero.
Esta descontinuidade estrutural entre duas bobinas é tanto maior quanto menor for o ângulo interno α formado por duas bobinas do polígono. Os ângulos internos α entre as bobinas de um dispositivo medidor de corrente de formato poligonal quadrado ou retangular são de 90 graus.
Determinadas soluções da melhor prática moderna (EP n-0.838.686) compensam estas descontinuidades pelo dispor das quatro bobinas de forma que cada extremidade de uma bobina seja parcialmente ou totalmente coberta pela bobina que está adjacente à mesma. Esta solução não resolve por completo o problema relacionado com a influência de fluxos externos sobre a medição de corrente. Além disso, problemas de montagem das bobinas sobre seu suporte são enfrentados.
Outras soluções fazem uso de peças de núcleos magnéticos colocadas somente no nível das descontinuidades estruturais. Embora reduzam a influência de fluxos externos parasitas, estes núcleos, todavia, terminam por se saturarem na presença de correntes intensas. Além disso, a presença destes núcleos torna a conexão das bobinas entre si mais complexa. Sumário da Invenção O objetivo da invenção por conseguinte é reparar as deficiências do estado da técnica de modo a propor um dispositivo de medição de corrente que é menos sensível às perturbações externas, é de volume reduzido, e de industrialização simplificada.
Um dispositivo de medição de corrente de acordo com a invenção compreende bobinas, a indutância local de pelo menos uma das extremidades das ditas bobinas sendo mais alta que a indutância local no sentido da parte central das ditas bobinas.
Vantajosamente, a indutância local em ambas as extremidades das ditas bobinas é mais alta que a indutância local no sentido da parte central das ditas bobinas.
Vantajosamente, as extremidades das bobinas, onde a sua indutância local é mais alta que a indutância local da parte central, compreen- dem um número maior de espiras de fio por comprimento unitário do que o número de espiras de fio por comprimento unitário no sentido da parte central das ditas bobinas.
Vantajosamente, as extremidades compreendem um número maior de camadas de espiras de fio do que o número de camadas de espiras de fio no sentido da parte central das ditas bobina, o passo de enrola-mento das espiras sendo constante.
Em uma modalidade específica, as extremidades compreendem, sobre uma e a mesma camada de espiras, um passo de enrolamento menor das espiras que o passo de enrolamento das espiras no sentido da parte central das ditas bobinas.
De preferência, a variação do número de espiras nas duas extremidades das bobinas é realizada através de uma distância compreendida entre 10 e 20 por cento do comprimento total da bobina.
De acordo com um desenvolvimento da invenção, as extremidades das bobinas em que a sua indutância local é mais alta que a indutância local da parte central, compreende espiras de uma maior extensão que aquela das espiras no sentido da parte central das ditas bobinas.
Em uma modalidade específica, as superfícies radiais das extremidades de duas bobinas são parcialmente cobertas pelas bobinas adjacentes. O dispositivo de medição de corrente, de preferência é formado por quatro bobinas distribuídas de modo a formar um contorno fechado.
Vantajosamente, o dito contorno tem uma forma poligonal quadrada ou retangular.
Um sensor de corrente misto compreendendo um sensor de corrente magnético tendo uma bobina enrolada em torno de um circuito magnético possui um dispositivo de medição de corrente conforme definido acima de tal maneira disposto que o circuito primário do sensor magnético corresponde ao circuito primário do dispositivo medidor de corrente.
Uma unidade de disparo elétrico compreende dispositivos de processamento ligados com pelo menos um dispositivo medidor de corrente conforme definido acima para receber pelo menos um sinal representativo de uma corrente primária.
Um dispositivo de interrupção compreendendo um mecanismo de abertura dos contatos elétricos e um relé conectado com uma unidade de disparo conforme definida acima, a unidade de disparo compreendendo um dispositivo de medição de corrente conforme definido acima.
Breve Descrição dos Desenhos Demais vantagens e aspectos característicos se evidenciarão mais claramente da descrição que se segue de uma modalidade específica da invenção, oferecida meramente a título de um exemplo não límitativo, e representada nos desenhos apensos, em que: A figura 1 representa uma vista superior de um dispositivo de medição de corrente de tipo conhecido; A figura 2 representa uma vista superior esquemática do dispositivo de medição de corrente com quatro bobinas de acordo com uma modalidade preferencial da invenção; A figura 3 representa uma vista em escala ampliada da figura 2 correspondente à zona de junção de duas bobinas; A figura 4 representa uma vista lateral do dispositivo de medição de corrente de acordo com a figura 2;
As figuras 5 a 7 representam modalidades alternativas do dispositivo de medição de corrente de acordo com a figura 2;
As figuras 8 a 10 representam vistas em perspectiva das bobinas no curso da montagem sobre o suporte; A figura 11 representa uma modalidade específica onde o dispositivo de medição de corrente de acordo com a invenção é combinado com um sensor de corrente magnético; A figura 12 representa um diagrama em blocos de um dispositivo interruptor integrando sensores de corrente de acordo com a invenção. Descrição Detalhada de uma Modalidade O dispositivo de medição de corrente 1 compreende pelo menos três bobinas lineares 2 eletricamente ligadas em série e formando um con- torno poligonal fechado. De acordo com a modalidade preferencial da invenção representada na figura 2, o dispositivo de medição de corrente 1 compreende quatro bobinas lineares 2 dispostas no mesmo plano. O eixo geométrico longitudinal Y de cada bobina é perpendicular aos respectivos eixos geométricos longitudinais das duas bobinas dispostas fisicamente contigua-mente aos mesmos.
Cada bobina é composta de um casco oco, rígido ou semi-rígido de formato linear construído de material não magnético, e tendo uma seção transversal cilíndrica, quadrada, retangular ou ovóide. Um fio metálico constituído de cobre ou de uma liga a base de cobre é enrolado sobre o casco.
Genericamente, os cascos de sensores conhecidos possuem seções transversais de formato circular. Todavia, um formato deste tipo não habilita a obtenção de uma seção transversal máxima quando o espaço ou volume previsto para os sensores é limitado. Na modalidade, a seção transversal dos cascos das bobinas é de formato retangular. Dois flanges 3 são dispostos respectivamente nas duas extremidades das ditas bobinas 2.
As bobinas 2 são eletricamente interligadas em série. Cada bobina é fixada sobre uma base 5 suportando o conjunto de quatro bobinas. A base 5 é munida de uma abertura central 6 habilitando a passagem do condutor ou linha de corrente 7 sobre o qual a medição de corrente é efetuada. Este condutor ou linha de corrente 7 forma o circuito primário do dispositivo de medição de corrente 1.
Na modalidade conforme apresentada nas figuras 8 a 10, a base 5 é formada por um circuito impresso. Este circuito então assegura tanto a fixação mecânica das bobinas 2 como sua interligação elétrica. O circuito impresso também estabelece as conexões externas com um barramento de ligação 10. As quatro bobinas 2 respectivamente têm pinos de conexão 9 soldados diretamente sobre as trilhas 11 do circuito impresso.
Cada bobina 2 pode compreende várias camadas de fio. O en-rolamento do fio sobre qualquer camada é efetuado a um passo constante. Em outras palavras, sobre uma camada, o número de espiras 8 por comprimento unitário é constante. Outrossim, as espiras de preferência são liga- das.
Cada bobina 2 é portadora quer de um número par de camadas de fio, caso em que os pinos de conexão 9 são situados sobre o mesmo lado do casco da bobina, quer de um número impar de camadas de fio, caso em que os pinos de conexão 9 são situados sobre ambos os lados do casco. No primeiro caso, as trilhas condutoras de interligação 11 dos pinos de conexão 9 de bobinas adjacentes têm uma extensão substancialmente equivalente àquela do casco. No segundo caso, o circuito impresso vantajosamente é portador de uma trilha condutora de neutralização circundando substancialmente a abertura central 6. Esta trilha é disposta eletricamente em série e magneticamente em oposição com os enrolamentos de modo a neutralizar os efeitos perturbadores dos campos magnéticos externos.
Devido a esta disposição das quatro bobinas 2 em um quadrado, quatro zonas H de descontinuidade estrutural implicitamente existem onde nenhuma espira 8 está presente. O ângulo interno α formado entre as bobinas do polígono é então de 90 gruas.
Idealmente, conforme representado esquematicamente na figura 3, as espiras 88 devem ser dispostas na zona H para prevenir qualquer descontinuidade de bobina sobre o perímetro do sensor. O número de espiras por comprimento unitário sobre estas partes do arco permanecería assim próximo aquele das partes lineares.
Para limitar os efeitos nocivos devido à carência de espiras sobre estas partes do sensor, a invenção consiste em posicionar meios de compensação das zonas de descontinuidade sobre o sensor. Estes meios de compensação consistem em alterar a indutância das bobinas localmente no sentido de suas respectivas extremidades. A invenção na realidade consiste em aumentar a indutância das bobinas 2 localmente nas suas extremidades A. A indutância local nas extremidades A é então maior que aquela observada localmente no sentido da parte central B das ditas bobinas 2.
Assim, de acordo com a modalidade preferencial da invenção, o dispositivo compreende bobinas 2 com enrolamentos de espiras complementares nas suas duas extremidades A. Na presente modalidade, a des- continuidade estrutural é atenuada por uma compensação elétrica. O número de espiras 8 adicionado em cada extremidade A é aproximadamente igual a 1/(raiz de 2) vezes o número de espiras ausentes na zona H. As espiras suplementares 4 são realizadas tão próximas quanto possíveis das duas extremidades A. Na modalidade, as espiras suplementares 4 são realizadas através de uma distância D de preferência compreendida entre dez e vinte por cento do comprimento total L da bobina. O enrolamento do fio sobre a totalidade de cada bobina preferivelmente é efetuado a um passo constante, por exemplo com espiras ligadas.
De acordo com uma primeira modalidade alternativa, o efeito das espiras suplementares é substituído por aquele de uma variação do passo de enrolamento do fio nas extremidades de cada bobina 2. Sobre uma e a mesma camada de fio, o passo de enrolamento observado localmente nas duas extremidades A das bobinas é na realidade diferente daquele observado localmente no sentido da parte central B da dita bobina. O passo de enrolamento do fio nas extremidades A é menor que aquele existente localmente no sentido da parte central B da bobina. Assim, sem ser necessário aumentar o número de camadas, o número de espiras B de fio por comprimento unitário observado localmente nas extremidades A é maior que o número de espiras por comprimento unitário observado locaimente no sentido da parte central B da bobina linear 2.
De acordo com uma segunda modalidade alternativa conforme representada nas figuras 5 e 6, a descontinuidade estrutural pode ser compensada por uma alteração da extensão de fio por espíra de bobina no nível das extremidades A das bobinas 2. Cada bobina 2 é então realizada sobre um casco não-magnético, a seção transversal do qual não é constante através do inteiro comprimento L. A seção transversal do casco no sentido das duas extremidades A tem de ser maior que a seção transversal no sentido da parte central B. Um casco pode ser contemplado composto de dois volumes em tronco de cone dispostos de tal maneira que as grandes bases dos cones correspondem às superfícies colocadas nas extremidades A do casco. Outra solução consistiría em utilizar um casco cuja seção transversal varia de uma extremidade A para a outra seguindo um perfil correspondente a uma parte de círculo ou parábola.
De acordo com outra modalidade alternativa conforme representada na figura 7, a descontinuidade estrutural inicial é compensada por um lado por um aumento da indutância local no sentido das extremidades A das bobinas e por outro lado por uma excentricidade espacial de duas bobinas. Uma compensação elétrica é por conseguinte combinada com uma compensação geométrica. Esta compensação geométrica consiste na realidade em dispor duas bobinas paralelas de uma tal maneira que a sua extremidade A cubra parcialmente as superfícies radiais das bobinas adjacentes.
Pode naturalmente ser contemplado combinar estas quatro modalidades da invenção entre si. Pode na realidade, por exemplo, ser contemplado munir as espiras suplementares nas extremidades A das bobinas 2 de enrolamentos com passos variáveis ou proporcionar bobinas dotadas de seções transversais variáveis com enrolamentos com passos variáveis. Outros-sim, o mesmo dispositivo de medição de corrente 1 pode compreender bobinas respectivamente obtidas com as diferentes modalidades acima descritas.
Além disso, as soluções descritas acima asseguram para todas as extremidades de todas as bobinas 2 terem uma indutância local modificada. A descontinuidade entre duas bobinas 2 é assim compensada devido à modificação estrutural ou elétrica das respectivas extremidades A das duas bobinas 2. Pode também ser contemplado modificar somente uma única extremidade A das duas extremidades A das duas bobinas 2. Na prática, através de todas as bobinas 2 do dispositivo de medição de corrente 1, somente uma extremidade A dentre duas terá uma indutância local modificada.
De maneira geral, os efeitos nocivos ou perturbações externas têm uma maior influência sobre a medição de corrente quando as zonas de descontinuidade H são grandes. Em outras palavras, quanto menor o ângulo interno α entre duas bobinas, por exemplo menor que 90 graus, maior a zona de descontinuidade estrutural H e maior o efeito das perturbações sentidas. Assim, os meios de compensação de acordo com a invenção são mais particularmente projetados para sensores de corrente tendo bobinas dispostas em um contorno poligonal dotado de pelo menos oito lados. Para polígonos dotados de mais de oito lados, como as zonas de descontinuidade H são relativamente pequenas, a necessidade de meios de compensação contíguos às mesmas por conseguinte é menor. O dispositivo de medição de corrente 1 de acordo com as diferentes modalidades da invenção é particularmente proposto para ser combinado com um sensor de corrente magnético assim formando um sensor de corrente mista 20 composto de um sensor magnético e de um dispositivo de medição de corrente do tipo Rogowski 1.
Este conjunto 20 pode então ser integrado em uma unidade de disparo elétrico 40 projetada para controlar um dispositivo interruptor tal como um disjuntor de circuito 50. O disjuntor de circuito 50 é montado sobre condutores ou linhas de corrente elétrica 25. Os sensores de corrente magnéticos são então conectados com a unidade fonte de alimentação 28 da unidade de disparo. Os dispositivos medidores de corrente 1 de acordo com a invenção são conectados com os dispositivos de processamento 29. Os dispositivos de processamento 29 são eles próprios alimentados pela unidade fonte de alimentação 28. Como representado na figura 12, vários pólos elétricos de uma instalação podem compreender um dispositivo de medição de corrente do tipo Rogowski de acordo com a invenção e um sensor de corrente magnético.
Caso os dispositivos de processamento 29 recebam, através dos dispositivos de medição de corrente 1, informações da presença de uma falha em pelo menos uma das linhas 25, um comando de abertura dos contatos 30 pode ser transmitido para o mecanismo de abertura 32 através do reié 31.
Como representado na figura 11, o sensor de corrente magnético é essencialmente composto de uma bobina 23 disposta sobre um circuito magnético 22 assim formando o enrolamento secundário de um transformador de corrente. O circuito primário é formado peto condutor ou linha de corrente elétrica 25 sobre o qual o conjunto 20 está instalado. Este condutor ou linha de corrente elétrica 25, não mostrado, é disposto no interior de uma abertura 6 prevista no circuito magnético 22. Além disso, de acordo com a presente modalidade,o circuito primário do sensor de corrente magnético também corresponde ao circuito primário do dispositivo de medição de corrente 1 de acordo com a invenção. As quatro bobinas lineares 2 montadas em série e formando um quadrado são na realidade dispostas em torno da abertura 6 na qual passa o dito condutor ou linha de corrente elétrica 25.0 circuito impresso 5 atuando como um suporte para as quatro bobinas é usado para conexão elétrica das ditas bobinas, porém também para conexão elétrica da bobina 23. Outrossim, pode ser contemplada o uso de uma única barra de ligação 10 para ambos os sensores.
Esta configuração permite que o tratamento total do conjunto seja bastante reduzido e forneça a instalação deste tipo de sensor de corrente misto 20 nas unidades de disparo elétrico 40.
REIVINDICAÇÕES
Claims (13)
1. Dispositivo de medição de corrente do tipo Rogowski que compreende pelo menos três bobinas (2) eletricamente ligadas em série e formando um contorno poligonal fechado configurado para circundar um condutor ou linha de corrente (7) para efetuar medição de corrente, caracterizado pelo fato de que a indutância local de pelo menos uma das extremidades (A) das ditas bobinas (2) é maior que a indutância local no sentido da parte central (B) das ditas bobinas.
2. Dispositivo de medição de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a indutância local em ambas as extremidades (A) das bobinas (2) é maior que a indutância local no sentido da parte central (B) das ditas bobinas.
3. Dispositivo de medição de corrente de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato das extremidades (A) das bobinas (2) cuja indutância local é maior que a indutância local da parte central (B) compreenderem um maior número de espiras (8) de fio por comprimento unitário que o número de espiras (8) de fio por comprimento unitário no sentido da parte central (B) das ditas bobinas.
4. Dispositivo de medição de corrente de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato das extremidades (A) compreenderem um maior número de espiras (8) de fio que o número de camadas de espiras (8) de fio no sentido da parte central (B) das ditas bobinas, o passo de enrola-mento das espiras sendo constante.
5. Dispositivo de medição de corrente de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato das extremidades (A) compreenderem, sobre uma e a mesma camada de espiras (8), um passo de enrolamento menor das espiras que o passo de enrolamento das espiras no sentido da parte central (B) das ditas bobinas.
6. Dispositivo de medição de corrente de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da variação do número de espiras em cada extremidade (A) das bobinas (2) ser efetuada através de uma distância (D) compreendida entre 10 e 20 por cento do com- primento total (L) da bobina (2).
7. Dispositivo de medição de corrente de acordo com as reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato das extremidades (A) das bobinas (2), das quais a indutância local é mais alta que a indutância local da parte central (B), compreender espiras de uma maior extensão que aquela das espi-ras no sentido da parte central (B) das ditas bobinas.
8. Dispositivo de medição de corrente de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da superfície radial de pelo menos uma das extremidades (A) de uma bobina (2) ser parcialmente coberta pela bobina adjacente.
9. Dispositivo de medição de corrente de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de ser formado por quatro bobinas (2) distribuídas de modo a formar um contorno fechado.
10. Dispositivo de medição de corrente de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do contorno ter um formato poligonal quadrado ou retangular.
11. Sensor de corrente mista (20) que compreende um sensor de corrente magnético tendo uma bobina (23) enrolada em torno de um circuito magnético (22), caracterizado pelo fato de que compreende um dispositivo de medição de corrente (1) como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes disposto de uma tal maneira que o circuito primário (7, 25) do sensor magnético corresponde ao circuito primário (7, 25) do dispositivo de medição de corrente (1).
12. Unidade de disparo elétrico (40) compreendendo dispositivos de processamento (29), caracterizada pelo fato dos dispositivos de processamento (29) serem conectados com pelo menos um dispositivo de medição de corrente (1) como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes para receber pelo menos um sinal representativo de uma corrente primária.
13. Dispositivo interruptor (50) que compreende um mecanismo de abertura (32) de contatos elétricos (30) e um relé (31) conectado com uma unidade de disparo (40), caracterizado pelo fato da unidade de disparo ser uma unidade de disparo como definida na reivindicação 12 compreendendo um dispositivo de medição de corrente (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.
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