ITMI992739A1 - Dispositivo di misura di corrente per interruttori di potenza di bassa tensione - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato riguarda un dispositivo di misura di corrente per interruttori di potenza a bassa tensione (quindi per valori di tensione all'incirca inferiori ad 1 Kv).

Come è noto, i circuiti di monitoraggio e protezione di impianti industriali utilizzano per la misura della corrente dispositivi che sono basati sui seguenti principi:

a) utilizzo dell'effetto termoelettrico.

A questa tipologia appartengono i dispositivi utilizzanti una lamina bimetallica la quale viene riscaldata dal passaggio della corrente che deve essere misurata e provoca l'interruzione della corrente non appena viene superata una certa soglia di temperatura.

Tale tipo di dispositivi determinano un funzionamento a soglia del sistema di misura che non realizza un monitoraggio continuo della corrente. Questo comportamento risente notevolmente della temperatura ambientale e ciò provoca un’accuratezza massima che in genere si aggira attorno al 20% del valore nominale della corrente che deve essere misurata.

b) Misura della circuitazione del campo magnetico.

Su questo principio sono basati fondamentalmente due tipologie principali di dispositivi:

- trasformatori.

Questo tipo di dispositivo è largamente utilizzato date le sue semplici caratteristiche costruttive ed il contenuto. Tuttavia, i trasformatori sono in grado di misurare soltanto correnti alternate.

- Dispositivi ad effetto Hall con concatenatore di flusso.

Essi sono caratterizzati da due principali configurazioni ad anello chiuso o aperto. Il dispositivo di misura di corrente ad anello chiuso consiste in un concentratore in materiale ferromagnetico dotato di un sottile traferro nel quale si trova un misuratore di flusso. Il segnale del misuratore viene utilizzato per pilotare un amplificatore che alimenta un circuito secondario avvolto sul concentratore in modo da creare un flusso che si elida con quello della corrente primaria, in tal modo, la corrente secondaria è immagine della corrente primaria: questo processo funziona anche in corrente continua e richiede una corrente di alimentazione solitamente non disponibile. Il costo di questa tecnica di misura è assai elevato.

Il sensore detto ad anello aperto prevede semplicemente di misurare il flusso nel traferro di un nucleo ferromagnetico concatenato alla corrente da misurare (concentratore) e da tale flusso determinare, attraverso un'opportuna costante, il valore della corrente concatenata.

Entrambe le configurazioni sopra descritte presentano problemi di non linearità nella misura di elevate correnti.

c) Misura puntuale del campo magnetico.

Questa misura può essere realizzata utilizzando diversi tipi di dispositivi, ad esempio sensori di Hall, sensori cosiddetti fluxgate, magnetoresistori, ecc. L'adozione di una misura puntuale del campo magnetico comporta una scarsa reiezione all'influenza di campi magnetici di disturbo, ossia generati da correnti diverse da quella che deve essere misurata. d) Misura della caduta di tensione su un derivatore resistivo (shunt) .

Questa misura richiede il contatto galvanico con i conduttori sede della corrente che deve essere misurata, e quindi non soddisfa l'esigenza di avere una misura sostanzialmente senza "contatto".

Tutte le soluzioni tecnica sopra citate risentono, come visto, di inconvenienti. Inoltre, specialmente per alti valori di corrente, i trasformatori si comportano in modo fortemente non lineare non consentendo misure accurate, oltre a non poter funzionare per la corrente continua.

I derivatori resistivi (utilizzabili anche in corrente continua) producono calore eccessivo e richiedono utilizzo di trasduttori ad alto isolamento.

I sensori ad anello chiuso e ad anello aperto hanno gli inconvenienti sopra citati.

Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura di corrente per interruttori industriali, particolarmente di bassa tensione, che abbia una caratteristica di reiezione alle correnti che non devono essere misurate, con conseguente precisione di misura più elevata rispetto alle soluzioni di tipo noto.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura di corrente per interruttori industriali, particolarmente di bassa tensione, che possa funzionare sia in corrente alternata sia in continua.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura di corrente per interruttori industriali, che abbia una elevata linearità.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura di corrente per interruttori industriali che presenti un'elevata dinamica (elevato range di misura).

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura di corrente per interruttori industriali, che abbia un'ampia risposta in frequenza.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura di corrente per interruttori industriali, che sia di elevata affidabilità, di relativamente semplice realizzazione ed a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un dispositivo di misura di corrente, particolarmente per interruttori di potenza di bassa tensione, caratterizzato dal fatto di comprendere:

una pluralità di sensori di campo magnetico atti ad essere posizionati attorno ad almeno un conduttore di corrente di cui si desidera ottenere la misura di corrente; detti sensori effettuando una misura puntiforme del campo magnetico;

mezzi di elaborazione di segnali atti a ricevere segnali di misura di corrente provenienti da detta pluralità di sensori di campo magnetico; il posizionamento e l'orientamento di detta pluralità di sensori attorno a detto almeno un conduttore, essendo determinati in modo da ottimizzare la precisione di misura di detti sensori.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno mag-.giormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, del dispositivo di misura di corrente secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 illustra schematicamente un sistema generico di corrente di cui si vuole effettuare la misura mediante una pluralità di sensori secondo il presente trovato;

la figura 2 è uno schema a blocchi del dispositivo di misura di corrente secondo il presente trovato;

la figura 3 illustra, schematicamente, una forma di realizzazione di un dispositivo di misura di corrente mediante il rilevamento del campo magnetico generato dalle correnti che si desidera misurare; e

la figura 4 illustra una seconda forma di realizzazione del dispositivo di misura di corrente secondo il presente trovato.

Con riferimento alle sopra citate figure, il dispositivo di misura di corrente secondo il presente trovato, adatto per la misura di correnti continue ed alternate, comprende una pluralità di sensori di campo magnetico, globalmente indicati dal numero di riferimento 1, nella figura 2, ed individualmente indicati, in modo esemplificativo, dai numeri di riferimento 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 nella figura 1. I sensori 1 operano una misura puntiforme del campo magnetico.

I sensori sono disposti in posizione opportuna attorno a conduttori 10, 11 e 12 che sono percorsi da correnti che devono essere misurate.

Il numero dei conduttori non è ovviamente limitato al numero illustrato nella figura 1, e le correnti da misurare sono indicate nella figura 1 dai riferimenti II, 12 e 13.

Nelle figure sono illustrati inoltre due conduttori 13 e 14 i quali rappresentano conduttori estranei al sistema, dei quali a priori non interessa conoscere la misura di corrente. La posizione ed il numero di tali conduttori non è vincolante, è solo esemplificativa.

Indicato con S il vettore dei valori forniti dai sensori di corrente 2-9 sopra citati, e detto I il vettore delle correnti da misurare il, 12 e 13, è possibile definire una matrice A come:

dove A rappresenta la matrice di interazione tra il vettore di correnti I e quello delle grandezze di uscita dei sensori sopra citati (la matrice A non è necessariamente quadrata, poiché il sistema può essere sotto o sovradeterminato). Essa può essere calcolata sia in base alle dimensioni geometriche ed alle caratteristiche fisiche del sistema, sia misurata quando si imponga un sistema di correnti note.

Nota la matrice A, le correnti incognite I sono ottenibili scrivendo la relazione:

dove Q è funzione di A ottenibile con metodi algebrici e/o statistici noti, lineari o non lineari (ad esempio minimi quadrati, minimi quadrati vincolati e simili).

La pluralità di sensori 1 sono quindi utilizzati per rilevare il campo magnetico generato dalle correnti destinate ad essere misurate. I segnali in uscita dei sensori 1 vengono elaborati da mezzi di condizionamento 16 (vedi figura 2) i quali eseguono operazioni di compensazione di grandezze e caratteristiche dei dispositivi utilizzati come sensori (ad .esempio offset, non linearità, ecc.) oppure rispetto a grandezze esterne quali ad esempio la temperatura. Vantaggiosamente, i mezzi di condizionamento dei segnali possono non essere impiegati qualora i segnali provenienti dalla pluralità di sensori 1 presentino un comportamento soddisfacente ai fini della misura delle correnti desiderate.

Nel caso in cui si voglia invece migliorare in modo ulteriore la precisione della misura, i mezzi di condizionamento 2 possono utilizzare misure di tali grandezze esterne eseguite in prossimità della pluralità di sensori, ed indicate globalmente dal numero di riferimento 15.

I segnali di uscita dei mezzi 16 di condizionamento dei segnali, sono inviati a mezzi 17 di elaborazione dei segnali i quali, nel caso in cui i mezzi 16 non siano presenti, elaborano direttamente i segnali di uscita dei sensori 1.

I mezzi 17 di elaborazione dei segnali eseguono le operazioni relative alle relazioni matriciali indicate precedentemente.

Mezzi di controllo 18 sono previsti per gestire la corretta esecuzione della misura da parte della pluralità di sensori 1 utilizzati per il rilevamento.

Infine, mezzi di alimentazione 19 provvedono ad alimentare la pluralità di sensori 1 ed i mezzi di controllo 18.

I mezzi di controllo 18 colloquiano con i mezzi di condizionamento dei segnali 16 e con i mezzi di elaborazione dei segnali 17.

I mezzi di condizionamento dei segnali 16, i mezzi di elaborazione dei segnali 17 ed i mezzi di controllo 18 possono essere realizzati fisicamente con dispositivi e circuiti elettronici, analogici o digitali, noti .nella tecnica.

Il dispositivo di misura secondo il trovato è indipendente dal suo funzionamento dal tipo di sensori 1 (sensori 2-9) utilizzati per rilevare il campo magnetico generato da correnti (che si intendono misurare) che passano in conduttori 10-12. La tipologia di sensori utilizzati può influenzare eventualmente la definizione delle funzionalità espletate dai mezzi di condizionamento dei segnali 16 e/o dai mezzi di controllo 15.

Come sensore è possibile prevedere qualsiasi tipo adatto di sensore, quale ad esempio sensore ad effetto Hall. Questo tipo di sensori sono particolarmente vantaggiosi dato il loro basso costo e la loro estesa banda in frequenza che consente l'esecuzione di misure e di corrente sia alternata sia continua.

La figura 3 illustra una prima forma di realizzazione della disposizione di sensori 1, in questo caso indicati per semplicità ciascuno dal numero di riferimento 1, ma del tutto analoghi ai sensori indicati con 2-9 nella figura 1, i quali sono disposti attorno a conduttori di sezione rettangolare 10-12, analoghi anch'essi ai conduttori della figura 1, e disposti in corrispondenza dell'asse mediano dei conduttori 10-12. I sensori 1 possono essere disposti su un opportuno elemento di supporto 30, realizzato con materiale preferibilmente isolante e di forma variabile a seconda delle esigenze.

In caso di necessità l'elemento di supporto 30 può essere utilizzato per ospitare sensori, ad esempio un sensore 31, che misurano grandezze esterne, quale ad esempio la temperatura, oppure può essere utilizzato per ospitare parte dell'elettronica di controllo del sistema, ad esempio i mezzi di condizionamento dei segnali 16 ed i mezzi di elaborazione dei segnali 17.

In figura 3, una coppia di sensori è posizionata secondo un asse mediano della sezione rettangolare dell'interruttore. In generale detta coppia può essere posizionata secondo una direzione sostanzialmente verticale rispetto ad uno dei lati maggiori della sezione rettangolare.

La soluzione di disposizione dei sensori 1 illustrata nella figura 3 è particolarmente vantaggiosa in quanto consente di eseguire la misura utilizzando sensori 1 che sono disposti solamente attorno ai conduttori 10-12. La soluzione, ossia la misura rilevata, sarà esatta se le correnti interferenti, e passanti attraverso i conduttori 13 e 14, saranno nulle. In caso contrario, la soluzione sarà tanto più approssimata quanto più opportunamente saranno disposti i sensori 1 attorno ai conduttori 10-12 di cui si intende misurare la corrente di passaggio.

Al limite, potendo assumere invariabile nel tempo la posizione dei conduttori 13 e 14, è possibile determinare sperimentalmente, una volta per tutte, la loro interazione al pari delle altre correnti, ad esempio utilizzando una calibrazione dopo l'installazione, e risolvere così in modo esatto per tutte le correnti.

Con riferimento ora alla figura 4, è illustrata una seconda forma di realizzazione della disposizione dei sensori 1 attorno ai conduttori 10-12. In questa seconda forma di realizzazione, i sensori 1 relativi a ciascuno dei conduttori 10-12 sono disposti secondo una linea chiusa che abbraccia il conduttore stesso. Opportunamente, tale linea chiusa può essere una circonferenza o un'ellisse concentrica al conduttore 10-12.

Ciò permette di aumentare notevolmente la reiezione ai disturbi esterni, poiché, in base ad un'opportuna disposizione dei sensori 1 lungo la circonferenza, indicata dal numero di riferimento 33, e ad un'opportuna elaborazione dei segnali effettuata dai mezzi di elaborazione 17, il risultato è largamente indipendente, ed in alcuni particolari casi assolutamente indipendente, da altre correnti presenti in prossimità dei sensori 1

Ad esempio è possibile individuare una disposizione dei sensori 1 che renda il risultato della misura dei sensori assolutamente insensibile alla corrente che fluisce nei conduttori adiacenti (uno dei conduttori 10-12 adiacente ad uno dei conduttori 10-12 stessi) e relativamente insensibile alle correnti nei conduttori 13 e 14.

Inoltre è possibile dimostrare che l'accuratezza della misura effettuata per esempio tramite una semplice media aritmetica dei segnali provenienti dai sensori 1 (effettuata nei mezzi di elaborazione dei segnali 17) fornisce una misura accurata della corrente che attraversa il conduttore 10-12 circondato dagli stessi sensori 1, per un’opportuna disposizione dei sensori stessi.

Ad esempio, la figura 4, è indicata una disposizione circolare dei sensori 1 globalmente angolati secondo un angolo 35 rispetto ad un asse longitudinale passante per il centro dei conduttori di sezione rettangolare

Tale angolo dipende dalle dimensioni della sezione dei conduttori 10-12.

Quindi, al fine di ottimizzare la reiezione ai disturbi provocati da .correnti passanti in conduttori adiacenti, è importante individuare una disposizione opportuna in funzione della forma e della dimensione dei conduttori 10-12, caratterizzata dalla disposizione attorno al conduttore e dall'orientamento e dal numero dei sensori attorno al conduttore. Tale disposizione viene individuata con metodi misti, algebrici e numerici.

Ad esempio, per una disposizione circolare dei sensori 1, come illustrato nella figura 4, è possibile dimostrare che l'errore relativo dovuto alle correnti esterne (passanti nei conduttori 13 e 14) alla circonferenza 33 sulla quale sono posizionati i sensori, è una funzione dell'angolo formato da un piano che contiene la circonferenza con l'asse longitudinale di un conduttore (direzione di flusso della corrente) 101.

Indicato con a detto angolo, l'errore è dato dalla seguente equazione:

dove I è l'intensità della corrente da non misurare, d è il raggio della circonferenza 33 su cui sono posizionati i sensori 1, N è il numero dei sensori 1 e D è la distanza della corrente I (che non deve essere misurata) dal centro della circonferenza 33, mentre a è l'angolo sopra citato.

Il dispositivo di misura secondo il trovato ha inoltre la peculiarità di non prevedere nuclei ferromagnetici e questo comporta vantaggi in termini di linearità della misura, economica di realizzazione, riduzione della massa e migliore isolamento galvanico.

Si è in pratica constatato come il dispositivo di misura di corrente secondo il trovato assolva il compito nonché gli scopi prefissati, in .quanto consente di misurare l'intensità di corrente passante in un conduttore, con elevata reiezione ai disturbi provenienti ad esempio da correnti passanti in conduttori adiacenti.

Il dispositivo secondo il trovato è particolarmente adatto per la misura di corrente in interruttori industriali di bassa tensione.

Qualora l'interruttore fosse dotato di relè elettronico, l’impiego del dispositivo di misura secondo il trovato avrebbe un costo aggiuntivo nullo per quanto riguarda l'elettronica di condizionamento ed elaborazione del segnale, in quanto già presente nel relè elettronico stesso.

Il dispositivo di misura cosi concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di misura di corrente, particolarmente per interruttori di potenza di bassa tensione, caratterizzato dal fatto di comprendere: una pluralità di sensori di campo magnetico atti ad essere posizionati attorno ad almeno un conduttore di corrente di cui si desidera ottenere la misura di corrente; detti sensori effettuando una misura puntiforme del campo magnetico; mezzi di elaborazione di segnali atti a ricevere segnali di misura di corrente provenienti da detta pluralità di sensori di campo magnetico; il posizionamento e l orientamento di detta pluralità di sensori attorno a detto almeno un conduttore, essendo determinati in modo da ottimizzare la precisione di misura di detti sensori.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi di condizionamento di segnali interposti tra detta pluralità di sensori e detti mezzi di elaborazione di segnali, e atti ad effettuare operazioni di compensazione su detti segnali di misura.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi di controllo di detti mezzi di condizionamento di segnali e di detti mezzi di elaborazione dei segnali.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione di segnali risolvono un sistema matriciale in cui il valore di corrente da determinare di detto almeno un conduttore, è ottenuto in base al valore di campo magnetico misurato da detta pluralità di sensori e ad una matrice di interazione determinata dalla geometria del posizionamento di detta pluralità di sensori attorno a detto almeno un conduttore e/o da una calibrazione mediante valori noti di corrente.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno un conduttore ha sezione rettangolare.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di sensori comprende una coppia di sensori disposti secondo una direzione sostanzialmente verticale rispetto ad uno dei lati maggiori di detta sezione rettangolare.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di sensori comprende una coppia di sensori disposti secondo un asse mediano di detta sezione rettangolare. β.
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di sensori sono disposti lungo una linea chiusa che abbraccia detto conduttore.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detta linea chiusa è una circonferenza.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detta linea chiusa è un'ellisse.
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti sensori sono disposti su una circonferenza che giace su un piano che forma un angolo predefinito rispetto all'asse longitudinale di detto conduttore.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto angolo dipende dalla dimensione e/o dalla sezione di detto conduttore e/o dal numero di sensori, in modo da evitare fenomeni di interferenza.
13. 13. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di sensori sono disposti su un elemento di supporto.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto elemento di supporto sostiene inoltre mezzi di condizionamento dei segnali e detti mezzi di elaborazione dei segnali.
15. 15. Interruttore di potenza di bassa tensione, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di misura di corrente secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
16. 16. Interruttore di potenza di bassa tensione dotato di relè elettronico, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di misura di corrente secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 12.