ES2261162T3 - Captador de corriente. - Google Patents
Captador de corriente.Info
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Abstract
Captador de corriente destinado a medir el valor de la corriente (I) que circula por un conductor (1, 10, 11, 12), constituido por componentes (2) sensibles al campo magnético destinados a ser colocados en la proximidad del conductor y distribuidos geométricamente alrededor del mismo y por un circuito de procesamiento de datos que toma en cuenta la señal de salida de cada uno de los componentes (2) sensibles al campo magnético a los efectos de emitir una señal representativa de la corriente que circula por el conductor (1, 10, 11, 12) caracterizado porque los componentes (2) sensibles al campo magnético están dispuestos en un soporte (3, 3¿, 30, 30¿, 31, 32) destinado a estar posicionado alrededor del conductor (1, 10, 11, 12) y porque el circuito de procesamiento comprende por una parte elementos (20) que toman en cuenta las señales emitidas por dichos componentes (2), elementos (20) que tienen una ganancia determinada en función de la posición geométrica de los componentes (2) con respecto al conductor (1, 10, 11, 12), para ponderar dichas señales en función de la posición geométrica de los componentes con respecto al conductor, y por otra parte un elemento (21) que realiza la suma de dichas señales ponderadas y emite una señal representativa de la corriente que circula en dicho conductor.
Description
Captador de corriente.
De un modo general, la presente invención se
refiere a un medio de medida de corriente generalmente denominado
captador de corriente. Tal medio se utiliza para medir la corriente
circulante en un conductor en un punto cualquiera del mismo.
Habitualmente, el funcionamiento de los
captadores de corriente se basa en el funcionamiento de un núcleo
magnético, provisto o no de un arrollamiento secundario, con el cual
se mide una señal que refleja el valor de la corriente que recorre
el conductor alrededor del cual está colocado el captador de
corriente. Los captadores de corriente utilizados comúnmente en la
industria y en el campo ferroviario pertenecen a las técnicas
denominadas de bucle abierto y de bucle cerrado.
En la mayoría de los casos, estos captadores de
corriente con circuito magnético se presentan bajo la forma de una
corona cerrada, lo que obliga a recortar el conductor en el cual se
debe controlar la corriente para posicionar el captador alrededor
de dicho conductor. En efecto, para que un captador de corriente
con circuito magnético sea eficaz, es necesario que el entrehierro
sea de tamaño reducido, del orden de algunos milímetros, que la
sección del circuito magnético sea grande y que el material del
circuito magnético sea de buena calidad. Por esta razón, un
captador de corriente sólo puede ser eficaz si el entrehierro es de
tamaño muy reducido, lo que no permite la realización de captadores
geométricamente abiertos, en forma de C.
La necesidad de disponer de un circuito
magnético con una sección grande y a la vez de material de buena
calidad hace que los captadores de corriente con circuitos
magnéticos sean muy costosos, lo que limita su utilización.
Por otra parte, los captadores de corriente con
circuito magnético que utilizan la tecnología de bucle cerrado
necesitan contar con disipadores de calor a la altura de su parte
electrónica.
Los captadores de corriente con campo magnético
que utilizan tecnología de bucle abierto tienen el inconveniente de
ser limitados en lo que se refiere al valor de la corriente máxima
que pueden medir por saturación del circuito magnético.
Por la patente estadounidense 4 625 166, se
conoce un dispositivo destinado a medir la diferencia de potencial
entre dos puntos de un material sometido a un campo magnético. Este
dispositivo comprende sondas Hall dispuestas según una curva que
une estos dos puntos. Estas sondas están dispuestas de tal manera
que están regularmente repartidas a lo largo de la curva que une
dichos dos puntos y próximas unas de otras.
Según una variante de realización descrita en
esta patente, la curva según la cuál están dispuestas dichas sondas
es una línea circular cerrada dispuesta alrededor de un conductor
recorrido por una corriente eléctrica.
Este dispositivo permite medir el valor de la
corriente que circula en el conductor cualquiera sea la posición
del mismo en el centro del círculo formado por dichas sondas.
Tal montaje es complejo y oneroso porque
requiere la utilización de una gran cantidad de sondas, 24 en la
variante representada, ya que éstas deben estar próximas unas de
otras.
La presente invención se propone proporcionar un
captador de corriente mucho más económico y con una mayor facilidad
de uso que los captadores de corriente con circuitos magnéticos.
Dichos captadores tienen además un gran margen de utilización.
A dicho efecto, la invención se refiere a un
captador de corriente destinado a medir el valor de la corriente
circulante en un conductor, constituido por componentes sensibles al
campo magnético colocados a proximidad del conductor y repartidos
geométricamente alrededor del mismo y por un circuito de
procesamiento de datos que toma en cuenta la señal de salida de
cada uno de los componentes sensibles al campo magnético para emitir
una señal representativa de la corriente que circula en el
conductor, caracterizado porque los componentes sensibles al campo
magnético están colocados en un soporte destinado a ser posicionado
alrededor del conductor y porque el circuito de procesamiento
comprende por una parte, elementos que consideran las señales
emitidas por dichos componentes, con dichos elementos con una
ganancia determinada en función de la posición geométrica de los
componentes con respecto al conductor, de modo que ponderan dichas
señales en función de la posición geométrica de los componentes con
respecto al conductor, y por otra parte un elemento que efectúa la
suma de dichas señales ponderadas y que emite una señal
representativa de la corriente circulante en dicho conductor.
El captador de corriente según la invención es
destacable además porque:
- -
- el soporte está abierto, en forma de C, o es de estructura cerrada,
- -
- es capaz de medir el valor de la corriente circulante en cada uno de los conductores colocados a poca distancia unos de otros.
- -
- La posición y la orientación de cada componente sensible al campo magnético se determinan mediante el cálculo para que dichos componentes sensibles al campo magnético estén influidos por la corriente que pasa por uno sólo de los conductores presentes, sin ser influidos por las corrientes que recorren los demás conductores.
- -
- Los componentes sensibles al campo magnético son sondas con efecto Hall,
- -
- Los componentes sensibles al campo magnético son resistencias magnéticas.
La invención será mejor entendida con la
descripción que sigue, dada a título de ejemplo no limitativo y con
referencia a los dibujos en anexo donde:
- La figura 1 muestra esquemáticamente
un primer captador de corriente según la invención.
- Las figuras 2a y 2b muestran
esquemáticamente dos ejemplos de realización de un captador de
corriente según la figura 1 cuyo soporte se encuentra abierto.
- Las figuras 3a y 3b muestran
esquemáticamente dos ejemplos de realización de un captador de
corriente según la figura 1 cuyo soporte tiene una estructura
cerrada.
- La figura 4 muestra esquemáticamente
una segunda realización de un captador de corriente según la
invención en la forma de un captador de corriente con múltiples
fases.
- Las figuras 5 y 6 muestran
esquemáticamente dos ejemplos de realización de un captador de
corriente según la figura 4.
- La figura 7 muestra esquemáticamente
el circuito de procesamiento de datos.
- La figura 8 es un esquema geométrico
de un captador de corriente según la invención que comprende dos
componentes sensibles al campo magnético dispuestos en la
proximidad de dos conductores recorridos por una corriente
eléctrica.
- Las figuras 9a y 9b muestran dos
ejemplos de realización de un captador de corriente destinado a
medir la corriente circulante en un conductor de sección
rectangular.
Tal como está esquematizado en la figura 1 la
invención propone constituir un captador de corriente disponiendo
unos componentes 2 sensibles al campo magnético en la proximidad del
conductor 1. En los dibujos, el conductor 1 está presentado en
forma de sección, con la corriente I recorriéndolo siguiendo una
dirección perpendicular a dicha sección.
De un modo conocido, un campo magnético se crea
alrededor de un conductor 1 cuando es recorrido por una corriente
eléctrica I. En un punto dispuesto en la proximidad del conductor,
el valor de este campo magnético es una función del valor de la
corriente I y de la posición geométrica del punto estudiado con
respecto al conduc-
tor.
tor.
En el captador de corriente según la invención,
componentes sensibles al campo magnético, tales como sondas con
efecto Hall o resistencias magnéticas, están dispuestos en la
proximidad del conductor 1 estudiado. Estos componentes emiten una
señal representativa del campo magnético que observan en su punto de
implantación.
Un circuito de procesamiento esquematizado en la
figura 7, toma en cuenta las señales emitidas por los componentes
2. Estas señales se ponderan cuando pasan por los elementos 20,
luego se suman en 21 a los efectos de emitir en 22 una señal
representativa del valor de la corriente I que circula en el
conductor 1.
El campo magnético creado durante el paso de la
corriente I en el conductor 1 no es uniforme, su valor varía en
función de la posición geométrica del punto de medida. Los
componentes 2 repartidos geométricamente alrededor del conductor no
se encuentran sometidos al mismo campo magnético. En consecuencia,
la señal de salida de cada componente es tomada en cuenta por el
circuito de procesamiento de datos siendo ponderada en función de
la posición geométrica de dicho componente con respecto al conductor
1. Esta ponderación se efectúa a la altura de los elementos 20 cuya
ganancia se determina en función de la posición geométrica del
componente 2 con respecto al
conductor 1.
conductor 1.
En el ejemplo de realización representado en la
figura 1, los componentes 2 están dispuestos en un círculo que
rodea en forma concéntrica al conductor 1. Sin embargo, podrían
estar dispuestos de modo diferente.
El captador de corriente según la invención
tiene como principal ventaja el ser muy económico por no tener un
núcleo magnético. Presenta además otra ventaja, la de no sufrir un
calentamiento.
\newpage
Otra ventaja del captador según la invención es
que, en las condiciones normales de utilización, el campo magnético
medido por los componentes sensibles al campo magnético que no tiene
circuito magnético es bajo, el captador es entonces capaz de medir
sobre intensidades momentáneas en el conductor sin ser destruido.
Esto se debe a que los componentes sensibles al campo magnético son
capaces de medir los campos magnéticos grandes engendrados por una
corriente de intensidad grande que circula en el conductor, y que el
circuito electrónico ubicado en la salida de los componentes puede
saturar sin deteriorarse.
Tal como se observa en las figuras 2a, 2b y 3a,
3b, para constituir un captador de corriente práctico, los
componentes 2 sensibles al campo magnético están dispuestos en un
soporte 3, 3', 30, 30' que se pueden posicionar alrededor del
conductor 1 a estudiar.
Las figuras 2a y 2b muestran soportes 3 y 3'
abiertos, en forma de C. Tal soporte es de utilización muy fácil
porque puede ser posicionado fácilmente alrededor del conductor 1,
haciendo deslizar la muesca 33 alrededor de dicho conductor 1. Los
dibujos adjuntos muestran dos formas de realización del soporte 3,
3' en forma de C abierta, redondeada para el soporte 3 o más bien
cuadrada para el soporte 3'. Dicho soporte puede por supuesto,
adoptar cualquier otra forma geométrica dejando una muesca 33 para
el paso alrededor del conductor 1.
Las figuras 3a y 3b muestran soportes 30 y 30'
con una estructura general cerrada, con el cable, cuando el soporte
30, 30' está posicionado, dispuesto en el interior de un orificio 34
de dicho soporte. Tal soporte puede ser realizado en dos partes
que se aproximan una a la otra o con la forma de una banda cuyos
extremos se unen en el montaje. Como anteriormente, los soportes
pueden tener todo tipo de forma geométrica, por ejemplo redonda
como en la figura 3a o cuadrada como en la figura 3b.
Otra ventaja que presenta el captador de
corriente con componentes sensibles al campo magnético de la
invención se refiere a que es igualmente susceptible de ser
utilizado para medir la corriente de cada uno de varios conductores
ubicados a poca distancia unos de otros, lo que resulta
difícilmente realizable con los captadores de corriente con circuito
magnético conocidos.
En tal caso, componentes 2 sensibles al campo
magnético están, como se representa en la figura 4, dispuestos en
la proximidad de los conductores, los tres conductores 10, 11, 12
por ejemplo (figuras 5 y 6). Cada componente 2 mide un campo
magnético que depende de los campos magnéticos creados por cada uno
de los conductores en su punto de implantación.
Del mismo modo descrito referente a las figuras
2 y 3, se pueden posicionar los componentes 2 en un soporte
abierto 31 que presenta muescas 35 o en un soporte con estructura
cerrada 32 para lo cual los conductores 10, 11, 12 están dispuestos
en los orificios 36.
El circuito de procesamiento conoce la posición
geométrica de cada componente 2 con respecto a cada conductor 10,
11, 12 y puede resolver un sistema de ecuaciones para determinar el
valor de la corriente que circula en cada conductor.
Si se toma a título de ejemplo un captador de
corriente según la invención que comprende j componentes 2 e i
(i>1) conductores recorridos respectivamente por la corriente
I_{1}, I_{2},... I_{i}. Considerando U_{sj} el valor de la
señal de salida del componente j, el sistema de ecuaciones a
resolver para determinar las corrientes Ii se escribe:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde a_{ji} es una constante que
depende de la posición geométrica del componente j con respecto al
conductor i recorrido por la corriente Ii, de la amplificación de
la señal de salida del componente, del ángulo entre el vector que
representa la dirección de medida del componente y el vector que
representa el campo magnético creado por la corriente circulante en
el conductor en el punto ocupado por el componente sensible al campo
magnéti-
co.
co.
\newpage
Un cálculo matricial clásico que no se
describirá en detalle aquí, permite expresar las intensidades
I_{i} de las corrientes que circulan en los conductores en
función de las medidas U_{sj} en la forma:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Tal como se puede comprender, a medida que la
cantidad de conductores y la cantidad de componentes sensibles al
campo magnético aumentan, la cantidad de operaciones a realizar por
el circuito de procesamiento se vuelve más grande, lo que aumenta
el coste del dispositivo.
Otra característica importante de la invención
se refiere a la elección de las posiciones geométricas de los
diferentes componentes sensibles al campo magnético con respecto a
los conductores recorridos por las corrientes a medir.
Según la invención, los componentes sensibles al
campo magnético están dispuestos de modo tal que están influidos
por la corriente que atraviesa uno sólo de los conductores presentes
sin que los influyan las corrientes que atraviesan los demás
conductores. Mediante esta disposición, algunos coeficientes
utilizados en el cálculo matricial anterior resultan nulos, lo que
reduce la cantidad de cálculos a realizar y, en consecuencia, el
coste del dispositivo.
Si nos referimos a la figura 8 que muestra dos
conductores C y C' respectivamente recorridos por las corrientes I
e I' y dos componentes S1 y S2 dispuestos diametralmente opuestos
con respecto al conductor C, se denomina:
- -
- \overrightarrow{B1} y \overrightarrow{B2}: los vectores que representan el campo magnético engendrado por I' en los puntos ocupados por los componentes s1 y s2,
- -
- \overrightarrow{U1} y \overrightarrow{U2}: los vectores que representan la dirección de medida de los componentes S1 y S2 igualmente denominados vectores unitarios de medida,
- -
- R1 y R2: las distancias que separan respectivamente los componentes S1 y S2 del conductor C',
- -
- U_{s1} y U_{s2} las señales de salida de los componentes S1 y S2 que representan el campo magnético engendrado por la corriente I que recorre el conductor C,
- -
- U'_{s1} y U'_{s2} las señales de salida de los componentes S1 y S2 que representan el campo magnético engendrado por la corriente I' que recorre el conductor C'.
La corriente I que recorre el conductor C tiene
un valor de:
I = K_{11}
(U_{s1} + U'_{s1}) + K_{12} (U_{s2} +
U'_{s2})
Para que la corriente I' que recorre el
conductor C' no influya en el cálculo de I, es necesario tener:
(1)K_{12}
U'_{s2} + k_{11} U'_{s1} =
0
Esta ecuación se resuelve calculando U'_{s1} y
U'_{s2}.
A tal efecto, se utilizan las coordenadas
cartesianas (x1, y1) del componente S1 (x2, y2) del componente S2
y (x3, y3) del conductor C' y los ángulos \theta 1 y \theta 2
entre: \overrightarrow{U1} y \overrightarrow{U2} y la
horizontal.
R1 = \sqrt{(x3
- x1)^{2} + (y3 - y1)^{2}}
\hskip1cmy
\hskip1cmR2 = \sqrt{(x3 - x2)^{2} + (y3 - y2)^{2}}
\newpage
Se puede escribir:
Utilizando la teoría de Biot y Savard en S1, se
calcula el campo magnético creado por I'.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
De dónde:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La sonda mide la proyección de:
\overrightarrow{B} sobre \overrightarrow{U1}, el valor de
U'_{s1} es entonces igual al producto escalar de:
\overrightarrow{B} por \overrightarrow{U1}, se obtiene
entonces:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se obtiene asimismo:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Al introducir estos valores de U'_{s1} y
U'_{s2} en la ecuación 1, se puede determinar con un cálculo
matemático por ordenador, la orientación de los componentes
sensibles al campo magnético y su ubicación con respecto al
conductor C'.
A título de ejemplos no limitativos, teniendo el
conductor C coordenadas (0; 0), se señalan a continuación tres
configuraciones que pueden ser utilizadas:
\vskip1.000000\baselineskip
| Cantidad de componentes sensibles: | 2 | 3 | 2 |
| Distancia entre los centros de los conductores: | 15 | 15 | 15 |
| Coordenadas del conductor C': | (10,97; 10,22) | (9,39; -11,69) | (11,18; -10) |
| Coordenadas de las sondas: | (4; 0) | (5; 0) | (5; 0) |
| (-4; 0) | (-2,5; 4,33) | (-5; 0) | |
| (-2,5; -4,33) | |||
| Ángulo de las sondas (\theta) | -90; 90 | -90; 30; 150 | -90; 90 |
\vskip1.000000\baselineskip
Del mismo modo, se podrán calcular las
coordenadas y el ángulo de las sondas que deben ser colocadas para
poder medir el valor de la corriente I' que recorre C' sin estar
influida por la corriente I que recorre C.
De la misma manera, hay cálculos que permiten
definir las posiciones geométricas que deben ocupar las sondas de
un captador de corriente destinado a medir la corriente que circula
en n conductores cuando n es superior a 2.
El captador de corriente según la invención
puede ser utilizado con todo tipo de conductor, cualquiera sea la
sección.
Las figuras 9a y 9b muestran dos ejemplos de
colocación de los componentes 2 sensibles al campo magnético
alrededor de un conductor 13 con una sección rectangular. Como está
descrito anteriormente, los componentes 2 están posicionados en un
soporte cerrado 130, o abierto 131, con dicho soporte con brazos más
o menos largos.
Tal como está representado en los dibujos, los
componentes 2 pueden estar dispuestos en cualquier punto del
entorno del conductor 13, o bien en una zona central como en la
figura 9a o en una zona lateral como en la figura 9b. Esto permite
constituir soportes abiertos como el soporte 131 que pueden
utilizarse con conductores 13 con dimensiones diferentes, colocados
en el lateral de dichos conductores.
Claims (7)
1. Captador de corriente destinado a medir el
valor de la corriente (I) que circula por un conductor (1, 10, 11,
12), constituido por componentes (2) sensibles al campo magnético
destinados a ser colocados en la proximidad del conductor y
distribuidos geométricamente alrededor del mismo y por un circuito
de procesamiento de datos que toma en cuenta la señal de salida de
cada uno de los componentes (2) sensibles al campo magnético a los
efectos de emitir una señal representativa de la corriente que
circula por el conductor (1, 10, 11, 12) caracterizado porque
los componentes (2) sensibles al campo magnético están dispuestos en
un soporte (3, 3', 30, 30', 31, 32) destinado a estar posicionado
alrededor del conductor (1, 10, 11, 12) y porque el circuito de
procesamiento comprende por una parte elementos (20) que toman en
cuenta las señales emitidas por dichos componentes (2), elementos
(20) que tienen una ganancia determinada en función de la posición
geométrica de los componentes (2) con respecto al conductor (1, 10,
11, 12), para ponderar dichas señales en función de la posición
geométrica de los componentes con respecto al conductor, y por otra
parte un elemento (21) que realiza la suma de dichas señales
ponderadas y emite una señal representativa de la corriente que
circula en dicho conductor.
2. Captador de corriente según la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque el soporte (3, 3', 31) es
abierto, en forma de C.
3. Captador de corriente según la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque el soporte (30, 30', 32) tiene
una estructura cerrada.
4. Captador de corriente según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque puede
medir el valor de la corriente que circula por cada uno de varios
conductores (10, 11, 12) colocados a poca distancia unos de
otros.
5. Captador de corriente según la reivindicación
4, caracterizado porque la posición y la orientación de cada
componente (2) sensible al campo magnético se determinan mediante el
cálculo para que dichos componentes sensibles al campo magnético
estén influidos por la corriente que pasa por uno sólo de los
conductores presentes, sin ser influidos por las corrientes que
recorren los demás conductores.
6. Captador de corriente según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los componentes
(2) sensibles al campo magnético son sondas con efecto Hall.
7. Captador de corriente según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los componentes
(2) sensibles al campo magnético son resistencias magnéticas.
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2000
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