PT685743E - Circuito de medicao de corrente compreendendo um tranasformador acoplado mutuamente e um circuito integrador - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "Circuito de medição de corrente compreendendo um transformador acoplado mutuamente e um circuito integrador" A presente invenção refere-se a um circuito de medição de corrente compreendendo um transformador acoplado mutuamente e um circuito integrador que integra o sinal do transformador acoplado mutuamente. A utilização de transformadores acoplados mutuamente (conhecidos de outro modo como transformadores acoplados indutivamente) para medir correntes apresenta certas vantagens em comparação com outros dispositivos de medição. Em particular, no campo da medição da electricidade, a utilização de um transformador acoplado mutuamente evita os problemas de saturação por correntes cc (correntes contínuas) que surgem com transformadores de núcleo de ferro e permite a medição da corrente separadamente de outras medições, por exemplo medições da corrente nas outras fases de uma rede de várias fases. Contudo, os transformadores acoplados mutuamente apresentam um problema particular em que o sinal fornecido pelo transformador é o derivado da corrente medida. Deste modo, a utilização de um transformador acoplado mutuamente exige um circuito integrador para processar o sinal.

Um circuito de medição compreendendo um transformador acoplado mutuamente e um circuito de integração, encontram-se descritos na patente EP 0 403 330. O circuito de integração desta aplicação encontra-se particularmente adaptado para suprimir sinais dc baixa frequência e sinais cc parasitas que podem ser produzidos na saída de circuitos de integração convencionais. E frequente que sinais que representam uma medição de corrente são convertidos por um conversor analógico para digital para o processamento posterior. Uma técnica conhecida para melhorar a resolução de um conversor analógico para digital utiliza um sinal oscilante adicionado ao sinal medido antes da conversão pelo conversor. Este sinal oscilante pode ser um sinal aleatório ou um sinal periódico, por exemplo um sinal triangular ou um sinal tendo a forma de uma rampa. Utilizando esta técnica, o valor do sinal medido pode ser determinado por uma análise dos valores convertidos do sinal com uma resolução mais fina do que aquela que é normalmente possível com os passos de quantização disponíveis do conversor. Os princípios da técnica do sinal oscilante são conhecidos há muito tempo, encontrando-se nas patentes US 4 187 466, EP 0 181 719 e EP 0 613 256 exemplos de sistemas de medição e comunicação que utilizam um sinal oscilante para melhorar o rendimento de um conversor. A patente EP 0 181 719 em particular descreve os princípios de um sistema que adiciona um sinal oscilante triangular ao sinal da corrente antes da conversão. É por isso deste modo desejável ter um sistema para medir correntes que combina as vantagens associadas a um transformador acoplado mutuamente àqueles associados à utilização de um sinal uscilante. A geração de um sinal oscilante pode apresentar problemas em relação ao custo dos componentes e à complexidade do sistema que o gera. A presente invenção tem como objectivo criar um sistema que proporciona as vantagens das duas técnicas mas que evita os problemas de complexidade e duplicação de componentes.

Para isto, a presente invenção é caracterizada por o circuito de medição compreender adicionalmente um circuito de oscilação que adiciona um sinal sensivelmente rectangular ao sinal do transformador antes da entrada no circuito de integração de modo a que o circuito de integração proporcione um sinal que representa a corrente medida perturbada por um sinal oscilante sensivelmente triangular.

Em geral, uma onda quadrada ou sinal rectangular não é apropriada como um sinal oscilante mas pode ser facilmente gerada num circuito electrónico, por exemplo, à saída de um microprocessador. A presente invenção proporciona um circuito no qual é produzido um sinal de corrente, modulado por um sinal oscilante triangular, e o qual pode ser enviado para um conversor analógico para digital, mas o qual evita a duplicação de componentes devido ao facto de o circuito de integração executar ambas as funções de integração do sinal do transformador acoplado mutuamente e de criação de um sinal oscilante.

Tal como descrito acima, o valor do sinal medido pelo transformador pode ser depois calculado após conversão pelos passos do processamento do sinal com uma resolução mais fina do que aquela possível com somente um conversor analógico para digital. O circuito de integração pode ser um integrador digital ou analógico de um tipo convencional. Contudo, de preferência, é utilizado um circuito semelhante àquele da EP 0 403 330, que compreende um amplificador tendo uma resistência de ganho associada e um circuito fechado de realimentação, compreendendo o circuito fechado de realimentação um condensador de realimentação, compreendendo o circuito de integração adicionalmente um segundo integrador montado na saída do amplificador, a montante do circuito fechado de realimentação.

Por estes meios, o circuito de integração suprime as baixas frequências e sinais parasitas cc que podem surgir em circuitos analógicos convencionais. De preferência, o circuito de integração pode compreender adicionalmente meios para a correcção dos atrasos de fase no sinal integrado, em particular o atraso introduzido pela resistência de ganho do integrador, compreendendo um filtro passivo montado a montante do amplificador. Ali onde o circuito de medição de corrente faz parte do circuito de entrada de um medidor de electricidade, compreendendo um circuito de medição da tensão, o filtro passivo pode ser dimensionado de modo a que todos os atrasos de fase entre os caminhos de tensão e corrente sejam corrigidas por este filtro, sendo a tensão na rede medida directamente sem alteração da sua fase. Deste modo, o canal da tensão não apresenta impedimentos relativamente à utilização de componentes utilizados para correcção da fase, o que é vantajoso se o canal da tensão for também utilizado para a comunicação de dados.

Tal como descrito acima, um sinal de onda quadrada ou rectangular é facilmente gerado por um circuito electrónico. Numa forma de realização, o sinal rectangular pode ser gerado utilizando um sinal modulado por duração de impulso (PWM) proporcionado a uma saída de um microprocessador, sinal esse que é passado através de um meio de comutação, compreendendo pelo menos um engate de modo a dividir a frequência média do sinal PWM, e para criar a onda quadrada. A utilização de um sinal oscilante tendo a forma de uma simples forma de onda triangular pode provocar problemas associados com a relação entre a amplitude do sinal e os passos de quantização do conversor. Em particular, surge um problema se a amplitude do sinal oscilante não for igual a um número integral dc passos de quantização do conversor. De modo a ultrapassar estes problemas, o circuito oscilante fornece de preferência um sinal rectangular que é adicionalmente modulado por um sinal de modulação. Este sinal é depois integrado de modo a se tomar num sinal triangular modulado. A utilização de um sinal tendo esta forma, ultrapassa os problemas associados às diferenças entre a amplitude do sinal triangular não modulado e os níveis de quantização do conversor. Na verdade, o sinal de modulação introduz um componente aos valores convertidos que é dependente das diferenças entre a amplitude do sinal triangular e os passos de quantização do conversor e o qual pode ser suprimido após a conversão na mesma operação de processamento que suprime o sinal oscilante, por exemplo utilizando um filtro de dizimação.

De preferência, o sinal de modulação é também gerado utilizando o sinal PWM do microprocessador. Numa forma de realização da invenção, os dois limites do sinal de modulação podem ser gerados utilizando dois circuitos integrados que integram o sinal PWM (e o seu inverso) de modo a criar cada limite. Contudo, é possível reduzir adicionalmente o número de componentes utilizados. Dc preferência, o circuito de oscilação compreende um integrador que integra o sinal modulado por duração de impulso de modo a criar um sinal triangular que representa um limite do sinal de modulação, sendo este sinal fornecido para os meios de 6 comutação de modo a criar um sinal sensivelmente rectangular que apresenta somente um limite que varia de acordo com o sinal do integrador, compreendendo adicionalmente o circuito de oscilação um filtro que filtra os componentes de baixa frequência do sinal de modo a proporcionai· um sinal rectangular que é simetricamente modulado.

Considerando o sinal rectangular modulado antes do passo de filtragem, este sinal compreende um componente de frequência que corresponde à frequência do sinal rectangular e um componente de baixa frequência que corresponde ao sinal triangular que modula um dos dois limites do sinal rectangular. Deste modo, o filtro elimina os componentes de baixa frequência, assumindo o sinal uma forma simétrica, isto é, de tal modo, que os dois limites do sinal são igualmente modulados, A invenção será melhor compreendida à luz da seguinte descrição de uma forma de realização da invenção, a qual é dada como um exemplo ilustrativo e não limitativo, tomando como referência os desenhos anexos nos quais:

Figura 1 exemplo de um circuito de entrada para um contador eléctrico compreendendo um circuito de medição de corrente de acordo com a presente invenção;

Figura 2 passos de criação do sinal de oscilação adicionado ao sinal da corrente medido pelo circuito da figura 1. 7

Tal como apresentado na figura 1, o circuito de entrada para um contador eléctrico de acordo com esta forma de realização, compreende um circuito de medição de corrente, incluindo um circuito 1 de oscilação e um circuito de integração 2, o qual integra o sinal de um transformador de indutância 3 (transformador acoplado mutuamente) combinado com uma onda quadrada fornecida pelo circuito de oscilação, um circuito de medição da tensão 4 e um conversor analógico para digital 5. O circuito de oscilação 1 compreende um engate 6 que recebe o sinal PWM de um microprocessador associado a este circuito. O engate divide a frequência média do sinal PWM de modo a criar uma onda quadrada. O sinal de modulação é produzido pelo interruptor 8 que corta a tensão de referência Vref em resposta ao sinal PWM do microprocessador, de modo a produzir, após a filtragem pela resistência e condensador 9 e 11 e adição da tensão de referência Vref pelas resistências 9, 10 e 12, o sinal Vref modulado. Este sinal é modulado de uma forma triangular à frequência do ciclo PWM e tendo uma profundidade de modulação que é dependente da relação R12 R9+R10

Este sinal é depois cortado pelo segundo interruptor 7 em resposta à onda quadrada produzida pelo sinal PWM que passa através do engate 6 de modo a proporcionar um sinal de onda quadrada modulada assimétrica. O condensador 13 serve para equalizar os tempos de subida e queda do sinal de modulação.

Tal como apresentado na figura 1, este sinal, modulado no seu limite superior, é tratado por um circuito de simetrização compreendendo um condensador 15, o qual elimina as baixas frequências, que executa a onda quadrada modulada assimétrica, de modo a gerar uma onda quadrada modulada trapezoidal, e resistências 16, 17 e um condensador 18 cuja função é o de compensar a distorção da saída do sinal trapezoidal do condensador 15. Na verdade, o circuito de simetrização, compreendendo os componentes 15 a 18, é constituído por um filtro passa banda, que passa a frequência da onda quadrada e as suas primeiras harmónicas e o qual exclui as frequências que distorcem a forma simétrica do sinal. Em relação à figura 2, é deste modo produzido um sinal de onda quadrada modulada e simétrica.

Tal como apresentado na figura 1, o circuito de medição de corrente compreende adicionalmente um transformador 3 de indutância mútua, cujo sinal representa a derivação da corrente que passa na fase F1 de uma a rede de corrente alterna. Este sinal é fornecido ao circuito integrador 2 e depois ao conversor analógico para digital 5. O circuito de integração 2 compreende um amplificador 20 tendo um circuito fechado de realimentação, formado por um condensador 21 e uma resistência 22, os quais controlam a integração do sinal do transformador. O circuito compreende adicionalmente um condensador 23 de acoplamento ligado à saída do amplificador a montante do circuito fechado de realimentação, o qual altera as características do circuito de modo a suprimir as baixas frequências e sinais de corrente contínua, e uma resistência 24 limitadora de ganho que impede a saturação do amplificador. Um divisor 24, 25 dc tensão encontra-se ligado à saída do circuito, a montante do conversor 5. Na verdade, estes elementos do circuito correspondem ao circuito descrito na EP 0 403 330 que fornece um sinal que corresponde ao integral do sinal do transformador sem efeitos parasitas e distorções do sinal. O circuito de medição de corrente faz parle dc um circuito dc entrada de um contador eléctrico que compreende adicionalmente um circuito de medição 4 de tensão, compreendendo um divisor de tensão constituído por duas resistências 26, 27. O circuito de entrada da presente invenção é diferente do circuito da EP 0 403 330 sendo que não existe qualquer elemento de correcção de fase no caminho do sinal de tensão, funcionando o condensador 28 somente para atenuar altas-frequências indesejadas. Quer dizer, os elementos de correcção de fase são formados por um condensador 29 e a resistência 30 que funciona em combinação com as resistências 22 e 31 para corrigir a fase no caminho da corrente de modo a que os caminhos da corrente e tensão se encontrem em fase na entrada do conversor analógico para digital. O caminho da corrente compreende adicionalmente um condensador 32 que atenua altas-frequências indesejadas. Os condensadores 28 e 32 são opcionais e podem ser omitidos em outras formas de realização. O sinal do circuito de oscilação é adicionado ao sinal recebido do transformador 3 e fornecido ao circuito integrador no ponto 33. A combinação dos sinais é depois integrada de modo a criar um sinal que representa a imagem da corrente medida pelo transformador oscilado por um sinal oscilante tendo a forma de uma forma de onda triangular modulada por um trapezóide. As amplitude da forma de onda e do sinal de modulação é escolhida para criar um sinal oscilante compreendendo um sinal triangular 30 tendo uma amplitude que corresponde a 10 vários passos de quantização do conversor modulado a cada limite por uma amplitude que corresponde a pelo menos metade de um passo de quantização. O sinal é depois fornecido à entrada do conversor analógico para digital. Tal como descrito na introdução acima, a utilização de um sinal tendo esta forma melhora a resolução do sinal pelo conversor. Após o passo de conversão, o sinal oscilante pode ser retirado utilizando um filtro de dizimação digital ou outros meios conhecidos, por exemplo, pela conversão do sinal oscilante analógico para um sinal digital e a subtracção deste sinal do sinal que representa os valores combinados da corrente e sinal oscilante. O sinal da corrente e tensão deste modo calculado pode ser utilizado num cálculo da energia consumida etc.

Lisnoa, 25 de Outubro de 2001

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Claims (7)

1. /# REIVINDICAÇÕES 1. • Circuito de medição de corrente compreendendo um transformador (3) acoplado mutuamcnte que fornece um sinal que é o derivado da corrente medida e um circuito de integração (2) que integra o sinal do transformador, caracterizado por o circuito de medição compreender adicionalmente um circuito de oscilação (1) que adiciona um sinal sensivelmente rectangular ao sinal do transformador (3) antes da entrada no circuito de integração de modo a que o circuito integrador (2) proporcione um sinal que representa a corrente de medição perturbada por um sinal oscilante sensivelmente triangular.
2. 2. Circuito de medição de corrente de acordo com a reivindicação 1 no qual o circuito de oscilação (1) fornece um sinal sensivelmente rectangular modulado por um sinal de modulação.
3. • 3. Circuito de medição de corrente de acordo como quaisquer das reivindicações 1 ou 2 no qual o sinal sensivelmente rectangular é gerado por meios de comutação compreendendo pelo menos um engate (6) que recebe um sinal modulado por duração de impulso e o qual divide a frequência deste sinal de modo a criar um sinal sensivelmente rectangular.
4. 4. Circuito de medição de corrente de acordo com a reivindicação 3 no qual o circuito de oscilação compreende um integrador que integra o sinal modulado '4 por duração de impulso de modo a criar um sinal triangular que representa um limite da amplitude do sinal de modulação, sendo este sinal fornecido aos meios de comutação de modo a criar um sinal sensivelmente rectangular tendo somente um limite que varia, dc acordo com a invenção, do sinal do integrador, compreendendo adicionalmente o circuito de oscilação um filtro que filtra os componentes de baixa frequência de modo a proporcionar um sinal rectangular cuja amplitude se encontra simetricamente modulada.
5. 5. Circuito de medição de corrente de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, compreendendo o circuito de integração (2) um amplificador (20) tendo uma resistência (24) de limite de ganho e uma derivação de realimentação (21, 22), compreendendo um condensador de realimentação (21), compreendendo o circuito integrador adicionalmente um segundo condensador (23) ligado à saída do amplificador, a montante da derivação de realimentação.
6. 6. Circuito de medição de corrente de acordo com a reivindicação 5 compreendendo adicionalmente meios para corrigir a fase entre o sinal integrado e o sinal recebido do transformador e compreendendo um filtro passivo ligado a montante do amplificador.
7. 7, Circuito de entrada para um contador eléctrico compreendendo um circuito de medição de tensão e um circuito de medição de corrente de acordo com a reivindicação 6, compensando o filtro passivo do circuito de medição de corrente as diferenças de fase entre os caminhos de corrente e tensão de modo a que o circuito medição de tensão possa medir a tensão na rede sem alterar a sua fase e sem elementos de compensação de fase. Lisboa, 25 de Outubro de 2001

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