ES2257737T3 - Aparato para detectar corriente. - Google Patents
Aparato para detectar corriente.Info
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Abstract
Un aparato para detectar una corriente de entrada, que comprende: - un primer medio de conducción para conducir una primera porción de la corriente de entrada, comprendiendo dicho primer medio de conducción un primer y segundo conductor con una primera y una segunda resistencia predeterminada, respectivamente; - un segundo medio de conducción para conducir una segunda porción de la corriente de entrada, comprendiendo dicho segundo medio de conducción un tercer y cuarto conductor con una tercera y una cuarta resistencia predeterminada, respectivamente; - un medio de interconexión para conducir la corriente entre un primer extremo y un segundo extremo, estando dicho primer extremo entre dichos primer y segundo conductor y estando dicho segundo extremo entre dichos tercer y cuarto conductor de dicho primer y segundo medio de conducción; y - un medio de detección acoplado magnéticamente a dicho medio de interconexión para producir una señal de salida relacionada con la corriente conducida pordicho medio de interconexión según una relación de transformación predeterminada, caracterizado porque dicho primer y cuarto conductor incluyen cantidades predeterminadas de primer y segundo material, teniendo cada material una resistividad diferente, y en el que dicho segundo y tercer conductor incluyen cantidades predeterminadas del segundo material, estando las cantidades predeterminadas del primer y segundo material seleccionadas de modo que una relación de la primera y segunda resistencia predeterminada a la tercera y cuarta resistencia predeterminada y la relación de transformación resultante producida por el aparato de detección de corriente permanecen constantes cuando varía la temperatura de dicho primer, segundo, tercer y cuarto conductor.
Description
Aparato para detectar corriente.
La presente invención se refiere a sensores para
detectar una corriente y, más en particular, a sensores de corriente
para producir una señal de salida relacionada con la corriente de
entrada detectada.
Muchos dispositivos eléctricos, tales como los
contadores de electricidad electrónicos y los contadores de
vatios-hora de tipo electrónico o de inducción para
medir la potencia eléctrica y el uso de energía, necesitan sensores
de corriente para detectar la corriente de línea y producir una
señal de salida relacionada con la corriente de línea. Estos
dispositivos requieren sensores que sean precisos para una gran
variedad de corrientes de línea.
Durante muchos años, los contadores de
vatios-hora de tipo inducción se han usado para
medir el consumo de energía por usuarios individuales de energía
eléctrica, con el consumo medido en kilovatios-hora.
Los contadores de vatios-hora de tipo inducción
tienen típicamente distintas bobinas de tensión y corriente con un
disco giratorio accionado por una combinación de flujos desde las
bobinas. Los contadores de vatios-hora de inducción
convencionales incluyen un circuito de detección de corriente en el
que el conductor que lleva la corriente de línea está enrollado en
un núcleo de hierro para formar una bobina de corriente. Se crea un
flujo magnético en el núcleo de hierro debido a la corriente en el
conductor. El flujo magnético en el núcleo de hierro, en combinación
con el flujo magnético de una bobina de tensión similar, hace girar
un disco a una velocidad relacionada con la velocidad de consumo de
energía eléctrica del cliente.
Se usan transformadores de corriente junto con
los circuitos de detección de corriente descritos más arriba para
reducir proporcionalmente corrientes de línea relativamente grandes,
es decir, mayores de unos 320 amperios ("A"), ya que el número
de vueltas alrededor del núcleo de hierro necesarias para ajustar
correctamente esas corrientes de línea relativamente grandes sería
prohibitivamente elevado. El transformador de corriente se coloca
entre el conductor de línea y el circuito de detección de corriente.
Aunque generalmente se estima que estos transformadores de corriente
tienen una corriente nominal en su devanado secundario de 5 A,
normalmente se pueden producir aproximadamente 20 A de la corriente
secundaria sin exceder la tasa térmica del transformador. De esta
manera, incluso con la introducción de un transformador de corriente
entre el conductor y el circuito de detección de corriente, los
contadores de vatios-hora de tipo inducción deben
ser todavía capaces de medir corrientes relativamente grandes, tales
como 20 A.
Sin embargo, estas corrientes relativamente
grandes no se pueden detectar con precisión mediante contadores de
electricidad electrónicos, tales como contadores de
vatios-hora electrónicos u otros dispositivos
contadores electrónicos que utilizan típicamente circuitos
electrónicos o integrados para medir el uso de corriente y de
tensión de clientes individuales de energía eléctrica. Los circuitos
integrados son generalmente circuitos integrados de aplicación
específica ("ASIC") que están diseñados para aceptar y medir
niveles pequeños de señal, típicamente inferiores a 2 mA y a 5
voltios. Por tanto, los sensores de corriente en los contadores de
vatios-hora electrónicos deben tener una relación de
transformación grande para ajustar las corrientes de línea
relativamente grandes a los niveles de entrada relativamente
pequeños que aceptan los circuitos integrados del sensor.
Para producir estas señales de salida
relativamente pequeñas, los trasformadores de corriente típicos
serían prohibitivamente grandes y caros. Este mayor tamaño y gasto
se debe, en parte, a la necesidad de que las
amperio-vueltas de los devanados primarios y
secundarios deben ser iguales para un funcionamiento correcto.
También se debe seleccionar el número de devanados de manera que la
corriente de línea de entrada máxima se ajusta a un valor inferior
al límite de corriente de 2 mA para el circuito integrado. Ya que
las corrientes de línea varían típicamente de 0,5 A a 320 A, la
relación de transformación de los transformadores de corriente
típicos necesitaría ser aproximadamente 160.000:1 para convertir 320
A de corriente de línea a una corriente de salida a escala de 2 mA.
Sin embargo, una relación de transformación de 160.000:1 necesitaría
un número relativamente elevado de devanados y un transformador de
corriente prohibitivamente grande y caro.
Además de ser prohibitivamente grande y caro, los
núcleos magnéticos de los transformadores de corriente típicos se
saturan si la corriente alterna ("AC") que fluye en un
conductor de línea se superpone a una corriente continua
("DC"). La corriente continua, y por ello la saturación del
núcleo magnético, se debe generalmente a la rectificación de media
onda de las señales AC por varios dispositivos eléctricos conectados
al conductor de línea o por personas que superponen
intencionadamente componentes de DC en el conductor de línea para
cometer un fraude en el contador evitando la detección de la
corriente y la medida del consumo de energía eléctrica
correctas.
Además, los transformadores de corriente típicos
producen un campo magnético externo que puede afectar a los
dispositivos eléctricos adyacentes, tales como otros transformadores
de corriente en un contador de vatios-hora
polifásico. La transformación de corriente en los transformadores de
corriente típicos también puede verse afectada negativamente por
campos magnéticos incidentes procedentes de fuentes externas, tales
como sensores de corriente adyacentes empleados en contadores de
vatios-hora polifásicos.
Un sensor de corriente alternativo a estos
transformadores de corriente típicos se proporciona en la patente
estadounidense nº 4.182.982 de Wolf y col. concedida en enero de
1980 y en la patente estadounidense nº 4.492.919 de Milkovic
concedida en enero de 1985 (en lo sucesivo las patentes '982 y '919
respectivamente). Las patentes '982 y '919 describen la división de
un conductor de línea en uno o más caminos de derivación principales
y un camino de derivación auxiliar paralelo con diferentes áreas de
sección transversal. La corriente se divide entre estos dos caminos
de derivación sustancialmente en proporción a las áreas de sección
transversal de los dos caminos. El camino de derivación auxiliar
pasa a través del orificio de un núcleo magnético toroidal. Un
transformador de corriente está formado por la combinación de la
bobina magnética toroidal, el camino de derivación auxiliar que
forma un devanado primario de una vuelta y un devanado de muchas
vueltas enrollado en el núcleo magnético toroidal que forma un
devanado secundario.
Sin embargo, las áreas de sección transversal del
camino de derivación primario y del camino de derivación secundario
pueden ser prohibitivamente grandes y pequeñas, respectivamente,
para poder ajustar correctamente la corriente de línea en la gran
variedad de corrientes de línea potenciales. Además los caminos de
derivación primario y auxiliar paralelos se ven afectados no sólo
por los campos magnéticos producidos por fuentes externas, sino
también por los campos magnéticos producidos por la corriente en los
otros caminos de derivación. Por ejemplo, la corriente en el camino
de derivación primario se ve afectada por el campo magnético
producido por la corriente en el camino de derivación auxiliar.
Además, el acoplamiento magnético entre los conductores paralelos en
el divisor de corriente produce una inductancia recíproca entre los
dos conductores paralelos. Esta inductancia transforma el divisor de
resistencia relativamente simple en un divisor de impedancia
complejo con el desplazamiento de fase de la corriente en el camino
de derivación principal y el camino auxiliar paralelo dependiendo de
la inductancia. Ya que la precisión adecuada del contador requiere
que tanto la magnitud como el ángulo de fase de la señal de salida
ajustada del sensor de corriente reflejen con precisión la magnitud
y el ángulo de fase de la corriente de línea, estos desplazamientos
de fase en los caminos de derivación paralelos, que, a su vez, se
reflejan en la señal de salida del sensor de corriente, perjudican
la precisión del contador.
Se describe un sensor de corriente coaxial en la
patente estadounidense nº 5.066.904 de Bullock concedida el 19 de
noviembre de 1991 y cedida al cesionario de la presente invención.
El sensor de corriente coaxial divide la corriente en el conductor
de línea entre dos conductores dispuestos coaxialmente. El conductor
coaxial central está dirigido a través del orificio de un núcleo
toroidal magnético e induce la fuerza magnetomotriz en el núcleo
toroidal.
Los devanados secundarios de salida y
realimentación también están enrollados en el núcleo toroidal. Se
induce una tensión en el devanado de salida debido a, y en
proporción a, la variación temporal de la fuerza magnetomotriz en el
núcleo toroidal. Un amplificador sensible a la tensión inducida en
el devanado secundario de salida proporciona una señal de control o
de compensación al devanado secundario de realimentación. La
corriente en el devanado de realimentación debido a la señal de
control produce una fuerza magnetomotriz en el núcleo toroidal,
sustancialmente igual en magnitud y opuesta en polaridad a la fuerza
magnetomotriz inducida por la corriente en el conductor coaxial
central. La fuerza magnetomotriz AC neta resultante en el núcleo
toroidal magnético es aproximadamente cero en una condición de
estado estable. Por ello, la posibilidad de saturación del núcleo
disminuye significativamente. Además, cualquier corriente en el
núcleo toroidal magnético se debe principalmente a los cambios en la
corriente de entrada inducida en relación con la corriente en el
conductor coaxial central. El segundo devanado secundario de
realimentación también produce la corriente de salida que es
proporcional a la corriente en el conductor coaxial central.
Se describe un sensor de corriente diferencial en
la solicitud de patente estadounidense nº de serie 08/043.903
presentada el 7 de abril de 1993 y cedida al cesionario de la
presente invención (EP-A-0627630,
94302247.5). El sensor de corriente diferencial divide una corriente
de línea de entrada en una primera y una segunda porción con una
proporción predeterminada entre las mismas. La diferencia de
corriente entre la primera y la segunda porción se detecta después,
mediante un devanado toroidal que se acopla magnéticamente a la
primera y la segunda porción de la corriente de entrada. Basándose
en el diferencial de corriente detectado entre la primera y la
segunda porción, se produce
una corriente de salida relacionada con el diferencial de corriente y, por ello, relacionada con la corriente de entrada.
una corriente de salida relacionada con el diferencial de corriente y, por ello, relacionada con la corriente de entrada.
En particular, la corriente de entrada se divide
en una primera y una segunda porción y se conduce mediante un primer
y un segundo conductor, respectivamente, que se extienden a través
de un orificio del devanado toroidal. La primera porción de la
corriente de entrada fluye en una primera dirección a través del
orificio del devanado toroidal, mientras que la segunda porción de
la corriente de entrada está en una segunda dirección, opuesta a la
primera dirección, a través del orificio del devanado toroidal. Por
ello, el diferencial de corriente entre la primera y la segunda
porción induce una tensión en el devanado toroidal. El sensor de
corriente diferencial incluye preferentemente un medio para
detectar magnéticamente la tensión inducida en el devanado toroidal
y producir una corriente de salida en respuesta a la misma. El medio
para detectar magnéticamente el diferencial de corriente es
típicamente devanados secundarios de salida y realimentación
enrollados en el núcleo magnético toroidal como se describe más
arriba.
Aunque los sensores de corriente coaxiales y
diferenciales representan un gran avance en la técnica de detección
y ajuste de corrientes de línea, en particular para su uso en
contadores de electricidad, tales como contadores de
vatios-hora electrónicos, es conveniente realizar
más mejoras. En particular, los conductores coaxiales del sensor de
corriente coaxial se acoplan magnéticamente debido al campo
magnético producido por la corriente en cada conductor y la
auto-inductancia resultante en el otro conductor.
Esta inductancia recíproca introduce un error o desplazamiento de
fase en la corriente de salida ajustada resultante.
Además, ya que la proporción a la que la
corriente se divide entre los conductores coaxiales depende de las
áreas de sección transversal de los conductores, se puede ajustar la
proporción de la división de corriente mediante el ajuste fino de
las resistencias de los conductores, como mediante la perforación de
una porción del material desde un primer extremo de los conductores.
Esta eliminación o perforación de los conductores puede ser difícil
debido a la alineación y el tamaño de los conductores. Además, tanto
los sensores de corriente coaxiales como los diferenciales tienen un
diseño relativamente complejo y, por consiguiente, su fabricación
puede ser cara.
Aun más, el orificio del núcleo toroidal del
sensor de corriente diferencial es sustancialmente perpendicular a
la primera y segunda porción de la corriente dirigida por el sensor
de corriente fuera del orificio. Por consiguiente, el flujo
magnético inducido por la corriente dirigida por el sensor de
corriente fuera del orificio del núcleo toroidal se acopla
magnéticamente a los devanados secundarios de salida y
realimentación de manera que se introduce un desplazamiento de fase
en la corriente de salida ajustada. Además, tanto los sensores de
corriente coaxiales como los diferenciales tienen un diseño
relativamente complejo y, por consiguiente, su fabricación puede ser
cara.
El documento
US-A-4.835.463 describe un sensor de
corriente en una configuración de puente isotérmico asimétrico,
mientras que los documentos
US-A-5.223.790 y
GB-A-2-199.149
describen sensores de corriente que comprenden configuraciones de
divisor.
Por ello, aunque sería conveniente tener un
sensor de corriente para producir una corriente de salida con una
magnitud y un ángulo de fase relacionado con una corriente de
entrada, particularmente para su uso en la detección de corrientes
de línea en contadores de electricidad, tales como contadores de
vatios-hora electrónicos, los sensores de corriente
siguen teniendo una serie de deficiencias, incluyendo los diseños
complejos y costosos y el acoplamiento magnético no deseado que
tiene como resultado los desplazamientos de fase en la señal de
salida. En particular, sería conveniente tener un sensor de
corriente con un diseño relativamente simple que produce una señal
de salida con una magnitud de aproximadamente 2-3 mA
que está relacionada con la magnitud y la fase de la corriente de
entrada para su uso en contadores de electricidad que utilizan
circuitos electrónicos o integrados para medir el consumo de energía
eléctrica de un cliente.
Por tanto, un objeto de la invención es
proporcionar un procedimiento y un aparato mejorados para detectar
una corriente de entrada.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
procedimiento y un aparato mejorados para detectar una señal de
corriente de entrada y para producir una señal de corriente de
salida relacionada.
Otro objeto más de la invención es proporcionar
un procedimiento y un aparato mejorados para detectar una señal de
corriente de entrada y para producir una señal de corriente de
salida relacionada en magnitud y fase con la señal de corriente de
entrada.
Estos y otros objetos se proporcionan, según la
invención, mediante un sensor de corriente según la reivindicación
1. El sensor incluye un primer y un segundo medio de conducción
conectados mediante un medio de conducción de interconexión al que
un medio de detección está magnéticamente acoplado. El primer medio
de conducción conduce una primera porción de la corriente de entrada
e incluye un primer y un segundo conductor con una primera y una
segunda resistencia predeterminada, respectivamente. El segundo
medio de conducción conduce una segunda porción de la corriente de
entrada e incluye un tercer y cuarto conductor con una tercera y
cuarta resistencia predeterminada, respectivamente.
El medio de conducción de interconexión incluye
preferentemente un quinto conductor o conductor central, típicamente
un quinto resistor, con una quinta resistencia predeterminada y que
se extiende desde un primer extremo entre el primer y segundo
conductor hasta un segundo extremo del tercer y cuarto conductor
para formar un circuito puente. Se establece una corriente que tiene
una relación predeterminada con la corriente de entrada en el
conductor de interconexión. A su vez, el medio de detección produce
una señal de salida relacionada con la corriente en el conductor de
interconexión. Esta corriente de salida se puede detectar por un
circuito integrado en un contador de electricidad electrónico, tal
como un contador de vatios-hora electrónico, para
medir con precisión el consumo de energía eléctrica de un
consumidor.
El medio de detección es preferentemente un
comparador de corriente anular y, más preferentemente, incluye un
núcleo toroidal con un orificio que se extiende a través del mismo.
El conductor de interconexión se extiende a través del orificio del
núcleo toroidal y forman, en combinación, un devanado primario de
una sola vuelta para un comparador de corriente. La corriente
conducida por el conductor de interconexión incluye una fuerza
magnetomotriz relacionada en el núcleo toroidal. Mediante la
detección de la corriente en el conductor de interconexión, y así
la corriente de entrada, con fuerza magnetomotriz inducida, las
señales de salida están aisladas de la corriente de entrada para
suprimir los transitorios de tensión en la corriente de entrada y
para proteger al sensor de corriente.
El medio de detección también incluye
preferentemente un medio para detectar magnéticamente la variación
temporal de la fuerza magnetomotriz inducida dentro del núcleo
toroidal. El medio para detectar magnéticamente la variación
temporal de la fuerza magnetomotriz inducida dentro del núcleo
toroidal incluye preferentemente un devanado secundario enrollado y
acoplado magnéticamente al núcleo toroidal para producir la señal de
salida. El medio para detectar magnéticamente la variación temporal
de la fuerza magnetomotriz en el núcleo toroidal incluye más
preferentemente un devanado secundario de realimentación y un
devanado secundario de salida con cada devanado secundario enrollado
y acoplado magnéticamente al núcleo toroidal con un circuito
amplificador dispuesto entre los mismos. La combinación de los
devanados secundarios de salida y realimentación y el circuito
amplificador asociado produce la señal de salida que está
relacionada con y es preferentemente proporcional a la magnitud y la
fase de la señal de corriente de entrada. Los devanados secundarios
y el circuito amplificador asociado también inducen una fuerza
magnetomotriz en el núcleo toroidal igual en magnitud y opuesto en
polaridad a la fuerza magnetomotriz inducida por la corriente en el
conductor de interconexión de modo que la fuerza magnetomotriz AC
neta en el núcleo es aproximadamente cero en una condición de estado
estable y cualquier cambio en la fuerza magnetomotriz en el núcleo
toroidal es debido a los cambios en la corriente en los conductores
de interconexión.
La relación de la primera y segunda resistencia
predeterminada del primer y segundo conductor a la tercera y cuarta
resistencia predeterminada del tercer y cuarto conductor permanece
constante al variar la temperatura de los conductores. Más
particularmente, el primer y cuarto conductor están compuestos de
tanto un primer material, como Copel, una aleación de cobre y
níquel, o Manganin, una aleación de magnesio y cobre, como de un
segundo material, como el cobre. El segundo y tercer conductor están
compuestos únicamente del segundo material, como el cobre. La
resistividad del primer material preferentemente no varía
significativamente con la temperatura. Sin embargo, la resistividad
del segundo material, como el cobre, varía con la temperatura. Por
ello, las cantidades relativas del primer y segundo material de los
que están compuestos los conductores se seleccionan de manera que la
proporción de la primera y segunda resistencia predeterminada a la
tercera y cuarta resistencia predeterminada no varía con la
temperatura.
Además de las propiedades intrínsecas de los
materiales de los que están compuestos los conductores, las
resistencias de los conductores dependen generalmente de sus
respectivas áreas de sección transversal. Por ello, las respectivas
resistencias se pueden afinar o ajustar fácilmente cortando los
conductores o eliminando material de los conductores para obtener la
proporción apropiada entre la primera y segunda resistencia
predeterminada y la tercera y cuarta resistencia
predeterminada.
El primer y tercer resistor forman
preferentemente un primer componente generalmente en forma de U con
un primer y segundo brazo, y están conectados en sus respectivos
primeros extremos a una primera pata. El segundo y cuarto resistor
también forman preferentemente un segundo componente generalmente en
forma de U con un primer y segundo brazo, y están conectados
preferentemente en sus respectivos primeros extremos a los segundos
extremos del primer y tercer resistor, respectivamente, y en sus
segundos extremos a una segunda pata. El conductor de interconexión
es preferentemente un cable conectado entre los respectivos segundos
extremos del primer y tercer resistor y se extiende a través del
orificio de un núcleo toroidal. El eje longitudinal definido por el
orificio del núcleo toroidal es preferentemente paralelo al primer y
segundo componente generalmente en forma de U para disminuir el
acoplamiento magnético entre la corriente en los componentes
generalmente en forma de U y los devanados secundarios enrollados en
el núcleo toroidal. La primera pata conduce preferentemente la
corriente de entrada mientras que la segunda pata conduce
preferentemente la corriente de salida. Además, la primera y segunda
pata están diseñadas preferentemente para que coincidan y hagan
contacto eléctrico con los zócalos del contador convencional.
El aparato de detección de corriente de esta
invención permite detectar una señal de corriente de entrada y
producir una señal de corriente de salida que está relacionada con
la magnitud y la fase de la señal de corriente de entrada basándose
en la corriente en el conductor central o de interconexión de un
circuito puente asimétrico. La señal de corriente de salida está
relacionada con la magnitud y la fase de la señal de corriente de
entrada ya que la corriente en el conductor central o de
interconexión del circuito puente es directamente proporcional a la
señal de corriente de entrada recibida por el circuito puente.
Además, el sensor de corriente de la presente invención reduce los
errores en la fase de la señal de salida debido al acoplamiento o la
inductancia recíproca entre la primera y segunda rama de conducción
y los devanados secundarios alrededor del núcleo toroidal.
La figura 1 es una vista en perspectiva de un
sensor de corriente según la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal
ampliada del sensor de corriente de la figura 1 tomada a lo largo de
la línea 2-2 de la figura 1.
La figura 3 es un esquema eléctrico del sensor de
corriente de la figura 1.
La figura 4 es una vista esquemática de un sensor
de corriente según la presente invención incluyendo el devanado
toroidal y los devanados secundarios de salida y realimentación.
La presente invención será descrita ahora de
manera más completa en lo sucesivo con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que se muestra una realización preferida de la
invención. Sin embargo, esta invención puede realizarse de muchas
formas diferentes y no se debe interpretar como limitada a las
realizaciones expuestas en este documento; más bien, esta
realización se proporciona para que esta descripción sea minuciosa y
completa y transmita en su totalidad el ámbito de la invención a las
personas expertas en la técnica. Los mismos números se refieren a
los mismos elementos desde el principio hasta el final.
En referencia ahora a las figuras 1 y 3, se
ilustra un sensor de corriente 10 según la presente invención. El
sensor de corriente 10 incluye un primer y segundo medio de
conducción 13 y 15, respectivamente, tales como la primera y segunda
rama, para conducir la primera y segunda porción de una corriente de
entrada I_{IN}, respectivamente, y un medio de conducción de
interconexión, como el conductor central 20, extendiéndose entre la
primera y segunda rama 13 y 15 para formar un circuito puente. El
sensor de corriente 10 también incluye el medio de detección 11
acoplado magnéticamente al conductor central 20 para producir una
señal de salida I_{OUT} relacionada en fase y magnitud con la
corriente de entrada I_{IN}.
Como se muestra esquemáticamente en la figura 3,
el primer medio de conducción o primera rama 13 incluye el primer y
segundo conductor 12 y 14 con la primera y segunda resistencia
predeterminada, respectivamente. Del mismo modo, el segundo medio de
conducción o segunda rama 15 incluye el tercer y cuarto conductor 16
y 18 con la tercera y cuarta resistencia predeterminada,
respectivamente. Además, el medio de interconexión o conductor
central 20, también preferentemente un resistor, tiene una quinta
resistencia predeterminada y se extiende desde un primer extremo 22
entre el primer y el segundo conductor 12 y 14 del primer medio de
conducción hasta un segundo extremo 24 entre el tercer y cuarto
conductor 16 y 18 del segundo medio de conducción.
La primera rama 13 conduce una primera porción
I_{1} de la corriente de entrada I_{IN} y la segunda rama 15
conduce una segunda porción I_{2} de la corriente de entrada
I_{IN}. El circuito puente es asimétrico de manera que la primera
y segunda porción de la corriente en la primera y segunda rama 13 y
15, respectivamente, son distintas y se establece una diferencia de
tensión a través del conductor central o de interconexión 20. Por
consiguiente, se establece una corriente I_{C} en el conductor
central o de interconexión 20. La corriente en el conductor central
o de interconexión 20 está relacionada con la primera y segunda
porción de la corriente de entrada I_{IN} en la primera y segunda
rama 13 y 15, respectivamente y, así, está relacionada con la
corriente de entrada I_{IN}. En particular, la corriente en el
conductor central o de interconexión 20 es directamente proporcional
a la corriente de entrada I_{IN} y se puede calcular como:
(1)I_{c} =
\frac{(R_{1}R_{4} - R_{2}R_{3})I_{IN}}{(R_{1} + R_{2})(R_{3} +
R_{4}) + R_{C}(R_{1} + R_{2} + R_{3} +
R_{4})}
En la que R_{1}, R_{2}, R_{3}, R_{4} y
R_{C} son las resistencias de los conductores primero, segundo,
tercero, cuarto y de interconexión, respectivamente.
Típicamente, la primera y cuarta resistencia
predeterminada son seleccionadas para que sean mucho mayores que la
segunda y tercera resistencia predeterminada. Por ejemplo, la
primera y cuarta resistencia predeterminada son preferentemente de
veinticinco a cuarenta veces mayores que la segunda y tercera
resistencia predeterminada Por consiguiente, la ecuación (1) puede
simplificarse así:
(2)I_{c} =
\frac{(R_{1}R_{4}) I_{IN}}{(R_{1}R_{4}) + R_{C}(R_{1} +
R_{4}}
Por ello, basándose en el valor deseado de
corriente I_{C} en el conductor central o de interconexión 20 para
una corriente de entrada predeterminada I_{IN}, la primera y
cuarta resistencia puede determinarse al igual que la resistencia
del conductor central o de interconexión 20. Alternativamente, para
las resistencias predeterminadas primera, cuarta y de interconexión,
la proporción de la corriente I_{C} en el conductor central o de
interconexión 20 a la corriente de entrada I_{IN} puede
determinarse como:
(3)\frac{I_{C}}{I_{IN}} =
\frac{R_{1}R_{4}}{R_{1}R_{4} + R_{C}(R_{1} +
R_{4})}
El medio de detección 11 produce una señal de
salida I_{OUT} relacionada con, y preferentemente proporcional a,
la corriente I_{C} en el conductor central o de interconexión 20.
Preferentemente, el medio de detección 11 incluye un comparador de
corriente anular y, más preferentemente, incluye un núcleo toroidal
26 con un orificio 28 que se extiende a través del mismo como se
ilustra en las figuras 2 y 3. El núcleo toroidal 26 está compuesto
generalmente de un material como la ferrita. Como se ilustra en la
figura 2 y como se muestra esquemáticamente en la figura 3, el
conductor central o de interconexión 20 se extiende preferentemente
a través del orificio 28 del núcleo toroidal 26 y está acoplado
magnéticamente al mismo.
En particular, la corriente I_{C} en el
conductor central o de interconexión 20 induce un flujo magnético o
una fuerza magnetomotriz en el núcleo toroidal 26. La fuerza
magnetomotriz inducida en el núcleo toroidal 26 está relacionada
con, y es preferentemente proporcional a, la corriente I_{C} en el
conductor central o de interconexión 20 y, de esta manera, está
relacionada con, y es preferentemente proporcional a, la corriente
de entrada I_{IN}. Al detectar la corriente de entrada I_{IN}
basándose en la fuerza magnetomotriz inducida, el sensor de
corriente 10 proporciona el aislamiento entre la señal de salida
I_{OUT} y la corriente de línea de entrada I_{IN} para suprimir
los transitorios de alta tensión en la corriente de entrada I_{IN}
y para proteger al sensor de corriente 10 de los mismos.
El medio de detección 11 también incluye
preferentemente un medio para detectar magnéticamente la variación
temporal de la fuerza magnetomotriz inducida dentro del núcleo
toroidal 26. El medio para detectar magnéticamente la variación
temporal de la fuerza magnetomotriz dentro del núcleo toroidal 26
incluye preferentemente un devanado secundario enrollado y acoplado
magnéticamente al núcleo toroidal 26 para producir la señal de
salida I_{OUT}.
Más preferentemente, el medio para detectar
magnéticamente la variación temporal de la fuerza magnetomotriz en
el núcleo toroidal 26 incluye un devanado secundario de
realimentación 30, un devanado secundario de salida 32 y un circuito
amplificador 34, como se ilustra en la figura 3. Se induce una
tensión en el devanado de salida 32 debido a, y en proporción a, la
variación temporal de la fuerza magnetomotriz en el núcleo toroidal
26. El circuito amplificador 34 es sensible a la tensión inducida en
el devanado de salida 32 y proporciona una señal de control o
compensación al devanado de realimentación 30. La corriente en el
devanado de realimentación 30 debida a la señal de control produce
una fuerza magnetomotriz en el núcleo toroidal 26 que es
sustancialmente igual en magnitud y opuesta en polaridad a la fuerza
magnetomotriz inducida por la corriente en el conductor de
interconexión 20. La fuerza magnetomotriz AC neta resultante en el
núcleo toroidal 26 en una condición de estado estable es
aproximadamente cero. Cualquier fuerza magnetomotriz inducida en el
núcleo toroidal 26 debido a cambios en la corriente de entrada
I_{IN} es así inducida en relación con la corriente I_{C} en el
conductor de interconexión 20 ya que el mantenimiento de una fuerza
magnetomotriz neta de estado estable mínima evita que el núcleo
toroidal 26 se sature. El devanado secundario de realimentación 30
también proporciona la señal de salida I_{OUT} que está
relacionada con, y es preferentemente proporcional a la magnitud y
la fase de la señal de corriente de entrada I_{IN}.
Para obtener las relaciones de transformación
grandes que requieren los contadores de vatios-hora
electrónicos que utilizan circuitos integrados, el sensor de
corriente 10 de la presente invención proporciona dos
transformaciones distintas que definen dos relaciones de
transformación. El resultado de las dos relaciones de transformación
es la relación de transformación de todo el sensor de corriente 10 y
define la relación entre la magnitud de la señal de salida
I_{OUT} detectada y la de la corriente de entrada I_{IN}.
En particular, se proporciona una primera
relación de transformación mediante la relación entre la corriente
I_{C} en el conductor central o de interconexión 20 y la corriente
de entrada I_{IN} como se muestra en la ecuación (3). En una
realización, el primer circuito puente define preferentemente una
relación de transformación de 3:200 de manera que se establece una
corriente I_{C} de 3 A en el conductor central o de interconexión
20 en respuesta a una corriente de entrada I_{IN} de 200 A.
La segunda relación de transformación se
proporciona mediante el número de devanados secundarios alrededor
del núcleo toroidal 26. Más particularmente, las
amperio-vueltas para tanto el lado primario como el
secundario del comparador de corriente son preferentemente
idénticas. Mientras que el conductor central o de interconexión 20
forma efectivamente un devanado primario de una sola vuelta
alrededor del núcleo toroidal 26, el número de devanados del
devanado secundario de realimentación 30 puede variarse para
optimizar la señal de salida I_{OUT}. De esta manera, el resultado
del primario de una sola vuelta y la corriente en el conductor
central o de interconexión 20, es decir, 1 vuelta x 3 A = 3
amperio-vueltas, es igual al resultado del número de
vueltas del devanado secundario de realimentación 30 y la señal de
salida I_{OUT} producida por el mismo. Por tanto, al aumentar el
número de vueltas del devanado secundario de realimentación 30,
disminuye correspondientemente la señal de salida I_{OUT}
resultante de modo que las amperio-vueltas de los
lados primario y secundario del comparador de corriente son
iguales.
La relación de transformación de todo el sensor
de corriente 10 y, de esta manera, la relación entre la magnitud de
la señal de salida I_{OUT} y la corriente de entrada I_{IN} es
un resultado de la primera relación de transformación definida por
la relación de la corriente I_{C} en el conductor central o de
interconexión 20 a la corriente de entrada I_{IN}, y la segunda
relación de transformación basada en la relación de
amperio-vueltas entre los devanados primario y
secundario del núcleo toroidal 26 que forman el comparador de
corriente. En particular, la relación de transformación para todo
el sensor de corriente 10 reduce preferentemente la corriente de
línea de entrada I_{IN} a una corriente de salida I_{OUT} de
aproximadamente 2 mA de modo que un circuito integrado asociado o
ASIC puede recibir la corriente de salida I_{OUT}.
De esta manera, para un contador de
vatios-hora electrónico diseñado para recibir una
corriente de entrada máxima de 200 A, la relación de transformación
para todo el sensor de corriente 10 debe ser 100.000:1 para producir
una corriente de salida I_{OUT} de 2 mA. Tal y como se explica, la
primera relación de transformación proporcionada por el circuito
puente produce una corriente de 3 A en el conductor central o de
interconexión 20 basada en una corriente de entrada I_{IN} de 200
A. De esta manera, la segunda relación de transformación
proporcionada por la relación de amperio-vueltas
entre los devanados primario y secundario del núcleo toroidal 26
produce preferentemente una corriente de salida I_{OUT} de 2 mA a
partir de la corriente de 3 A en el conductor central o de
interconexión 20. La relación de los devanados secundarios al
devanado primario único formado por el conductor de interconexión 20
debe ser, por tanto, de 1500:1 para proporcionar la segunda relación
de transformación.
Como se ilustra en las figuras 1 y 2, el primer y
cuarto conductor, 12 y 18, están compuestos de una combinación de un
primer y un segundo material. Por contraste, el segundo y tercer
conductor, 14 y 16, están compuestos exclusivamente del segundo
material. Aunque se pueden usar varios materiales sin alejarse del
ámbito de la presente invención, como se define en las
reivindicaciones, el primer material es preferentemente una aleación
de cobre y níquel, como Copel, o una aleación de magnesio y cobre,
como Manganin. Preferentemente, la resistencia del primer material
no varía significativamente con la temperatura, Por ejemplo, la
resistividad del manganin varía 0,000015 \Omega/ºC.
Por contraste, el segundo material, como cobre o
aluminio, tiene preferentemente una resistencia relativamente baja
en comparación con el primer material. Por ejemplo, la resistencia
del primer material es preferiblemente al menos veinticinco veces
mayor que la resistencia del segundo material. De esta manera, la
resistencia del segundo y tercer conductor, 14 y 16, es
preferentemente pequeña en comparación con la resistencia del primer
y cuarto conductor, 12 y 18, que incluyen el primer material con una
resistencia relativamente grande. Sin embargo, la resistencia del
segundo material sí varía típicamente con la temperatura.
Incluso aunque la resistividad del segundo
material varía con la temperatura, el rendimiento del sensor de
corriente 10 no varía con la temperatura. De esta manera, la
relación de transformación establecida por las resistencias
predeterminadas de los conductores respectivos no debe depender de
la temperatura. Por consiguiente, la relación de la primera y la
segunda resistencia predeterminada a la tercera y cuarta resistencia
predeterminada permanece constante cuando la temperatura de los
conductores varía. Por tanto, la magnitud y fase relativas de la
corriente I_{C} en el conductor central o de interconexión 20 a
la corriente de entrada I_{IN} permanecerán constantes cuando
varía la temperatura.
Ya que el segundo material, como cobre, tiene una
resistividad que varía con la temperatura, cada conductor contiene
cantidades predeterminadas de segundo material de modo que la
relación de la primera y segunda resistencia predeterminada a la
tercera y cuarta resistencia predeterminada no depende, en su
totalidad, de las variaciones de temperatura. En particular, el
conductor central o de interconexión 20 no necesita ser lineal, pero
puede estar configurado, como se muestra en las figuras 1 y 2, de
modo que cada conductor contiene la cantidad predeterminada del
segundo material. Por ejemplo, un extremo, como el segundo extremo
24 que se muestra en las figuras 1 y 2, puede estar colocado
selectivamente de modo que la relación de las resistencias de la
primera y segunda rama permanece constante y no depende de la
temperatura.
Además de las propiedades del material del que
están compuestos los conductores, la resistividad de los conductores
se establece mediante las áreas de sección transversal de los
conductores. Para ajustar o afinar las respectivas resistencias de
los conductores, se puede mecanizar una muesca o corte plano 36 en
al menos uno de los conductores o si no se puede eliminar material
de uno de los conductores para aumentar su resistencia y disminuir
la corriente en el mismo, como se muestra en la figura 1. La
resistencia del conductor mecanizado varía directamente con el
tamaño de la muesca o corte plano 36 o cantidad de material
eliminado, creando las muescas más grandes mayor resistencia o
mayores cantidades de material eliminado creando mayor resistencia.
De esta manera, el afinado adicional de las resistencias
predeterminadas de los conductores y, en consecuencia, la proporción
de las resistencias entre la primera y segunda rama, se puede
obtener mediante este ajuste o afinado de los conductores.
El conductor de interconexión 20 también está
compuesto preferentemente del primer material. De esta manera, el
conductor de interconexión 20 tiene una resistencia relativamente
grande en comparación con el segundo y tercer conductor 14 y 16
compuestos del segundo material. La resistencia del conductor de
interconexión 20 aumenta más por su área de sección transversal
relativamente pequeña en comparación con los otros conductores y con
su
longitud.
longitud.
Como se muestra en la figura 1 y 2, la corriente
de entrada se proporciona preferentemente mediante una primera pata
38, compuesta típicamente de cobre o aluminio, a la que está
conectado un primer extremo de tanto la primera como la segunda
rama. Los segundos extremos de tanto la primera como la segunda rama
están conectados preferentemente a una segunda pata 40 que conduce
la corriente de carga de salida I_{O} a la carga eléctrica del
consumidor que se está midiendo. La primera y segunda pata 38 y 40
están diseñadas para coincidir y conectarse eléctricamente con un
zócalo de contador estándar o dispositivo de montaje que permite la
medición de la corriente de carga de salida I_{O} que se está
proporcionando al cliente.
Como se muestra también en las figuras 1 y 2, el
primer y tercer conductor 12 y 16 forman preferentemente un primer
componente generalmente en forma de U con un primer y segundo brazo,
y están conectados en sus respectivos primeros extremos a la primera
pata 38. Del mismo modo, el segundo y cuarto conductor 14 y 18
forman preferentemente un segundo componente generalmente en forma
de U con un primer y segundo brazo, y están conectados en sus
respectivos primeros extremos a la segunda pata 40. Además, el
primer y segundo componente generalmente en forma de U están
preferentemente soldados con haz de electrones a la primera y
segunda pata, respectivamente.
Los segundos extremos del primer y segundo brazo
del primer componente generalmente en forma de U están conectados a
los segundos extremos del primer y segundo brazo del segundo
componente generalmente en forma de U, respectivamente. Además, el
primer y segundo componente generalmente en forma de U son
preferentemente coplanares, como se muestra en las figuras 1 y 2.
Aun más, el conductor central 20 es preferentemente un cable que se
extiende entre los respectivos segundos extremos de los primeros
brazos de tanto el primero como el segundo componente generalmente
en forma de U y los respectivos segundos extremos de los segundos
brazos de tanto el primero como el segundo componente generalmente
en forma de U.
Como se ilustra en la figura 2 y se muestra
esquemáticamente en la figura 3, el cable se extiende a través del
orificio 28 de un núcleo toroidal 26. El orificio 28 define un eje
longitudinal 28a que es sustancialmente paralelo a y, más
preferentemente, coplanar con el primer y segundo componente
generalmente en forma de U. Por consiguiente, se reduce el
acoplamiento magnético entre la corriente en el primer y segundo
componente generalmente en forma de U y los devanados secundarios
enrollados en el núcleo toroidal 26 y, en consecuencia, se reducen
los errores de fase entre la corriente de salida I_{OUT} y la
corriente de línea de entrada I_{IN}.
\newpage
Aunque la configuración particular del sensor de
corriente 10 puede variarse mucho, es preferible que el medio de
detección 11 esté encapsulado mediante un material aislante 42 para
facilitar su funcionamiento y longevidad. Más preferentemente, este
material aislante es un material de plástico.
Además, los cables 44 que se extienden desde el
medio de detección encapsulado 11 en la figura 1 están conectados
con un circuito amplificador externo (no se ilustra). Los cables 44
se extienden desde una tarjeta de circuito impreso común 46 en la
que se establece el contacto eléctrico entre cada extremo de los
devanados secundarios de salida y realimentación 30 y 32 y uno de
los cables 44. El circuito amplificador externo 30 puede estar
encapsulado con el medio de detección 11 para eliminar los cables 44
que se extienden desde el mismo sin alejarse del ámbito de esta
invención. Alternativamente, cada extremo de los devanados de salida
y realimentación 30 y 32, así como un cable de tierra, pueden
extenderse desde el medio de detección encapsulado 11, sin conexión
a una tarjeta de circuito impreso en el mismo.
Como se explicó anteriormente, la primera y
segunda pata, 38 y 40, del sensor de corriente de la presente
invención, están diseñadas para que coincidan con un zócalo de
contador convencional. Por consiguiente, es considerable el ahorro
de coste potencial que proporciona el sensor de corriente de la
presente invención, ya que es relativamente barato de fabricar y que
podría incorporarse a millones de contadores de electricidad
electrónicos, tales como los contadores de
vatios-hora electrónicos. Además, el diseño del
sensor de corriente de la presente invención reduce la inductancia
recíproca o acoplamiento magnético entre la primera y la segunda
rama, 13 y 15, y los devanados secundarios, y aumenta la resistencia
a la proporción de reactancia del sensor de corriente en comparación
con diseños anteriores. De esta manera, el ángulo de fase de la
corriente de salida I_{OUT} refleja con mayor precisión el ángulo
de fase de la corriente de entrada I_{IN}.
En los dibujos y la memoria descriptiva, se han
descrito realizaciones típicas preferidas de la invención y, aunque
se emplean términos específicos, los términos se usan sólo en un
sentido genérico y descriptivo y no con el objeto de limitar,
estando el ámbito de la invención expuesto en las siguientes
reivindicaciones.
Claims (8)
1. Un aparato para detectar una corriente de
entrada, que comprende:
un primer medio de conducción para conducir una
primera porción de la corriente de entrada, comprendiendo dicho
primer medio de conducción un primer y segundo conductor con una
primera y una segunda resistencia predeterminada,
respectivamente;
un segundo medio de conducción para conducir una
segunda porción de la corriente de entrada, comprendiendo dicho
segundo medio de conducción un tercer y cuarto conductor con una
tercera y una cuarta resistencia predeterminada,
respectivamente;
un medio de interconexión para conducir la
corriente entre un primer extremo y un segundo extremo, estando
dicho primer extremo entre dichos primer y segundo conductor y
estando dicho segundo extremo entre dichos tercer y cuarto conductor
de dicho primer y segundo medio de conducción; y
un medio de detección acoplado magnéticamente a
dicho medio de interconexión para producir una señal de salida
relacionada con la corriente conducida por dicho medio de
interconexión según una relación de transformación
predeterminada,
caracterizado porque dicho primer y cuarto
conductor incluyen cantidades predeterminadas de primer y segundo
material, teniendo cada material una resistividad diferente, y en el
que dicho segundo y tercer conductor incluyen cantidades
predeterminadas del segundo material, estando las cantidades
predeterminadas del primer y segundo material seleccionadas de modo
que una relación de la primera y segunda resistencia predeterminada
a la tercera y cuarta resistencia predeterminada y la relación de
transformación resultante producida por el aparato de detección de
corriente permanecen constantes cuando varía la temperatura de dicho
primer, segundo, tercer y cuarto conductor.
2. El aparato para detectar corriente según la
reivindicación 1, en el que dicho medio de interconexión es un
quinto conductor con una quinta resistencia predeterminada, y en el
que dicho medio de detección incluye un núcleo toroidal con un
orificio que se extiende a través del mismo.
3. El aparato para detectar corriente según la
reivindicación 2, en el que dicho quinto conductor se extiende a
través de dicho orificio de dicho núcleo toroidal.
4. El aparato para detectar corriente según la
reivindicación 1, en el que dicho medio de detección incluye un
medio para detectar magnéticamente una variación temporal de una
fuerza magnetomotriz inducida dentro de dicho núcleo toroidal por
dicha corriente conducida por dicho medio de interconexión.
5. El aparato para detectar corriente según la
reivindicación 4, en el que dicho medio para detectar
magnéticamente una variación temporal de una fuerza magnetomotriz
inducida en dicho núcleo toroidal incluye un devanado secundario
enrollado y acoplado magnéticamente a dicho núcleo toroidal para
producir dicha señal de salida.
6. El aparato para detectar corriente según la
reivindicación 4, en el que dicho medio para detectar
magnéticamente una variación temporal de una fuerza magnetomotriz
inducida en dicho núcleo toroidal comprende:
un devanado secundario de salida enrollado y
acoplado magnéticamente a dicho núcleo toroidal;
un medio amplificador con una entrada conectada a
dicho devanado secundario de salida y una salida; y
un devanado secundario de realimentación
enrollado y acoplado magnéticamente a dicho núcleo toroidal y
conectado en un primer extremo a dicha salida de dicho medio
amplificador.
7. El aparato para detectar corriente según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la resistencia
de dicho primer material varía significativamente menos con la
temperatura que la resistencia de dicho segundo material.
8. El aparato para detectar corriente según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho primer
conductor incluye una muesca por la que la resistencia de dicho
primer conductor varía en relación con el tamaño de dicha
muesca.
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