ES2219362T3 - Sensor de corriente. - Google Patents
Sensor de corriente.Info
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Abstract
Un sensor de corriente (1; 101; 41) que comprende: un generador de campos magnéticos (2a, 32a) para recibir la corriente (Is) a detectar y para generar en reacción a la misma un campo magnético correspondiente (3) y medios de detección (4; 104) para detectar el campo magnético local (3) generado por el susodicho generador de campos magnéticos (2a, 32a) y para dar salida a una señal indicadora de la corriente a detectar, comprendiendo dichos medios de detección (4; 104): un arrollamiento sensor (6; 106, 106¿; 6¿) que tienen una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento sensor (15a), para detectar campos magnéticos (3) y para generar una señal detectada que varía en función del campo magnético detectado (3); y un arrollamiento de compensación (7; 107, 107¿; 7¿) que tienen una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento de compensación (15b) para detectar campos magnéticos (3) y para generar unaseñal de compensación que varía en función del campo magnético detectado (3); medios para determinar la diferencia entre la señal de compensación y la señal detectada con objeto de proveer una señal de diferencia (8; 44); y medios para generar la susodicha señal de salida (23; 123) en función de la señal provista de diferencia (8; 44): estando el arrollamiento sensor (6; 106, 106¿, 6¿) y el arrollamiento de compensación (7; 107, 107¿; 7¿) dispuestos de tal manera que sus centros magnéticos efectivos (15a, 15b) son sustancialmente coincidentes.
Description
Sensor de corriente.
La presente invención se refiere a un sensor que
puede ser usado para medir la corriente que fluye por un conductor.
Más particularmente, aunque no exclusivamente, la presente
invención se refiere a un sensor de corriente que puede formar
parte de un medidor fiscal de corriente alterna para medir la
energía suministrada por una compañía de servicios públicos a un
local comercial o domiciliario.
Se conocen una variedad de métodos diferentes
para medir corriente. Los más importantes que conocen los
solicitantes comprende:
\bullet EP-A-O
710 844 (ENERMET)
\bullet US-A-5
066 904 (BULLOCK)
\bullet US-A-4
706 017 (WILSON)
ENERMET postula un método que comprende un
gradiómetro. BULLOCK postula soluciones en las que un conductor
(resistencia de medición) se instala coaxialmente dentro de otro
conductor (resistencia shunt). WILSON estipula un método por el que
se fija un concentrador de flujo ferromagnético en una plaqueta de
circuitos impresos en la que el concentrador de flujo pasa por una
bobina impresa en la placa.
Cada uno de ellos muestra ejemplos de sensores de
transformador de corriente de técnicas anteriores que no obstante
son sensibles a campos magnéticos externos y no uniformes (es
decir, cuando la potencia de campo varía espacialmente) que pueden
resultar a causa de corrientes, de la misma frecuencia que la
corriente detectada, que fluyen por los alambres situados en
proximidad física al sensor de corriente.
Cuando el sensor de corriente es usado como parte
de un medidor fiscal de electricidad es particularmente importante
que el medidor no sea indebidamente sensible a la influencia de
campos magnéticos externos. Hay varias especificaciones publicadas
referentes al desempeño de medidores fiscales de electricidad, por
ejemplo, ANSI C12-1993, "Medición de
Electricidad" y IEC 1036, Segunda Edición,
1996-09. Más específicamente, ANSI C12.16
"Medidores de Electricidad de Estado Sólido", Sección 10.2.4
"Efecto de Ensayo de Campo Magnético Externo No. 16",
especifica el grado al cual un medidor fiscal de electricidad puede
ser influenciado por interferencia magnética. El ensayo especifica
que con una corriente de 3A que fluye a través del medidor, y con el
medidor colocado en una de tres posiciones especificadas dentro de
un circuito de 1,8 x 1,8 metros, una corriente de 100A (de la misma
frecuencia y fase que la corriente medida) que fluye alrededor del
circuito no debe alterarla lectura del medidor en más de 1%.
Por consiguiente existe una necesidad – que los
métodos propuestos por ENERMET, BULLOCK Y WILSON no satisfacen - de
un sensor de corriente que sea de bajo costo, que aporte
aislamiento con respecto a la corriente que está siendo medida, sea
integrable con métodos modernos de fabricación electrónica y sea
sustancialmente insensible a:
- (i)
- campos magnéticos producidos, por ejemplo, por fuentes magnéticas distantes (campos distantes),
- (ii)
- campos magnéticos no uniformes producidos, por ejemplo, por grandes corrientes que fluyen a través de conductores cercanos (es decir, gradientes de campo); y
- (iii)
- campos magnéticos del tipo especificado en la norma ANSI.
En resumen, se trata de detectar y medir el flujo
de corriente en una bobina enrollada sin que la medición sea
alterada por los campos magnéticos que inevitablemente son
generados.
La presente invención resuelve el problema
general mediante el empleo de dos bobinas, una de detección y otra
de cancelación, dispuestas una encima de otra de tal modo que
gracias a la proximidad resultante se crea una insensibilidad a la
interferencia de campos magnéticos.
La separación de las dos bobinas y su disposición
una encima de la otra para lograr el resultado expuesto, en
comparación con otros métodos de esta clase, puede adoptar al menos
cuatro formas diferentes independientes entre sí, aunque
relacionadas de manera imaginativa, a saber:
- 1.
- los respectivos centros dipolares magnéticos de los arrollamientos coinciden sustancialmente
- 2.
- los respectivos arrollamientos están situados coaxialmente
- 3.
- utilización de arrollamientos acoplados por medios no ferromagnéticos
- 4.
- plaqueta unitaria de circuitos impresos (PCB)
Cada uno de estos métodos constituye una
invención autónoma en sí, ofreciendo los mismos resultados técnicos
con la solución de un mismo problema. En consecuencia, representan
soluciones diferentes a un problema particular, obedeciendo todos
ellos al mismo criterio de invención.
Según las reivindicaciones particulares aquí
expuestas, la presente invención provee un sensor de corriente que
comprende:
- un generador de campos magnéticos para recibir la corriente a detectar y para generar una reacción a la misma que consiste en un campo magnético local correspondiente; y
- medios de detección para detectar el campo magnético local generado por dicho campo magnético y para dar salida a una señal indicadora de la corriente a detectar, comprendiendo dichos medios de detección:
- un arrollamiento sensor que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento sensor, para detectar campos magnéticos y para generar una señal detectada que varía en función del campo magnético detectado; y
- un arrollamiento de compensación que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento de compensación, para detectar campos magnéticos y para generar una señal de compensación que varía en función del campo magnético detectado;
- medios para determinar la diferencia entre la señal de compensación y la señal detectada para proporcionar una señal de esa diferencia; y
- medios para generar dicha señal de salida en función de la señal de la diferencia establecida;
estando los arrollamientos de
detección y de compensación dispuestos de tal manera que sus
centros magnéticos efectivos coincidan
sustancialmente.
Tal sensor puede ser fabricado como una plaqueta
de circuito impreso (printed circuit board o PCB) que puede ser
fabricada a bajo costo y que permite lograr excelentes tolerancias
y por lo tanto buena reproducibilidad en la ubicación de los
conductores que forman las porciones de arrollamiento.
De acuerdo con un segundo aspecto, la presente
invención provee un medidor de electricidad que comprende:
- un generador de campos magnéticos para recibir la corriente a detectar y para generar una reacción a la misma que consiste en un campo magnético local correspondiente; y
- medios de detección para detectar el campo magnético local producido por dicho generador de campos magnéticos y para dar salida a una señal indicadora de la corriente a detectar, comprendiendo dichos medios de detección:
- un arrollamiento sensor que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento sensor, para detectar campos magnéticos y para generar una señal detectada que varía en función del campo magnético detectado; y
- un arrollamiento de compensación que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento de compensación, para detectar campos magnéticos y para generar una señal de compensación que varía en función del campo magnético detectado;
- medios para determinar la diferencia entre la señal de compensación y la señal detectada para proporcionar una señal de diferencia; y
- medios para generar dicha señal de salida en función de la señal de la diferencia establecida;
estando los arrollamientos de
detección y de compensación dispuestos de tal manera que sus
centros magnéticos efectivos son sustancialmente
coaxiales.
Según otro aspecto, la presente invención
comprende un sensor de corriente que consta de un generador de
campos magnéticos para recibir la corriente a detectar y para
generar una reacción a la misma que consiste en un campo magnético
local correspondiente; y
medios de detección para detectar el campo
magnético local producido por dicho generador de campos magnéticos
y para dar salida a una señal indicadora de la corriente a
detectar, comprendiendo dichos medios de detección:
- un arrollamiento sensor que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento sensor, para detectar campos magnéticos y para generar una señal detectada que varía en función del campo magnético detectado; y
- un arrollamiento de compensación que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento de compensación, para detectar campos magnéticos y para generar una señal de compensación que varía en función del campo magnético detectado;
medios para determinar la diferencia entre la
señal de compensación y la señal detectada para proporcionar una
señal de esa diferencia; y
medios para generar dicha señal de salida en
función de la señal de la diferencia establecida;
estando los arrollamientos de
detección y de compensación dispuestos de tal manera en relación
con dicho generador de campos magnéticos que cuando el susodicho
generador de campos magnéticos produce un campo magnético como
reacción a la corriente a detectar, dicho arrollamiento sensor y
dicho arrollamiento de compensación están acoplados por medios no
ferromagnéticos al susodicho generador de campos
magnéticos.
Con arreglo a un cuarto aspecto de la presente
invención, ésta comprende un sensor de corriente que consta de un
generador de campos magnéticos para recibir la corriente a detectar
y para generar una reacción a la misma que consiste en un campo
magnético local correspondiente; y
- medios de detección para detectar el campo magnético local producido por dicho generador de campos magnéticos y para dar salida a una señal indicadora de la corriente a detectar, comprendiendo dichos medios de detección:
- un arrollamiento sensor que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento sensor, para detectar campos magnéticos y para generar una señal detectada que varía en función del campo magnético detectado; y
- un arrollamiento de compensación que tiene una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento de compensación, para detectar campos magnéticos y para generar una señal de compensación que varía en función del campo magnético detectado;
- medios para determinar la diferencia entre la señal de compensación y la señal detectada para proporcionar una señal de esa diferencia; y
- medios para generar dicha señal de salida en función de la señal de la diferencia establecida;
estando los arrollamientos de
detección y de compensación dispuestos de tal manera que forman
pistas conductoras en una plaqueta común de circuitos
impresos.
Por otra parte, todos los aspectos de la presente
invención contemplan:
- \bullet
- un sensor de corriente en el cual las pistas encierran un núcleo de aire que atraviesa la plaqueta de circuitos impresos;
- \bullet
- un medidor de electricidad que comprende un sensor de corriente que a su vez consta de:
- medios de medición para proporcionar una medida de la tensión de una fuente eléctrica que aporte la corriente a ser detectada por el susodicho sensor de corriente; y
- medios de cálculo para determinar y dar salida a una indicación de una característica eléctrica de una carga la cual recibe la corriente detectada dependiendo de la medida de corriente y de la medida de tensión; y
- \bullet
- un medidor eléctrico en el que los susodichos sensor de corriente, medios de medición y medios de cálculo están dispuestos en una plaqueta común de circuitos impresos.
Se describirán a continuación y a título de
ejemplo, realizaciones de la presente invención con referencia a
los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es un despiece visto en perspectiva
de parte de un medidor fiscal de electricidad, apropiado para ser
usado en los Estados Unidos de América, que incorpora dos
conductores de carga y un sensor de corriente;
La Figura 2 es una vista superior de una plaqueta
de circuito impreso que forma parte del sensor de corriente
ilustrado en la Figura 1 y que muestra la disposición de
arrollamientos del sensor de corriente;
La Figura 3a es un corte a través del plano XX'
de la Figura 1, que ilustra el campo magnético asociado con una
corriente que fluye por los conductores de carga y cómo ese campo
magnético interactúa con la disposición de arrollamientos de la
Figura 2;
La Figura 3b es un corte a través del plano XX'
de la Figura 1 que ilustra un campo magnético (tal como el
producido por una fuente magnética local) que varía linealmente en
intensidad a través del plano de la disposición de arrollamientos
de la Figura 2;
La Figura 4 es un diagrama esquemático de bloques
del medidor fiscal de electricidad de la
\hbox{Figura
1;}
La Figura 5a ilustra los conductores impresos
sobre la capa superior de un sensor de corriente de plaqueta
impresa (PCB) de acuerdo con la invención;
La Figura 5b ilustra los conductores impresos
sobre la capa inferior (vista desde la capa superior) del sensor de
plaqueta impresa preferido;
Las Figuras 6a-6c ilustran un
diagrama de circuito para un medidor fiscal de electricidad
preferido, apropiado para ser usado en conjunción con el sensor de
corriente de las Figuras 5a y 5b;
La Figura 7 ilustra una disposición de
conductores de carga apropiada para medir corriente trifásica y
también ilustra una realización alternativa de una disposición de
sensor de corriente; y
La Figura 8 ilustra una disposición alternativa
de arrollamientos sensores que pueden ser usados en la disposición
de sensor de corriente de la Figura 1.
La Figura 1 ilustra un despiece parcial de un
medidor fiscal de electricidad 20 que comprende una base 30, una
entrada de red eléctrica 21, una salida de red eléctrica 22 y un
sensor de corriente 1. El sensor de corriente 1 comprende un primer
conductor de carga 2 y un segundo conductor de carga 32 que están
conectados entre la entrada de red eléctrica 21 y la salida de red
eléctrica 22 y a través del cual fluye la corriente de red
eléctrica. La entrada de red 21 puede estar conectada a un
suministro de corriente de formato "2S" de tres conductores,
240 volt (120V) RMS^{\bullet} 60Hz, monofásica, con derivación central,
comúnmente usada en los E.U.A para locales residenciales, de la
cual puede extraerse una corriente de 0 a 200A. La salida de red 22
puede estar conectada a un domicilio residencial. El sensor de
corriente 1 también comprende un sensor de plaqueta de circuito
impreso (PCB) 5 sobre la cual se forma un arrollamiento sensor de
corriente 4 que comprende una porción sensora 6 y una porción de
cancelación 7. En esta realización la porción sensora 6 es anular y
yace coaxialmente dentro de la porción de cancelación 7, que
también es anular. Montado en el sensor PCB 5 hay circuitos 9 para
procesar la salida del arrollamiento sensor de corriente 4, y una
pantalla de cristal líquido (LCD) 10 para exhibir energía
acumulativa (en kilowatts-hora) extraída de la
red.
En esta realización, los conductores de carga
2,32 están hechos de cobre y tienen un espesor de 2,5 mm y un ancho
de 5 mm. Como se ilustra en la Figura 1, el conductor de carga 2
está conformado para tener una porción de lazo 2a que tiene un
diámetro interno de 9,8 mm y un diámetro externo similar al diámetro
externo de la porción sensora 6. Aunque no es visible debido a que
está cubierto por el sensor PCB 5, el conductor de carga 32 también
tiene una porción de lazo que es sustancialmente idéntica a la del
conductor de carga 2. Como se ilustra en la Figura 1, los
conductores de carga y la PCB 5 están dispuestos de manera que una
línea que pasa a través de los centros magnéticos efectivos de las
porciones de lazo es sustancialmente perpendicular al sensor PCB 5.
Con una fuente de energía de formato 2S de tres conductores, la
mayor parte de la corriente circulará (generalmente) a través de ya
sea el conductor de carga 2, o el conductor de carga 32, hacia
cargas que están conectadas a un conductor neutro; y la corriente
de retorno desde estas cargas a la fuente de energía, circulará a
través del conductor neutro (el conductor neutro es el "tercer"
conductor de la fuente de formato 2S y no está conectado al
medidor). Otras corrientes pueden fluir desde el conductor de carga
2 por vía de una carga, al conductor de carga 32 sin retornar a la
fuente de energía por vía del conductor neutro. Las conexiones
eléctricas en la entrada 21 de la red y la salida 22 de la red son
efectuadas por medio de las placas conductoras 12a, b, c, d de un
ancho de 19,5 mm. Las placas conductoras están conectadas a sus
respectivos conductores de carga 2, 32 por medio de conductores de
cobre de 12 mm de ancho.
En esta realización, el sensor PCB 5 está aislado
de los conductores de carga 2, 32 mediante láminas aislantes (no
ilustradas) dispuestas entre ellos. Un tornillo de sujeción
aislado, no ferroso (no ilustrado) es usado para aprisionar los
conductores de carga 2, 32, las láminas aisladoras, y el sensor PCB
5 en forma conjunta. Se proveen también blindajes electrostáticos
(no ilustrados) entre los conductores de carga 2, 32 y el sensor de
corriente PCB 5 para reducir el acoplamiento capacitivo de
interferencia portada por la red (o del potencial AC de la red) de
los conductores de carga 2, 32 al arrollamiento sensor de corriente
4.
En funcionamiento, la corriente alterna que fluye
entre la entrada de red 21 y la salida de red 22 fluye a través de
las porciones de lazo de los conductores de carga 2, 32 y así
establece un campo magnético variable con el tiempo en la vecindad
del arrollamiento sensor 4. Este campo magnético induce una fuerza
electromotriz (FEM) en el arrollamiento 4 que es proporcional a la
corriente que fluye por los conductores de carga 2, 32. La FEM
inducida es luego procesada por los circuitos 9 del sensor a fin de
medir la corriente que fluye por los conductores de carga 2, 32. La
medición de corriente es luego combinada con una medición de la
tensión entre los conductores de carga 2, 32 para derivar una
medida de la energía instantánea usada por una carga conectada (por
vía de los conductores de carga 2, 32) a la salida de red 22. La
energía instantánea es integrada con respecto al tiempo a fin de
determinar la energía consumida por la carga. Esta energía
consumida es luego exhibida en la pantalla LCD 10 en
kilowatts-hora.
La Figura 2 ilustra el sensor PCB 5 y también
ilustra en Mayor detalle la relación entre la porción sensora 6 y
la porción de cancelación 7 del arrollamiento sensor de corriente
4. En esta realización, el sensor PCB 5 es una plaqueta de circuito
impreso (PCB) de un lado y el diseño de cobre formado sobre el PCB
5 es ilustrado en líneas llenas. La línea punteada 8 ilustrada en la
Figura 2 indica la posición de un enlace conductor que conecta el
extremo más interno de la porción sensora 6 con los circuitos 9 del
sensor.
Como se ilustra en la Figura 2, la porción
sensora 6 es un arrollamiento en espiral que tiene cuatro vueltas,
cada una substancialmente de radio r1. La porción de cancelación 7
tiene una sola vuelta de radio r2. Los centros magnéticos dipolares
efectivos de la porción sensora 6 y de la porción de cancelación 7
son sustancialmente coincidentes (colocaled) y se indican como
puntos 15a, 15b respectivamente. El centro magnético efectivo de un
arrollamiento está dado por la posición y dirección de un dipolo
infinitesimal (de intensidad de campo magnético apropiada) de
manera tal que cuando son observados en sus campos distantes, el
arrollamiento y el dipolo son indistinguibles. El radio de la
posición de cancelación 7 es sustancialmente el doble del radio de
la porción sensora 6. De esta manera, aún si la porción sensora 6 y
la porción de cancelación 7 tienen diferente número de vueltas y
diferentes tamaños, ellas tienen sustancialmente el mismo producto
de vueltas por área.
Como se ilustra en la Figura 2, la vuelta externa
de la porción sensora 6 está conectada a la porción de cancelación
7, y los otros extremos de la porción sensora 6 y de la porción de
cancelación 7 están conectados a los circuitos 9 del sensor. Como
se ilustra, la porción sensora 6 y la porción de cancelación 7
están conectadas entre sí de manera que están efectivamente
arrolladas en sentidos opuestos. Como resultado, las FEMs inducidas
en la porción sensora 6 se opondrán a las FEMs inducidas en la
porción de cancelación 7. Además, dado que los productos de vueltas
por área de las porciones sensora 6 y de cancelación 7 son
sustancialmente iguales, la FEM inducida en la porción sensora 6 en
respuesta a un campo magnético distante (y por lo tanto
espacialmente uniforme) variable con el tiempo se cancelará con la
FEM inducida en la porción de cancelación 7 en respuesta al mismo
campo magnético distante variable con el tiempo. Por consiguiente
el sensor de corriente es virtualmente inmune a interferencia
proveniente de campos magnéticos de fondo.
La Figura 3a ilustra un corte a través del sensor
PCB 5 a lo largo de la línea X-X' de la Figura 1, a
través de un plano que incluye los centros magnéticos efectivos de
dipolo 15a, 15b. El corte muestra la porción sensora 6 y la porción
de cancelación 7 en un plano sustancialmente común y muestra el
conductor de carga 2 en un plano paralelo, situado justo encima de
la porción sensora 6. La Figura 3a también muestra líneas de campo
no acopladas 3a, líneas de campo acopladas con el sensor 3b y
líneas de campo la porción de cancelación 3c, todas las cuales
representan el campo magnético establecido alrededor del conductor
de carga 2 cuando una corriente está fluyendo a través del mismo.
Las líneas de campo 3 son ilustradas en un instante de tiempo
(cuando la corriente a través del conductor de carga 2 está en su
pico positivo).
Por razones de claridad, el segundo conductor de
carga 32 no ha sido mostrado en la Figura 3a pero él está en el
lado del sensor PCB 5 opuesto al lado en que se halla el conductor
de carga 2, simétricamente con respecto al plano del arrollamiento
sensor de corriente 4 y la posición del conductor de carga 2. El
segundo conductor de carga 32 está conectado entre la entrada 21 y
la salida de red 22 de manera que el campo magnético producido por
la corriente que fluye a través del mismo se suma al campo
magnético producido por la corriente de carga (Is) que fluye a
través del conductor de carga 2.
Las líneas de campo magnético (o líneas de
fuerza) 3 del conductor de carga forman lazos cerrados alrededor
del conductor de carga 2. Las líneas de campo no acopladas 3a solo
forman lazos cerrados alrededor del conductor de carga 2 y por lo
tanto no inducen una FEM ya sea en la porción sensora 6 o en la
porción de cancelación 7. Las líneas de campo acopladas con el
sensor 3b forman lazos cerrados alrededor del conductor de carga 2
y la porción sensora 6, pero no alrededor de la porción de
cancelación 7, y por consiguiente estas líneas de campo solo se
acoplarán con la porción sensora 6. Las líneas de campo acopladas
con la porción de cancelación 3c acoplan el conductor de carga 2 con
la porción sensora 6 y con la porción de cancelación 7 y por
consiguiente no tienen efecto sobre el arrollamiento sensor 4 (dado
que la porción sensora 6 y la porción de cancelación 7 están
arrolladas en sentidos opuestos).
Consecuentemente, dado que una porción mayor del
campo magnético 3 establecido por la corriente que fluye por el
conductor de carga 2 se acopla con la porción sensora 6 que con la
porción de cancelación 7, la FEM neta será generada en las vueltas
del arrollamiento sensor de corriente 4 y variará en función de la
corriente que fluye a través del conductor de carga 2. Esta FEM
puede ser entonces usada, como se discutió previamente, para
determinar la corriente que está siendo usada por la carga
conectada a la red.
Aunque la discusión previa fue en términos de las
líneas de campo magnético 3a,b,c los entendidos en la materia
comprenderán que esa discusión es una descripción simplificada de
la situación real. Por ejemplo, puede efectuarse un completo
análisis de campo vectorial basado en modelación de elementos
finitos para calcular el campo magnético vectorial y la FEM
inducida en los arrollamientos.
Como se discutió previamente, uno de los aspectos
importantes del comportamiento de un medidor fiscal de electricidad
es su sensibilidad a interferencias magnéticas, por ejemplo, según
se especifica en la norma ANSI C12.16. Como se explicará más abajo,
disponiendo la porción sensora 6 y la porción de cancelación 7 con
sus centros magnéticos 15a, 16b sustancialmente coincidentes, el
arrollamiento sensor 4 es efectivamente inmune a gradientes de campo
lineales. Un gradiente de campo lineal es uno en el cual la primera
derivada con respecto a posición es constante y las derivadas de
orden superior son sustancialmente cero.
La Figura 3b ilustra la intensidad de un
gradiente de campo en un instante de tiempo según es producido por
una fuente magnética local, variable con el tiempo. Aquí, la fuente
local es suficientemente fuerte y suficientemente cercana al
arrollamiento sensor 4 como para producir un campo magnético con un
componente significativamente no uniforme. Un ejemplo de una fuente
local es un conductor que está, por ejemplo, alejado 0,2 m del
arrollamiento sensor 4 y que lleva una corriente elevada con la
misma frecuencia y fase que la corriente que debe ser medida por el
medidor fiscal de electricidad 20. En general, tal fuente producirá
un campo magnético con tres componentes ortogonales. Dos de estos
componentes ortogonales tienen líneas de campo magnético en el plano
del arrollamiento sensor 4 y, por lo tanto, no pueden acoplarse con
el arrollamiento sensor 4. El otro componente ortogonal tiene
líneas de campo magnético perpendiculares al plano del
arrollamiento sensor 4 y el flujo magnético asociado con este
componente se acoplará, por lo tanto, con la porción sensora 6 y la
porción de cancelación 7. Con un gradiente de campo lineal, la
densidad de flujo de las líneas de campo magnético de este
componente perpendicular variará linealmente a través del
arrollamiento sensor 4 y es ilustrado en la Figura 3b por la línea
16.
Como se ilustra en la Figura 3b, en el lado
izquierdo de la porción sensora 6 y la porción de cancelación 7, la
intensidad del campo magnético 16 es relativamente alta pero se
reduce linealmente a través del arrollamiento sensor 4 hacia el
lado derecho de la porción sensora 6 y la porción de cancelación 7.
Como resultado de la variación de la intensidad del campo magnético
16 a través del arrollamiento sensor 4, el lado izquierdo de la
porción de cancelación 7 experimentará un campo magnético
relativamente fuerte y el lado derecho de la porción de cancelación
7 experimentará un campo magnético relativamente débil.
Similarmente, el lado izquierdo de la porción sensora 6
experimentará un campo magnético más débil que el lado izquierdo de
la porción de cancelación 7, pero el lado derecho de la porción
sensora 6 experimentará un campo magnético más fuerte que el lado
derecho de la porción de cancelación 7. En consecuencia, debido a
que los centros magnéticos 15a y 15b de las porciones sensora 6 y de
cancelación 7 son sustancialmente coincidentes, los efectos de la
intensidad de campo magnético 16 sobre la porción sensora 6 y la
porción de cancelación 7 sustancialmente cancelará una u otra (si
el campo magnético 16 es completamente lineal, la porción sensora 6
y la porción de cancelación 7 se cancelarán completamente una a
otra).
La Figura 4 ilustra un diagrama esquemático del
medidor fiscal de electricidad 20 y muestra la entrada de red 21
conectada por medio de un primer conductor L1 y un segundo
conductor L2 a la salida de red 22. Una corriente I_{S} fluye a
lo largo del conductor L1 desde la entrada de red 21 a la salida de
red 22 por medio del conductor de carga 2 del sensor de corriente
1. La corriente I_{S} puede retornar a lo largo del conductor L2
desde la salida de red 22 a la entrada de red 21 por vía del
segundo conductor de carga 32 del sensor de corriente 1. El
conductor de carga 2 y el segundo conductor de carga 32 están
dispuestos de manea que cuando la corriente I_{S} fluye a través
de ellos, ellos producen campos magnéticos que se refuerzan
mutuamente.
Los circuitos 9 del sensor comprenden un
integrador 23, un sensor de tensión 25, un microcontrolador 24 que
incorpora un conversor analógico/digital (ADC) 26 y una pantalla
10. Los circuitos comprenden también una fuente de energía 29 que
convierte el suministro de la red a través de L1 y L2 en una tensión
apropiada para energizar el resto de los circuitos 9 del
sensor.
El integrador 23 integra la salida de FEM desde
el arrollamiento sensor de corriente 4 para producir la tensión de
salida que es proporcional a la corriente que fluye en los
conductores 2,32 pero independientemente de la frecuencia de dicha
corriente. El valor integrado es luego digitalizado por el ADC 26
del microcontrolador 24. Como apreciarán los entendidos en la
materia, el integrador 23 compensa el hecho de que la FEM generada
por el arrollamiento sensor de corriente 4 es proporcional al
régimen de cambio de la corriente que fluye a través de los
conductores de carga 2,32 y por lo tanto asegura que la señal
digitalizada por el ADC 24 es una medida real de la corriente
suministrada.
A fin de determinar la energía suministrada a la
carga por vía de la salida de red 22, el medidor fiscal de
electricidad 20 necesita saber tanto la tensión V_{2} como la
corriente I_{S}. La tensión V_{S} (normalmente, 240V, dado que
tanto L1 como L2 están nominalmente a 120V pero están desfasados
180º uno con respecto al otro) es medida por el sensor de tensión
25 que mide la tensión de L2 con respecto a L1 y suministra una
porción predeterminada de la medición a otro canal del ADC 26 para
ser digitalizada. El microcontrolador 24 multiplica entonces los
valores digitalizados de la tensión V_{S} y la corriente I_{S}
para determinar la potencia instantánea P_{S} que está siendo
usada por una carga conectada a la salida de red 22. El
microcontrolador 24 luego integra la potencia instantánea P_{S}
con respecto al tiempo a fin de determinar la energía E_{S}
suministrada a la carga. La energía acumulativa suministrada a la
carga es luego exhibida en la pantalla 10.
Como se ha descrito, el sensor de corriente 1
permite la construcción de un medidor fiscal de electricidad 20 en
el cual los conductores de carga 2,32 están aislados galvánicamente
del sensor de corriente 1 y que es sustancialmente inmune a
gradientes de campo magnético lineales y a campos magnéticos
uniformes.
Se describirá a continuación un sensor de
corriente preferido 101 con referencia a las Figuras 5 y 6. El
sensor de corriente 101 es similar al sensor de comente 1 pero
tiene un arrollamiento sensor diferencial 104 ilustrado en las
Figuras 5a y 5b. El arrollamiento sensor diferencial 104 está
formado en las capas superior e inferior de una plaqueta de
circuito impreso (PCB) standard de 1,6 mm de espesor. La Figura 5a
ilustra el trayecto conductor en la capa superior de la PCB y la
Figura 5b ilustra el trayecto conductor en la capa inferior de la
PCB (cuando se la ve desde la parte superior de la PCB). Como se
ilustra en la Figura 5a, la capa superior del arrollamiento sensor
diferencial 104 comprende un conductor que es arrollado desde una
derivación central (CT) en una espiral creciente en el sentido de
las agujas del reloj durante 12 vueltas. El conductor es luego
arrollado en el sentido opuesto en una espiral creciente
anti-horaria durante 5 vueltas. Los arrollamientos
en espiral en el sentido horario definen una porción sensora
interna 106 y los arrollamientos en espiral en el sentido
antihorario definen una porción de cancelación externa 17.
Similarmente, la capa inferior de la PCB tiene un conductor que es
arrollado desde la derivación central (CT) en una espiral creciente
antihoraria durante 12 vueltas. Los arrollamientos crecientes
antihorarios definen una porción sensora interna 106' y los
arrollamientos en sentido horario definen una porción de cancelación
externa 107'. En esta realización, los arrollamientos en las capas
superior e inferior de la PCB están conectados entre sí a través de
un orificio situado en la derivación central (CT) y los otros
extremos de los arrollamientos están conectados a los circuitos
electrónicos de procesamiento (no ilustrados).
Para el sensor de corriente 101, las porciones
sensoras internas 106 y 106' tienen, cada una, un radio interno de
5 mm y un radio externo de 10 mm, y las porciones de cancelación
externas 107 y 1'7' tienen, cada una, un radio interno de 12 mm y
un radio externo de 14 mm. El ancho (track) de las porciones sensora
y de cancelación es convenientemente fijado en 0,008'' (0,20 mm).
El arrollamiento sensor de corriente 104 es preferiblemente usado
con conductores de carga que tienen porciones de lazo (tales como
las ilustradas en la Figura 1) cuyo radio interno es de
aproximadamente 5 mm y cuyo radio externo es de aproximadamente 10
mm. Los conductores de carga están preferiblemente estampados de
una lámina de cobre que tiene un espesor de 2,5 mm de manera que
puedan conducir una corriente de 200A sin calentamiento excesivo.
Los conductores de carga están espaciados preferiblemente 0,5 mm
desde las capas superior e inferior del sensor PCB. Con esta
configuración, el arrollamiento sensor de corriente diferencial 104
es operable para suministrar 20mV RMS en respuesta a una corriente
de carga de 200A RMS y 60Hz que fluye a través de los conductores
de carga.
Las Figuras 6a, 6b y 6c ilustran un diagrama
esquemático de un medidor fiscal de electricidad 120 preferido que
incorpora circuitos sensores alternativos 109 apropiados para ser
usados con el sensor de corriente diferencial 101. El medidor
fiscal de electricidad 120 ilustrado en la Figura 6 es también
apropiado para ser usado con una red de suministro de formato 2S de
3 conductores usada en los Estados Unidos de América.
Como se ilustra, el medidor fiscal de
electricidad 120 comprende una entrada de red 121 conectada a las
dos fases vivas de una red de suministro de formato 2S de tres
conductores de 220V (120V) con derivación central. Las dos fases
vivas son designadas L1 y L2, respectivamente, ambas de 120V RMS
60Hz con respecto al neutro (no ilustrado) con un desfasaje de 180º
entre ellas de manera que se desarrollan 240V RMS entre ellas. El
medidor 120 no está conectado al conductor neutro. El conductor
vivo L1 está conectado desde la entrada de red 121 a la salida de
red 122 por medio un conductor de carga 102. Similarmente, el
conductor vivo L2 está conectado desde la entrada de red 121 a la
salida de red 122 por vía de un conductor de carga 132. Los
conductores de carga 102, 132 están dispuestos de manera que las
corrientes que fluyen por las fases vivas producen campos
magnéticos que se refuerzan uno a otro en el sensor de corriente
101.
Como se muestra en la Figura 6a, el sensor de
corriente 101 comprende el arrollamiento sensor de corriente
diferencial 104 previamente descripto, cuya salida es integrada por
un integrador diferencial 123. Las salidas del integrador
diferencial 123 pasan luego a través de una red de ajuste de
ganancia 129 que, en virtud del resistor variable R16, ajusta la
salida del integrador diferencial 123. La red de ajuste de ganancia
129 también incluye redes anti-
alias R29, C25 y R30, C26 que tienen una frecuencia de corte de -3dB a 5KHz. Estas redes anti-alias tienen un pequeño desplazamiento de fase a 60Hz de alrededor de 0,2º. Las salidas de la red de ajuste de ganancia 129 son luego alimentadas a un procesador 124 para ser digitalizadas y subsecuentemente procesadas junto con una medida de la tensión de suministro obtenida con un sensor de tensión 125 (ilustrado en la Figura 6b).
alias R29, C25 y R30, C26 que tienen una frecuencia de corte de -3dB a 5KHz. Estas redes anti-alias tienen un pequeño desplazamiento de fase a 60Hz de alrededor de 0,2º. Las salidas de la red de ajuste de ganancia 129 son luego alimentadas a un procesador 124 para ser digitalizadas y subsecuentemente procesadas junto con una medida de la tensión de suministro obtenida con un sensor de tensión 125 (ilustrado en la Figura 6b).
El sensor de tensión 125 mide la tensión del
conductor vivo L2 con respecto al conductor vivo L1. Esta medición
permite al medidor fiscal de electricidad 120 calcular la potencia
que está siendo suministrada a la carga multiplicando la tensión de
la red por la corriente que está siendo suministrada a la salida de
red 122. El sensor de tensión 125 comprende tres elementos
funcionales (algunos de los cuales comparten componentes): un
atenuador de tensión para reducir la tensión de la red de
suministro a un nivel apropiado para ser digitalizado por el
procesador 124, redes anti-alias, y una red de
compensación, que tiene un desplazamiento de fase a la frecuencia
de la red de 60 Hz de unos pocos grados. La red de compensación de
fase está principalmente formada por la interacción de C29, C6 con
el resto de los componentes del sensor de tensión 125 y sirve para
ecualizar los desplazamientos de fase acumulados a través de las
porciones sensoras de tensión y las porciones sensoras de corriente
del medidor fiscal de energía 120 (incluyendo los pequeños
desplazamientos de fase introducidos por la red
anti-alias).
Como apreciarán los entendidos en la materia, el
sensor de tensión 125 incluye compensación de fase para tener en
cuenta el hecho de que el integrador diferencial 123 no es un
integrador perfecto. (La salida de FEM del arrollamiento
diferencial 104 es proporcional al régimen de cambio de la
corriente que fluye a través de los conductores de carga 102, 132 y
esta FEM tiene, por lo tanto, un desfasaje principal de 90º con
respecto a la corriente). Un integrador perfecto tendría un
desfasaje hacia atrás de 90º y en consecuencia, los desfasajes de
90º hacia adelante y hacia atrás se cancelarán entre sí para dejar
a la tensión de salida del integrador en fase con la corriente que
fluye a través de los conductores de carga 102, 132. Sin embargo,
en la práctica, el integrador diferencial 123 no tiene un perfecto
desfasaje de 90º hacia atrás y por consiguiente la cancelación de
fase es incompleta dejando a su tensión de salida con un desfasaje
residual de hasta unos pocos grados con respecto a la corriente que
fluye a través de los conductores de carga 102, 132. La red de
compensación de fase compensa este desfasaje residual para asegurar
que las dos señales (representativas de la tensión y la corriente
de la red de suministro, respectivamente) presentadas al procesados
124 para ser digitalizadas están precisamente en fase entre sí
(preferiblemente con una tolerancia menor de 0,1º).
Esto es importante debido a que algunas cargas
que pueden ser conectadas a la salida de la red 122 pueden tener un
componente reactivo en cuyo caso, la energía suministrada a la
carga tendrá un factor de potencia distinto de la unidad (es decir,
cos \varnothing \neq 1). La precisa preservación por parte del
medidor fiscal de electricidad de la fase de la corriente con
respecto a la fase de la tensión permite, por lo tanto, que el
medidor 20 mida precisamente la energía real (y no la energía
aparente) suministrada a la salida de red 122.
En esta realización, el procesador 124 es el
circuito integrado AD7750, fabricado por Analogue Devices. El
AD7750 comprende dos convertidores A/D de 20- bits, de entrada
diferencial con un típico ancho de banda de entrada analógica de
3,5 kHz, que permite que las señales de entrada (que representan la
corriente y tensión suministradas a la carga) sean digitalizadas
aproximadamente 180 veces por ciclo de red de 60Hz. El AD7750
también comprende un multiplicador digital y un filtro pasa bajo
digital que permite al AD7750 calcular la energía usada por la
carga conectada a la salida de red 122. El AD7750 indica la energía
produciendo un tren de pulsos y variando la frecuencia de este tren
de pulsos en proporción a la energía consumida por la carga (por lo
tanto, cada pulso indica un quantum de energía). Estos pulsos son
contados por una pantalla 110 de manera que el número exhibido
indica la energía acumulada suministrada a la carga.
La energía para activar los circuitos 9 del
sensor es provista por una fuente de energía 128 (ilustrada en la
Figura 6c). Un capacitor (C2) es usada para rebajar la tensión de
red a un valor menor que es luego rectificado y regulado para
proveer un suministro de tensión de +5 volts cc. La fuente de
energía 128 también incluye una batería de respaldo de manera que
el valor contado indicado por la pantalla 110 es retenido en el
caso de que se interrumpa el suministro de energía de la red. En
esta realización, la referencia de "tierra" para los circuitos
del sensor 109 es el conductor vivo L1 de manera que los circuitos
109 del sensor "flotan" sobre la tensión del conductor vivo
L1. La derivación central (CT), el integrador diferencial 123 y los
ADCs incluidos en el procesador 124 están conectados a una versión
filtrada y relativamente libre de ruidos de esta referencia de
"tierra".
En esta realización, un blindaje electrostático
(no ilustrado) es provisto entre los conductores de carga 102, 132
y las porciones sensora/de cancelación 106,106'/107,107' para
reducir el acoplamiento capacitivo de picos de ruido, y el
potencial de red de suministro AC, Mains al integrador diferencial
123. A fin de ser efectivo, el blindaje electrostático es conectado
a la referencia de "tierra" (conductor vivo L1).
En las realizaciones arriba descriptas, se
describió un sistema de medición de corriente monofásico. Un
sistema de medición de corriente trifásico será ahora descripto con
referencia a la Figura 7. Este sistema puede ser usado, por
ejemplo, para verificar el balance de corriente entre los
conductores de carga y el sistema trifásico, o para medir la
energía que está siendo consumida por un sistema trifásico. En la
Figura 7 se ilustran tres sistemas idénticos designados por los
sufijos a, b, c respectivamente, que comprenden tres conductores de
carga 40a, 40b, 40c, circuitos acondicionadores de señales 43a, 43b,
43c y conductores 44a, 44b, 44c. Cada uno de los conductores de
carga 40 es una barra colectora de cobre que tiene una región en
forma de lazo sustancialmente plana. Como se ilustra en la Figura
7, se provee una ranura 42 en cada una de estas regiones en forma
de lazo en las cuales se disponen sendos sensores 41 los cuales son
mantenidos en posición con respecto a sus respectivos conductores de
carga 40 usando un soporte de montaje apropiado (no ilustrado).
Como se muestra, los sensores de corriente 41 son sustancialmente
planos y están orientados con respecto a su conductor de carga
asociado 40 de manera que el flujo magnético concentrado por las
regiones en forma de lazo pasa sustancialmente perpendicularmente a
través de los planos de los sensores de corriente.
Cada uno de los sensores de corriente 41 incluye
un respectivo circuito local acondicionador de señal 43 para
producir una señal que varía con la señal que fluye a través del
conductor de carga asociado 40. En esta realización, esta señal es
suministrada a lo largo del respectivo conductor 44 a un sistema de
monitoreo (no ilustrado).
Los conductores de carga 40 están espaciados
entre sí una distancia suficiente para asegurar que cualquier
acoplamiento magnético entre sensores de corriente vecinos 41a, b,
c, es lo suficientemente bajo con respecto al grado de precisión
requerido por la aplicación. Así, la medición de corriente efectuada
por cada uno de los sensores de corriente 41 será sustancialmente
independiente de la corriente que fluye a través de los otros
conductores de fase 40 adyacentes.
En la realización arriba descripta se usaron
arrollamientos sensores de corriente circulares. Como apreciarán
los entendidos en la materia, pueden usarse otras geometrías de
arrollamientos sensores que, no obstante proveerán las ventajas de
la invención. Por ejemplo, la Figura 8 ilustra un arrollamiento
sensor de corriente alternativo que incluye una porción sensora
triangular 6'' que se halla dentro de una porción de cancelación
cuadrada 7''. Al igual que en las realizaciones arriba descriptas,
las posiciones y direcciones de los centros de dipolo magnético
efectivos de la porción sensora triangular 6'' y de la porción de
cancelación cuadrada 7'' son sustancialmente coincidentes
(colocated) y coalineados, y sus productos de vueltas por área son
sustancialmente iguales. Además, aunque las anteriores
realizaciones de medidores fiscales de electricidad 20, 120 se
refirieron al uso de arrollamientos sensores en espiral circular 4,
104, en la práctica, los arrollamientos verdaderamente en espiral
son relativamente difíciles de diseñar y fabricar. Por lo tanto, el
tipo preferido de arrollamiento en espiral consiste en segmentos
semicirculares de diámetro progresivamente
creciente/decreciente.
Se describirá a continuación varias
modificaciones que pueden ser hechas en cualquiera de las
realizaciones antedichas. Aunque las realizaciones arriba
descriptas usaron un conductor de carga 2 que comprende
sustancialmente una vuelta, otras disposiciones son posibles. Por
ejemplo, el conductor de carga 2 puede comprender una pluralidad de
vueltas a fin de establecer un mayor campo magnético para
incrementar la sensibilidad del sistema sensor 1. Las desventajas
de usar un conductor de carga arrollado incluyen mayor costo de
fabricación y excesivo auto-calentamiento. En otra
realización puede usarse alambre para formar el conductor de carga
2 en vez de una barra colectora de cobre. El uso de alambre permite
que el alambre sea retenido dentro de un sostén (no ilustrado) para
formar una región en forma de lazo. El sostén puede ser una pieza
moldeada de plástico unidas al sensor PCB 5. Las desventajas de
usar alambre incluye una configuración de campo magnético que no es
la óptima y una menor reproducibilidad en comparación con un
conductor de carga pre-formado.
En otra realización de la invención, puede usarse
un tornillo de sujeción ferroso para sujetar el sensor PCB al
conductor de carga. Este tornillo de sujeción ferroso puede
entonces actuar como un componente magnético para concentrar las
líneas de campo magnético 3 del conductor de carga a fin de
incrementar el acoplamiento de flujo entre el conductor de carga 2 y
la porción sensora 6. Sin embargo, una desventaja potencial de usar
un tornillo de sujeción ferroso es que la corriente de carga
alterna I_{S} que fluye a través del conductor de carga 2
inducirá corrientes parásitas en el tornillo de sujeción que
causarán un excesivo calentamiento del mismo. Si el conductor de
carga 2 está aislado, o si no se requiere aislamiento, entonces
puede usarse un tornillo de sujeción no aislado. Alternativamente,
en otra realización, pueden usarse piezas de núcleo de ferrita para
formar un circuito magnético cerrado alrededor del conductor de
carga, la porción sensora 6 y la porción de cancelación 7 a fin de
incrementar más el acoplamiento magnético entre el conductor de
carga 2 y la porción sensora 6.
En las realizaciones precedentes los sensores de
corriente 1, 41, 101 han sido descriptos en términos de plaquetas
de circuitos impresos (PCBs) con diseños conductores formados para
producir porciones sensoras y porciones de cancelación. Mientras
que los PCBs típicamente permitirán producir los sensores de
corriente a un costo relativamente bajo con buena reproducibilidad,
se contemplan otras realizaciones. Por ejemplo, puede arrollarse
alambre para producir las porciones sensoras y de cancelación.
Alternativamente, el diseño requerido de las porciones sensora y de
cancelación (y, opcionalmente, los conductores de carga también)
puede ser impreso por estarcido (usando tinta conductora) sobre un
sustrato cerámico como parte de una unidad híbrida.
En la Figura 2, la porción sensora 6 y la porción
de cancelación 7 están ambas situadas en la misma capa del sensor
PCB. Esto asegura que sus centros efectivos de momentos de dipolo
magnético sean substancialmente coincidentes. Sin embargo, pueden
usarse disposiciones de arrollamiento no coplanares a la vez que se
mantienen las ventajas de la primera realización siempre que los
centros de dipolo magnético efectivos de la porción sensora y de la
porción de cancelación sean sustancialmente coincidentes. Por
ejemplo, en una realización alternativa, puede usarse una PCB de
tres capas en la cual la porción de cancelación esté formada en la
capa media y la porción sensora esté formada como vueltas completas
tanto en la capa inferior como en la capa superior. En tal
realización, la distribución de vueltas de la porción sensora entre
las capas superior e inferior de la PCB y el diámetro de estas
vueltas, sería determinado tomando en consideración la separación
entre las capas intermedia y superior y la separan entre las capas
intermedia e inferior de manera que la combinación de las capas
superior e inferior resulte en una porción sensora 6 con un centro
efectivo de dipolo magnético coincidente con el de la porción de
cancelación en la capa intermedia.
Más generalmente, para lograr las ventajas de la
primera realización, los dipolos magnéticos de la porción sensora y
la porción de cancelación deben ser sustancialmente coincidentes y
coaxiales. Así, aunque en las disposiciones de arrollamiento hasta
ahora descriptas las porciones sensoras y de cancelación no estaban
superpuestas, una disposición superpuesta es posible. Un ejemplo de
una disposición de arrollamiento superpuesta comprendería un
arrollamiento rectangular más pequeño, de muchas vueltas y un
arrollamiento rectangular más grande que tiene una sola vuelta con
el mismo producto vueltas por área que el arrollamiento más
pequeño. Los arrollamientos más pequeño y más grande estarían
dispuestos de manera que sus ejes longitudinales sean
sustancialmente ortogonales y dimensionados de manera que el
arrollamiento más pequeño sea más largo que el ancho del
arrollamiento más grande, y de manera que el arrollamiento más
grande sea más largo que el ancho del arrollamiento más pequeño. En
tal realización, el conductor de carga correría paralelo y
ligeramente fuera de uno de los lados más largos del arrollamiento
rectangular más pequeño. Como otra variación de tal realización,
dos arrollamientos rectangulares planos, cada uno con una vuelta y
del mismo tamaño, pueden disponerse ortogonalmente en un plano
común. El conductor de carga estaría acoplado a ambos
arrollamientos, pero acoplaría más fuertemente al arrollamiento en
la proximidad de cuyo lado mas largo corre el conductor de
carga.
Aunque se han descripto hasta ahora realizaciones
en las cuales las porciones sensora y de cancelación están
sustancialmente co-ubicadas y son sustancialmente
co-direccionales, en una realización alternativa,
las porciones sensora y de cancelación pueden estar sustancialmente
separadas mientras mantienen los ejes de los dipolos magnéticos de
la porción sensora y de la porción de cancelación sustancialmente
coaxiales. Sin embargo, debido a la separación entre los planos de
la porción sensora y la porción de cancelación, tal realización
adicional será sensible a gradientes de campo magnético a lo largo
de los ejes coaxiales de las porciones. Aunque tal realización
permanecerá insensible a gradientes de campo magnético que son
sustancialmente ortogonales a los ejes coaxiales (como se explicó
previamente en términos de "lado izquierdo" y "lado
derecho" de la porción sensora y la porción de cancelación).
En las realizaciones precedentes, la porción
sensora y la porción de cancelación fueron conectadas en serie en
la PCB. Como apreciarán los entendidos en la materia, el mismo
resultado puede ser logrado conectando efectivamente estas
porciones entre sí en los circuitos de procesamiento. En tal
realización, las FEMs producidas por la porción sensora y la
porción de cancelación pueden ser amplificadas separadamente,
integradas y digitalizadas antes de ser combinadas por el
procesador, para dar una señal que es sustancialmente inmune a
campos magnéticos externos. Además, con tal realización, la porción
sensora y la porción de cancelación pueden tener productos de
vueltas por área diferentes dado que las EMs inducidas en la
porción sensora y la porción de cancelación pueden ser amplificadas
en diferentes cantidades. Así, por ejemplo, si la porción sensora
tiene un producto de vueltas por área que es un tercio del de la
porción de cancelación, entonces la ganancia del amplificador de la
porción sensora debe ser tres veces la ganancia del amplificador de
la porción de cancelación.
En las realizaciones precedentes, el conductor de
carga fue dimensionado de manera de acoplarse a las vueltas
internas (porción sensora) más fuertemente que a las vueltas
externas (porción de cancelación). En una realización alternativa,
el conductor de carga puede estar dimensionado de manera de
acoplarse más fuertemente a las vueltas externas que a las vueltas
internas. Sin embargo, retener la porción sensora 6 en el interior
permite minimizar el tamaño del sensor de corriente 1, lo cual es
beneficioso dado que reducir las dimensiones lineales del sensor de
corriente 1 por un factor de dos reduce su sensibilidad a campos
magnéticos no uniformes por un factor de aproximadamente diez. Sin
embargo, un factor que limita el grado al cual los sensores de
corriente 1, 101 pueden ser miniaturizados es la disipación de
energía en los conductores de carga 2,32. En particular, los
conductores de carga 2,32 deben ser dimensionados de manera de
tener una resistencia aproximadamente baja y de manera de permitir
la efectiva conducción de calor fuera de las regiones en forma de
lazo del mismo.
Aunque los sensores de corriente 1,101 han sido
descriptos hasta ahora como teniendo sus porciones sensoras 6,106 y
sus porciones de cancelación 7, 107 coplanares y con sus centros de
dipolo magnético efectivos coincidentes y coaxiales, en la
práctica, alguna desviación puede ser tolerada. El grado de
desviación que puede ser tolerado dependerá de la aplicación:
incrementar la desviación reduce la capacidad del sensor de
corriente de rechazar campos magnéticos indeseados. Por ejemplo, la
no coplanaridad de las porciones sensoras y de cancelación
resultará en que el sensor de corriente tendrá sensibilidad a
gradientes de campo magnético que son ortogonales al plano de las
porciones sensora y de cancelación. Similarmente, la asimetría
entre las porciones sensora y de cancelación o entre sus
respectivos amplificadores resultará en un sensor de corriente que
tiene alguna sensibilidad tanto a campos magnéticos uniformes como
a campos que tienen un gradiente. Además, si los dipolos magnéticos
efectivos de las porciones sensora y de cancelación no son
substancialmente co-direccionales, entonces el
sensor de corriente se tomará sensible tanto a campos uniformes
como a gradientes.
En la segunda realización, las porciones sensoras
106, 106' se ilustran arrolladas en un sentido opuesto al de sus
respectivas porciones de cancelación 107, 107'. En una realización
alternativa, las porciones sensoras pueden ser arrolladas en el
mismo sentido que sus respectivas porciones de cancelación pero
conectadas con la polaridad opuesta a la de sus respectivas
porciones de cancelación. Sin embargo, una ventaja de arrollar las
porciones sensoras 106, 106' en el sentido opuesto al de sus
respectivas porciones de cancelación 107, 107' es que las
interconexiones entre las porciones sensoras 106, 106' y sus
respectivas porciones de cancelación 107, 107' pueden ser efectuadas
convenientemente conectando la vuelta externa de las porciones
sensoras 106, 106' directamente a la vuelta interna de sus
respectivas porciones de cancelación 107, 107' obviando la
necesidad de vías o enlaces conductores (que de otra manera serían
necesarios para efectuar las interconexiones).
En otra modificación del arrollamiento sensor de
corriente diferencial 104, la derivación central CT (que está
conectada a tierra) puede ser eliminada, de manera de proveer una
salida de un único extremo, como la del arrollamiento sensor de
corriente de la primera realización. Como apreciarán los entendidos
en la materia, tal arrollamiento sin derivación consiste en efecto,
de dos arrollamientos en serie (uno en la capa superior del sensor
PCB 105 y el otro en la capa inferior) y producirá una FEM doble de
la de un arrollamiento sensor de corriente de una sola capa
equivalente. Dado que cada capa es sustancialmente insensible a
gradientes de campo magnético, puede apilarse una pluralidad de
tales capas para formar un arrollamiento sensor de corriente
solenoidal en vez de planar. En tal realización, debe tenerse
cuidado en asegurar que las interconexiones tanto entre las capas
como desde los extremos de solenoide a los circuitos del sensor no
presenten, ellas mismas, un área de lazo significativa al flujo
magnético como para producir FEMs extremas. Alternativamente, un
sensor de corriente solenoidal puede ser formado colocando un
arrollamiento helicoidal alargado dentro de otro, en vez de apilar
capas.
En las realizaciones precedentes, la señal de
salida del arrollamiento sensor era integrada por un integrador
analógico. En una realización alternativa, esta integración puede
ser hecha numéricamente por el microcontrolador. En aún otra
alternativa, la integración de la señal proveniente del
arrollamiento sensor de corriente puede ser omitida. Sin embargo,
sin tal integración, la señal proveniente del arrollamiento sensor
de corriente 4 será proporcional tanto a la corriente suministrada
I_{S} como a la frecuencia de la entrada de red 21 (típicamente
60Hz, y múltiplos de ella para cualquier armónica). En la mayoría
de las situaciones, una porción apreciable de la energía es
armónica, es decir, múltiplos de la frecuencia de red. Por
consiguiente, dado que la salida del arrollamiento sensor de
corriente 4 es proporcional al régimen de cambio de flujo, las
corrientes armónicas serán medidas con lecturas
desproporcionadamente grandes. Este efecto puede ser compensado
efectuando una rápida transformación de Fourier (FFT) de la
corriente medida y reduciendo la amplitud de cualesquier armónicas
en proporción a sus múltiplos de la fundamental. Por consiguiente,
a fin de impedir estas dificultades de procesamiento, se prefiere la
integración de las señales obtenidas por el sensor de corriente. La
integración también permite que una corriente continua a través del
conductor de carga 2 sea medida integrando cualesquier cambios de
la corriente continua.
Aún si no se efectúa integración de la señal de
corriente, se requerirá igualmente en general un desfasaje de 90º
en el trayecto de la corriente (para compensar el desfasaje de 90º
hacia delante introducido por el sensor de corriente 1,101) para
poner las señales de tensión y de corriente en fase de manera que
la energía real que está siendo usada por la carga sea medida.
Alternativamente, para medir la energía reactiva que está siendo
usada por la carga, las señales de tensión y de corriente serían
usadas en cuadratura (es decir, adelantando la señal de corriente
+90º con respecto a la señal de tensión). El conocimiento de las
energías real e imaginaria que están siendo usadas por una carga
permite determinar el factor de potencia de la carga.
En otra realización, el medidor fiscal de
electricidad 20 puede omitir el sensor de tensión 25. El sensor de
tensión 25 fue usado para medir la tensión real, a diferencia de la
tensión nominal de la entrada de red 21. En situaciones donde la
tensión de la entrada de red 21 es suficientemente estable, o donde
una menor precisión es aceptable, puede usarse un valor nominal
para calcular la energía suministrada a la carga. El uso de una
medida de una tensión nominal también resulta en que sólo se
requiera un canal de digitalización ADC.
Varias modificaciones pueden ser efectuadas en la
realización del medidor fiscal de electricidad 120 hasta ahora
descripto. Por ejemplo, pueden agregarse circuitos adicionales al
integrador diferencial 122 para filtrar componentes de frecuencia
que no sean de línea (es decir que no sean de 60Hz). Otra
modificación es el uso del circuito integrado AD7756 de medición
activa fabricado por Analogue Devices, en vez del AD7750 que fue
previamente descripto. El AD7756 es un dispositivo más sofisticado
con una interfaz serial que facilita la provisión de una interfaz
de calibración automatizada. También se incluyen registradores
sobre chip para calibrar la medición de energía, obviando así el
uso de componentes que permiten la selección en prueba (select-
on-test) o de ajuste (trimmer), como también como un
registrador para compensación de fase. La compensación de fase
permite que las fases de las señales provenientes del integrador
123 y del sensor de tensión 125 sean equilibradas digitalmente
obviando o simplificando de esta manera la red de compensación de
fase del sensor de tensión 125. En otra realización, la pantalla
puede exhibir corriente, tensión, energía o tiempo, además, o en vez
de energía acumulada.
Varias alternativas de la realización ilustrada
en la Figura 7 son posibles. Por ejemplo, es sabido que las
corrientes en los tres conductores de carga 40 están equilibradas
cuando sólo es necesario efectuar una medición para dos de los
conductores de carga 40 siendo la corriente para el tercer conductor
de fase 40 inferida de las otras dos mediciones. Además, aunque los
sensores de corriente 41 pueden ser consistir en de una PCB
convencional, para aplicaciones de alta tensión puede ser
preferible que al menos una porción de cada uno de los tres
conjuntos de sensor de corriente 41 esté formado de un material
aislante de alta calidad, tal como alúmina. Tal construcción puede
tener aprobación de organizaciones reguladores tales como UL, CSA y
VDE. Además, aunque es preferible que cada conjunto de sensor de
corriente 41 tenga su propio circuito de acondicionamiento de señal
43, es posible usar una disposición en la cual los conductores 44
conduzcan las FEMs producidas por las respectivas porciones sensora
y de cancelación a circuitos de acondicionamiento de señal remotos.
Tal disposición tiene la desventaja de que cualquier flujo capturado
por cualquier área de sección transversal dentro de los conductores
44 resultará en una FEM de error su perpuesta sobre la señal
deseada.
La Figura 7 muestra cada sensor de corriente 41
montado dentro de sendas ranuras 42 dentro del respectivo conductor
de carga 40. Como alternativa, los sensores de corriente 41 pueden
ser montados sobre una cara lateral de la región en forma de lazo
de sus conductores de carga asociados 40 y no en una ranura 42. Para
aplicaciones de mayor precisión, cada conductor de carga 40 puede
estar provisto con dos sensores de corriente 41, uno montado en
cada una de las caras laterales de las regiones en forma de lazo.
Las señales provenientes de los dos sensores de corriente 41 pueden
entonces ser combinadas, por ejemplo promediándolas, y procesadas
para dar una medición más precisa de la corriente que fluye a través
de los conductores de carga 40.
En otra realización, puede usarse un solo sensor
de corriente para medir simultáneamente las corrientes que fluyen a
través de dos conductores de carga. Esta realización puede se
convenientemente implementada montando un conductor de carga a un
lado del sensor de corriente y otro conductor de carga en el otro
lado del sensor de corriente. El sensor de corriente mediría
entonces la superposición de los campos magnéticos producidos por
los dos conductores de fase.
En las realizaciones precedentes, los medidores
fiscales de electricidad 20, 120 han sido directamente conectados a
uno de los conductores vivos de la red de suministro para proveer
una referencia de tierra. En una realización modificada, los
circuitos del medidor pueden estar, por ejemplo, a potencial tierra.
Tal medidor estaría completamente aislado de la red y podría
obtener energía eléctrica, y una medición de la tensión de red por
acoplamiento capacitivo a la red.
Aunque los sensores de corriente 1,41,101 han
sido ilustrados en medidores fiscales de electricidad 20,120, ellos
son también apropiados para otras aplicaciones, incluyendo
detección/regulación de súbito influjo (inrush) de corriente para
motores eléctricos y detección de corriente para corrección del
factor de potencia y lo similar. Alternativamente, los sensores de
corriente pueden usarse para indicar la potencia (a distinción de
la energía acumulada) que está siendo usada por la carga.
Se han descripto precedentemente ejemplos de
medidores fiscales de electricidad que usan sensores de corriente
1,41, 101 y que son sustancialmente insensibles a gradientes de
campos magnéticos. En otras realizaciones, sensores de corriente
más convencionales son formados sobre una plaqueta de circuito
impreso (PCB) para ser usados como parte de un medidor fiscal de
electricidad. En un ejemplo de un sensor de corriente más
convencional, dos arrollamientos en espiral, uno en sentido horario
y el otro en sentido antihorario son formados sobre las capas de
una PCB de un solo lado. Los dos arrollamientos son simétricos
excepto que un conductor de carga pasa a través del centro de la
espiral de sentido horario (por vía de un orificio de dimensión
apropiada en la PCB). Un conductor de enlace en el lado de los
componentes de la PCB es usado para interconectar la vuelta más
interna de ambos arrollamientos. Aunque este ejemplo de un sensor de
corriente más convencional tiene la desventaja de que es sensible a
gradientes de campo magnético, tiene la ventaja de que está formado
sobre una PCB; esto facilita la integración con circuitos
electrónicos de procesamiento de señales, especialmente si los
circuitos electrónicos de procesamiento de señales están formados
en la misma PCB que el sensor.
Claims (7)
1. Un sensor de corriente (1; 101; 41) que
comprende:
- un generador de campos magnéticos (2a, 32a) para recibir la corriente (Is) a detectar y para generar en reacción a la misma un campo magnético correspondiente (3) y
- medios de detección (4; 104) para detectar el campo magnético local (3) generado por el susodicho generador de campos magnéticos (2a, 32a) y para dar salida a una señal indicadora de la corriente a detectar, comprendiendo dichos medios de detección (4; 104):
- un arrollamiento sensor (6; 106, 106'; 6'') que tienen una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento sensor (15a), para detectar campos magnéticos (3) y para generar una señal detectada que varía en función del campo magnético detectado (3); y
- un arrollamiento de compensación (7; 107, 107'; 7'') que tienen una o más espiras de conductor las cuales definen un centro magnético efectivo del arrollamiento de compensación (15b) para detectar campos magnéticos (3) y para generar una señal de compensación que varía en función del campo magnético detectado (3);
- medios para determinar la diferencia entre la señal de compensación y la señal detectada con objeto de proveer una señal de diferencia (8; 44); y
- medios para generar la susodicha señal de salida (23; 123) en función de la señal provista de diferencia (8; 44):
estando el arrollamiento sensor (6; 106, 106',
6'') y el arrollamiento de compensación (7; 107, 107'; 7'')
dispuestos de tal manera que sus centros magnéticos efectivos (15a,
15b) son sustancialmente coincidentes.
2. Un sensor de corriente conforme a la
reivindicación 1 en el que el arrollamiento sensor (6; 106, 106';
6'') y el arrollamiento de compensación (7; 107, 107'; 7'') están
dispuestos de tal manera que sus centros magnéticos efectivos (15a,
15b) son sustancialmente coaxiales.
3. Un sensor de corriente conforme a la
reivindicación 1 ó 2, en el que el arrollamiento sensor (6; 106,
106'; 6'') y el arrollamiento de compensación (7; 107, 107'; 7'')
están dispuestos con relación a dicho generador de campos
magnéticos de tal forma que cuando el susodicho generador de campos
magnéticos (2a, 32a) produce un campo magnético (3) en reacción a
la corriente a detectar, dichos arrollamiento sensor (6; 106, 106';
6'') y arrollamiento de compensación (7; 107, 107'; 7'') se ven
acoplados por medios no ferromagnéticos al susodicho generador de
campos magnéticos (2a, 32a).
4. Un sensor de corriente conforme a cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que el arrollamiento
sensor (6; 106, 106'; 6'') y el arrollamiento de compensación (7;
107, 107'; 7'') están dispuestos de tal manera que conforman pistas
conductoras en una plaqueta común de circuitos impresos (5;
105).
5. Un sensor de corriente según la reivindicación
4 en el que las pistas encierran un núcleo de aire que atraviesa la
plaqueta de circuitos impresos (5; 105).
6. Un medidor de electricidad (10; 120) que
comprende un sensor de corriente conforme a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores y que a su vez comprende:
- medios de medición (25; 125) para proveer una medida de la tensión de una fuente de electricidad (28; 128) la cual aporta la corriente a detectar por dicho sensor de corriente; y
- medios de cálculo (23; 123) a fin de determinar y dar salida a un indicador de una característica eléctrica de una carga (2, 32; 102, 132; 40) a la cual se hace llegar la corriente detectada en función de la medida de corriente (Is) y la medida de la tensión eléctrica (Vs).
7. Un medidor de electricidad (20; 120) según la
reivindicación 6 en el que dichos sensor de corriente, medios de
medición (25; 125) y medios de determinación (23; 123) están
dispuestos en una plaqueta común de circuitos impresos (5;
105).
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