Transductor Flux gate para la Medida de Corriente Continua y

Transductor Flux gate para la Medida de Corriente Continua y
Corriente Alterna de Bajo Consumo
G. Velasco*, M. Román*, R. Pérez*, F. Jerez**, P. Colomer** y V. Repecho**
* Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica Industrial de Barcelona (EUETIB – CEIB)
Departament d’Enginyeria Electrònica (DEE) – Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
** Departamento Técnico – Grupo Premo S.A.
Resumen — En este trabajo se presenta el diseño de un
sistema transductor para la medida de corriente continua y
de corriente alterna empleando la técnica de compensación
de flujo en el transformador de medida o Flux gate. El
sistema es capaz de medir corrientes de más de 700A con
un ancho de banda medido a −3dB de 100kHz.
Este equipo ha sido desarrollado en el marco del
convenio de colaboración suscrito entre la Escola
Universitària d’Enginyeria Tècnica Industrial de Barcelona
(EUETIB-UPC) y el Grupo Premo S.A., empresa española
especializada en componentes inductivos de alta calidad y
líder en el sector.
I. INTRODUCCIÓN
Diferentes métodos de medida de la corriente
eléctrica se han desarrollado a lo largo del tiempo
basados en principios puramente eléctricos, magnéticos,
ópticos o haciendo uso del comportamiento que
presentan algunos materiales frente a la presencia de un
campo magnético [1].
Cada uno de esos métodos es más o menos adecuado
según las características de la corriente a medir:
corriente continua, alterna, ambas a la vez, frecuencia,
valor, precisión, aislamiento, etc.
Seguidamente se hace un breve resumen de los
principales métodos utilizados para la medida de la
corriente eléctrica, sus principios y sus principales
ventajas y/o inconvenientes.
A. Shunt
El método se basa en la medida de la tensión que
aparece en una resistencia (shunt) debido al paso de la
corriente eléctrica, según la ley de Ohm.
Aunque el método es extraordinariamente sencillo y
apto para la medida en c.c. y c.a. con precisión, su gran
inconveniente es la falta de aislamiento entre el circuito
de potencia y el de medida, además del elevado consumo
de energía cuando las corrientes a medir son
importantes.
B. Transformador de corriente
Se fundamenta en principios exclusivamente
electromagnéticos y es un transformador de c.a. en
donde la corriente secundaria está relacionada con la
primaria según la relación del número de espiras.
Constructivamente consta de un núcleo toroidal, en
el que está el devanado secundario, mientras que el
devanado primario está formado por el propio conductor
sobre el que se va a hacer la medida de corriente.
El transformador está cuidadosamente concebido
para que la corriente magnetizante y las pérdidas en el
núcleo sean muy reducidas, de modo que no se
introduzcan errores apreciables en la medida.
Los principales atractivos de este método son la
sencillez y robustez, mientras que el principal
inconveniente es que solo es apto para la medida de c.a.
C. Transformador de Efecto Hall
El sensor Hall mide la tensión que aparece en un
semiconductor si existe un campo magnético
perpendicular al plano del material y circula una
corriente a lo largo de este material (efecto Hall).
El transformador consta de un núcleo magnético
toroidal, cortado para albergar a la sonda Hall, de modo
que el núcleo magnético se utiliza para encaminar el
campo magnético originado por la corriente a medir que
circula por el conductor que atraviesa al núcleo. Una
electrónica adicional hace el tratamiento de la señal
originada en la sonda Hall.
La principal ventaja de este sistema es que es capaz
de medir c.c. y c.a. hasta frecuencias del orden de
100kHz, con una precisión aceptable y con aislamiento
galvánico.
D. Transformador Rogowski
Tiene una estructura toroidal pero con un devanado
bobinado sobre un núcleo no magnético. A esta bobina
así formada se le denomina bobina de Rogowski y su
estructura puede ser rígida o flexible.
La corriente a medir, que circula por el conductor
que atraviesa la bobina Rogowski, genera en los
extremos de ésta una tensión proporcional a la velocidad
de variación de esa corriente y a la inductancia mutua
entre la bobina y el conductor. El valor de la corriente a
medir es proporcional a la integral de esa tensión.
La ventaja de este transductor está en que no hay
posibilidad de saturación del circuito magnético puesto
que es el aire, aunque no es útil para medida de c.c. y su
precisión y ancho de banda están condicionados por el
circuito integrador.
E. Transformador flux gate
Este transformador, con estructura física similar al
transformador Hall, se basa en la detección del estado de
saturación de un circuito magnético, constituido por
material de alta permeabilidad, que está inmerso en el
campo magnético a medir.
El material magnético es excitado por una señal que,
en ausencia de campo magnético exterior, lleva al
material a la saturación de forma simétrica, pero esta
simetría se pierde con la presencia del campo magnético
exterior.
La creación de un campo magnético compensador,
mediante la inyección de corriente en un devanado
auxiliar que restaure la simetría del ciclo de histéresis y
por lo tanto anule el campo magnético creado por la
corriente principal a medir, es una medida proporcional
a esa corriente principal.
Este sistema es apto para la medida de corrientes de
c.c. y c.a. con gran precisión y elevado valor, hasta
frecuencias del orden de 100kHz.
II. TRANSDUCTOR FLUX GATE – PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO
El término Flux gate hace referencia a un principio
de funcionamiento en que se basan gran número de
transductores para la medida de corriente con
aislamiento. En este tipo de transductores se detecta
mediante un sensor el campo magnético generado por la
corriente a medir.
De forma similar a los transductores basados en el
efecto Hall, los transductores Flux gate denominados
estándar utilizan un circuito magnético toroidal que
incluye un entrehierro con el elemento medidor de flujo
y un devanado secundario (NS).
La principal diferencia entre los transductores Hall y
los Flux gate estándar consiste en el elemento utilizado
para medir el flujo que recorre el circuito magnético. En
el primer caso se utilizan las denominadas células Hall
frente a los inductores saturables que se usan en el
segundo caso (Fig. 1a).
F. Otros métodos de medida
Hasta ahora se han relatado los métodos más
importantes utilizados para la medida de la corriente
eléctrica, todos ellos basados en la detección del campo
magnético creado por esa corriente, a excepción de la
medida directa mediante un shunt.
Otros principios físicos se pueden utilizar basados en
la sensibilidad de las propiedades de la materia ante la
presencia de campos magnéticos, como son los sensores:
magnetoresistivos, magneto-ópticos, magneto diodo,
magneto transistor, superconductores, etc. [2] y [3].
G. Comparación entre los métodos expuestos
En la Tabla I se presenta una comparativa entre los
diversos transformadores de corriente descritos
anteriormente, utilizando unos parámetros que
determinan las prestaciones y campo de aplicación más
adecuado de cada uno de ellos.
Fig. 1. Estructura de un transductor Flux gate a) estándar y
b) sin gap en el camino magnético.
Un tipo de transductor Flux gate no estándar, y en el
que se basa el transductor propuesto en este trabajo,
utiliza el propio núcleo toroidal como parte del elemento
detector de flujo, de forma que no incluye ningún gap en
el camino magnético creado. Al núcleo utilizado se le
añade un devanado auxiliar (NA) de forma que el
conjunto núcleo-devanado se utiliza como el inductor
saturable detector de flujo (Fig. 1b).
TABLA I – COMPARACIÓN DE MÉTODOS PARA LA MEDIDA DE CORRIENTE
Parámetro
Medida cc/ca
Ancho de banda
Aislamiento
Linealidad
Precisión
Offset
Alta corriente
Saturación
Influencia temp.
Consumo
Dimensiones
Shunt
cc/ca
bajo
no
alta
media
si
mal
no
media
alto
muy pequeñas
Transf.
corriente
ca
bajo
si
alta
media
no
medio
si
bajo
bajo
pequeñas
Transf.
Hall
cc/ca
medio
si
media
media
si
medio
si
alto
bajo
pequeñas
Transf.
Rogowski
ca
medio
si
alta
media
no
bien
no
muy bajo
bajo
medias
Transf.
Flux gate
cc/ca
alto
si
muy alta
muy alta
no
muy bien
no
bajo
medio
medias
III. TRANSDUCTOR FLUX GATE
NO ESTÁNDAR
Cuando el devanado secundario es excitado con la
corriente necesaria para que el elemento medidor de flujo
detecte un flujo nulo por el circuito magnético, se dice
que el transductor trabaja con flujo cero y entonces se
verifica que la corriente impuesta por el devanado
secundario (IS) es una copia de la corriente primaria a
medir (IP). La relación entre la corriente primaria y la
secundaria viene dada por (1), donde NS es el número de
espiras del devanado secundario.
IP = NS ⋅ IS
(1)
El principio básico de funcionamiento de estos
transductores se resume en la Fig. 2.
Fig. 2. Principio básico
transductores Flux gate.
de
funcionamiento
de
los
La detección de la condición de flujo cero en el
camino magnético del transductor se basa en el cambio de
valor de la inductancia del inductor saturable formado por
el núcleo utilizado y el devanado auxiliar.
Este inductor saturable se diseña para que tenga una
respuesta en corriente abrupta ante un escalón de tensión,
este efecto se consigue utilizando para el núcleo
materiales magnéticos que también presenten una
característica magnética abrupta.
En la Fig.3 se representan las curvas B-H de dos
inductores, uno construido con núcleo de ferrita y otro
empleando un núcleo de material nanocristalino, donde se
aprecia que será este segundo tipo de material el más
adecuado para la aplicación propuesta.
Fig. 3.
Característica B-H de inductores con núcleos de
ferrita (en verde) y nanocristalino (en violeta).
En ausencia de corriente IP, el flujo por el núcleo del
inductor saturable es nulo. Si en estas condiciones se le
aplica una tensión de excitación cuadrada, la respuesta en
corriente será del tipo a la mostrada por la Fig. 4.
Fig. 4.
Tensión de excitación y corriente por el devanado
auxiliar en condiciones de flujo cero.
En la evolución de la corriente podemos distinguir dos
zonas diferenciadas: (a) Para pequeños valores de
corriente su variación es lenta ya que el inductor
saturable presenta una elevada inductancia cuando no está
saturado; (b) Cuando la corriente por el inductor alcanza
valores próximos a los de saturación su variación pasa a
ser rápida debido a la fuerte caída del valor de la
inductancia al saturarse el núcleo.
En el caso de que el flujo magnético por el núcleo sea
distinto de cero debido a la presencia de una corriente IP,
la respuesta en corriente del inductor saturable frente a la
aplicación de escalones de tensión será del estilo a la
mostrada por la Fig. 5.
Fig. 5. Tensión de excitación y corriente por el devanado
auxiliar en condiciones de flujo distinto de cero.
Ahora en la evolución de la corriente podemos
distinguir tres zonas distintas: (a) Para pequeños valores
el campo magnético debido a IP es el dominante llevando
el núcleo a la saturación lo que implica pequeños valores
de inductancia y la consecuente rápida variación de la
corriente; (b) Cuando la corriente por el inductor alcanza
el valor que crea un campo magnético igual pero opuesto
al generado por la corriente IP (condición de flujo cero),
disminuye el nivel de saturación del núcleo, la
inductancia pasa a ser elevada y, en consecuencia, la
variación de la corriente pasa a ser lenta; (c) Si la
corriente por el inductor continua aumentado, el campo
magnético que generará pasará a ser dominante, llevando
de nuevo al núcleo a la saturación, lo que implica una
nueva disminución del valor de la inductancia y la
consecuente elevada variación en la corriente.
El efecto de la corriente a medir IP sobre la corriente
que circulará por el devanado auxiliar (NA) cuando se le
aplique una tensión de excitación cuadrada, se traduce en
que su valor medio pasará a ser distinto de cero. El valor
medio alcanzado y su signo dependerán del valor
concreto y de la dirección de la corriente IP.
IV. TRANSDUCTOR FLUX GATE DISEÑADO
El transductor diseñado funciona en lazo cerrado, de
acuerdo con el esquema general mostrado en la Fig. 2,
siendo la condición de valor medio nulo de la corriente
por el devanado auxiliar la que se utiliza para determinar
la condición de flujo cero en su núcleo. El principio
básico de funcionamiento del transductor diseñado se
muestra en la Fig. 6.
De acuerdo con el transformador de medida descrito
anteriormente, el diagrama de bloques que representa el
sistema de medida diseñado es el mostrado en la Fig. 8.
Fig. 8. Diagrama de bloques que describe el transductor Flux
gate diseñado.
Fig. 6. Principio básico de funcionamiento del transductor
Flux gate diseñado.
Un inconveniente que presenta esta estructura es la
posible inyección de ruido sobre la corriente primaria a
medir (IP) ruido procedente de la corriente auxiliar (IA), y
que se puede acoplar en la corriente primaria debido al
efecto transformador producido en el núcleo magnético
del transductor.
La solución habitualmente adoptada para evitar dicho
fenómeno consiste en el uso de un segundo núcleo con un
nuevo devanado auxiliar, ambos, núcleo y devanado,
idénticos a los ya utilizados [4].
Ahora el devanado secundario (NS) sobre el que se
aplica la corriente de compensación de flujo en el
transductor será común a ambos núcleos.
La misión de este segundo conjunto núcleo-devanado,
que no es más que un segundo inductor saturable, es la de
compensar el ruido inyectado en la corriente primaria por
el primer inductor saturable utilizado. Si el segundo
inductor saturable (NA2) se excita con una corriente igual
pero de sentido contrario a la utilizada para excitar al
primero (NA1), las corrientes inducidas sobre el conductor
que transporta la corriente primaria a medir (IP) serán
iguales y de sentido contrario, cancelándose su efecto.
La estructura del transformador de medida que se ha
utilizado para desarrollar el transductor descrito es la que
se muestra en la Fig. 7.
Fig. 7. Estructura del transformador de medida de un
transductor Flux gate con dos núcleos.
A continuación se describe de forma un poco más
detallada cada uno de estos bloques.
A. Generador de señales para la excitación de los
devanados auxiliares
Se basa en un circuito comparador con histéresis (o
trigger de Schmitt) que cambiará el valor de la tensión de
su salida cuando la corriente que circule por el devanado
de excitación principal (IA) supere un determinado valor
umbral.
De esta forma se incluye el componente magnético de
medida en el circuito oscilador, lo que implica que las
características eléctricas de este componente influirán en
la frecuencia de oscilación a la que trabajará el circuito
generador de señales cuadradas.
En el transductor construido, esta frecuencia es de
unos 300Hz aproximadamente.
B. Detector de simetría de la corriente auxiliar IA
Como ya se describió anteriormente, en ausencia de
corriente primaria a medir (IP) el valor medio de la
corriente de excitación (IA) es nulo, y el efecto producido
por la circulación de una corriente primaria es la
aparición de un valor medio distinto de cero y de signo
dependiente del sentido de circulación de la corriente
primaria.
Se propone el uso de un controlador PI para el ajuste
automático del valor de la corriente del devanado
secundario (IS) para conseguir que la corriente del
devanado de excitación principal tenga valor medio nulo.
Este control tan simple no puede garantizar el correcto
funcionamiento del sistema de medida cuando a su puesta
en marcha ya está circulando una corriente primaria a
medir (IP) de valor moderado, ya que en estas condiciones
los dos inductores saturables ya se encuentran saturados.
Una corriente primaria circulando por el sistema de
medida en condiciones de flujo no nulo produce que la
corriente del devanado de excitación principal (IA) sea de
frecuencia elevada (algunas decenas de kHz) y de valor
medio distinto de cero, con signo independiente del
sentido en que circule la corriente primaria a medir (IP).
Para solventar este inconveniente se ha dotado al
sistema de un segundo lazo de control que garantice que
se alcance la condición de flujo cero con independencia
del valor que pueda tomar la corriente primaria (IP) a la
puesta en marcha del equipo.
Este nuevo lazo también aumentará la robustez del
sistema ante posibles situaciones en que se presente un
mal funcionamiento transitorio, ya que garantiza que se
alcanzarán de nuevo las condiciones de equilibrio.
Este segundo lazo se basa en la propiedad mencionada
anteriormente de que la frecuencia de la corriente del
devanado de excitación principal (IA) es de alta frecuencia
cuando el sistema no está compensado y es de baja
frecuencia cuando el sistema opera en las proximidades
del punto de flujo cero.
El segundo lazo incorpora un oscilador de señal
triangular de baja frecuencia, un detector de frecuencia
para la corriente de excitación (IA) y un conmutador
analógico controlado por el detector de frecuencia.
Mientras que el sistema de medida no opere en
condiciones de flujo cero la entrada del driver de
corriente de compensación (IS) estará conectada al
generador se señales triangulares de baja frecuencia. Esta
señal a la entrada del driver garantizará que en algún
momento se alcanzará un valor de corriente por el
devanado de compensación (IS) próximo al necesario para
alcanzar la condición de flujo cero en el transformador de
medida. Cuando esto ocurra, la frecuencia de la corriente
del devanado de excitación principal (IA) disminuirá,
situación que es detectada para conectar a la entrada del
driver de corriente de compensación el controlador PI
propuesto originalmente.
C. Indicador de medida válida
Se ha aprovechado la salida del circuito detector de
pico para activar un indicador de medida válida.
Este indicador se activará cuando se detecte que la
corriente por el devanado de excitación principal sea de
baja frecuencia, efecto que se producirá cuando el sistema
funcione en condiciones de flujo cero.
Se ha optado por un LED como indicador visual y por
un relé con circuito conmutado de salida como elementos
para indicar que se ha alcanzado la condición de flujo
cero y que la medida realizada será válida.
Se basa en un modulador de anchura de pulso, o
PWM, que genera una tensión cuadrada de salida de valor
medio proporcional a la señal de salida del sistema
detector de simetría de la corriente de excitación (IA).
La señal cuadrada de salida del modulador PWM se
aplica al devanado de compensación (NS) a través de un
driver de corriente construido en base a un inversor de
medio puente.
La inductancia del propio devanado NS filtrará la
corriente que circulará por él, de forma que la tensión de
salida del sistema, medida en una resistencia de shunt
conectada en serie con este devanado, será proporcional a
la corriente primaria a medir.
E. Medida de corrientes de A.F.
El sistema de medida propuesto, basado solamente en
el principio Flux gate, solamente es apto para la medida
en c.c. o en c.a. a bajas frecuencias, ya que el sistema de
detección de flujo nulo trabaja a unos 300Hz.
Para a medida de c.a. de alta frecuencia, y para
conseguir un adecuado comportamiento dinámico ante
variaciones rápidas de corriente, se utiliza un tercer
núcleo, que es abrazado únicamente por el devanado de
compensación y que actúa exclusivamente como un
transformador de corriente convencional, pero con
compensación añadida mediante un devanado arrollado
en este núcleo, que garantiza flujo nulo. Lo cual hace que
su precisión esté considerablemente mejorada respecto a
un simple transformador de corriente convencional.
F. Fuente de alimentación
Las tensiones de alimentación del transductor se
obtienen a partir de un convertidor DC/DC con estructura
flyback. De esta forma obtienen dos tensiones de salida
estables (una de positiva de +12V y otra negativa de
−12V) a partir de una única tensión de entrada que puede
estar comprendida entre 10V y 30V.
V. RESULTADOS EXPERIMENTALES
La Fig. 9 muestra el aspecto final del prototipo
construido, apreciándose el transformador de medida
usado, la placa PCB con la electrónica utilizada y la caja
diseñada para contener el sistema de medida.
D. Driver para generar la corriente de compensación
Este circuito es el que se utiliza para generar la
corriente que circulará por el devanado secundario de
compensación (NS).
Para su realización se ha utilizado un amplificador
conmutado o clase D. Estos amplificadores presentan la
ventaja de su alto rendimiento frente a las etapas
amplificadoras lineales, aunque añaden la distorsión
harmónica propia de su frecuencia de conmutación.
Fig. 9.
El medidor Flux gate diseñado.
En cuanto a medidas de corriente realizadas por el
equipo diseñado, presentamos algunos de los resultados
obtenidos en tres tipos distintos de medidas.
En los dos primeros casos se han arrollado sobre el
transformador de medida 35 espiras con el conductor
principal, de forma que la corriente medida por el
transductor será 35 veces superior al valor real de IP.
La corriente IP se mide en un shunt de 3mV/A, y la
corriente IS generada por el medidor diseñado se mide
sobre una resistencia de 1Ω, y como se han utilizado 1000
espiras para NS, la tensión de salida de nuestro
transductor será de 1mV/A.
Fig. 12. Medida de corriente alterna de 50Hz.
VI. CONCLUSIONES
A. Medida de corriente continua
La Fig. 10 muestra el resultado de la medida de una
corriente continua de 525A realizada con el shunt descrito
(CH3) y con transductor diseñado (CH2).
Fig. 10. Medida de corriente continua.
B. Medidas de corrientes de elevada frecuencia
La Fig. 11 muestra el resultado de la medida de una
corriente cuadrada de 350A de amplitud y 1kHz de
frecuencia realizada con el shunt descrito (CH3) y con el
transductor diseñado (CH2)
Se ha diseñado un transductor para la medida de
corrientes continuas y alternas basado en la tecnología
Flux gate.
Tanto la alimentación del equipo como el driver
encargado de generar la corriente de compensación (IS) se
basan en etapas convertidotas DC/DC de elevado
rendimiento, lo que garantiza el bajo consumo del sistema
diseñado si se compara con las soluciones existentes en el
mercado.
Como principales características del sistema diseñado
podemos remarcar las siguientes:
• Corriente primaria máxima: 700A
• Rango de corriente primaria: 0 a 700A AC o DC
• Ancho de banda a (-3dB): DC a 100kHz
• Ratio de conversión: 1:1000
• Tensión de alimentación: de 10V a 30V DC
Para obtener una caracterización más detallada del
transductor descrito consultar la referencia DCT-700A
del catálogo general de productos del Grupo Premo S.A.
[5] accesible online en: www.grupopremo.com.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el
programa PROFIT del Ministerio de Industria a través del
proyecto con referencia: FIT-330100-2006-20.
REFERENCIAS
[1]
[2]
Fig. 11. Medida de corriente cuadrada de 1kHz.
[3]
C. Medida de corrientes a frecuencia de red
Finalmente, la Fig. 12 muestra el resultado de la
medida de una corriente sinusoidal de 400A de pico y de
frecuencia de red, realizada por el transductor diseñado.
[4]
[5]
James E. Lenz "A Review of Magnetic Sensors"
Proceedings of the IEEE, vol.78, no. 6, pp. 973-989, June
1990.
Erik R. Olson, Robert D. Lorenz, “Integrating Giant
Magnetoresistive Current and Thermal Sensors in Power
Electronic Modules” Applied Power Electronics
Conference and Exposition, 2003. APEC '03, Eighteenth
Annual IEEE, vol.2, pp. 9-13 Feb. 2003.
Emerging Technologies Working Group and Fiber optic
Sensors Working Group, “Optical Current Transducers for
Power Systems: A review”," IEEE Trans. on Power
Delivery vol. 9, no. 4, pp. 1778-1787, October 1994.
T. Sonoda, R. Ueda & K. Koga. “An ac and dc Current
Sensor of High Accuracy”. IEEE Transactions on Industry
Applications. Vol. 25 nº 5. 1992.
Grupo Premo S.A. “II - Catálogo General”. 2007.
www.grupopremo.com