Núcleo nanocristalino para sensor de corriente, contadores de energía de una y de doble fase y sondas de corriente que los incorporan.

Núcleo enrollado nanocristalizado sin entrehierro localizado, constituido por un material nanocristalino de composición atómica:

**Fórmula**

siendo a ≤ 0,3, 0,6 ≤ x ≤ 1,5, 10 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 14, 2 ≤ α ≤ 6, β; ≤ 7, γ ≤ 8, siendo M' por lo menos uno de los elementos V, Cr, Al y Zn, siendo M" por lo menos uno de los elementos C, Ge, P, Ga, Sb, In y Be, presentando una inducción remanente inferior a 0,02 T y una frecuencia de corte superior a 1 MHz,

estando dicho núcleo caracterizado por que presenta una permeabilidad μ superior a 1000 e inferior o igual a 4000, una saturación de más de 1 T, un intervalo de inducción en el que la permeabilidad no varía en más del 5% superior a 0,9 T, por que es tal que μ medida a 20ºC varía en menos del 1% cuando el núcleo es sometido a un envejecimiento de 100 h a 120ºC, el coeficiente de magnetostricción de dicho núcleo es, en valor absoluto, inferior a 2 ppm, μ varía en menos del 15% cuando la temperatura varía entre -25ºC y +60ºC, y en menos del 25% cuando la temperatura varía entre -40ºC y +120ºC, por que μ varía de manera monótona y casi lineal con la temperatura entre -40ºC y +120ºC, y por que el contenido en níquel es inferior al 4,5%.

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DESCRIPCIÓN

Núcleo nanocristalino para sensor de corriente, contadores de energía de una sola fase y de doble fase y sondas de corriente que los incorporan.

La invención se refiere a un núcleo magnético utilizado para la fabricación de un componente inductivo, de tipo sensor de corriente.

En el caso de componentes para sensor de corriente y en particular para sensor de corriente alterna, que comprenden eventualmente una componente continua superpuesta significativa, es necesario disponer de núcleos que presenten unas permeabilidades reducidas para no saturar el núcleo, sin ser, no obstante, demasiado débiles para conservar una buena precisión de medición del sensor. Los rendimientos del sensor deben ser estables bajo campos de polarización elevados y en un intervalo de temperatura lo más grande posible y, en determinados casos, en una banda de frecuencia amplia.

Unos sensores de corriente de este tipo se aplican en particular en los transformadores de contadores de energía eléctrica, que al mismo tiempo aíslan todo el dispositivo de la red de carga en tensión y proporcionan la señal eléctrica que sirve para medir la energía.

Un transformador de corriente con conexión directa a la corriente de carga (de tipo 1 según la norma IEC 1026; a lo largo de todo el documento, cuando se hace referencia a esta norma, se hace referencia a su edición anterior, pero la más próxima al 30.10.2004) comprende una sola fase, que adopta la forma de un núcleo que acumula al mismo tiempo las funciones de transformador-aislador y de sensor de corriente para medir la energía. Tal como se puede observar en la figura 1, un transformador de este tipo designado en general por 1 en la figura 1, está constituido en general por tres partes:

- un circuito magnético tórico (no visible directamente en la figura) para minimizar las fugas magnéticas, -un devanado primario 2 de N1 espiras de resistencia R1 que a menudo se reduce a un simple conductor que atraviesa el núcleo (N1 = 1) y recorrido por una corriente i1, -un devanado secundario 3 de N2 espiras de resistencia R2 (del orden de 2500 en general) recorrido por una corriente i2.

Un sensor de corriente es muy preciso para medir la energía si el desfase entre corriente y tensión es muy pequeño, y si la relación entre las corrientes primaria y secundaria es lo más lineal posible. Esto se obtiene en particular mediante una inductancia magnetizante AL lo más elevada posible, lo que implica que se dispone de un número muy grande de espiras secundarias N2, pero también de una permeabilidad μ lo más elevada posible. En efecto, haya o no una componente continua superpuesta ICC a la corriente alterna a medir I1, el conjunto de estas corrientes no tiene que llevar el núcleo a la proximidad de la zona de saturación, ya que entonces la relación B-H ya no sería del todo lineal. Si se denomina Î"B a la extensión del intervalo de inducción en el que la relación B-H es aproximadamente lineal, el campo crítico que se debe superar so pena de saturación es entonces Î"B/μmaxy la condición de no saturación que se deriva de ello es la siguiente:

** (Ver fórmula) **

Esto significa que cuanto más aumente la corriente máxima admisible a medir Imax, más se deberá disminuir la permeabilidad del material para escapar a la saturación.

En la práctica, para los calibres de medición más pequeños (de 5 a 50 A según la norma) a los que se superponen eventuales componentes continuas, se utiliza una estructura de sensor de una sola fase y un núcleo magnético de aleación amoría a base de cobalto.

Para los calibres de corriente de carga superiores a 50 A, a los que se superponen eventuales componentes continuas, la norma recomienda una estructura de doble fase tal como la representada en la figura 2, con transformador de corriente en la parte delantera designado en general por 4, encargado de aislar y de eliminar la componente continua de manera similar al del caso anterior, y un sensor de corriente de alta sensibilidad designado en general por 5, en derivación del transformador. Como este último evita cualquier riesgo de saturación en el sensor, resulta muy interesante utilizar un núcleo magnético de permeabilidad muy alta.

Otra aplicación típica de estos sensores de corriente es el control de corriente de los componentes activos de potencia (IGBT, GTO, tiristor...) para los dispositivos de potencia media y alta. Este tipo de aplicación requiere que el sensor pueda medir corrientes que varían muy rápido y a menudo en el tiempo y, por tanto, que disponga de una gran dinámica de medición, que abarque un intervalo de frecuencia de medición lo más grande posible, normalmente de por lo menos 1 MHz. El sensor con mejor rendimiento es el que presenta la máxima precisión y E05814925

dinámica de medición para un volumen ocupado global lo más reducido.

Para dichos equipos, se utilizan estructuras de doble fase similares a la que se acaba de describir, con un transformador de corriente en la parte delantera de permeabilidad equivalente reducida y un sensor de corriente en 5 derivación basado en un núcleo magnético de alta permeabilidad y gran estabilidad en frecuencia tal como un núcleo nanocristalino convencional de alta permeabilidad (μ>20000) .

Los rendimientos exigidos para los núcleos de transformador de sensor de corriente expuestos, ya sea de componentes fuertes de corriente continua superpuesta (aplicación como contador de energía) , ya sea de variaciones de corriente fuertes y rápidas (aplicación para la medición armónica de tipo sonda de corriente para el control de los componentes activos de potencia) son esencialmente los mismos y se pueden resumir de la siguiente manera:

- El núcleo del componente inductivo debe presentar una buena estabilidad térmica de sus propiedades magnéticas, lo cual permite en particular elevar más la temperatura límite de funcionamiento del componente y disponer de una precisión de medición poco dependiente de la temperatura de funcionamiento. Esta estabilidad en temperatura es normalmente del orden de algunos % de variación de permeabilidad entre -40º C y +60º C.

- Debe presentar además un envejecimiento reducido en atmósferas que pueden superar los 100º C.

- La permeabilidad bajo el campo alterno del núcleo magnético debe estar limitada a un nivel de permeabilidad tal que el material no pueda saturarse bajo el efecto conjugado de la componente alterna fundamental, de sus armónicos eventuales (caso de la alimentación de un semiconductor de potencia) y de la componente continua superpuesta eventual. Para la utilización en un transformador utilizado en un contador de energía, se preferirá más particularmente una permeabilidad magnética relativa inferior a 4000, y preferentemente inferior a 3000 aunque manteniéndose superior a 200, incluso a 300.

- La solución magnética utilizada no debe comprender ningún entrehierro localizado, de manera que limite la sensibilidad a las radiaciones electromagnéticas parásitas. Esto permite asimismo evitar tener que utilizar un blindaje.

- Asimismo, es necesario buscar una inducción de saturación Bs que sea elevada, con el fin de miniaturizar el sensor y/o mejorar su precisión. Se preferirán en particular los núcleos que presenten una inducción de 35 saturación Bs superior o igual a 1 T, incluso superior a 1, 2 T.

- Para los transformadores de corriente destinados a trabajar bajo componente continua superpuesta, es deseable disponer de una "fuerte linealidad B-Hâ??, es decir una relación entre B y H lo más lineal posible en un intervalo importante de inducción Î"B: se pretende una variación máxima de μ en este intervalo de como mucho algunos %. En efecto, cuanto más elevado sea Î"B, con un intervalo de corriente de polarización Iccmax constante, más se podrá aumentar la permeabilidad y por tanto la precisión del sensor, o bien más se podrán reducir el radio y el volumen del núcleo.

- Es deseable disponer de una permeabilidad eficaz local μloc, bajo componente de corriente alterna lo más 45 independiente posible de la componente continua superpuesta Hcc: se denomina permeabilidad diferencial o local μloc a la derivada de B con respecto a H en el punto de funcionamiento B (H) .

- El núcleo también debe presentar pequeñas pérdidas magnéticas para limitar el desfase entre corriente y tensión del sensor y por tanto aumentar la precisión.

- También es deseable que las propiedades magnéticas de los componentes inductivos sean poco sensibles a las exigencias externas, tales como las exigencias de revestimiento, de bobinado.

- Además, la dinámica... [Seguir leyendo]

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1. Núcleo enrollado nanocristalizado sin entrehierro localizado, constituido por un material nanocristalino de composición atómica:

** (Ver fórmula) **

siendo a â 0, 3, 0, 6 â x â 1, 5, 10 â y â 17, 5 â z â 14, 2 âαâ6, βâ 7, γ â 8, siendo Mâ? por lo menos uno de los elementos V, Cr, Al y Zn, siendo Mâ?? por lo menos uno de los elementos C, Ge, P, Ga, Sb, In y Be, presentando una inducción remanente inferior a 0, 02 T y una frecuencia de corte superior a 1 MHz, estando dicho núcleo caracterizado por que presenta una permeabilidad μ superior a 1000 e inferior o igual a 4000, una saturación de más de 1 T, un intervalo de inducción en el que la permeabilidad no varía en más del 5% superior a 0, 9 T, por que es tal que μ medida a 20º C varía en menos del 1% cuando el núcleo es sometido a un envejecimiento de 100 h a 120º C, el coeficiente de magnetostricción de dicho núcleo es, en valor absoluto, inferior a 2 ppm, μ varía en menos del 15% cuando la temperatura varía entre -25º C y +60º C, y en menos del 25% cuando la temperatura varía entre -40º C y +120º C, por que μ varía de manera monótona y casi lineal con la temperatura entre -40º C y +120º C, y por que el contenido en níquel es inferior al 4, 5%.

2. Núcleo enrollado según la reivindicación 1, caracterizado por que μ varía de manera monótona y casi lineal con la temperatura entre -100º C y +120º C.

3. Núcleo enrollado según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la composición de la aleación nanocristalina es tal que, en % atómico:

0, 8% â Cu â 1, 2% 2, 5% â Nb â 3, 5% 12% â Si â 16, 5% 6% â B â 9%

siendo el resto hierro e impurezas.

4. Dispositivo de medición eléctrica de tipo contador de energía o de tipo sonda de corriente que comprende por lo menos un núcleo magnético, caracterizado por que por lo menos un núcleo magnético es un núcleo nanocristalino 35 sin entrehierro localizado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado por que constituye un contador de energía de una sola fase de acuerdo con la norma IEC 1036 para los calibres inferiores a 50 A, cuyo núcleo magnético nanocristalino presenta una permeabilidad μ comprendida entre 1000 y 4000, y preferentemente inferior a 3000.

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que no comprende ningún blindaje.

7. Dispositivo según la reivindicación 5 o 6, caracterizado por que es adecuado para medir una corriente que comprende una fuerte componente continua.