ES2912191T3 - Sensor de corriente para medir una corriente alterna - Google Patents
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Abstract
Sensor de corriente (1, 1') para medir una corriente alterna, incluyendo dicho sensor al menos una bobina eléctrica (5, 50), una unidad electrónica de acondicionamiento (6) de la señal de dicha bobina eléctrica y un bloque de terminales de empalme eléctrico (7), teniendo dicha bobina eléctrica (5, 50) un contorno cerrado que se inscribe en un polígono y que delimita en su centro una ventana de paso (9) para un conductor eléctrico atravesado por la corriente alterna a medir, este conductor llamándose conductor primario (2), incluyendo dicha bobina eléctrica (5, 50) N tramos rectilíneos (TR) de anchura L y N sectores circulares (SC) delimitados cada uno por un arco interior (10) de radio interior Ri y un arco exterior (11) de radio exterior Re, estando dichos tramos rectilíneos (TR) unidos de dos en dos por un sector circular (SC), estando dichos tramos rectilíneos (TR) constituidos por espiras (12) separadas entre sí por un paso constante P, incluyendo dicha bobina eléctrica (5, 50), además, en dichos sectores circulares (SC), unas espiras adicionales (13, 15) de anchura (L1, L2) inferior a la anchura de las otras espiras, llamadas espiras principales (12) y que se extienden de dicho arco exterior (11) hacia al menos un arco intermedio (14, 16) dispuesto entre dicho arco interior (10) y dicho arco exterior (11), estando dichas espiras adicionales (13, 15) intercaladas entre dichas espiras principales (12), caracterizado por que dicha bobina eléctrica (5, 50) está realizada en forma de un circuito impreso previsto sobre al menos una tarjeta electrónica (4), por que los N tramos rectilíneos (TR) y los N sectores circulares (SC) tienen una misma anchura (L), por que en dichos tramos circulares (SC), las espiras principales (12) están separadas entre sí sobre dicho arco interior (10) por un paso constante igual al paso P de dichos tramos rectilíneos (TR), por una parte, y las espiras principales (12) y adicionales (13, 15) están separadas entre sí sobre dicho arco exterior (11) por un paso sustancialmente igual al paso P de dichos tramos rectilíneos (TR), por otra parte, de modo que la densidad media de espiras es casi constante en toda dicha bobina eléctrica (5, 50) y por que dicho paso constante P se elija lo más escaso posible, para una tecnología de circuito impreso dada, en dichos sectores circulares (SC) y se despliega en dichos tramos rectilíneos (TR) para maximizar la sensibilidad de medición de dicho sensor de corriente (1, 1').
Description
DESCRIPCIÓN
Sensor de corriente para medir una corriente alterna
Campo técnico
La presente invención se refiere a un sensor de corriente para medir una corriente alterna, incluyendo dicho sensor al menos una bobina eléctrica realizada en forma de un circuito impreso previsto sobre al menos una tarjeta electrónica, una unidad electrónica de acondicionamiento de la señal de dicha bobina eléctrica y un bloque de terminales de empalme eléctrico, teniendo dicha bobina eléctrica un contorno cerrado que se inscribe en un polígono y que delimita en su centro una ventana de paso para un conductor eléctrico atravesado por la corriente alterna a medir, este conductor llamándose conductor primario, incluyendo dicha bobina eléctrica N tramos rectilíneos de anchura L y N sectores circulares de misma anchura L delimitados cada uno por un arco interior de radio interior Ri y un arco exterior de radio exterior Re, estando dichos tramos rectilíneos unidos de dos en dos por un sector circular, estando dichos tramos rectilíneos constituidos por espiras separadas entre sí por un paso constante P y estando dichos sectores circulares constituidos por espiras separadas entre sí sobre dicho arco interior por un paso constante igual al paso P y sobre dicho arco exterior por un paso constante superior al paso P.
Técnica anterior
La medición de las corrientes alternas se efectúa con la ayuda de sensores de corriente basados en unos principios de funcionamiento diferentes. Una de las tecnologías bien conocida y ampliamente explotada para las aplicaciones industriales se basa en el principio de Rogowski. Este principio consiste en un bobinado en el aire colocado alrededor de un conductor eléctrico atravesado por la corriente alterna a medir, llamado comúnmente un conductor primario. Este bobinado puede estar formado por una o por varias bobinas eléctricas empalmadas en serie. Las ventajas de este tipo de sensor de corriente residen en su gran linealidad y en una dinámica de medición extendida, que autoriza la medición de las corrientes que se escalonan de algunos cientos de miliamperios a algunos millares de amperios, a unas frecuencias a partir de algunas decenas de hercios. Estas ventajas se deben, principalmente, a la ausencia de núcleo magnético a saturar. No obstante, la realización industrial por las técnicas convencionales de arrollamiento de las bobinas de Rogowski de buena calidad es muy compleja, costosa y difícilmente reproducible, ya que estas bobinas necesitan una densidad lineal de espiras constante, así como una sección de espiras constante. Varios ejemplos de realización se ilustran en la publicación WO 2013/037986.
La solución consiste en realizar las bobinas de Rogowski en forma de circuito impreso. Esta tecnología permite obtener, en efecto, una gran precisión del trazado del bobinado y una reproducibilidad industrial particularmente adaptadas para el respeto de la regularidad del bobinado. No obstante, las bobinas de Rogowski obtenidas por esta tecnología de circuito impreso tienen una sensibilidad de medición escasa, por ejemplo, del orden de 10 pV/A para una corriente a medir de una frecuencia de 50 Hz, dado que la densidad de las espiras es escasa, del orden de 1 a 1,2 espiras por mm para las tecnologías convencionales de circuitos impresos y que las espiras no se pueden superponer.
Lo más a menudo, las bobinas de Rogowski son circulares, como las descritas, por ejemplo, en las publicaciones FR 2.845.197, DE 102007046.054 y US 2008/0106253. La utilización de bobinas poligonales, como las descritas, por ejemplo, en las publicaciones EP 1.923.709 y US 2014/0167786, plantea, en efecto, unos problemas de regularidad de bobinado en los ángulos y afecta a la calidad de la bobina.
La sensibilidad del sensor de corriente varía, entonces, en función de la posición relativa del conductor primario en la ventana de paso delimitada por el sensor de corriente. Las irregularidades del bobinado en los ángulos de la bobina conllevan, igualmente, una peor inmunidad a los campos magnéticos externos, en particular, los que podrían crearse por un conductor primario vecino, posicionado en la proximidad de la bobina, lo que es siempre el caso en las instalaciones industriales que se tiene como propósito. En efecto, en general, hay tres conductores de fases cercanos, separados por un entre ejes que es, a menudo, del mismo orden de magnitud que las dimensiones de los conductores. A título de ejemplo, si los conductores primarios están constituidos por barras de 63 mm de ancho y estas barras están separadas por un entre ejes de 85 mm, el espacio libre entre dos barras consecutivas es igual a 22 mm. Por otro lado, cuando se está en presencia de fuertes corrientes, es frecuente utilizar varias barras rectangulares paralelas entre sí para cada fase. De este modo, la sección de paso para cada fase presenta necesariamente una forma rectangular. Por consiguiente, la utilización de bobinas circulares conduce a un espacio necesario del sensor de corriente mucho más importante que con unas bobinas rectangulares, hasta el punto, a veces, de hacer imposible la colocación del sensor de corriente, por el hecho de la proximidad de los conductores primarios de las otras fases.
La publicación WO 2013/037986 propone añadir en los sectores circulares de sus bobinas poligonales unas espiras adicionales para corregir, en parte, los defectos introducidos por la presencia de esquinas en estas bobinas poligonales. Pero esta solución no es óptima en cuanto a sensibilidad. En efecto, esta publicación propone recortar cada sector circular de la bobina en al menos dos bandas teóricas adyacentes por añadidura de espiras adicionales de anchura inferior a la anchura total de la bobina, para crear en cada una de las bandas teóricas una densidad media de espiras sustancialmente igual a la del tramo rectilíneo correspondiente. Por el hecho de este modo de construcción
de la bobina, el paso entre dos espiras consecutivas no es igual sobre el arco interior y sobre el arco exterior de la bobina, para una misma densidad media de espiras, este paso se reduce sobre el arco interior de la banda teórica interior de un sector circular, mientras que es mayor en el tramo rectilíneo correspondiente, que genera una densidad media de espiras en los tramos rectilíneos forzosamente inferior a la densidad media de espiras en una zona cercana al borde interior de los sectores circulares. Ahora bien, la sensibilidad de un sensor de corriente de este tipo está mayoritariamente determinada por la densidad de espiras en sus tramos rectilíneos, que, en este caso, es insuficiente, impactando negativamente en la precisión de la medición.
Por lo tanto, estas soluciones existentes no son satisfactorias.
Exposición de la invención
La presente invención tiene como propósito resolver este problema proponiendo un nuevo diseño de las bobinas de tipo Rogowski para sensor de corriente, estando estas bobinas realizadas en forma de circuito impreso, que presentan una forma sustancialmente poligonales, cuya sensibilidad de medición se maximiza, garantizando al mismo tiempo una buena inmunidad a las variaciones de posición del conductor primario con respecto al sensor de corriente, así como una buena inmunidad a las corrientes que atraviesan los conductores primarios vecinos, comparables a las de las bobinas circulares de tecnología similares y que ofrecen un espacio necesario reducido que permite la instalación de los sensores de corriente sobre unos conductores primarios muy cercanos los unos a los otros, así como una facilidad de integración en cualquier configuración de aparatos de medición.
Con esta finalidad, la invención se refiere a un sensor de corriente según la reivindicación 1.
De este modo, la regularidad del paso P entre espiras, tanto sobre el perímetro interior como sobre el perímetro exterior de la bobina eléctrica y la regularidad de la densidad media de espiras en toda la anchura de la bobina eléctrica, tanto en los tramos rectilíneos como en los sectores circulares, permiten a la vez maximizar la sensibilidad de medición del sensor de medición y minimizar la sensibilidad del sensor de medición a la posición del conductor primario y a la presencia de conductores vecinos.
En una segunda variante de realización, la bobina eléctrica puede incluir, en sus sectores circulares, unas primeras espiras adicionales y unas segundas espiras adicionales de anchuras respectivas diferentes que se extienden de dicho arco exterior hacia respectivamente un primer arco intermedio y un segundo arco intermedio dispuestos entre dicho arco interior y dicho arco exterior.
En una forma preferida de la invención, la bobina eléctrica está realizada en forma de un circuito impreso que incluye al menos una primera capa conductora y una segunda capa conductora, superpuestas, separadas entre sí por un núcleo aislante de un sustrato de dicha tarjeta electrónica, estando dichas primera y segunda capas conductoras conectadas entre sí por unos orificios de unión que atraviesan dicho sustrato para formar las espiras de dicha bobina eléctrica.
El sensor de corriente puede incluir un conductor de retorno que presenta una superficie plana sustancialmente igual a la de dicha bobina eléctrica para anular unos campos parásitos, estando dicho conductor de retorno realizado en forma de un circuito impreso que incluye al menos una tercera capa conductora, superpuesta a dicha bobina eléctrica y separada de ella por una capa aislante de dicho sustrato, estando dicho conductor de retorno conectado en serie a dicha bobina eléctrica por unos orificios de unión que atraviesan dicho sustrato.
En la forma de realización preferida, el sensor de corriente incluye dos bobinas eléctricas realizadas en forma de un circuito impreso que incluye al menos cuatro capas conductoras, siendo dichas bobinas eléctricas idénticas, opuestas, superpuestas, separadas entre sí por una capa central aislante del sustrato y conectadas en serie por unos orificios de unión que atraviesan dicho sustrato.
Este sensor de corriente según la invención puede incluir ventajosamente un blindaje eléctrico, que incluye al menos una capa conductora superior externa y una capa conductora inferior externa que recubre dicha bobina eléctrica y su conductor de retorno o dichas bobinas eléctricas y separadas de la o de las bobinas eléctricas y/o del conductor de retorno por una capa aislante adicional de dicho sustrato.
El blindaje eléctrico puede incluir, además, al menos una capa conductora lateral que recubre el canto de dicho sustrato, así como una carcasa conductora dispuesta alrededor de dicha unidad electrónica de acondicionamiento.
En otra forma de realización, el sensor de corriente según la invención puede incluir un circuito de medición de tensión dispuesto para medir la tensión aplicada al conductor primario. Este circuito de medición de tensión puede incluir al menos un electrodo de detección que rodea la ventana de paso prevista en dicha bobina eléctrica, estando dicho electrodo de detección empalmado a un potencial de referencia por un circuito RC y estando constituido por al menos una capa conductora lateral que recubre el canto del sustrato que rodea dicha ventana de paso.
Según la aplicación considerada, el sensor de corriente puede ser monofásico e incluir una ventana de paso para un conductor primario, estando dicha ventana de paso rodeada por al menos una bobina eléctrica o ser polifásico e incluir N ventanas de paso para N conductores primarios, estando cada ventana de paso rodeada por al menos una bobina eléctrica.
El sensor de corriente puede no incluir más que una sola tarjeta electrónica, provista de N ventanas de paso, estando las bobinas eléctricas correspondientes dispuestas sobre dicha tarjeta electrónica. Puede incluir, igualmente, al menos dos tarjetas electrónicas superpuestas, que incluyen cada una N ventanas de paso, estando dichas bobinas eléctricas correspondientes repartidas alternativamente sobre dichas tarjetas electrónicas.
En este caso, la unidad electrónica de acondicionamiento asociada a cada bobina eléctrica se puede disponer ventajosamente entre las dos tarjetas electrónicas, que forman intrínsecamente un blindaje eléctrico que protege las unidades electrónicas de acondicionamiento, lo que permite suprimir la carcasa conductora que forma blindaje indispensable en un sensor de corriente que no comprende más que una sola tarjeta electrónica
Descripción somera de los dibujos
La presente invención y sus ventajas aparecerán mejor en la siguiente descripción de varios modos de realización dados a título de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista en perspectiva de un sensor de corriente monofásico según la invención dispuesto alrededor de un conductor primario,
- la figura 2 es una vista desde arriba de una bobina eléctrica perteneciente al sensor de corriente de la figura 1, - la figura 3 es una vista en perspectiva de un sector circular del bobinado correspondiente a la bobina eléctrica de la figura 2,
- la figura 4 es una vista desde arriba de una variante de realización de la bobina eléctrica de la figura 2, - la figura 5 es una sección aumentada de un sustrato de circuito impreso del sensor de corriente de la figura 1, - la figura 6 es una sección aumentada de una variante de realización del sustrato de la figura 5,
- las figuras 7A y 7B son respectivamente una vista de frente y una vista de lado de un sensor de corriente polifásico y
- la figura 8 es una vista similar a la figura 6 de otra variante de realización del circuito impreso del sensor de corriente de la figura 1 que añade una función de medición de tensión.
Ilustraciones de la invención y diferentes maneras de realizarla
Con referencia a la figura 1, el sensor de corriente 1 es un sensor monofásico destinado a medir una corriente alterna que atraviesa un conductor eléctrico. Este conductor eléctrico corresponde a una fase de una instalación eléctrica y se llama comúnmente un conductor primario. En el ejemplo representado, el conductor primario 2 está constituido por dos barras conductoras 2a, 2b que tienen cada una la forma de un paralelepípedo rectángulo y que son paralelas entre sí. Este ejemplo no es limitativo. El conductor primario 2 puede estar constituido por una sola barra conductora, de sección cuadrada o rectangular, por más de dos barras conductoras paralelas, por un cable conductor o por un haz de cables conductores, de sección circular o cualquier otro tipo de conductor conocido, sea la que sea su sección. La composición y la sección del conductor primario están determinadas por la corriente alterna que debe vehicular.
Este sensor de corriente 1 incluye una carcasa 3 de la que solo se representa la parte inferior para mostrar el interior del sensor de corriente 1. Esta carcasa 3 encierra una tarjeta electrónica 4 que lleva al menos una bobina eléctrica 5 realizada en forma de un circuito impreso, una unidad electrónica de acondicionamiento 6 de la señal de la bobina eléctrica 5, llamada comúnmente un integrador y un bloque de terminales de empalme eléctrico 7 para conectar el sensor de corriente 1 a unos periféricos, tales como, a título de ejemplo, una central de supervisión de los parámetros de la instalación eléctrica. El sensor de corriente 1 puede formar parte integrante de un aparato de medición o ser independiente y estar incorporado directamente sobre el conductor primario 2. Unos ejemplos de aplicación se describen, por ejemplo, en las publicaciones WO 2015/150670 A1 y w O 2015/150671 A1 del mismo solicitante.
En el ejemplo representado, la tarjeta electrónica 4 incluye, además, una unidad de memoria 8 en la que están registrados los datos de calibración del sensor de corriente 1. La composición del sensor de corriente 1, tal como se describe e ilustra, puede, por supuesto, variar en función de las necesidades, de la configuración de la instalación eléctrica a vigilar y de los aparatos de medición y/o de supervisión. Las unidades 6 y 8, así como el bloque de terminales 7, están integrados en la tarjeta electrónica 4 que lleva la bobina eléctrica 5, pero pueden estar separados y empalmados a la bobina eléctrica 5 por cualquier sistema de conexión adaptado.
En el ejemplo ilustrado, la bobina eléctrica 5 tiene un contorno cerrado que se inscribe en un polígono que es, en el presente documento, rectangular. Este contorno sustancialmente poligonal de ángulos redondeados tiene la ventaja de requerir menos espacio necesario que un contorno circular, sobre todo, cuando el conductor primario 2 es poligonal. La bobina eléctrica 5 delimita en su centro una ventana de paso 9, igualmente, de contorno sustancialmente poligonal, atravesada por el conductor primario 2 posicionado preferentemente en la parte central de la ventana de paso 9 y perpendicularmente al plano de la bobina eléctrica 5. Así y todo, las características constructivas de la bobina eléctrica
5 que se describen más adelante permiten hacer el sensor de corriente 1 insensible a la posición relativa del conductor primario 2 con respecto a la bobina eléctrica 5 y a la proximidad de los conductores primarios vecinos, así como a los campos parásitos inducidos, si el conductor primario 2 no es perpendicular al plano de la bobina eléctrica 5.
Con referencia, más particularmente, a la figura 2, la bobina eléctrica 5 incluye N tramos rectilíneos TR de anchura L y N sectores circulares SC de misma anchura L, estando los tramos rectilíneos TR unidos de dos en dos por un sector circular SC.
En las figuras, el número N de tramos rectilíneos TR y de sectores circulares SC es igual a cuatro, puesto que el polígono en el que se inscribe la bobina eléctrica 5 es un rectángulo. Este ejemplo no es limitativo y el número N de tramos rectilíneos TR y de sectores circulares SC puede ser superior o inferior a cuatro. Cada sector circular SC está delimitado por un arco interior 10 de radio interior Ri y un arco exterior 11 de radio exterior Re donde Re=Ri+L. Los tramos rectilíneos TR están constituidos por espiras 12 regularmente separadas por un paso constante P y los sectores circulares SC están constituidos por espiras 12 separadas sobre el arco interior 10 por un paso constante igual al paso P y sobre el arco exterior 11 por un paso constante P1 superior al paso P. En efecto, están separadas entre sí por un ángulo dependiente del paso P y del radio interior Ri. En la figura 2, el paso P1 es sustancialmente igual a 2P.
El hecho de mantener un paso constante P entre dos espiras consecutivas 12 sobre el borde interior de la bobina eléctrica 5, tanto en sus tramos rectilíneos TR como en sus sectores circulares SC, permite garantizar una densidad de espiras constante en la zona cercana a este borde interior, que aporta una ventaja innegable desde el punto de vista de la inmunidad de la medición a las variaciones de posición del conductor primario 2 con respecto a la bobina eléctrica 5. En efecto, cuando un conductor primario 2 se acerca a los sectores circulares SC de la bobina eléctrica 5, en los que la densidad de espiras no puede ser constante sobre toda la anchura de la bobina, es, particularmente, importante mantener esta densidad de espiras constante en la zona cercana al borde interior, allí donde los gradientes de campo magnético son los más fuertes, puesto que es en esta zona donde las malas aproximaciones de la integral de Ampére tendrán más influencia.
En el ejemplo de la figura 2, la bobina eléctrica 5 incluye, en sus sectores circulares SC, unas primeras espiras adicionales 13 de anchura L1 inferior a la anchura L de las otras espiras 12, llamadas las espiras principales 12. Estas primeras espiras adicionales 13 se extienden del arco exterior 11 hacia un primer arco intermedio 14 de radio R1 dispuesto entre el arco interior 10 y el arco exterior 11. Están intercaladas entre las espiras principales 12, de tal modo que una espira adicional 13 está posicionada entre dos espiras principales 12 que restablecen el paso entre dos espiras consecutivas 12, 13 sobre el arco exterior 11 sustancialmente igual al paso P. De este modo, la densidad media de las espiras 12, 13 en los sectores circulares SC es sustancialmente igual a la densidad de espiras 12 en los tramos rectilíneos TR. La densidad media de espiras es el valor medio tomado sobre toda la anchura L de la bobina eléctrica 5 del número de espiras por unidad de longitud. El hecho de restablecer el paso entre dos espiras consecutivas 12, 13 sobre el arco exterior 11 sustancialmente igual al paso P entre dos espiras consecutivas 12 sobre el arco interior 10 aporta una ventaja innegable desde el punto de vista de la inmunidad de la medición a la presencia de conductores primarios externos y vecinos de la bobina eléctrica 5 por las mismas razones que las expuestas anteriormente. De este modo, la regularidad del bobinado obtenida por la invención permite minimizar la variación de sensibilidad del sensor de corriente 1 en función de la posición relativa del conductor primario 2 y aumentar su inmunidad a los conductores primarios externos y vecinos.
La figura 4 ilustra otra bobina eléctrica 50 del sensor de corriente 1 que es una variante de realización de la bobina eléctrica 5 de la figura 2. Las piezas idénticas llevan las mismas referencias alfanuméricas. Estando los sectores circulares SC definidos por un arco interior 10 y un arco exterior 11 de radios Ri y Re inferiores a los de la bobina eléctrica 5 de la figura 2, el paso P2 de las espiras principales 12 sobre el arco exterior 11 es superior al paso P1 y sustancialmente igual a 4P. En esta variante de realización, la bobina eléctrica 50 incluye, en sus sectores circulares SC, unas primeras espiras adicionales 13 de anchura L1 y unas segundas espiras adicionales 15 de anchura L2, siendo las dos anchuras L1 y L2 diferentes e inferiores a la anchura L de las espiras principales 12. Las primeras espiras adicionales 13 se extienden del arco exterior 11 hacia un primer arco intermedio 14 y las segundas espiras adicionales 15 se extienden del arco exterior 11 hacia un segundo arco intermedio 16, estando los dos arcos intermedios 14, 16 dispuestos entre el arco interior 10 y el arco exterior 11. Las primeras y segundas espiras adicionales 13, 15 están intercaladas entre las espiras principales 12, de tal modo que una primera espira adicional 13 enmarcada por dos segundas espiras adicionales 15 están posicionadas entre dos espiras principales 12 que restablecen el paso entre dos espiras consecutivas 12, 13, 15 sobre el arco exterior 11 sustancialmente igual al paso P.
Los dos ejemplos de realización de las bobinas eléctricas 5 y 50 según las figuras 2 y 4 no son limitativos y el número de espiras adicionales, así como su anchura L1, L2 y/o el número de arcos intermedios 14, 16 en los sectores circulares SC de dichas bobinas eléctricas no son restrictivos. Cuantos más arcos intermedios se añaden en los sectores circulares SC, de más libertad de disposición de las espiras adicionales se dispone para alcanzar una densidad media de espiras constante.
De una manera general, las diferentes anchuras L, L1, L2 de las espiras 12, 13, 15 están determinadas para minimizar la sensibilidad del sensor de corriente 1 a la posición del conductor primario 2, así como a las señales parásitas
producidas por un conductor exterior vecino. La determinación exacta de las diferentes anchuras L, L1, L2 se obtiene calculando la respuesta de la bobina eléctrica 5, 50 en función de la posición de un conductor primario 2 colocado en todas las posiciones esperadas, así como la respuesta de dicha bobina a un conductor exterior vecino colocado en contacto con el sensor de corriente 1 en todas las posiciones esperadas y minimizando a la vez el desvío de sensibilidad con respecto a una posición de referencia del conductor primario 2 y con respecto a un conductor exterior. En el marco de bobinas eléctricas 5, 50 situadas en el aire de sección rectangular y para un conductor primario circular 2, el cálculo de la respuesta de la bobina eléctrica 5, 50 se puede efectuar de manera analítica y de manera muy precisa, lo que hace posible la utilización de algoritmos de optimización para la búsqueda de la mejor elección para las diferentes anchuras de espiras L, L1, L2. De una manera general, el óptimo obtenido, de este modo, está cercano a una configuración en la que la densidad media de espiras tomada sobre toda la anchura de la bobina eléctrica 5, 50 en las secciones circulares SC es idéntica a la densidad de espiras en los tramos rectilíneos TR.
Las bobinas eléctricas 5 y 50, tales como se representan en las figuras 2 y 4, que incluyen unas espiras adicionales 13, 15 de anchura L1, L2 variable en los sectores circulares SC no se pueden realizar más que en forma de un circuito impreso y, en ningún caso, son realizables con las tecnologías convencionales de bobinado. A título de ejemplo no limitativo, para las bobinas eléctricas 5, 50 que utilizan esta configuración de espiras adicionales 13, 15, los valores óptimos de las anchuras L1 y L2 están, en estos ejemplos, cercanos a L1=0,113xL y L2=0,31xL.
Las figuras 5 y 6 ilustran una forma de realización del sensor de corriente 1 que incluye dos bobinas eléctricas 5, 50 idénticas y superpuestas, como se explica más adelante. Estas cifras se utilizan para describir la fabricación de una de las bobinas eléctricas 5, 50, que incluye dos capas conductoras 17, 18, llamadas primera capa conductora 17 y segunda capa conductora 18, superpuestas y separadas entre sí por un núcleo aislante espeso 19 de un sustrato 20 que forma parte integrante de la tarjeta electrónica 4. El sustrato 20 forma un soporte para las capas conductoras 17, 18. Por lo tanto, está realizado de material aislante, tal como, a título de ejemplo, una resina epoxi, una resina de poliimida o unos materiales a base de teflón. Las primera y segunda capas conductoras 17, 18 que están realizadas corrientemente de cobre están conectadas entre sí por unos primeros orificios de unión 21 que atraviesan el núcleo aislante 19 para formar las espiras 12, 13, 15 de la bobina eléctrica 5, 50, siendo estos orificios de unión 21 conductores. A tal efecto, los orificios de unión 21 están recubiertos en el interior por un manguito conductor 21a y rodeados en el exterior por una corona conductora 21b, en concreto, de cobre.
La formación de las espiras 12, 13, 15 se ilustra más en detalle en la figura 3 que muestra un ejemplo de bobinado de la bobina eléctrica 5 en uno de sus sectores circulares SC sin representar el sustrato 20 de la tarjeta electrónica 4 para facilitar la comprensión del dibujo. Cada espira 12, 13 que corresponde a una vuelta del bobinado incluye una primera hebra rectilínea B1 prevista en una de las capas conductoras 17, 18, un primer bucle de retorno B2 que atraviesa el sustrato 20 por un primer orificio de unión 21 perpendicular al sustrato 20, una segunda hebra rectilínea B3 prevista en la otra de las capas conductoras 17, 18, sustancialmente paralela a la primera hebra rectilínea B1 y un segundo bucle de retorno B4 que atraviesa el sustrato 20 por otro primer orificio de unión 21 perpendicular al sustrato 20, luego, una hebra de extremo inclinada B5 con respecto a la primera hebra rectilínea B1 de la siguiente espira 12, 13 separada de la espira anterior 12, 13 por un paso P. Por supuesto, cualquier otra forma de realización del bobinado de la bobina eléctrica 5 puede convenir. Las ventajas de una realización de este tipo en forma de un circuito impreso residen, como se ha visto esto anteriormente, en la regularidad de las espiras obtenidas 12, 13, 15, en la posibilidad de añadir unas espiras adicionales 13, 15 de anchuras diferentes, en la reproducibilidad en serie de dicho bobinado, en la optimización de este bobinado y en la inmunidad de la bobina eléctrica obtenida 5, 50 respecto a la variación de la posición del conductor primario 2 y de las corrientes parásitas generadas por los conductores vecinos. De este modo, es posible elegir un paso P lo más escaso posible para una tecnología de circuito impreso dada en los sectores circulares SC, que se despliega en los tramos rectilíneos TR con la finalidad de maximizar la sensibilidad de medición del sensor de corriente obtenido 1, 1' A título de ejemplo no limitativo, para unas pistas conductoras de una anchura de 150 pm que forman las espiras 12 y las espiras adicionales 13, 15 y unos orificios de unión 21 de un diámetro mínimo de 0,4 mm provistos de una corona conductora 21b dispuesta alrededor de los orificios de unión 21 de una anchura mínima de 175 |jm, el paso mínimo P es igual a 0,9 mm.
Como en todas las bobinas de Rogowski, si se conforma uno con tomar la tensión de salida directamente entre la entrada de la primera espira y la salida de la última espira de la bobina eléctrica 5, 50, el sensor de corriente 1 no funcionará correctamente más que para unos conductores primarios ortogonales 2 al plano de la bobina. Cualquier otra configuración creará unos campos ortogonales a la bobina eléctrica 5, 50 que serán captados por toda la superficie plana de la bobina. Para resolver este problema, se puede utilizar un conductor de retorno (no representado) que presente la misma superficie plana que la bobina eléctrica 5, 50 para anular esta respuesta por efecto diferencial. En una variante de realización simplificada (no representada), se puede utilizar un conductor de retorno que tenga exactamente el trazado de la proyección de la bobina eléctrica 5, 50 sobre el plano del circuito impreso. Una configuración de este tipo se puede obtener por medio de un circuito impreso de tres capas conductoras, estando el conductor de retorno realizado sobre una tercera capa conductora. Pero siendo una configuración de este tipo relativamente rara, esta se realizará, más bien, en cuatro capas conductoras. En este caso, el núcleo aislante espeso 19 del sustrato 20 lleva las primera y segunda capas conductoras 17, 18 de la bobina eléctrica 5, 50 y las tercera y cuarta capas conductoras externas forman el conductor de retorno. Estas tercera y cuarta capas conductoras externas están separadas de la bobina eléctrica 5, 50 respectivamente por una capa aislante delgada del sustrato 20. A continuación, este conductor de retorno se conecta en serie a la bobina eléctrica 5, 50 por unos orificios de unión que
atraviesan el núcleo aislante y las capas aislantes. Los términos "espeso" y "delgado" son relativos, pero permiten identificar el núcleo aislante 19 que lleva la bobina eléctrica 5, 50 del sensor de corriente 1 que es habitualmente más espeso que las otras capas aislantes más delgadas utilizadas para otros fines. El espesor de los aislantes en las bobinas eléctricas 5, 50 se elige en función de la sensibilidad buscada. Cuanto más espeso es el aislante, mejor es la señal obtenida. Por el contrario, el espesor de los aislantes entre las bobinas eléctricas o entre las bobinas eléctricas y el blindaje eléctrico se elige lo más escaso posible para limitar el espacio necesario global del sensor de corriente 1, 1'.
Sin embargo, este simple conductor de retorno no es plenamente eficaz más que para unos campos parásitos homogéneos. Se puede mejorar la inmunidad a los campos parásitos ortogonales acoplando dos bobinas eléctricas idénticas y en oposición 5, 50, es decir, cuyo bobinado se enrolla en sentido inverso. En este caso, los campos útiles se añaden y, como las dos bobinas presentan la misma sensibilidad a los campos ortogonales y están acopladas en oposición, estos campos parásitos se eliminan de manera casi perfecta. Una configuración de este tipo se obtiene ventajosamente por medio de un circuito impreso de cuatro capas conductoras 17, 18 según la figura 5. Cada bobina eléctrica 5, 50 está realizada por una primera capa conductora 17 y una segunda capa conductora 18 dispuestas a cada lado de un núcleo aislante espeso 19 atravesado por los primeros orificios de unión 21. Las dos bobinas eléctricas 5, 50 están superpuestas y separadas entre sí por una capa central aislante delgada 22 y están conectadas en serie por unos segundos orificios de unión 23 que atraviesan el núcleo aislante 19 y la capa central aislante 22.
Como en todas las bobinas de Rogowski, la bobina eléctrica 5, 50 es sensible, igualmente, a las perturbaciones por acoplamiento capacitivo entre el conductor primario bajo tensión 2 que vehicula la corriente alterna a medir y la bobina eléctrica 5, 50. Para eliminar este efecto, se dota el sensor de corriente 1 de un blindaje eléctrico 24. Con referencia, más particularmente, a la figura 6, este blindaje eléctrico 24 puede consistir en una capa conductora superior externa 25 y una capa conductora inferior externa 26 que recubre la o las bobinas eléctricas 5, 50 y/o el conductor de retorno y separadas de la o de las bobinas eléctricas 5, 50 y/o del conductor eléctrico de retorno respectivamente por una capa aislante adicional delgada 27, 28 del sustrato 20. Este blindaje eléctrico puede completarse por al menos una capa conductora lateral 29 que recubre los cantos del sustrato 20. La bobina eléctrica 5, 50 se encuentra, entonces, completamente encerrada en una jaula de Faraday y, de hecho, está enteramente protegida de los acoplamientos capacitivos.
La figura 8 ilustra otra forma de realización del sustrato 20 de la figura 6 que permite completar el sensor de corriente 1, 1' de la invención por un circuito de medición de tensión 40 dispuesto para medir la tensión V(t) aplicada al conductor primario 2. En esta forma de realización, la capa conductora lateral 29 del sustrato 20 de la figura 6, que rodea la ventana de paso 9 prevista en la bobina eléctrica 5, 50 para el conductor primario 2, puede constituir un electrodo de detección 41 de la tensión aplicada a dicho conductor primario 2. Este electrodo de detección 41, en lugar de estar empalmado a un potencial de referencia, como el del resto del blindaje eléctrico 24, está aislado del resto del blindaje eléctrico 24 y empalmado a un potencial de referencia, que puede ser el mismo que el del blindaje eléctrico 24 o cualquier otro potencial de referencia no necesariamente unido al blindaje, por un condensador 42 empalmado en paralelo a una resistencia 43. El aislamiento eléctrico del electrodo de detección 41 del resto del blindaje eléctrico 24 se obtiene por una zona de interrupción 44 en las capas conductoras correspondientes 17, 18, 25, 26 previstas sobre el sustrato 20 o por cualquier otro medio equivalente que cumpla la misma función. El condensador 42 puede presentar un valor típico de algunos cientos de picofaradios (pF) a algunas decenas de nanofaradios (nF) y la resistencia 43 un valor típico comprendido entre de algunas decenas de kiloohmios (kQ) a algunos megaohmios (MQ). El electrodo de detección 41 y el conductor primario 2 forman, de este modo, una capacitancia ilustrada por un condensador 45 representado en punteados en la figura 8 y de un valor comprendido entre una fracción de picofaradios y algunos picofaradios (pF). El conjunto formado por el electrodo de detección 41 y el montaje RC (condensador 42 condensador 45 resistencia 43) forma un filtro de paso alto de una frecuencia de corte que puede ir de algunas décimas de hercio a algunos cientos de hercios, según el tipo de procesamiento elegido para la señal de salida. Este filtro de paso alto forma, igualmente, un divisor de tensión que genera una tensión de salida V(t) en los terminales de la resistencia 43 que es una imagen de la tensión aplicada a dicho conductor primario 2 que se puede interpretar por una unidad de procesamiento. Unos ejemplos de aplicación se ilustran en las publicaciones WO 2015/150670 A1 y WO 2015/150671 A1 del mismo solicitante. Los valores de los condensadores 42, 45 y de la resistencia 43 no se dan más que a título indicativo y no son limitativos.
Como se está en presencia de una bobina de Rogowski de escasa sensibilidad, típicamente 10 pV/A para una corriente a medir de una frecuencia de 50 Hz, la unidad electrónica de acondicionamiento 6, que comprende, en general, un montaje amplificador de paso bajo del 1er orden, se debe disponer en la proximidad de la bobina eléctrica 5, 50 para limitar las influencias de los campos magnéticos parásitos en las conexiones entre la bobina eléctrica 5, 50 y dicha unidad electrónica de acondicionamiento 6. Una consecuencia de esta proximidad es la proximidad del conductor primario 2 que puede generar un acoplamiento capacitivo entre el conductor primario 2 y dicha unidad electrónica de acondicionamiento 6. Por lo tanto, es indispensable proteger esta unidad electrónica de acondicionamiento 6 por un blindaje eléctrico, que se puede realizar en forma de una carcasa conductora 30 que envuelve dicha unidad electrónica de acondicionamiento 6.
El sensor de corriente 1' puede ser, igualmente, un sensor polifásico, es decir, adaptado para medir la corriente alterna en una instalación eléctrica que incluye más de una fase, por lo tanto, más de un conductor primario 2. Las figuras 7A
y 7B ilustran un ejemplo de realización de un sensor de corriente trifásico 1'. En función del entre ejes de los conductores primarios 2 y del espacio necesario de las bobinas eléctricas 5, 50, puede ser interesante prever un sensor de corriente 1' provisto de dos tarjetas electrónicas 4a, 4b superpuestas, paralelas y separadas por un intervalo I para disponer ahí las bobinas eléctricas 5, 50 de manera alternada. Por ejemplo, la bobina eléctrica 5, 50 que corresponde al conductor primario del medio se puede disponer sobre la tarjeta electrónica trasera 4b, mientras que las otras dos bobinas eléctricas 5, 50 correspondientes a los conductores primarios de extremo se pueden disponer sobre la tarjeta electrónica delantera 4a. De este modo, el espacio necesario de las bobinas eléctricas 5, 50 ya no es un obstáculo y el sensor de corriente 1' puede adaptarse a cualesquiera configuraciones de aparato de medición polifásico y/o de instalación eléctrica multifásica. En este ejemplo de realización, las unidades electrónicas de acondicionamiento 6 dispuestas en la proximidad de sus bobinas eléctricas 5, 50 estarán posicionadas en el intervalo I existente entre las dos tarjetas electrónicas 4a, 4b. Este montaje particular presenta la ventaja de formar intrínsecamente un blindaje eléctrico que protege dichas unidades electrónica de acondicionamiento 6, que permite suprimir la carcasa conductora 30 necesaria en el sensor de corriente monofásico 1 ilustrado en la figura 1 y que no comprende más que una sola tarjeta electrónica 4.
Se pueden contemplar otras configuraciones para realizar un sensor de corriente polifásico 1' según la invención. Las bobinas eléctricas 5 y las ventanas de paso correspondientes 9 se pueden disponer sobre una misma tarjeta electrónica 4. En este caso, se pueden alinear, al tresbolillo o según una disposición cualquiera.
Posibilidades de aplicación industrial
El sensor de corriente 1, 1' que se acaba de describir es, por consiguiente, realizable por unas técnicas de fabricación de los circuitos impresos bien conocidas que permiten realizar unas bobinas eléctricas de tipo Rogowski de forma sustancialmente poligonal y optimizar la calidad de estas bobinas ofreciéndoles una inmunidad a los campos y corrientes parásitos equivalente a las bobinas circulares, teniendo las ventajas de la forma poligonal en cuanto a espacio necesario y a facilidad de implantación. De esta descripción se desprende claramente que la invención permite alcanzar las finalidades fijadas.
Así y todo, la presente invención no se limita a los ejemplos de realización descritos, sino que se extiende a cualquier modificación y variante evidentes para un experto en la materia, en el marco de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (17)
1. Sensor de corriente (1, 1') para medir una corriente alterna, incluyendo dicho sensor al menos una bobina eléctrica (5, 50), una unidad electrónica de acondicionamiento (6) de la señal de dicha bobina eléctrica y un bloque de terminales de empalme eléctrico (7), teniendo dicha bobina eléctrica (5, 50) un contorno cerrado que se inscribe en un polígono y que delimita en su centro una ventana de paso (9) para un conductor eléctrico atravesado por la corriente alterna a medir, este conductor llamándose conductor primario (2), incluyendo dicha bobina eléctrica (5, 50) N tramos rectilíneos (TR) de anchura L y N sectores circulares (SC) delimitados cada uno por un arco interior (10) de radio interior Ri y un arco exterior (11) de radio exterior Re, estando dichos tramos rectilíneos (TR) unidos de dos en dos por un sector circular (SC), estando dichos tramos rectilíneos (TR) constituidos por espiras (12) separadas entre sí por un paso constante P, incluyendo dicha bobina eléctrica (5, 50), además, en dichos sectores circulares (SC), unas espiras adicionales (13, 15) de anchura (L1, L2) inferior a la anchura de las otras espiras, llamadas espiras principales (12) y que se extienden de dicho arco exterior (11) hacia al menos un arco intermedio (14, 16) dispuesto entre dicho arco interior (10) y dicho arco exterior (11), estando dichas espiras adicionales (13, 15) intercaladas entre dichas espiras principales (12), caracterizado por que dicha bobina eléctrica (5, 50) está realizada en forma de un circuito impreso previsto sobre al menos una tarjeta electrónica (4), por que los N tramos rectilíneos (TR) y los N sectores circulares (SC) tienen una misma anchura (L), por que en dichos tramos circulares (SC), las espiras principales (12) están separadas entre sí sobre dicho arco interior (10) por un paso constante igual al paso P de dichos tramos rectilíneos (TR), por una parte, y las espiras principales (12) y adicionales (13, 15) están separadas entre sí sobre dicho arco exterior (11) por un paso sustancialmente igual al paso P de dichos tramos rectilíneos (TR), por otra parte, de modo que la densidad media de espiras es casi constante en toda dicha bobina eléctrica (5, 50) y por que dicho paso constante P se elija lo más escaso posible, para una tecnología de circuito impreso dada, en dichos sectores circulares (SC) y se despliega en dichos tramos rectilíneos (TR) para maximizar la sensibilidad de medición de dicho sensor de corriente (1, 1').
2. Sensor de corriente según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha bobina eléctrica (5) incluye, en sus sectores circulares (SC), unas primeras espiras adicionales (13) de anchura (L1) que se extienden de dicho arco exterior (11) hacia respectivamente un primer arco intermedio (14) dispuesto entre dicho arco interior (10) y dicho arco exterior (11).
3. Sensor de corriente según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha bobina eléctrica (50) incluye, en sus sectores circulares (SC), unas primeras espiras adicionales (13) y unas segundas espiras adicionales (15) de anchuras respectivas diferentes (L1) y (L2) que se extienden de dicho arco exterior (11) hacia respectivamente un primer arco intermedio (14) y un segundo arco intermedio (16) dispuestos entre dicho arco interior (10) y dicho arco exterior (11).
4. Sensor de corriente según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha bobina eléctrica (5, 50) está realizada en forma de un circuito impreso que incluye al menos una primera capa conductora (17) y una segunda capa conductora (18), superpuestas, separadas entre sí por un núcleo aislante (19) de un sustrato (20) de dicha tarjeta electrónica (4) y por que dichas primera y segunda capas conductoras (17, 18) están conectadas entre sí por unos orificios de unión (21) que atraviesan dicho sustrato (20) para formar las espiras (12, 13, 15) de dicha bobina eléctrica (5, 50).
5. Sensor de corriente según la reivindicación 4, caracterizado por que incluye un conductor de retorno que presenta una superficie plana sustancialmente igual a la de dicha bobina eléctrica (5, 50) para anular unos campos parásitos, estando dicho conductor de retorno realizado en forma de un circuito impreso que incluye al menos una tercera capa conductora, superpuesta a dicha bobina eléctrica (5, 50) y separada de ella por una capa aislante de dicho sustrato (20), estando dicho conductor de retorno conectado en serie a dicha bobina eléctrica (5, 50) por unos orificios de unión que atraviesan dicho sustrato (20).
6. Sensor de corriente según la reivindicación 4, caracterizado por que incluye dos bobinas eléctricas (5, 50) realizadas en forma de un circuito impreso que incluye al menos cuatro capas conductoras (17, 18), siendo dichas bobinas eléctricas (5, 50) idénticas, opuestas, superpuestas, separadas entre sí por una capa central aislante (22) del sustrato y conectadas en serie por unos orificios de unión (23) que atraviesan dicho sustrato (20).
7. Sensor de corriente según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que incluye un blindaje eléctrico (24).
8. Sensor de corriente según la reivindicación 7, caracterizado por que dicho blindaje eléctrico (24) incluye al menos una capa conductora superior externa (25) y una capa conductora inferior externa (26) que recubre dicha bobina eléctrica (5, 50) y su conductor de retorno o dichas bobinas eléctricas (5, 50) y separadas de la o de las bobinas eléctricas (5, 50) y/o del conductor de retorno por una capa aislante adicional (27, 28) de dicho sustrato (20).
9. Sensor de corriente según la reivindicación 7, caracterizado por que dicho blindaje eléctrico (24) incluye, además, al menos una capa conductora lateral (29) que recubre el canto de dicho sustrato (20).
10. Sensor de corriente según la reivindicación 7, caracterizado por que dicho blindaje eléctrico (24) incluye, además, una carcasa conductora (30) dispuesta alrededor de dicha unidad electrónica de acondicionamiento (6).
11. Sensor de corriente según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que es monofásico e incluye una ventana de paso (9) para un conductor primario (2), estando dicha ventana de paso (9) rodeada por al menos una bobina eléctrica (5, 50).
12. Sensor de corriente según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que es polifásico e incluye N ventanas de paso (9) para N conductores primarios (2), estando cada ventana de paso (9) rodeada por al menos una bobina eléctrica (5, 50).
13. Sensor de corriente según la reivindicación 12, caracterizado por que incluye una tarjeta electrónica (4), que incluye N ventanas de paso (9) y por que dichas bobinas eléctricas correspondientes (5, 50) están dispuestas sobre dicha tarjeta electrónica (4).
14. Sensor de corriente según la reivindicación 12, caracterizado por que incluye al menos dos tarjetas electrónicas (4a, 4b) superpuestas, que incluyen cada una N ventanas de paso (9) y por que dichas bobinas eléctricas correspondientes (5, 50) están repartidas alternativamente sobre dichas tarjetas electrónicas (4a, 4b).
15. Sensor de corriente según la reivindicación 14, caracterizado por que la unidad electrónica de acondicionamiento (6) asociada a cada bobina eléctrica (5, 50) está dispuesta en el intervalo (I) situado entre las dos tarjetas electrónicas (4), que forman intrínsecamente un blindaje eléctrico que protege dichas unidades electrónicas de acondicionamiento (6).
16. Sensor de corriente según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que incluye, además, un circuito de medición de tensión (40) dispuesto para medir la tensión aplicada a dicho conductor primario (2).
17. Sensor de corriente según la reivindicación 16, caracterizado por que dicho circuito de medición de tensión (40) incluye al menos un electrodo de detección (41) que rodea la ventana de paso (9) prevista en dicha bobina eléctrica (5, 50), estando dicho electrodo de detección (41) empalmado a un potencial de referencia por un circuito RC (42, 43, 45) y estando constituido por al menos una capa conductora lateral (29) que recubre el canto del sustrato (20) que rodea dicha ventana de paso (9).
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