Sensores De Corriente Electrica 4f4rz

Sensores de Corriente Eléctrica ITM antares.itmorelia.edu.mx/~talfaro

Principio sensado de corriente Un sensor de corriente es un dispositivo que detecta y convierte corriente (AC o  DC) a una salida de voltaje mas fácilmente medible, la cual es proporcional a la  corriente a través del trayecto de medición. Cuando una corriente fluye en un cable o en un circuito, se tiene una caída de  voltaje. También se genera un campo magnético alrededor del cable que lleva la  corriente. Ambos efectos son utilizados en el diseño de sensores de corriente. Así,  hay dos tipos de sensado de corriente: directo e indirecto.  El sensado directo esta basado en la ley de ohm, mientras que el sensado indirecto  esta basado en la ley de Faraday y la ley de ampere.

El sensado directo involucra la medición de la caída de voltaje asociado a la  corriente que pasa a través del circuito .

El sensado indirecto involucra la medición del campo magnético alrededor del  conductor a través del cual pasa la corriente.

El campo magnético es usado para inducir una corriente o voltaje proporcional.

Una corriente eléctrica genera un campo magnético alrededor de un conductor. La  dirección puede ser determinada por la “regla de la mano derecha”. La intensidad de  campo H, dado en A/m, es directamente proporcional a la corriente I y disminuye  linealmente con distancias mayores  r de acuerdo a la relación

Usando

la densidad de flujo magnético B puede ser expresado

Donde μr  es la permeabilidad del material, cercana a la unidad para el aire y μo = 4π10‐7 Vs/Am es una constante y es la permeabilidad del espacio libre. La densidad de campo B  puede ser medida usando un circuito integrado de efecto Hall. 

Campo magnético creado alrededor de un conductor

Tecnologías Sensor Efecto Hall . Transformador, (usado solamente para corriente AC). Resistencia, cuyo voltaje es directamente proporcional a la corriente que  pasa por el. Fibra óptica, usando un interferómetro para medir el cambio de fase en la  luz producido por un campo magnético. Bobina de Rogowski, dispositivo eléctrico para medir corriente alterna (AC)  o pulsos de corriente de alta velocidad.

RESISTENCIAS SHUNT

Sensor resistivo de Intensidad (Shunt) El método más sencillo para obtener una señal proporcional a la intensidad de  corriente es una resistencia en serie (Shunt). La resistencia es óhmica pura y por  ello la tensión en sus bornes es proporcional a la corriente que circula por ella. Se Basan en la ley de Ohm   

Consideraciones importantes -Al insertar una resistencia en el circuito, la corriente disminuye (se introduce un error). Para minimizar este error la resistencia debe tener un valor muy bajo próximo a los 0 ohmios. Por otra parte, un valor excesivamente bajo no proporciona una tensión fácilmente medible. En la práctica se llega a un compromiso entre ambas exigencias. Se fabrican principalmente de cobre recocido. Comercialmente se fabrican resistencias para medida de corrientes desde 1 A hasta 6000 A con una caída de tensión de 60 a 150 mV.

- Se utilizan para todo tipo de corrientes: alterna, continua, impulsos, etc. - Cuando el circuito trabaja con tensiones elevadas es necesario realizar aislamiento eléctrico entre la resistencia y el circuito en el que se realiza - Cuando la corriente es alterna se puede emplear un transformador de aislamiento . - Otra desventaja es el excesivo peso y tamaño de la resistencia a altas intensidades. El peso puede alcanzar los 15 kg para una intensidad de 6000 A. I

Medición de corriente usando shunt en el lado inferior (figura izquierda) y shunt en el  lado superior (figura derecha).

Resistencia Shunt lado inferior de corriente Una resistencia shunt conectada en el lado inferior de corriente, tiene una terminal  conectada a la tierra de la batería, la otra conectada a la carga. Se utiliza un  amplificador operacional con dos resistencias para amplificar la caída de voltaje en la  resistencia shunt. Ya que el voltaje U2 es ligeramente superior que la tierra de la  batería  (U1), la carga tiene que ser conectada usando dos cables (no se puede usar la  tierra común). Resistencia shunt en el lado superior La carga puede ser conectada directamente a la tierra común de la batería, la cual  generalmente esta disponible localmente, por lo tanto se utiliza un solo cable de  conexión. El circuito de medida requiere dos resistencias adicionales R3 y R4  como  divisor de voltaje. La parte mas critica de esta solución es el ajuste de offset y la  relación entre las 4 resistencias  R1 a R4 , tienen que ser ajustadas cuidadosamente.

Aunque es simple, el uso de resistencias shunt tiene varios problemas: • Para una buena resolución y una aceptable relación señal ruido (SNR) se recomienda  tener una caída de voltaje en el rango de 100 mV para carga completa. Esto es casi 2 %  para una aplicación de 5 V. • Para altas corrientes, la resistencia shunt es usualmente conectada por medio de  tornillos. Esto da una resistencia sin especificar sumada al valor de la resistencia shunt.  Una solución a esto es usar resistencias mas caras de cuatro polos, dos para la  corriente alta y dos para el voltaje de medición. • La disipación de potencia, ejemplo:  R = 1 mohm , I = 100 A. Consecuentemente, U =  100 mV y la potencia disipada es  P = 10 W!

Valoración: Medición de corriente con resistencia shunt Ventajas

Desventajas

Facil de implementar

No hay aislamiento Galvanico

Mediicion de AC y DC

Caida de voltaje Disipación de potencia

EFECTO HALL

Introducción • Sensor de campo magnético  basado en el efecto Hall • El efecto Hall fue descubierto en  1879 por Edwin Hall • Aplicaciones: – Sensor de corriente – Sensado de Posición/Movimiento

Edwin Hall, 1855-1938

• Cuando un conductor que lleva una corriente es  colocado en un campo magnético, se genera un  voltaje en una dirección perpendicular a ambos  la corriente y al campo magnético.  • El efecto Hall resulta de la deflexión de los  portadores de carga hacia un lado del conductor  como resultado de la fuerza magnética  experimentada por los portadores de carga.   • El arreglo para observar el efecto Hall consiste  de una barra plana conductora conduciendo  una corriente I en la dirección x.

• Un campo magnético B uniforme  es aplicado en la dirección y. • Si los portadores de carga son  electrones moviéndose en la  dirección negativa del eje x con  una velocidad vd, ellos  experimentaran una fuerza  magnética FB hacia arriba.  • Los electrones serán  deflexionados hacia arriba,  haciendo que el flanco superior  este cargado negativamente y el  flanco inferior cargado  positivamente. 

• La acumulación de carga en las orillas continua  hasta que el campo eléctrico y la fuerza  eléctrica resultante establecida por la  separación de cargas balancee a la fuerza  magnética en los portadores de carga (Fmag =  Felectric). • Cuando se alcanza el equilibrio, los electrones  ya no son deflexionados hacia arriba.

• Se puede usar un voltímetro a través del  conductor para medir la diferencia de potencial  a través del conductor, conocido como voltaje  Hall VH.  • Cuando los portadores de carga son positivos,  las cargas experimentan una fuerza magnética  hacia arriba q∙(v x B).

• La orilla superior del conductor llega a estar  cargado positivamente, dejando la orilla  inferior del conductor cargada  negativamente. • Cuando se alcanza el equilibrio entre la  fuerza eléctrica q∙E y la fuerza magnética  q∙vd∙B, el campo eléctrico producido entre la  cargas positivas y negativas es referido como  campo Hall, EH, por lo tanto, q∙EH = q∙vd∙B.

• EH = vd∙B • si d es el ancho del conductor, el  voltaje Hall VH medido por el  voltímetro es:

VH  E H  d  v d  B  d • El voltaje medido Hall determina la  velocidad de desplazamiento de los  portadores de carga si se conocen d y  B.

• El numero de portadores de carga por  unidad de volumen (densidad de carga),  n, también puede ser determinado  midiendo la corriente en el conductor: I IBd vd  VH  nq  A nq A • Área A = t∙d, por lo tanto:

IB VH  nq t

• Coeficiente Hall, RH =

1 n q

• El coeficiente Hall puede ser determinado de

IB RH  I B VH   n qt t • El signo y magnitud de RH da el signo de los portadores  de carga y su densidad. • En la mayoría de los metales, los portadores de carga  son electrones y la densidad de carga determinada de la  medida del efecto Hall concuerda con los valores  calculados para metales los cuales liberan un solo  electrón de valencia y la densidad de carga es  aproximadamente igual al numero de electrones de  valencia por unidad de volumen.

Legenda: 1. Electrones  (corriente no convencional) 2.  Elemento Hall, o sensor Hall 3.  Imanes 4.  Campo magnético 5. Fuente de alimentación En el dibujo "A", el elemento Hall lleva  a las cargas negativas (simbolizadas por  el color azul) hacia la orilla superior y  las cargas positivas (color rojo) hacia la  orilla inferior. En "B" y "C", es invertida ya sea la  corriente eléctrica o el campo  magnético, causando que la  polarización se invierta. Invirtiendo  ambos la corriente y el campo  magnético (dibujo “D”) ocasiona de  nuevo que la carga negativa este en la  orilla superior.

Principio de Operación • Fuerza de Lorentz:

• La acumulación de carga en el  conductor produce el voltaje Hall:

(source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hall_effect.png)

• En semiconductores (InAs):

1. Electrons 2. Hall element, or Hall sensor 3. Magnets 4. Magnetic field 5. Power source

Clasificación de los sensores de efecto Hall • Interruptores • Sensores  • Campo magnético  absoluto • Campo magnético  diferencial • Propósito Especial

Valoración: Efecto Hall Ventajas

Desventajas

Aislamiento Galvanico

Costo del concentrador de  campo

Medicion de AC y DC No hay perdida de voltaje

Concentradores de campo Los concentradores de campo básicamente consisten de un material magnético suave  (alta permeabilidad y baja remanencia) que rodea al conductor. Son usados por estas  razones principales: • La densidad de flujo es aumentada con la permeabilidad μ efectiva del núcleo. Esto da  jun factor de amplificación entre 20 y 70. • Sin concentrador, la posición del sensor respecto al conductor es altamente  dependiente de la distancia.. • Usando un concentrador de campo, se puede tener una realimentación  de corriente a  el mismo concentrador permitiendo sistemas de lazo cerrado.

Concentrador de flujo (azul) alrededor del conductor. Se inserta un sensor Hall en el  entrehierro (izquierda). El flujo puede ser amplificado mas usando varias vueltas  del conductor principal (derecha).

Configuración Lazo abierto En la configuración lazo abierto, no hay trayecto de realimentación. La sección  transversal del núcleo del concentrador debe ser por lo menos del tamaño del sensor  Hall para minimizar la sensibilidad a efectos de desalinamiento o campos magnéticos  externos. Se recomienda que el área del núcleo sea el doble del tamaño del chip  sensor. El flujo magnético a través del sensor puede ser escrito usando la ley de ampere:

Se puede poner en la siguiente forma

Se ha introducido la permeabilidad efectiva del arreglo toroide/entrehierro μe dado  como

para la mayoría de los casos prácticos y la permeabilidad efectiva (ejem. La  intensidad de amplificación del flujo) esta dada aproximadamente por la razón de la  circunferencia del toroide a el entrehierro. Con un entrehierro de 1 mm y un  diámetro del toroide de 15 mm, el factor de amplificación es de cerca de 50. Al  mantenerse esta aproximación, la densidad de flujo llega a ser independiente del  radio del concentrador y puede ser escrita como:

Usualmente es suficiente pasar el cable conductor directamente a través del  concentrador toroidal para obtener una intensidad de campo magnético  suficientemente alta.  Para bajas corrientes, el cable puede ser enrollado en mas vueltas alrededor del  concentrador toroidal, el campo magnético obtenido es directamente proporcional al  numero de vueltas. La densidad de flujo magnético medido es multiplicado por el  numero de vueltas del conductor y puede ser expresada como

Donde N es el numero de vueltas. Los sensores de efecto Hall lineales detectan esta  densidad de flujo y la salida del sensor esta en la forma

Donde S es la sensibilidad del sensor y OS es el offset. Ambos de estos parámetros  son programables.

Configuración Lazo Cerrado En la configuración de lazo abierto, la mayoría de los errores surgen cuando altas  corrientes generan altas densidades de flujo magnético  en el concentrador. El  material concentrador tiene mejores propiedades alrededor de 0 mT (mejor linealidad  y comportamiento con la temperatura), y también la exactitud del sensor Hall es alta.  Para evitar altos campos magnéticos, se puede escoger una topología de lazo cerrado  en el cual una corriente contraproducente crea un flujo magnético opuesto. Ambos  conductores el primario y el de realimentación necesitan actuar sobre el mismo  concentrador. Usando un circuito de control apropiado la corriente de realimentación puede ser  escalada de manera que el flujo magnético resultante en el entrehierro llegue a ser  cero, las desviaciones que se tengan a partir de este flujo pueden ser sensadas por un  sensor lineal Hall insertado en el entrehierro. La corriente en el secundario puede ser medida usando una pequeña resistencia Rsens

Configuración lazo cerrado que incluye al conductor primario así como un devanado  de realimentación y su posible circuito driver.

Materiales concentradores Hay diferentes materiales para crear los núcleos de los concentradores. La selección  esta determinada por criterios tal como el funcionamiento del material  (remanencia), rango de corriente medida, forma mecánica y costo. Ferrita Las ferritas son el material mas barato. Su principal desventaja es su alta  remanencia. Para mantener la remanencia baja, es importante tener una  permeabilidad inicial alta. Después de la aplicación de una corriente alta, el núcleo  mantiene un residuo del campo magnético, generando un error de offset. Este  campo remanente puede ser borrado con una corriente en la dirección contraria. La  mejor protección contra campos remanentes es evitar picos de corriente altos. Polvos de Hierro Núcleos de polvos de hierro se pueden usar para la medición de altas corrientes.  Ya  que su μe es de cerca de 50% menor comparada con la ferritas, puede ser usado  para valores de corriente arriba de 200 A. La μe baja permite el uso de entrehierros  pequeños lo cual hace que se tenga un mejor blindaje del sensor contra campos  externos.

Aleaciones Materiales como  NiFe15 Mo están disponibles en forma de cintas delgadas. Pueden ser  maquiladas en forma núcleos E. Material magnético amorfo suave Materiales como Fe73 Cu1Nb3Si16B7 tienen valores de remanencia extremadamente  bajos. Su saturación esta entre 0.6 y 1 T.  Su μr esta en el mismo rango del de las  ferritas. Sin embargo su sofisticado proceso de  producción hace que su sea cerca de  tres veces mas alto comparado con el de las ferritas.

SENSORES INDUCTIVOS

Transformadores de corriente (CT) La función de un transformadores de corriente es la reducir a valores normales y  no peligrosos, las características de corriente en un sistema eléctrico, con el fin  de permitir el empleo de aparatos de medición normalizados, por consiguiente  más económicos y que pueden manipularse sin peligro. Un transformador de corriente es un transformador de medición, donde la  corriente secundaria es, dentro de las condiciones normales de operación,  prácticamente proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un  ángulo cercano a cero, para un sentido apropiado de conexiones. El primario de dicho transformador está conectado en serie con el circuito que  se desea controlar, en tanto que el secundario está conectado a los circuitos de  corriente de uno o varios aparatos de medición, relevadores o aparatos  análogos, conectados en serie. Un transformador de corriente puede tener uno o varios devanados  secundarios embobinados sobre uno o varios circuitos magnéticos separados. 

Considere un núcleo toroidal de alta µ a través del cual pasa un conductor con  corriente. Se incluye un devanado secundario de n vueltas. El secundario es conectado a una carga de baja resistencia. En este transformador de  corriente, referido universalmente como CT, una corriente alterna en el primario trata  de magnetizar el núcleo al tratar de hacerlo crea una emf y una corriente en el  secundario que tiende a cancelar el campo magnético. Si el secundario tiene una  resistencia cero la corriente en el exactamente cancela el campo debido al primario. El  resultado es una corriente en el secundario igual a la corriente en el primario dividida  por el numero de vueltas del secundario. La corriente en el secundario esta en fase con  la corriente en el primario.  Debido al campo magnético de lazo cerrado fuerte hay  poco efecto de conductores cercanos o la posición del conductor en el agujero del  núcleo.

El transformador de corriente (CT) ideal esta fuertemente acoplado sin entrehierro.  La corriente en el secundario exactamente balancea la corriente en el primario de  una sola vuelta de manera que el flujo magnético en el núcleo es cero.

El circuito del secundario puede ser conectado a una resistencia baja. Pero la  resistencia del secundario no es realmente cero y el acoplamiento magnético no es  perfecto así que hay otras consideraciones: Primero el concepto de “Burden” del secundario es introducido. Es llamado de esa  forma para evitar llamarlo “load” ya que se comporta de diferente manera; el mejor  “Burden” es un corto circuito. El Burden es algunas veces expresado como una  resistencia del secundario en ohms, pero mas frecuentemente como una potencia  equivalente en KVA para una corriente definida sin consideración de fase. Cuando el Burden no es un corto circuito perfecto la energía es disipada y el campo  magnético presente en el núcleo ya no es cero. La oriente en el secundario adelanta a  la del primario con una fase que depende de la frecuencia.

Los factores que determinan la selección de los transformadores de corriente son: ‐ El tipo de Transformador de Corriente. ‐ El tipo de instalación. ‐ El tipo de aislamiento. ‐ La potencia nominal. ‐ La clase de precisión. ‐ El tipo de conexión. ‐ La Corriente Nominal Primaria. ‐ La Corriente Nominal Secundaria.

Tipo de Transformador de Corriente. Existen tres tipos de TC según su construcción: a) Tipo devanado primario. Este como su nombre lo indica tiene mas de una vuelta  en el primario. Los devanados primarios y secundarios están completamente  aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. Esta  construcción permite mayor precisión para bajas relaciones. b) Tipo Barra. Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados  y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. El devanado primario,  consiste en un conductor tipo barra que pasa por la ventana de un núcleo. c) Tipo Boquilla (Ventana o Bushing). El devanado secundario está completamente  aislados y ensamblado permanentemente a un núcleo laminado. El conductor  primario pasa a través del núcleo y actúa como devanado primario.

Tipo de Instalación. Los aparatos pueden ser construidos para ser usados en  instalaciones interiores o exteriores. Generalmente, por razones de economía, las  instalaciones de baja y media tensión, hasta 25 KV., son diseñadas para servicio  interior. Las instalaciones de tipo exteriores son de tensiones desde 34.5 KV a 400  KV., salvo en los casos donde, por condiciones particulares se hacen instalaciones  interiores para tensiones hasta 230 KV. Es conveniente examinar además, el tipo de  TC que se pueda instalar, dependiendo de las facilidades de mantenimiento.

Tipo de Aislamiento. Los materiales que se utilizan para el aislamiento dependen del  voltaje del sistema al que se va a conectar, la tensión nominal de aislamiento debe ser al  menos igual a la tensión mas elevada del sistema en que se utilice. Los tipos de  aislamiento se divide en tres clases: a) Material para baja tensión. Generalmente los TC's son construidos con aislamiento en  aire o resina sintética, suponiéndose que lo común son las instalaciones interiores. b) Material de media tensión. Los transformadores para instalaciones interiores (tensión  de 3 a 25 KV) son construidos con aislamiento de aceite con envolvente de porcelana  (diseño antiguo), o con resina sintética (diseño moderno). Hay que hacer notar que la mayoría de los diseños actuales emplean el material seco, los  aparatos con aislamiento en aceite o masa aislante (compound) se utilizan muy poco y  sólo para instalaciones existentes. Los aparatos para instalaciones exteriores son  generalmente construidos con aislamiento porcelana‐aceite, aunque la técnica mas  moderna está realizando ya aislamientos en seco para este tipo de transformadores. c) Materiales para alta tensión. Los transformadores para alta tensión son aislados con  papel dieléctrico, impregnados con aceite y colocados en una envolvente de porcelana. Es importante definir la altitud de la instalación sobre el nivel del mar, ya que las  propiedades dieléctricas de los materiales y del aire disminuyen con la altitud.  Normalmente todos los equipos se diseñan para trabajar hasta 1000 Mts sobre el nivel  del mar, si la altitud es mayor el nivel de aislamiento debe ser mayor.

Potencia Nominal. La potencia nominal que se debe seleccionar para los  transformadores de medición, está en función de la utilización a que se destina el  aparato. Para escoger la potencia nominal de un transformador de corriente, se hace la suma de  las potencias nominales de todos los aparatos conectados al secundario. Se debe tener  en cuenta por otro lado, la impedancia de las líneas, si las distancias entre los  transformadores y los instrumentos de medición, son importantes. Se escoge la  potencia normal inmediata superior a la suma de las potencias. 

BOBINA DE ROGOWSKY

El sensor de corriente esta constituido por un inductor con núcleo de aire de tipo  toroidal, cuya salida de tensión es proporcional a la derivada de la corriente a medir, según:

donde M es la inductancia mutua del arrollamiento.

Dadas las características magnéticas del núcleo, la curva de respuesta a diferencia del  hierro, es absolutamente lineal. No existe saturación del núcleo por lo cual puede  medir grandes corrientes sin preocupación por deformación o rotura. 

La característica derivativa de la señal entregada por la bobina de Rogowski obliga a una integración en el tiempo a fin de obtener una señal proporcional a la corriente  a medir: