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tipos de tranformadores para medidores de elecricidad
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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: