ES2330345T3 - Dispositivo para medir corriente alterna y/o corriente continua. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (1) para la detección de corriente directa y/o alterna que comprende: - un núcleo magnético (5) adecuado para ser posicionado alrededor de al menos un conductor (6) portador de una corriente (I); - un bobinado (10) alrededor de dicho núcleo magnético (5) y conectado a una resistencia eléctrica (60); - una fuente de tensión (40) que suministra un tensión por accionamiento (Vexcit) al que sigue la generación de una corriente de excitación (Iexcit) que circula en dicho bobinado (10) y en dicha resistencia eléctrica (60); - medios de amplificación (20) conectados a los terminales de entrada de dicha resistencia eléctrica (60) y capaces de generar una primera señal de tensión de salida (Vampl) proporcional a la tensión (Vsense) generada en los terminales de dicha resistencia (60); caracterizado por el hecho de que comprende un bloque de circuito de ajuste de retroalimentación (70) conectado, desde un punto de vista operativo, a dichos medios de amplificación (20) y a dicha fuente de tensión (40), detectando dicho sistema de ajuste de retroalimentación (70) dicha primera señal de tensión de entrada (Vampl) y generando una segunda señal de salida de este tipo para invertir dicha tensión de accionamiento (Vexcit) cuando dicha corriente de excitación (Iexcit) que circula en dicho bobinado (10) y en dicha resistencia (60) alcanzan el valor programado.
Description
Dispositivo para medir corriente alterna y/o
corriente continua.
La presente invención se refiere a un
dispositivo para la lectura de corrientes continuas y/o alternas
para ser preferiblemente usado en la realización de dispositivos de
medición amperométricos altamente sensibles o para la lectura de
fallos diferenciales (fuga de tierra) junto con interruptores
automáticos.
Como se sabe, ya hay diferentes tipos de
detectores AC/DC que están basados en principios de funcionamiento
diferentes. Un tipo de detector, por ejemplo, está basado en el uso
de sensores de efecto Hall, mientras otro tipo usa núcleos
magnéticos conducidos con una frecuencia portadora para aprovechar
el contacto de las características magnéticas del núcleo y en
particular el bucle de histéresis de los materiales de los que está
hecho.
Un ejemplo de este tipo de detector está
indicado en la patente US 4276510. En particular el detector que
está descrito mide una avería diferencial impeliendo el núcleo de
un transformador mediante un bobinado que crea un campo magnético de
alta frecuencia en la zona de saturación no magnética y detecta la
señal útil para la lectura mediante un bobinado secundario.
En otro ejemplo que es indicado en la patente
US5223789, el dispositivo de detección usa un bobinado que produce
un campo magnético a través de una fuente de tensión de alta
frecuencia.
Otros ejemplos de detectores conocidos son
descritos en la solicitud de patente EP 0742440 y en la
patente
US 6522517.
US 6522517.
Estas y otras soluciones actuales presentan
inconvenientes. En particular las soluciones basadas en los
sensores de efecto Hall no son muy eficaces cuando se usan en
sistemas diferenciales de bajo coste porque al ser altamente
susceptibles a los campos magnéticos externos, requieren sistemas
complejos de revestimiento. Además, estas soluciones también tienen
problemas relacionados con el consumo relativamente alto y la
dinámica pobre de la lectura.
Por otro lado las soluciones que están basadas
en sensores magnéticos activados en la zona no saturada tienen uña
precisión que está fuertemente influida por la tolerancia del
núcleo y por los numerosos medios analógicos que componen estos
dispositivos. El alto número de componentes, la solución de
US4276510 por ejemplo prevé la presencia de un bobinado adicional
en el núcleo, hace estas soluciones particularmente costosas.
Otra desventaja de las soluciones que funcionan
en la zona de saturación consiste en los fenómenos de "memoria
magnética" no deseados que se manifiestan a si mismos después de
una corriente de empuje en uno de los conductores que están siendo
medidos. Esta memoria magnética, que es cancelada sólo después de un
periodo largo de uso, puede causar averías y lecturas falsas.
Otro límite de esta solución, en la patente
US5223789 por ejemplo, se refiere al hecho de que su función se
basa en la hipótesis de que el diagrama BH es constante, e ignora
la acumulación del diagrama BH del material básico, por ejemplo en
coincidencia con el pasaje de corrientes fuertes en los conductores
que están siendo leídos. Además, funciona con fuentes de frecuencia
constantes y sin retroalimentación que requiere el uso de
materiales específicos y costosos para el núcleo (materiales de
permeabilidad alta con curvas simétricas y de histéresis
rectangular).
En base a esta consideración, la tarea principal
del objeto de la presente invención es proveer un detector de
corriente AC/DC que pueda superar los inconvenientes mencionados
anteriormente.
En cuanto a este cometido, el objetivo principal
de la presente invención es proveer un detector de corriente AC/DC
que garantice una alta precisión y una alta gama de lectura de las
corrientes eléctricas.
Otro objetivo de la presente invención es
proveer un detector de corriente AC/DC que sea básicamente inmune a
los campos magnéticos externos y fenómenos de memoria
magnética.
Otro objetivo de la presente invención es
proveer un dispositivo detector de corriente hecho de un número de
componentes extremadamente limitado que funcionen con un consumo de
energía muy bajo.
Otro objetivo pero no menos importante de la
presente invención es proveer un sistema automático que sea tanto
extremadamente fiable como relativamente fácil de producir y a un
precio competitivo.
Los cometidos y objetivos mencionados se
consiguen a través de un dispositivo de detección de corriente
AC/DC según la reivindicación 1.
La ventaja principal del dispositivo de
detección de corriente de la invención tiene que ser enfatizada en
la presencia de un sistema de ajuste de retroalimentación para
explotar eficazmente las características naturales de los materiales
elegidos. Esto hace al dispositivo compatible con núcleos
magnéticos de materiales muy económicos, diferente de los ciclos de
histéresis que no son perfectamente simétricos.
Se deducen otras características y ventajas de
la invención principalmente de la descripción de las formas de
realización preferidas, pero no sólo, del dispositivo de detección
de corriente AC/DC según la invención, ilustrada a título
ilustrativo y no de forma restrictiva en los dibujos anexos,
donde:
- la figura 1 representa la vista esquemática de
una forma de realización posible del dispositivo de detección de
tensión según la invención;
- la figura 2 representa la tendencia de las
señales características de los componentes del dispositivo de
detección según la invención;
- la figura 3 se refiere a un ciclo de
histéresis que es característico de un material que constituye un
núcleo magnético del dispositivo de detección según la
invención.
Con referencia a dichas Figuras, el dispositivo
de detección de corriente de la invención incluye un núcleo
magnético 5 que incluye uno o más conductores 6 a través de los
cuales pasa la corriente continua o alterna. En particular, si el
dispositivo 1 se usa como un amperímetro el núcleo 5 es cruzado por
sólo un conductor 6, mientras que si el dispositivo se usa como un
dispositivo automático, el núcleo es beneficiosamente cruzado por
conductores diferentes para leer la amplitud de la suma del vector
de las corrientes que están circulando en él. La siguiente
descripción se refiere principalmente al uso del dispositivo de
detección 1 como un amperímetro que tiene los mismos principios
físicos en relación con el uso como diferencial.
Con referencia a la Figura 1, el dispositivo 1
de la invención incluye un bobinado 10, para circundar el núcleo 5,
y una resistencia 60 que es conectada eléctricamente,
preferiblemente en serie, al bobinado 10. Una fuente de tensión 40
suministra una tensión por accionamiento Vexcit después de lo cual
se genera una corriente de excitación Iexcit para circular en dicho
bobinado 10 y dicha resistencia 60. Los medios de amplificación 20
son conectados a los terminales de entrada de dicha resistencia 60
para generar una señal de salida primaria Vampl proporcional a la
tensión Vsense en los terminales de la misma resistencia 60.
El dispositivo de la invención 1 se caracteriza
por el hecho de que comprende un bloque de circuito de ajuste de
retroalimentación 70 conectado a dichos medios de amplificación 20
y a dicha fuente de tensión 40. En particular, el bloque de circuito
70 recibe la primera señal de entrada Vampl generada por los medios
de amplificación 20 y genera una segunda señal de salida que es
enviada a dicha fuente de tensión 40 para invertir la tensión por
el accionamiento Vexcit anteriormente mencionado cuando la corriente
Iexcit que circula en dicho bobinado 10 y dicha resistencia 60
alcanza el valor programado.
Estos valores programados son definidos para
tener en consideración el ciclo de magnetización del núcleo 5 y de
tal manera que la condición de saturación sea alcanzada de forma
segura durante cada ciclo de inversión.
En una forma de realización preferida de la
invención, la fuente de tensión 40 incluye circuitos, tales como un
puente H por ejemplo, que generan una onda rectangular cuya
amplitud está entre dos valores de tensión predeterminados Vexcit+ y
Vexcit- siendo su ciclo variable y continuamente controlado por
dicha segunda señal generada por el bloque de circuito de ajuste de
retroalimentación de 70.
Con referencia a las Figuras 1 y 3, cuando la
corriente I por ser leída que está circulando en el conductor
definido es cero, aplicando la tensión Vexcit, una tensión Iexcit
variable, que depende de las características de construcción de los
mismos componentes, empieza a circular en el bobinado 10 y la
resistencia 60. En el núcleo 5, dicha corriente Iexcit produce un
campo magnético H variable que, como se sabe, es conectado a la
inducción magnética B del gráfico BH, mostrado en la Figura 3, cuya
tendencia se basa en los materiales que componen el núcleo magnético
5. En particular, con el aumento del campo magnético H, la
inducción magnética B aumenta progresivamente hasta un valor
conocido como Bsat+ correspondiente a la saturación positiva del
núcleo magnético 5. Una lógica análoga y válida, cambia de manera
adecuada los signos, cuando es aplicada la tensión Vexcit-.
Con referencia a la Figura 3, para crear
eficazmente el fenómeno de saturación, deberían ser usados
preferiblemente materiales que tengan un valor de saturación bajo
Hsat+ y Hsat-, al igual que una definición pronunciada de los
valores de inducción correspondientes Bsat+ y Bsat-. Como ya se ha
mencionado arriba, una vez que estos parámetros han sido definidos
pueden ser usados para describir la corriente Iexcit que circula en
el bobinado 10 y en la resistencia 60.
Como ya se ha mencionado arriba, sobre los
terminales de resistencia 60 se establece una tensión Vsense
establecida proporcionalmente a la corriente Iexcit que circula en
el bobinado 10 y en la resistencia 60. En particular, dicha tensión
Vsense asume el valor máximo al contrario que las tensiones de
accionamiento Vexcit+ y Vexcit- en correspondencia a las corrientes
de excitación Iexcit+ y Iexcit- que tienen signos opuestos. Los
medios de amplificación 20, conectados a los terminales de
resistencia 60, generan una señal Vampl primaria, proporcional a
Vsense e inmediatamente útil tanto para la retroalimentación como
para ser transmitida a los siguientes estadios de adquisición
mediante un filtro de paso bajo 30 por ejemplo.
Es obvio que la primera señal Vampl, que se
encuentra al final de una cadena de elementos proporcionales, es
ella misma proporcional a la corriente de excitación Iexcit. En
particular, según la invención, en las condiciones de saturación
magnética, indicadas en la Figura 3 con Bsat+ e Bsat-, corresponden
los valores Vampl+ y Vampl- que son usados beneficiosamente en el
bloque de circuito de ajuste de retroalimentación 70 para invertir
la tensión por accionamiento Vexcit.
Siguiendo una forma de realización de la
invención, el bloque de circuito de ajuste de retroalimentación 70
incluye un amplificador 75 y un circuito de accionamiento 50. Dicho
amplificador 75 recibe la primera señal de entrada Vampl que activa
el circuito de accionamiento 50 si las condiciones lo requieren,
que genera la segunda señal que es responsable de la inversión de
tensión de las fuentes relacionadas 40.
Con referencia a las Figuras 1 y 2, el filtro de
paso bajo 30 tiene la tarea de suministrar una tercera señal Vout
representativa de las corrientes que circulan en el conductor 6. En
particular, el filtro 30 purifica la primera señal Vampl a partir de
los componentes de alta frecuencia y devuelve la tercera señal
analógica Vout que incluye el único componente de frecuencia
directa o baja. Esto puede ser realizado por ejemplo a través de un
filtro tradicional RC que devuelve naturalmente una señal que es
básicamente indicativa de la señal de entrada entera. Los parámetros
R (resistencia) y C (capacidad) son calculados adecuadamente
basados en la gama de funcionamiento y en el tiempo en el que es
realizada la integración. Dicho tiempo es calculado teniendo en
cuenta la gama de frecuencias típica en la que oscila la fuente de
tensión 40, la frecuencia máxima que está destinada a ser leída en
la corriente I y otros parámetros del dispositivo I.
Con referencia a la Figura 2, en la condición de
corriente I sin nada circulando en el conductor 6, hay una simetría
sustancial del fenómeno anteriormente mencionado; en consecuencia,
una señal cero sale del filtro de paso bajo 30.
Si una corriente I diferente de cero está
circulando en el conductor 6, esta generará un campo magnético en
el núcleo 5 que se superpondrá a la producida por la corriente de
excitación Iexcit que circula en el bobinado 10. Dicho solapamiento
causa una variación instantánea del valor de la corriente Iexcit
que circula en el bobinado 10 y en la resistencia 60; dicha
variación es proporcional al valor de la corriente I que circula en
el conductor 6. En términos geométricos, la curva Vexcit en la
Figura 2 que, como se ha dicho, es proporcional a la corriente de
excitación Iexcit, sufre un movimiento ascendente o descendente
proporcional al valor de la corriente I del conductor 6. La curva
Vampl asume la misma tendencia que representa la tendencia de dicha
primera señal. En consecuencia en esta circunstancia se ve cómo el
filtro de paso bajo devuelve una tercera señal Vout proporcional a
la corriente I y en consecuencia indicativa del propio valor de la
corriente menor que un factor de conversión relativo.
Según una forma de realización preferida de la
invención y con el objetivo de mejorar adicionalmente el
rendimiento, el dispositivo 1 incluye un inicializador 80 que está
situado corriente abajo del filtro de paso bajo 30. Mediante ciclos
de comparación adecuados, el inicializador 80 permite
ventajosamente fijar de modo preciso las variables del dispositivo
1 para centrar el cero de la primera señal de salida Vampl del
amplificador sin corriente I en los
conductores 6.
conductores 6.
Con base a lo indicado hasta ahora, la presente
invención guarda en consecuencia también relación con un método
para la lectura de corriente continua y/o alterna para ser usado en
dispositivos que incluyen un núcleo magnético 5 situado alrededor
de al menos un conductor 6 portador de corriente I. En particular,
el método de invención está caracterizado por el hecho de que
incluye las siguientes fases:
- -
- suministrar una tensión por accionamiento (Vexcit) capaz de generar una corriente de excitación (Iexcit) que circula dentro de un bobinado (10) alrededor de un cilindro (5) del dispositivo conectado a una resistencia eléctrica (60);
- -
- leer la tensión (Vsense) en los terminales de dicha resistencia (60) generando una primera señal de tensión (Vampl) proporcional a dicha tensión (Vsense) presente en los terminales de dicha resistencia (60);
- -
- generar, con base a dicha primera señal de tensión (Vampl), una segunda señal capaz de invertir la tensión por accionamiento (Vexcit) cuando la corriente (Iexcit) que circula en el bobinado (10) y en la resistencia (60) alcanza valores programados.
\vskip1.000000\baselineskip
En consecuencia con el dispositivo y método
realizado de esta manera la dinámica de la medición es básicamente
idéntica a la dinámica del suministro de energía; de hecho el
diagrama de tensión de suministro de energía (Figura 2) no sufre
ningún corte, a diferencia de lo previsto en muchas de las
soluciones actuales del estado de la técnica. Esta explotación
completa de la dinámica es automáticamente traducida en una
dinámica de alto nivel y precisión general del dispositivo similar
con otras condiciones.
Es preciso tener en cuenta que el bloque de
circuito de ajuste de retroalimentación 70 mencionado anteriormente
hace que el núcleo 5 permanezca en la zona de saturación durante un
tiempo muy breve, siendo ventajoso para el consumo energético que
de esta manera es reducido extremadamente.
El dispositivo y el método de detección
realizado con el, en virtud de la optimización de la absorción
energética y el número muy bajo de componentes pasivos, se
caracteriza por consumos extremadamente reducidos. Esto lo hace
particularmente adecuado para sistemas donde la energía disponible
es limitada.
El dispositivo de detección de corriente según
la invención es inmune a fenómenos de memoria magnética porque en
cada ciclo de magnetización el valor del campo magnético necesario
para la saturación del núcleo es excedido intencionadamente. Este
campo magnético alternativamente positivo y negativo causa el logro
determinado de la saturación positiva (Bsat+) y negativa (Bsat-) en
cada semi-ciclo de magnetización, que básicamente
causa el restablecimiento automático de las condiciones de
funcionamiento normales, incluso después de una saturación
inesperada y no deseada del núcleo provocada, por ejemplo, por una
sobreintensidad en uno de los conductores que está siendo
medido.
Concebido así, el dispositivo y método de
detección son susceptibles de numerosas modificaciones y variantes,
todas dentro del campo del concepto de la invención; además, todos
los detalles pueden ser sustituidos por otros elementos
técnicamente iguales.
Básicamente, los materiales al igual que las
dimensiones pueden ser cualquiera dependiendo de los requisitos
técnicos y la técnica.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citada por el
solicitante ha sido recopilada exclusivamente para la información
del lector. No forma parte del documento de patente europea. La
misma ha sido confeccionada con la mayor diligencia; la OEP sin
embargo no asume responsabilidad alguna por eventuales errores u
omisiones.
\bullet US 4276510 A [0003] [0007]
\bullet US 5223789 A [0004] [0009]
\bullet EP 0742440 A [0005]
\bullet US 6522517 B [0005]
Claims (11)
1. Dispositivo (1) para la detección de
corriente directa y/o alterna que comprende:
- -
- un núcleo magnético (5) adecuado para ser posicionado alrededor de al menos un conductor (6) portador de una corriente (I);
- -
- un bobinado (10) alrededor de dicho núcleo magnético (5) y conectado a una resistencia eléctrica (60);
- -
- una fuente de tensión (40) que suministra un tensión por accionamiento (Vexcit) al que sigue la generación de una corriente de excitación (Iexcit) que circula en dicho bobinado (10) y en dicha resistencia eléctrica (60);
- -
- medios de amplificación (20) conectados a los terminales de entrada de dicha resistencia eléctrica (60) y capaces de generar una primera señal de tensión de salida (Vampl) proporcional a la tensión (Vsense) generada en los terminales de dicha resistencia (60);
caracterizado por el hecho
de que comprende un bloque de circuito de ajuste de
retroalimentación (70) conectado, desde un punto de vista operativo,
a dichos medios de amplificación (20) y a dicha fuente de tensión
(40), detectando dicho sistema de ajuste de retroalimentación (70)
dicha primera señal de tensión de entrada (Vampl) y generando una
segunda señal de salida de este tipo para invertir dicha tensión de
accionamiento (Vexcit) cuando dicha corriente de excitación
(Iexcit) que circula en dicho bobinado (10) y en dicha resistencia
(60) alcanzan el valor
programado.
2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el bloque de circuito de
ajuste de retroalimentación (70) genera dicha segunda señal de
salida cuando el valor de dicha corriente de excitación (Iexcit) que
circula en dicho bobinado (10) y en dicha resistencia (60) es tal
que garantiza el logro de la condición de saturación (Bsat+, Bsat-)
del núcleo magnético (5).
3. Dispositivo (1) según la reivindicación 1 ó
2, caracterizado por el hecho de que dicha fuente de tensión
(40) comprende medios de circuito capaces de generar una onda
rectangular con una amplitud comprendida entre dos valores de
tensión programados (Vexcit+, Vexcit-) siendo su ciclo variable y
continuamente controlado por dicha segunda señal generada por dicho
bloque de circuito de ajuste de retroalimentación (70).
4. Dispositivo (1) según la reivindicación 3,
caracterizado por el hecho de que dichos medios de circuito
incluyen un puente H.
5. Dispositivo (1) según una o más de las
reivindicaciones de 1 a 4, caracterizado por el hecho de que
comprende un filtro de paso bajo (30) capaz de generar una tercera
señal analógica (Vout) representativa de la corriente (1) que
circula en dicho conductor (6), estando conectado dicho filtro de
paso bajo (30) a la salida de dichos medios de amplificación
(20).
6. Dispositivo (1) según la reivindicación 5,
caracterizado por el hecho de que dicho filtro de paso bajo
(30) comprende una resistencia (R) y un condensador (C)
dimensionados sobre la base del ámbito de funcionamiento de dicho
dispositivo (1).
7. Dispositivo (1) según una o más de las
reivindicaciones de 1 a 6, caracterizado por el hecho de que
dicho bloque de circuito de ajuste de retroalimentación (70)
comprende un amplificador (75) conectado en serie a un circuito de
accionamiento (50), detectando dicho amplificador (75) la primera
señal mencionada (Vampl) generada por dichos medios de
amplificación (20), generando dicho circuito de accionamiento (50)
dicha segunda señal capaz de invertir dicha tensión de
accionamiento (Vexcit) generado por dicha fuente de tensión
(40).
8. Dispositivo (1) según una o más de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por el hecho de que
incluye un inicializador (80) conectado, desde un punto de vista
operativo, a la salida de dicho filtro de paso bajo (30), siendo
capaz dicho inicializador (80) de ajustar precisamente las
variables del dispositivo (1) mediante ciclos de
comparación.
comparación.
9. Método para la detección de corrientes
directas y continuas para ser usado en dispositivos que incluyen un
núcleo magnético (5) alrededor de al menos un conductor (6) portador
de corriente (I) caracterizado por el hecho de que comprende
las fases siguientes:
- -
- suministrar una tensión por accionamiento (Vexcit) que genera una corriente de excitación (Iexcit) que circula dentro de un bobinado (10) alrededor de dicho núcleo magnético (5) y conectado a una resistencia eléctrica (60);
- -
- detectar la tensión (Vsense) en los terminales de dicha resistencia (60) generando una primera señal de tensión (Vampl) proporcional a dicha tensión (Vsense) en los terminales de dicha resistencia (60);
- -
- generar, con base a dicha primera señal de tensión (Vampl), una segunda señal capaz de invertir dicha tensión por accionamiento (Vexcit) cuando dicha corriente de excitación (Iexcit) que circula en dicho bobinado (10) y en la resistencia mencionada (60) alcanza valores programados.
10. Método según la reivindicación 9,
caracterizado por el hecho de que dicha tensión por
accionamiento (Vexcit) es generado como una onda rectangular con
una amplitud comprendida entre dos valores de tensión predefinidos
(Vexcit+, Vexcit-) cuyo ciclo es variable y continuamente ajustado
a través de dicha segunda señal.
11. Método según la reivindicación 9 ó 10,
caracterizado por el hecho de que dicha segunda señal es
generada cuando el valor de dicha corriente de excitación (Iexcit)
que circula dentro de dicho bobinado (10) y en dicha resistencia
(60) es tal que garantiza el logro de la condición de saturación
(Bsat+, Bsat-) del núcleo magnético (5).
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