MXPA00012698A

MXPA00012698A - Sensor de corriente modular y fuente de energia.

Info

Publication number: MXPA00012698A
Application number: MXPA00012698A
Authority: MX
Inventors: G Fletcher David
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2003-06-04
Also published as: EP1113571A2; US6433981B1; DE60009025T2; EP1113571A3; DE60009025D1; JP2001359234A; SG102607A1; EP1113571B1

Abstract

Una unidad modular de sensor de corriente y fuente de energia (10) para duplicar la funcion de un transformador de corriente se dispone sobre un conductor (11) de un circuito electrico. La unidad modular de sensor de corriente y fuente de energia (10) incluye un transformador de corriente (12), un circuito de suministro de energia (14), un sensor de corriente (16), y un circuito de fuente de corriente (18). El transformador de corriente (12) proporciona energia de operacion al circuito de suministro de energia (14). El circuito de suministro de energia (14) regula la energia operativa y proporciona la energia de operacion regulada al sensor (16) y la fuente de corriente (18). El sensor (16) capta la corriente en la fase (11) y proporciona una señal indicadora de la corriente en la fase (11) a la fuente de corriente (18). La fuente de corriente (18) recibe la señal de sensor (16) y conduce una corriente de salida proporcional a esta señal al circuito de carga via las lineas (34) y (36). La salida de corriente por la fuente de corriente (18) tiene los atributos del sensor de energia baja (16) con la capacidad de proporcionar energia al circuito de carga.

Description

SENSOR DE CORRIENTE MODULAR Y FUENTE DE ENERGÍA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con sensores de corriente para duplicar la función de un transformador de corriente, y más particularmente, con un sensor de corriente modular y fuente de energía. Los transformadores de corriente se usan para realizar varias funciones en circuitos eléctricos. Los transformadores de corriente se pueden disponer en un circuito eléctrico primario para proporcionar energía eléctrica variable a un circuito eléctrico secundario. Los transformadores de corriente también se pueden usar como un sensor para captar la corriente eléctrica en un circuito eléctrico primario y proporcionar una señal indicadora de la magnitud de la corriente a un circuito eléctrico secundario. En algunas aplicaciones, se usa un solo transformador de corriente para realizar ambas funciones. Sin embargo, hay limitaciones fundamentales al desempeño de los transformadores de corriente de núcleo de hierro convencionales. Los transformadores de corriente de núcleo de hierro diseñados para un rango dinámico amplio requieren núcleos de hierro y conductores de cobre grandes, pesados y costosos. Además, la precisión y linearidad de los transformadores de corriente de núcleo de hierro están limitadas inherentemente por la saturación y pérdidas magnéticas. Como resultado, los transformadores de corriente de núcleo de hierro convencionales tienden a ser caros, con una precisión algo limitada. Una aplicación en donde se puede usar un solo transformador de corriente para proporcionar tanto la energía de operación como una señal de corriente a un circuito secundario es en un rompedor de circuito eléctrico que tiene una unidad de desconexión electrónica. Las unidades de desconexión electrónica se emplean en rompedores de circuitos de clasificación industrial para una amplia variedad de protección y otras funciones secundarias. Una de estas unidades de desconexión electrónica se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 4,672,501, titulada Circuito Breaker and Protective Relay Unit (Rompedor de Circuito y Unidad de Relé Protector) . Una ventaja de usar un solo transformador de corriente para realizar tanto la función de energía como sensora es la simplicidad de una conexión de alambres entre los transformadores de corriente y los circuitos captores (por ejemplo, la unidad de desconexión) . El circuito captor recibe la señal sensora y la energía de los dos alambres. Un ejemplo de un transformador de corriente eficiente tanto para la función de sensor como de energía se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 4,591,942 titulada Current Sensing Transformer Assembly (Ensamble transformador captor de corriente) . Varias patentes describen el uso de dos dispositivos, uno para la energía y otro para el sensor, para superar las limitaciones de diseño antes mencionadas inherentes al usar un solo transformador. Por ejemplo, el uso de una combinación de un transformador de núcleo de aire para captar la corriente y un transformador de núcleo de hierro para proporcionar energía de operación se encuentra en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 5,583,732 titulada Modular current transformer for Electronic Circuit Interrupters (Transformador de corriente modular para interruptores de circuitos electrónicos) . La Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 5,615,075 titulada AC/DC Current Sensor for a Circuit Breaker (Sensor de corriente AC/DC para un rompedor de circuito) , describe el uso de un dispositivo de efecto Hall para captar corriente en combinación con un suministro de energía auxiliar para proporcionar energía de operación al procesador de la unidad de desconexión. Sin embargo, previamente, cuando se emplean dispositivos sensores tales como un transformador de corriente con núcleo de aire, el dispositivo de efecto de Hall y similares para la función de sensor de corriente, se han requerido cuatro cables, dos para proporcionar energía a partir del transformador de energía al circuito de suministro de energía, y dos para proporcionar señales desde el dispositivo sensor al circuito sensor. Los cables añadidos aumentan el costo para fabricar nuevos dispositivos. Más aún, la necesidad de cables adicionales impide usar los sensores de corriente con las aplicaciones existentes que tienen una entrada para dos conductores . BREVE COMPENDIO DE LA INVENCIÓN En una modalidad ejemplar de la invención, se combina un sensor de corriente modular y una unidad de fuente de energía en una configuración que duplica la función de un transformador de corriente. La invención consiste en un circuito sensor, una fuente de energía, un suministro de energía, y una fuente de corriente combinados y conectados a un circuito de distribución eléctrica y un dispositivo eléctrico. En este caso un transformador de corriente se usa como la fuente de energía. Un circuito de suministro de energía se conecta al transformador de corriente para luego regular la entrada de la corriente operativa. Un circuito sensor de corriente se adapta para la conexión con el circuito de distribución eléctrica para proporcionar una señal indicadora del flujo de la corriente a través del circuito de distribución eléctrica. Un circuito de fuente de energía se conecta con el circuito sensor de corriente para recibir la señal de corriente y con el circuito de suministro de energía para recibir la corriente operativa a partir del circuito de suministro de energía. El circuito de fuente de corriente se conecta con un dispositivo eléctrico para proporcionar la corriente operativa y la señal de corriente al dispositivo eléctrico. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama en bloques de una unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía de la presente invención; La Figura 2 es una representación diagramática de los componentes del circuito usados con el circuito de suministro de energía de la unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía de la Figura 1 ; La Figura 3 es una representación diagramática de los componentes de los circuitos usados con la unidad de fuente de corriente de la Figura 1; y La Figura 4 es una representación diagramática de una unidad de desconexión electrónica que emplea el sensor de corriente modular y la fuente de energía de la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Haciendo referencia a la Figura 1, se muestra una unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía de la presente invención en 10. La unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 se dispone sobre un conductor eléctrico, tal como una fase 11 de un circuito eléctrico para proporcionar energía eléctrica variable a un circuito de carga (dispositivo eléctrico vía las líneas 34 y 36. La unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 también capta la corriente eléctrica en la fase 11 y proporciona una señal indicadora de la magnitud de la corriente en la fase 11 al circuito de carga vía las líneas 34 y 36. La unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 de este modo se puede usar para reemplazar un transformador de corriente convencional (no mostrado) para proporcionar tanto energía de operación como una señal de corriente al circuito de carga vía las dos líneas 34 y 36. La unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 incluye un transformador de corriente 12, un circuito de suministro de energía 14, un sensor de corriente 16, y un circuito de fuente de corriente 18. Dentro de la unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10, el transformador de corriente 12 se dispone alrededor de una fase 11 de un circuito de distribución eléctrica. El transformador de corriente 12 se conecta eléctricamente con el circuito de suministro de energía 14 vía las líneas 22, 24, y el circuito de suministro de energía 14 se conecta eléctricamente al sensor de corriente 16 y al circuito de fuente de corriente 18 vía las líneas 26-29. El sensor de corriente 16 se dispone alrededor de la fase 11. El sensor de la corriente 16 se conecta eléctricamente al circuito de fuente de energía 18 vía las líneas 30, 32. El circuito de fuente de corriente 18 se conecta eléctricamente al circuito de carga vía las líneas 34, 36. El sensor de corriente 16 puede incluir, por ejemplo, un transformador de núcleo de aire, un dispositivo de efecto de Hall o un dispositivo magnorresistivo gigante (GMR) . Aunque la modalidad descrita en la presente muestra al sensor de corriente 16 eléctricamente conectado con el circuito de suministro de energía 14, esta conexión se puede mover o modificar dependiendo de qué tipo de sensor de corriente 16 se use (por ejemplo, transformador de corriente de aire, dispositivo de efecto de Hall o dispositivo magnorresistivo gigante) . Adicionalmente, la modalidad mostrada emplea un transformador de corriente 12, sin embargo, se pueden usar también otras fuentes de energía. Durante la operación, el transformador de corriente 12 proporciona energía de operación al circuito de suministro de energía 14 vía las líneas 22 y 24. El circuito de suministro de energía 14 regula esta energía de operación y proporciona la energía de operación regulada al sensor 16 y la fuente de corriente 18 vía las líneas 26-29. El sensor 16 capta la corriente en la fase 18 y proporciona una señal de salida del sensor de corriente indicadora de la corriente en la fase 11 a la fuente de corriente 18 vía las líneas 20 y 32. La fuente de corriente 18 recibe la señal de salida del sensor de corriente y conduce una señal de salida del circuito de fuente de corriente, la cual es una corriente de salida indicadora de la señal de salida del sensor de corriente, al circuito de carga vía las líneas 34 y 36. La señal de salida del circuito fuente tiene los atributos del sensor de energía baja y la capacidad para proporcionar energía al circuito de carga. Debido a que el sensor 16 no se requiere que proporcione energía de operación a la fuente de energía 18 o al circuito de carga, el sensor 16 puede comprender cualquier número de dispositivos captores de corriente de más alto desempeño tales como, por ejemplo, un transformador de aire, un dispositivo de efecto de Hall o un dispositivo magnorresistivo gigante. Además, debido a que el transformador 12 no se requiere que proporcione una señal captada al circuito de carga, el transformador 12 se puede optimizar para proporcionar energía. La Figura 2 es un diagrama del circuito de suministro de energía 14. El circuito de suministro de energía 14 es un rectificador de puente de onda completa, de voltaje regulado, con un filtro capacitor simple. La corriente del transformador de corriente 12 proporciona la entrada a un rectificador de puente de onda completa 50 que incluye los diodos de puente 52 que comprenden los diodos DI, D2 , D3 y D4. El rectificador de puente de onda completa 50 crea un riel de energía negativa de suministro de energía sobre la línea 54 y un voltaje de salida positivo no filtrado y no regulado sobre la línea 56. El diodo D5 conectado en serie entre el voltaje de salida no filtrado sobre la línea 56 y el voltaje de salida regulado sobre la línea 60 evita el flujo de corriente del capacitor Cl 58 de nuevo al transistor regulador 72. Una sección de filtro 58 para reducir la formación de ondas del voltaje de salida no filtrado en la línea 56 se representa por el capacitor Cl conectado entre el riel de energía positiva 60 y el riel de energía negativa 54, creando un voltaje de salida filtrado sobre el riel de energía positiva 60. Una sección reguladora 62 asegura el voltaje de salida filtrado que proporciona un nivel de voltaje constante con el sensor 16 y la fuente de corriente 18 en la línea del riel de energía positiva 60. El resistor R2 y el diodo zener D6 se conecta en serie entre los rieles de voltaje positivo y negativo 60 y 54 respectivamente. Estos proporcionan un voltaje de referencia en la línea 66 que se conecta a una terminal de entrada negativa a un comparador que 68. Un divisor de voltaje que comprende los resistores R3 y R4 conectados en serie se conecta entre los rieles de voltaje positivo y negativo 60 y 54, respectivamente. El divisor de voltaje proporciona un voltaje de salida de muestra en una línea 64 que fluctúa con el nivel de voltaje en el riel de salida positivo 60. El voltaje de salida de muestra en la línea 64 se conecta con una terminal de entrada positiva del comparador 68. El comparador 68 genera una señal lógica 70 si el riel de salida positivo 60 está por encima o por debajo del voltaje regulado deseado. Una fuente y salida de un transistor de efecto de campo (FET) 72 se conectan al voltaje no filtrado en línea 56 y al riel de voltaje negativo 54 respectivamente.

La señal lógica 70 conduce la puerta del transistor de efecto de campo 72 mediante lo cual se interrumpe la corriente a través del transistor de efecto de campo 72 cuando el riel de salida positiva está encima del voltaje deseado y de este modo se regula el voltaje de salida en la línea 60. Haciendo referencia a la Figura 3, se muestra un diagrama de circuito de un circuito de fuente de corriente 18. Muchos tipos de sensores de corriente de desempeño superior 16 proporcionan una señal de salida de voltaje bajo proporcional a la entrada de corriente. El circuito de fuente de corriente 18 incluye una etapa de amplificador de voltaje 100 y una fuente de corriente tipo puente formada a partir de los amplificadores operativos 102 y 104. El amplificador de voltaje 100 está compuesto de una entrada a partir del sensor de corriente 16 sobre la línea 30 conectado a un resistor R7 que se conecta de este modo a la entrada de inversión de un amplificador operativo 100. El resistor de retroalimentación R8 se conecta con una salida del amplificador operativo (op-amp) 100 sobre una línea 106 y a la entrada de inversión del amplificador operativo 100. Un divisor de voltaje 110, formado a partir de los resistores conectados en serie R5 y R6 acomodado entre los rieles positivo y negativo 60 y 54 del circuito de suministro de voltaje 14, proporciona un voltaje de corriente directa, en la conexión de R5 a R6 en la línea 74, el cual se aplica a la entrada de no inversión del amplificador operativo 100. La salida del amplificador operativo 100 en la línea 106 se proporciona al amplificador operacional 102 vía un resistor R9 conectado a la entrada de inversión de un amplificador opertivo 102 configurado como una fuente de corriente. El resistor de retroalimentación RIO se coencta a una salida del amplificador operativo 102 en una línea 114 con la entrada de inversión del amplificador operativo 102. La salida del amplificador operativo 102 en la salida 114 se conecta a un resistor R13, el cual se conecta a la línea 36. Un resistor R12 se conecta a la línea 36 y a la entrada de no inversión del amplificador operativo 102. Un segundo resistor Rll se conecta con la terminal de no inversión del amplificador operacional 102 al riel de suministro de energía negativa 108. Un tercer amplificador operativo, 104, se conecta como un invertidor de ganancia unitaria y proporciona una señal de polaridad opuesta a la proporcionada por el segundo amplificador operativo, 102. Los resistores R14 conectados entre la entrada y la salida de inversión del tercer amplificador operativo 104 y R15 conectados entre la salida del segundo amplificador operativo 102 y la entrada de inversión del tercer amplificador operativo 104 fijan la ganancia del amplificador operativo 104. Los resistores R16 y R17 conectados entre la terminal positiva del suministro de energía 60, y la terminal negativa del suministro de energía 54 y la entrada de no inversión del amplificador operativo 104 fijan el punto de polarización del amplificador operativo 104. Las líneas 34 y 36 proporcionan una salida de corriente al circuito de carga, y la salida de corriente tiene los atributos del sensor 16 introducido en las líneas 30, 32 y con suficiente energía para activar el circuito de carga. La Figura 4 es una representación diagramática de una unidad de desconexión de rompedor de circuito 150 que emplea una pluralidad de unidades modulares de sensor de corriente y fuente de energía 10 de la presente invención. La unidad de desconexión del rompedor de circuito 150 es similar a la descrita en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica Número 4,672,501, antes mencionada, la cual se incorpora en la presente mediante referencia. Como se puede ver en la Figura 4, cada unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 se dispone alrededor de una fase 152, 154, 156 de un circuito de distribución de energía de fases múltiples. Cada unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 se conecta independientemente a la unidad de desconexión del rompedor de circuitos 150 vía dos conductores 34 y 36. Cada unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 proporciona energía de operación a la unidad de desconexión del rompedor de circuito 150 vía las líneas 24 y 36. La energía de operación de cada unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía se combinan de manera efectiva internamente en la unidad de desconexión del rompedor de circuito 150 de manera que cada uno puede dar energía al rompedor de circuito de manera independiente. Cada unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 también proporciona una señal de corriente indicadora de que la corriente está en su fase asociada 152, 154 o 156 vía las líneas 34 y 36. Las señales corriente de cada unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía se mantienen por separado para cada fase internamente en la unidad de desconexión del rompedor de circuito 150. Al operar sobre la energía recibida por las unidades 10, y las señales de corriente de procesamiento recibidas por las unidades 10, la unidad de desconexión 150 detecta condiciones de sobrecorriente en las fases 152, 154 y 156 de la manera descrita en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica antes mencionada número 4,672,501. Debido a que cada unidad modular de sensor de corriente y fuente de energía 10 requiere solamente dos líneas 34 y 36 para la conexión con la unidad de desconexión electrónica 150, las unidades modulares de sensor de corriente y fuente de energía 10 se pueden usar para reemplazar los transformadores de corriente usados junto con estas unidades de desconexión. La unidad modular de sensor y fuente de energía 10 proporciona los atributos de un sensor de corriente muy preciso al mismo tiempo que proporciona energía de operación a un circuito de carga sin requerir añadir cables adicionales entre la unidad y la fuente de carga. De este modo, la unidad modular de sensor y fuente de energía 10 se puede usar como un reemplazo para los transformadores de corriente existentes, sin tener que modificar el circuito de carga asociado. Aunque la invención se describe con referencia a una modalidad preferida, se entenderá por los expertos en la técnica que se pueden hacer varios cambio equivalentes y se pueden sustituir por otros elementos de la misma sin apartarse del alcance de la invención. Además, se pueden hacer muchas modificaciones para adaptar una situación material o particular a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no esté limitada a la modalidad particular descrita como el mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención, sino que la invención incluirá toda las modalidades que caen dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una unidad modular de sensor y fuente de energía para duplicar la función de un transformador de corriente, la unidad modular de sensor y fuente de energía comprende: una fuente energía para proporcionar energía operativa; un circuito de suministro de energía que se conecta con la fuente de energía para regular la fuente operativa; un circuito sensor de corriente adaptado para proporcionar una señal de salida del sensor de corriente indicadora de un flujo de corriente a través de un conductor; y un circuito de fuente de corriente que se conecta con el circuito sensor de corriente para recibir la señal de salida del sensor de corriente y con el circuito de suministro de energía para recibir la energía operativa del circuito de suministro de energía, estando adaptado el circuito de fuente de corriente para proporcionar una señal de salida de circuito de fuente de corriente, siendo proporcional la señal de salida del circuito de fuente de corriente a la señal de salida del sensor de corriente.

2. La unidad modular de sensor y fuente de energía de la reivindicación 1 en donde la fuente de energía es un transformador de corriente.

3. La unidad modular de sensor y fuente de energía de la reivindicación 2 en donde el circuito de suministro de energía incluye: un regulador de derivación adaptado para conectarse con el circuito de fuente de energía.

4. La unidad modular de sensor y fuente de energía de la reivindicación 3 en donde el regulador de derivación incluye: un transistor de efecto de campo que proporciona regulación de derivación y conexión a través de un diodo a un capacitor.

5. La unidad modular de sensor y fuente de energía de la reivindicación 1 en donde el circuito de fuente de corriente incluye: un primer amplificador que incluye un par de entradas que se conectan con el circuito sensor de corriente.

6. La unidad modular de sensor y fuente de energía de la reivindicación 5 en donde el circuito de fuente de corriente incluye un segundo y tercer amplificador configurados para proporcionar la señal de salida del circuito de fuente de corriente .

7. La unidad modular de sensor y fuente de energía de la reivindicación 1 en donde el circuito sensor de corriente incluye un sensor de corriente seleccionado del grupo que consiste en una bobina Rowawski, dispositivo de efecto de Hall o un dispositivo magnorresistivo gigante.

8. La unidad modular de sensor y fuente de energía de la reivindicación 1 en donde el circuito sensor de corriente además se adapta para recibir la energía operativa a partir del circuito de suministro de energía.

9. Un rompedor de circuitos para proporcionar protección de sobrecorriente a un conductor, comprendiendo el rompedor de circuito: una unidad modular de sensor y fuente de energía que incluye : una fuente de energía para proporcionar energía operativa un circuito de suministro de energía que se conecta con la fuente de energía para regular la energía operativa, un circuito sensor de corriente adaptado para proporcionar una señal de salida de sensor de corriente indicadora de flujo de corriente a través del conductor, y un circuito de fuente de corriente que se conecta con el circuito sensor de corriente para recibir la señal de salida del sensor de corriente y con el circuito de suministro de energía para recibir la energía operativa del circuito de suministro de energía, estando adaptado el circuito de fuente de corriente para proporcionar una señal de salida de circuito de fuente de corriente, siendo proporcional la señal de salida del circuito de fuente de corriente a la señal de salida del sensor de corriente; y una unidad de desconexión electrónica energizada mediante la señal de salida del circuito de fuente de corriente, en donde la unidad de desconexión electrónica detecta una condición de sobrecorriente en el conductor como respuesta a la señal de salida del circuito de fuente de corriente .

10. El rompedor de circuito de la reivindicación 10 en donde la fuente de energía es un transformador de corriente.

11. El rompedor de circuito de la reivindicación 10 en donde el circuito de suministro de energía incluye: un regulador de derivación adaptado para conectarse con el circuito de fuente de corriente.

12. El rompedor de circuito de la reivindicación 11 en donde el regulador de derivación incluye : un transistor de efecto de campo que proporciona regulación de derivación y que se conecta a través de un diodo y un capacitor.

13. El rompedor de circuito de la reivindicación 9 en donde el circuito de fuente de corriente incluye: un primer amplificador que tiene un par de entradas que se conectan con el circuito sensor de corriente.

14. El rompedor de circuito de la reivindicación 13 en donde el circuito de fuente de corriente incluye un segundo amplificador configurado para proporcionar la señal de salida del circuito de fuente de corriente.

15. El rompedor de circuito de la reivindicación 9 en donde el circuito sensor de corriente incluye un sensor de corriente seleccionado del grupo que consiste en una bobina de Rogawski, un dispositivo de efecto de Hall o un dispositivo magnorresistivo gigante.

16. El rompedor de circuito de la reivindicación 9 en donde el circuito sensor de corriente además se adapta para recibir la energía operativa a partir del circuito de suministro de energía.