Sensores deCorriente Elctrica

ITMantares.itmorelia.edu.mx/~talfaro

Principiosensado decorriente

Unsensordecorrienteesundispositivoquedetectayconviertecorriente(ACoDC)aunasalidadevoltajemasfcilmentemedible,lacualesproporcionalalacorrienteatravsdeltrayectodemedicin.

Cuandounacorrientefluyeenuncableoenuncircuito,setieneunacadadevoltaje.Tambinsegenerauncampomagnticoalrededordelcablequellevalacorriente.Ambosefectossonutilizadoseneldiseodesensoresdecorriente.As,haydostiposdesensadodecorriente:directoeindirecto.

Elsensadodirectoestabasadoenlaleydeohm,mientrasqueelsensadoindirectoestabasadoenlaleydeFaradayylaleydeampere.

Elsensadodirectoinvolucralamedicindelacadadevoltajeasociadoalacorrientequepasaatravsdelcircuito.

Elsensadoindirectoinvolucralamedicindelcampomagnticoalrededordelconductoratravsdelcualpasalacorriente.

Elcampomagnticoesusadoparainducirunacorrienteovoltajeproporcional.

Unacorrienteelctricagenerauncampomagnticoalrededordeunconductor.Ladireccinpuedeserdeterminadaporlaregladelamanoderecha.LaintensidaddecampoH,dadoenA/m,esdirectamenteproporcionalalacorrienteIydisminuyelinealmentecondistanciasmayoresrdeacuerdoalarelacin

Usando ladensidaddeflujomagnticoBpuedeserexpresado

Donder eslapermeabilidaddelmaterial,cercanaalaunidadparaelaireyo =4107Vs/Amesunaconstanteyeslapermeabilidaddelespaciolibre.LadensidaddecampoBpuedesermedidausandouncircuitointegradodeefectoHall.

Campomagnticocreadoalrededordeunconductor

Tecnologas

SensorEfectoHall.

Transformador,(usadosolamenteparacorrienteAC).

Resistencia,cuyovoltajeesdirectamenteproporcionalalacorrientequepasaporel.

Fibraptica,usandouninterfermetroparamedirelcambiodefaseenlaluzproducidoporuncampomagntico.

BobinadeRogowski,dispositivoelctricoparamedircorrientealterna(AC)opulsosdecorrientedealtavelocidad.

RESISTENCIASSHUNT

SensorresistivodeIntensidad(Shunt)Elmtodomssencilloparaobtenerunasealproporcionalalaintensidaddecorrienteesunaresistenciaenserie(Shunt). Laresistenciaeshmicapurayporellolatensinensusbornesesproporcionalalacorrientequecirculaporella.SeBasanenlaleydeOhm

Consideraciones importantes

-Al insertar una resistencia en el circuito, la corriente disminuye (seintroduce un error). Para minimizar este error la resistencia debe tener un valor muy bajo prximo a los 0 ohmios.Por otra parte, un valor excesivamente bajo no proporciona una tensin fcilmente medible.En la prctica 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 cada de tensin 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 realizaraislamiento elctrico entre la resistencia y el circuito en el que se realiza - Cuando la corriente es alterna se puede emplear un transformador deaislamiento.- Otra desventaja es el excesivo peso y tamao de la resistencia a altasintensidades. El peso puede alcanzar los 15 kg para una intensidad de6000 A.I

Medicindecorrienteusandoshuntenelladoinferior(figuraizquierda)yshuntenelladosuperior(figuraderecha).

ResistenciaShuntladoinferiordecorrienteUnaresistenciashuntconectadaenelladoinferiordecorriente,tieneunaterminalconectadaalatierradelabatera,laotraconectadaalacarga.Seutilizaunamplificadoroperacionalcondosresistenciasparaamplificarlacadadevoltajeenlaresistenciashunt.YaqueelvoltajeU2 esligeramentesuperiorquelatierradelabatera(U1),lacargatienequeserconectadausandodoscables(nosepuedeusarlatierracomn).

ResistenciashuntenelladosuperiorLacargapuedeserconectadadirectamentealatierracomndelabatera,lacualgeneralmenteestadisponiblelocalmente,porlotantoseutilizaunsolocabledeconexin.ElcircuitodemedidarequieredosresistenciasadicionalesR3 yR4 comodivisordevoltaje.Lapartemascriticadeestasolucineselajustedeoffsetylarelacinentrelas4resistenciasR1 aR4 ,tienenqueserajustadascuidadosamente.

Aunqueessimple,elusoderesistenciasshunttienevariosproblemas:

Paraunabuenaresolucinyunaaceptablerelacinsealruido(SNR)serecomiendatenerunacadadevoltajeenelrangode100mVparacargacompleta.Estoescasi2%paraunaaplicacinde5V.Paraaltascorrientes,laresistenciashuntesusualmenteconectadapormediodetornillos.Estodaunaresistenciasinespecificarsumadaalvalordelaresistenciashunt.Unasolucinaestoesusarresistenciasmascarasdecuatropolos,dosparalacorrientealtaydosparaelvoltajedemedicin.

Ladisipacindepotencia,ejemplo: R=1mohm,I=100A.Consecuentemente,U=100mVylapotenciadisipadaesP=10W!

Valoracin:Medicindecorrienteconresistenciashunt

Ventajas Desventajas

Facildeimplementar NohayaislamientoGalvanico

MediiciondeAC yDC Caidadevoltaje

Disipacindepotencia

EFECTOHALL

Introduccin

SensordecampomagnticobasadoenelefectoHall

ElefectoHallfuedescubiertoen1879porEdwinHall

Aplicaciones: Sensordecorriente SensadodePosicin/Movimiento

Edwin Hall, 1855-1938

Cuandounconductorquellevaunacorrienteescolocadoenuncampomagntico,segeneraunvoltajeenunadireccinperpendicularaamboslacorrienteyalcampomagntico.

ElefectoHallresultadeladeflexindelosportadoresdecargahaciaunladodelconductorcomoresultadodelafuerzamagnticaexperimentadaporlosportadoresdecarga.

ElarregloparaobservarelefectoHallconsistedeunabarraplanaconductoraconduciendounacorrienteIenladireccinx.

UncampomagnticoBuniformeesaplicadoenladirecciny.

Silosportadoresdecargasonelectronesmovindoseenladireccinnegativadelejexconunavelocidadvd,ellosexperimentaranunafuerzamagnticaFBhaciaarriba.

Loselectronesserndeflexionadoshaciaarriba,haciendoqueelflancosuperiorestecargadonegativamenteyelflancoinferiorcargadopositivamente.

Laacumulacindecargaenlasorillascontinuahastaqueelcampoelctricoylafuerzaelctricaresultanteestablecidaporlaseparacindecargasbalanceealafuerzamagnticaenlosportadoresdecarga(Fmag =Felectric).

Cuandosealcanzaelequilibrio,loselectronesyanosondeflexionadoshaciaarriba.

Sepuedeusarunvoltmetroatravsdelconductorparamedirladiferenciadepotencialatravsdelconductor,conocidocomovoltajeHallVH.

Cuandolosportadoresdecargasonpositivos,lascargasexperimentanunafuerzamagnticahaciaarribaq(vxB).

Laorillasuperiordelconductorllegaaestarcargadopositivamente,dejandolaorillainferiordelconductorcargadanegativamente.

CuandosealcanzaelequilibrioentrelafuerzaelctricaqEylafuerzamagnticaqvdB,elcampoelctricoproducidoentrelacargaspositivasynegativasesreferidocomocampoHall,EH,porlotanto,qEH =qvdB.

EH =vdB sideselanchodelconductor,elvoltajeHallVH medidoporelvoltmetroes:

ElvoltajemedidoHalldeterminalavelocidaddedesplazamientodelosportadoresdecargasiseconocendyB.

dBvdEV dHH

Elnumerodeportadoresdecargaporunidaddevolumen(densidaddecarga),n,tambinpuedeserdeterminadomidiendolacorrienteenelconductor:

reaA=td,porlotanto:AqndBIV

AqnIv Hd

tqnBIVH

CoeficienteHall,RH =

ElcoeficienteHallpuedeserdeterminadode

ElsignoymagnituddeRH daelsignodelosportadoresdecargaysudensidad.

Enlamayoradelosmetales,losportadoresdecargasonelectronesyladensidaddecargadeterminadadelamedidadelefectoHallconcuerdaconlosvalorescalculadosparametalesloscualesliberanunsoloelectrndevalenciayladensidaddecargaesaproximadamenteigualalnumerodeelectronesdevalenciaporunidaddevolumen.

qn1

tBIR

tqnBIV HH

Legenda:1. Electrones

(corrientenoconvencional)2.ElementoHall,osensorHall3.Imanes4.Campomagntico5. Fuentedealimentacin

Eneldibujo"A",elelementoHallllevaalascargasnegativas(simbolizadasporelcolorazul)hacialaorillasuperiorylascargaspositivas(colorrojo)hacialaorillainferior.En"B"y"C",esinvertidayasealacorrienteelctricaoelcampomagntico,causandoquelapolarizacinseinvierta.Invirtiendoamboslacorrienteyelcampomagntico(dibujoD)ocasionadenuevoquelacarganegativaesteenlaorillasuperior.

PrincipiodeOperacin

FuerzadeLorentz:

LaacumulacindecargaenelconductorproduceelvoltajeHall:

Ensemiconductores(InAs):

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

1. Electrons 2. Hall element, or Hall sensor3. Magnets4. Magnetic field5. Power source

ClasificacindelossensoresdeefectoHall

Interruptores Sensores Campomagntico

absoluto Campomagntico

diferencial PropsitoEspecial

Ventajas Desventajas

Aislamiento Galvanico Costo delconcentrador decampo

Medicion deACyDC

Nohayperdida devoltaje

Valoracin:EfectoHall

Concentradores decampo

Losconcentradoresdecampobsicamenteconsistendeunmaterialmagnticosuave(altapermeabilidadybajaremanencia)querodeaalconductor.Sonusadosporestasrazonesprincipales:

Ladensidaddeflujoesaumentadaconlapermeabilidadefectivadelncleo.Estodajunfactordeamplificacinentre20y70.Sinconcentrador,laposicindelsensorrespectoalconductoresaltamentedependientedeladistancia..Usandounconcentradordecampo,sepuedetenerunarealimentacindecorrienteaelmismoconcentradorpermitiendosistemasdelazocerrado.

Concentradordeflujo(azul)alrededordelconductor.SeinsertaunsensorHallenelentrehierro(izquierda).Elflujopuedeseramplificadomasusandovariasvueltasdelconductorprincipal(derecha).

Configuracin Lazo abierto

Enlaconfiguracinlazoabierto,nohaytrayectoderealimentacin.LaseccintransversaldelncleodelconcentradordebeserporlomenosdeltamaodelsensorHallparaminimizarlasensibilidadaefectosdedesalinamientoocamposmagnticosexternos.Serecomiendaqueelreadelncleoseaeldobledeltamaodelchipsensor.

Elflujomagnticoatravsdelsensorpuedeserescritousandolaleydeampere:

Sepuedeponerenlasiguienteforma

Sehaintroducidolapermeabilidadefectivadelarreglotoroide/entrehierroe dadocomo

paralamayoradeloscasosprcticosylapermeabilidadefectiva(ejem.Laintensidaddeamplificacindelflujo)estadadaaproximadamenteporlarazndelacircunferenciadeltoroideaelentrehierro.Conunentrehierrode1mmyundimetrodeltoroidede15mm,elfactordeamplificacinesdecercade50.Almantenerseestaaproximacin,ladensidaddeflujollegaaserindependientedelradiodelconcentradorypuedeserescritacomo:

Usualmenteessuficientepasarelcableconductordirectamenteatravsdelconcentradortoroidalparaobtenerunaintensidaddecampomagnticosuficientementealta.Parabajascorrientes,elcablepuedeserenrolladoenmasvueltasalrededordelconcentradortoroidal,elcampomagnticoobtenidoesdirectamenteproporcionalalnumerodevueltas.Ladensidaddeflujomagnticomedidoesmultiplicadoporelnumerodevueltasdelconductorypuedeserexpresadacomo

DondeNeselnumerodevueltas.LossensoresdeefectoHalllinealesdetectanestadensidaddeflujoylasalidadelsensorestaenlaforma

DondeSeslasensibilidaddelsensoryOSeseloffset.Ambosdeestosparmetrossonprogramables.

Configuracin Lazo CerradoEnlaconfiguracindelazoabierto,lamayoradeloserroressurgencuandoaltascorrientesgeneranaltasdensidadesdeflujomagnticoenelconcentrador.Elmaterialconcentradortienemejorespropiedadesalrededorde0mT(mejorlinealidadycomportamientoconlatemperatura),ytambinlaexactituddelsensorHallesalta.Paraevitaraltoscamposmagnticos,sepuedeescogerunatopologadelazocerradoenelcualunacorrientecontraproducentecreaunflujomagnticoopuesto.Ambosconductoreselprimarioyelderealimentacinnecesitanactuarsobreelmismoconcentrador.Usandouncircuitodecontrolapropiadolacorrientederealimentacinpuedeserescaladademaneraqueelflujomagnticoresultanteenelentrehierrollegueasercero,lasdesviacionesquesetenganapartirdeesteflujopuedensersensadasporunsensorlinealHallinsertadoenelentrehierro.LacorrienteenelsecundariopuedesermedidausandounapequearesistenciaRsens

Configuracinlazocerradoqueincluyealconductorprimarioascomoundevanadoderealimentacinysuposiblecircuitodriver.

Materiales concentradoresHaydiferentesmaterialesparacrearlosncleosdelosconcentradores.Laseleccinestadeterminadaporcriteriostalcomoelfuncionamientodelmaterial(remanencia),rangodecorrientemedida,formamecnicaycosto.

FerritaLasferritassonelmaterialmasbarato.Suprincipaldesventajaessualtaremanencia.Paramantenerlaremanenciabaja,esimportantetenerunapermeabilidadinicialalta.Despusdelaaplicacindeunacorrientealta,elncleomantieneunresiduodelcampomagntico,generandounerrordeoffset.Estecamporemanentepuedeserborradoconunacorrienteenladireccincontraria.Lamejorproteccincontracamposremanentesesevitarpicosdecorrientealtos.PolvosdeHierroNcleosdepolvosdehierrosepuedenusarparalamedicindealtascorrientes.Yaquesue esdecercade50%menorcomparadaconlaferritas,puedeserusadoparavaloresdecorrientearribade200A.Lae bajapermiteelusodeentrehierrospequeoslocualhacequesetengaunmejorblindajedelsensorcontracamposexternos.

AleacionesMaterialescomoNiFe15 Moestndisponiblesenformadecintasdelgadas.PuedensermaquiladasenformancleosE.

MaterialmagnticoamorfosuaveMaterialescomoFe73 Cu1Nb3Si16B7 tienenvaloresderemanenciaextremadamentebajos.Susaturacinestaentre0.6y1T.Sur estaenelmismorangodeldelasferritas.Sinembargosusofisticadoprocesodeproduccinhacequesuseacercadetresvecesmasaltocomparadoconeldelasferritas.

SENSORESINDUCTIVOS

Transformadoresdecorriente(CT)Lafuncindeuntransformadoresdecorrienteeslareduciravaloresnormalesynopeligrosos,lascaractersticasdecorrienteenunsistemaelctrico,conelfindepermitirelempleodeaparatosdemedicinnormalizados,porconsiguientemseconmicosyquepuedenmanipularsesinpeligro.

Untransformadordecorrienteesuntransformadordemedicin,dondelacorrientesecundariaes,dentrodelascondicionesnormalesdeoperacin,prcticamenteproporcionalalacorrienteprimaria,ydesfasadadeellaunngulocercanoacero,paraunsentidoapropiadodeconexiones.

Elprimariodedichotransformadorestconectadoenserieconelcircuitoquesedeseacontrolar,entantoqueelsecundarioestconectadoaloscircuitosdecorrientedeunoovariosaparatosdemedicin,relevadoresoaparatosanlogos,conectadosenserie.

Untransformadordecorrientepuedetenerunoovariosdevanadossecundariosembobinadossobreunoovarioscircuitosmagnticosseparados.

Considereunncleotoroidaldealtaatravsdelcualpasaunconductorconcorriente.Seincluyeundevanadosecundariodenvueltas.Elsecundarioesconectadoaunacargadebajaresistencia.Enestetransformadordecorriente,referidouniversalmentecomoCT,unacorrientealternaenelprimariotratademagnetizarelncleoaltratardehacerlocreaunaemfyunacorrienteenelsecundarioquetiendeacancelarelcampomagntico.Sielsecundariotieneunaresistenciacerolacorrienteenelexactamentecancelaelcampodebidoalprimario.Elresultadoesunacorrienteenelsecundarioigualalacorrienteenelprimariodivididaporelnumerodevueltasdelsecundario.Lacorrienteenelsecundarioestaenfaseconlacorrienteenelprimario.Debidoalcampomagnticodelazocerradofuertehaypocoefectodeconductorescercanosolaposicindelconductorenelagujerodelncleo.

Eltransformadordecorriente(CT)idealestafuertementeacopladosinentrehierro.Lacorrienteenelsecundarioexactamentebalancealacorrienteenelprimariodeunasolavueltademaneraqueelflujomagnticoenelncleoescero.

Elcircuitodelsecundariopuedeserconectadoaunaresistenciabaja.Perolaresistenciadelsecundarionoesrealmenteceroyelacoplamientomagnticonoesperfectoasquehayotrasconsideraciones:PrimeroelconceptodeBurdendelsecundarioesintroducido.Esllamadodeesaformaparaevitarllamarloloadyaquesecomportadediferentemanera;elmejorBurdenesuncortocircuito.ElBurdenesalgunasvecesexpresadocomounaresistenciadelsecundarioenohms,peromasfrecuentementecomounapotenciaequivalenteenKVAparaunacorrientedefinidasinconsideracindefase.CuandoelBurdennoesuncortocircuitoperfectolaenergaesdisipadayelcampomagnticopresenteenelncleoyanoescero.Laorienteenelsecundarioadelantaaladelprimarioconunafasequedependedelafrecuencia.

Losfactoresquedeterminanlaseleccindelostransformadoresdecorrienteson:

EltipodeTransformadordeCorriente. Eltipodeinstalacin. Eltipodeaislamiento. Lapotencianominal. Laclasedeprecisin. Eltipodeconexin. LaCorrienteNominalPrimaria. LaCorrienteNominalSecundaria.

TipodeTransformadordeCorriente.ExistentrestiposdeTCsegnsuconstruccin:

a) Tipodevanadoprimario.Estecomosunombreloindicatienemasdeunavueltaenelprimario.Losdevanadosprimariosysecundariosestncompletamenteaisladosyensambladospermanentementeaunncleolaminado.Estaconstruccinpermitemayorprecisinparabajasrelaciones.

b) TipoBarra.Losdevanadosprimariosysecundariosestncompletamenteaisladosyensambladospermanentementeaunncleolaminado.Eldevanadoprimario,consisteenunconductortipobarraquepasaporlaventanadeunncleo.

c) TipoBoquilla(VentanaoBushing).Eldevanadosecundarioestcompletamenteaisladosyensambladopermanentementeaunncleolaminado.Elconductorprimariopasaatravsdelncleoyactacomodevanadoprimario.

TipodeInstalacin.Losaparatos puedenserconstruidosparaserusadoseninstalacionesinterioresoexteriores.Generalmente,porrazonesdeeconoma,lasinstalacionesdebajaymediatensin,hasta25KV.,sondiseadasparaserviciointerior.Lasinstalacionesdetipoexterioressondetensionesdesde34.5KVa400KV.,salvoenloscasosdonde,porcondicionesparticularessehaceninstalacionesinterioresparatensioneshasta230KV.Esconvenienteexaminaradems,eltipodeTCquesepuedainstalar,dependiendodelasfacilidadesdemantenimiento.

TipodeAislamiento.Losmaterialesqueseutilizanparaelaislamientodependendelvoltajedelsistemaalquesevaaconectar,latensinnominaldeaislamientodebeseralmenosigualalatensinmaselevadadelsistemaenqueseutilice.Lostiposdeaislamientosedivideentresclases:a)Materialparabajatensin.GeneralmentelosTC'ssonconstruidosconaislamientoenaireoresinasinttica,suponindosequelocomnsonlasinstalacionesinteriores.b)Materialdemediatensin.Lostransformadoresparainstalacionesinteriores(tensinde3a25KV)sonconstruidosconaislamientodeaceiteconenvolventedeporcelana(diseoantiguo),oconresinasinttica(diseomoderno).Hayquehacernotarquelamayoradelosdiseosactualesempleanelmaterialseco,losaparatosconaislamientoenaceiteomasaaislante(compound)seutilizanmuypocoysloparainstalacionesexistentes.Losaparatosparainstalacionesexterioressongeneralmenteconstruidosconaislamientoporcelanaaceite,aunquelatcnicamasmodernaestrealizandoyaaislamientosensecoparaestetipodetransformadores.c)Materialesparaaltatensin.Lostransformadoresparaaltatensinsonaisladosconpapeldielctrico,impregnadosconaceiteycolocadosenunaenvolventedeporcelana.Esimportantedefinirlaaltituddelainstalacinsobreelniveldelmar,yaquelaspropiedadesdielctricasdelosmaterialesydelairedisminuyenconlaaltitud.Normalmentetodoslosequipossediseanparatrabajarhasta1000Mtssobreelniveldelmar,silaaltitudesmayorelniveldeaislamientodebesermayor.

PotenciaNominal.Lapotencianominalquesedebeseleccionarparalostransformadoresdemedicin,estenfuncindelautilizacinaquesedestinaelaparato.Paraescogerlapotencianominaldeuntransformadordecorriente,sehacelasumadelaspotenciasnominalesdetodoslosaparatosconectadosalsecundario.Sedebetenerencuentaporotrolado,laimpedanciadelaslneas,silasdistanciasentrelostransformadoresylosinstrumentosdemedicin,sonimportantes.Seescogelapotencianormalinmediatasuperioralasumadelaspotencias.

BOBINADEROGOWSKY

Elsensordecorrienteestaconstituidoporuninductorconncleodeairedetipotoroidal,cuyasalidadetensinesproporcionalaladerivadadelacorrienteamedir,segn:

dondeMeslainductanciamutuadelarrollamiento.

Dadaslascaractersticasmagnticasdelncleo,lacurvaderespuestaadiferenciadelhierro,esabsolutamentelineal.Noexistesaturacindelncleoporlocualpuedemedirgrandescorrientessinpreocupacinpordeformacinorotura.

LacaractersticaderivativadelasealentregadaporlabobinadeRogowskiobligaaunaintegracineneltiempoafindeobtenerunasealproporcionalalacorrienteamedir: