ES2261162T3 - Captador de corriente. - Google Patents

Captador de corriente.

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ES2261162T3 ES00400413T ES00400413T ES2261162T3 ES 2261162 T3 ES2261162 T3 ES 2261162T3 ES 00400413 T ES00400413 T ES 00400413T ES 00400413 T ES00400413 T ES 00400413T ES 2261162 T3 ES2261162 T3 ES 2261162T3
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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.
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.
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
1
\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.
\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
2
\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}}
\hskip1cm
y
\hskip1cm
R2 = \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
3
\vskip1.000000\baselineskip
De dónde:
\vskip1.000000\baselineskip
4
\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
5
\vskip1.000000\baselineskip
Se obtiene asimismo:
\vskip1.000000\baselineskip
6
\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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