Transductor Flux gate para la Medida de Corriente Continua y Corriente Alterna de Bajo Consumo

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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 Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica 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.


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.

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).


 


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

Shunt

Transf. corriente

Transf.

Hall

Transf.

Rogowski

Transf.

Flux gate

Medida cc/ca

cc/ca

ca

cc/ca

ca

cc/ca

Ancho de banda

bajo

bajo

medio

medio

alto

Aislamiento

no

si

si

si

si

Linealidad

alta

alta

media

alta

muy alta

Precisión

media

media

media

media

muy alta

Offset

si

no

si

no

no

Alta corriente

mal

medio

medio

bien

muy bien

Saturación

no

si

si

no

no

Influencia temp.

media

bajo

alto

muy bajo

bajo

Consumo

alto

bajo

bajo

bajo

medio

Dimensiones

muy pequeñas

pequeñas

pequeñas

medias

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.

 

 

(1)


El principio básico de funcionamiento de estos transductores se resume en la Fig. 2.

 


 
Fig. 2.    Principio básico de funcionamiento de los transductores Flux gate.

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.
 


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.

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.

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.


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.
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. 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.


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.


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)
 


 
Fig. 11.    Medida de corriente cuadrada de 1kHz.


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.


 
Fig. 12.    Medida de corriente alterna de 50Hz.


VI. CONCLUSIONES
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]    James E. Lenz "A Review of Magnetic Sensors" Proceedings of the IEEE, vol.78, no. 6, pp. 973-989, June 1990.
[2]    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.
[3]    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.
[4]    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.
[5]    Grupo PREMO S.A. “II - Catálogo General”. 2007.  www.grupopremo.com

Transductor Flux gate para la Medida de Corriente Continua y Corriente Alterna de Bajo Consumo
M. Román*, G. Velasco*, R. Pérez* y F. Jerez**
* Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica Industrial de Barcelona (EUETIB – CEIB)
Departamento de Ingeniaría Electrónica (EEL) - Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
** Grupo PREMO S.A.

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