SENSOR INDUCTIVO DE MEDIDA DE CORRIENTE.

Sensor inductivo de medida de corriente del tipo que comprende un circuito primario (10) destinado a ser recorrido por una corriente alterna (I) que se va a medir y un circuito secundario (20) acoplado magnéticamente en el aire al circuito primario,

comprendiendo el citado circuito primario (10) dos grupos (G''1, G''2) que comprenden cada uno 2p espiras coaxiales según un eje (XX''), siendo p un entero mayor o igual que cero, estando los dos grupos situados a igual distancia de uno y otro lado de un punto del citado eje que constituye el centro (O) del circuito primario (10), de manera que dos espiras tomadas en cada uno de los grupos (G''1, G''2), y situadas de manera asimétrica respecto al centro (O) del circuito primario están destinadas a ser recorridas por una corriente de la misma intensidad pero de sentido opuesto, correspondiente a la corriente alterna (I) que se va a medir o a una porción de la corriente alterna (I) que se va a medir, y el circuito secundario (20) que comprende al menos dos bobinas de multi espiras conectadas en serie, siendo las dos bobinas coaxiales y estando dispuestas a lo largo del citado eje (XX'') simétricamente respecto al citado centro (O) de manera que cada una de las dos bobinas se encuentra en el interior de uno de los dos grupos (G''1, G''2), poseyendo cada bobina espiras arrolladas en un sentido opuesto respecto a las espiras de la otra bobina, caracterizado porque cada uno de los dos grupos (G''1, G''2) del circuito primario comprende dos espiras coaxiales según el citado eje (XX''), estando cada una de las dos espiras destinada a ser recorrida por una porción de corriente alterna (I) que se va a medir complementaria de la porción de la corriente alterna en la otra espira

Sensor inductivo de medida de corriente.

La presente invención se refiere a un sensor de medida de corriente alterna de tipo inductivo.

Los sensores de medida de corriente alterna se utilizan clásicamente en los contadores de consumo eléctrico de uso industrial o residencial. Más precisamente, un sensor está asociado a cada fase del contador. Así, en el caso de un contador monofásico, se utiliza un solo sensor, mientras que en el caso de un contador trifásico, se utilizan tres sensores de medición para permitir la medición de la corriente en cada fase.

Tales sensores son de realización difícil puesto que requieren una gran inmunidad a las restricciones ambientales, ya sean de tipo termodinámico (temperatura, presión, humedad) o electromagnético (campos eléctricos y magnéticos).

El sensor de medida de corriente debe además tener una linealidad y una precisión en una gran dinámica de corriente y en una gran banda pasante frecuencial, pudiendo la onda de corriente medida contener numerosos intervalos armónicos.

Hoy en día, las soluciones clásicas para tales sensores pueden agruparse en cuatro grandes familias:

- los sensores pasivos de tipo resistivo (shunt),

- los transformadores de corriente de núcleo magnético,

- los sensores inductivos,

- los sensores activos de tipo de Efecto Hall, o sensores de campo magnético.

El principio físico utilizado por el sensor de corriente condiciona su inmunidad a los parámetros ambientales y determina particularmente los medios de fraude que pueden ser aplicados al contador para falsificar la medición de corriente, y como consecuencia, la compatibilización de la energía eléctrica consumida.

Por ejemplo, un sensor resistivo de tipo shunt, basado en la ley de Ohm, es insensible por principio a los campos magnéticos continuos, y poco sensible a los campos magnéticos alternos. Por el contrario, presenta una mala estabilidad en temperatura.

Un sensor inductivo, que posee un blindaje de gran permeabilidad magnética, tendrá por lo que a él se refiere una buena inmunidad a los campos magnéticos alternos externos y, en el caso de un contador eléctrico de multifases que necesita un sensor de fase, un muy buen rechazo de las influencias magnéticas de interfases internas al contador. En cambio, tal sensor inductivo tendrá una baja inmunidad a los campos magnéticos continuos, particularmente a los producidos por imanes permanentes de gran potencia.

El sensor de medida de corriente de tipo inductivo, basado en un acoplamiento magnético en el aire entre un circuito primario que es una fase de la red sobre la cual está situado el contador de electricidad y un circuito secundario galvánicamente aislado del circuito primario, representa no obstante el mejor compromiso técnico y económico, y se prestará atención posteriormente únicamente a este tipo de sensor.

Hoy, existen principalmente tres sub-familias de sensores de corriente de tipo inductivo.

En una primera sub-familia, los circuitos primario y secundario están realizados mediante piezas electromecánicas ensambladas. Se conoce particularmente del documento FR 2803914 un sensor que comprende un conductor primario lineal de cobre en forma de U, destinado a transportar la corriente alterna que se va a medir, así como una bobina dispuesta en el interior de la U, formando un circuito secundario. Un elemento de blindaje de material de elevada permeabilidad magnética (de tipo aleación de hierro-níquel, de elevado contenido en níquel) rodea al conjunto. La función de este elemento de blindaje es doble: Se trata, por una parte, de alojar en el seno del sensor el campo magnético generado por la corriente que circula en el circuito primario, y por otra parte, obtener un sensor que sea insensible a los campos magnéticos alternos exteriores.

El inconveniente principal de tal sensor reside en la existencia misma del elemento de blindaje que utiliza un material costoso. Se han llevado a cabo ensayos para intentar reducir el espesor del blindaje, pero esto se hace en detrimento de los rendimientos de este blindaje. Además, tal elemento de blindaje puede ser fácilmente saturado mediante la utilización fraudulenta de un imán permanente, que lleva a una medición errónea de la corriente.

En una segunda sub-familia, el circuito secundario del sensor de medida de corriente está realizado mediante una o varias bobinas en plano sobre circuito impreso. Ya no es necesario aquí utilizar elementos ferromagnéticos o blindajes de material de elevada permeabilidad magnética. Sin embargo, este tipo de sensor tiene una baja sensibilidad (inferior a 100 µV/A a 50 Hz) que resulta de la baja sección total de la bobina secundaria que asegura la función de captación del flujo magnético primario, provocando esta baja sensibilidad elevadas restricciones para la electrónica de acondicionamiento y de tratamiento de las señales emitidas por los sensores. Este tipo de sensor posee una sensibilidad a los campos magnéticos alternos externos, así como una sensibilidad a la presencia de masas ferromagnéticas en el entorno próximo del sensor.

En una tercera sub-familia, el circuito secundario del sensor de medida de corriente lleva a cabo una bobina Rogowski. Su principio es construir una bobina sin núcleo magnético, cerrada alrededor del conductor primario. Esta bobina tiene una densidad de espiras constante por unidad de ángulo. La sección de estas espiras es de la misma manera perfectamente constante en todo el bobinado. Este tipo de sensor, como los de la segunda sub-familia es naturalmente inmune frente a campos magnéticos continuos, tiene igualmente una baja sensibilidad (inferior a 500 µV/A a 50 Hz); su punto débil está en la dificultad de realización de una bobina que tenga una densidad angular de espiras constante y elevada controlando la sección media de estas espiras a lo largo de la bobina.

Se prestará atención en lo que sigue únicamente al sensor de la primera sub-familia (piezas electromecánicas).

A la vista de lo que precede, el objetivo principal de la presente invención es proponer un sensor inductivo de medida de corriente que no necesite ya elemento de blindaje, ofreciendo la doble función precedente, a saber una muy buena concentración de líneas de campo magnético inducido por el circuito primario en el interior del sensor, y una buena inmunidad a los campos magnéticos alternos exteriores.

Se conoce ya del documento EP 1 515 146 un sensor inductivo de medida de corriente del tipo que comprende un circuito primario destinado a ser recorrido por una corriente alterna que se va a medir, y un circuito secundario acoplado magnéticamente en el aire al circuito primario, en el cual el circuito primario comprende dos grupos que contienen cada uno 2^p espiras coaxiales según un eje, siendo p un entero mayor o igual que 0, estando los dos grupos situados a la misma distancia a uno y otro lado de un punto del citado eje que constituye el centro del circuito primario, de manera que dos espiras tomadas en cada uno de los dos grupos, y situadas de manera simétrica respecto al centro del circuito primario están destinadas a ser recorridas por una corriente de la misma intensidad pero de sentido opuesto, correspondiente a la corriente alterna que se va a medir o a una porción de la corriente alterna que se va a medir, y el circuito secundario comprende al menos dos bobinas de multi espiras conectadas en serie, siendo las dos bobinas coaxiales y estando dispuestas a lo largo del citado eje en el interior de uno de los dos grupos, poseyendo cada bobina espiras arrolladas en un sentido opuesto respecto a las espiras de la otra bobina.

La presente invención tiene por objeto un sensor inductivo de acuerdo con la reivindicación 1. Se caracteriza porque cada uno de los dos grupos del circuito primario comprende dos espiras coaxiales según el citado eje, estando cada una de las dos espiras destinada a ser recorrida por una porción de la corriente alterna que se va a medir complementaria de la porción de la corriente alterna en la otra espira.

Gracias a esta geometría particular de los circuitos primario y secundario, y a su disposición relativa, la componente del campo magnético sobre el eje de simetría de los circuitos primario y secundario, generada por la corriente que circula en el circuito primario es predominante en dos zonas del espacio simétrico respecto al centro del circuito primario, zonas en las cuales se encuentran cada una de las bobinas del circuito secundario, mientras que decrece...

1. Sensor inductivo de medida de corriente del tipo que comprende un circuito primario (10) destinado a ser recorrido por una corriente alterna (I) que se va a medir y un circuito secundario (20) acoplado magnéticamente en el aire al circuito primario, comprendiendo el citado circuito primario (10) dos grupos (G'₁, G'₂) que comprenden cada uno 2^p espiras coaxiales según un eje (XX'), siendo p un entero mayor o igual que cero, estando los dos grupos situados a igual distancia de uno y otro lado de un punto del citado eje que constituye el centro (O) del circuito primario (10), de manera que dos espiras tomadas en cada uno de los grupos (G'₁, G'₂), y situadas de manera asimétrica respecto al centro (O) del circuito primario están destinadas a ser recorridas por una corriente de la misma intensidad pero de sentido opuesto, correspondiente a la corriente alterna (I) que se va a medir o a una porción de la corriente alterna (I) que se va a medir, y el circuito secundario (20) que comprende al menos dos bobinas de multi espiras conectadas en serie, siendo las dos bobinas coaxiales y estando dispuestas a lo largo del citado eje (XX') simétricamente respecto al citado centro (O) de manera que cada una de las dos bobinas se encuentra en el interior de uno de los dos grupos (G'₁, G'₂), poseyendo cada bobina espiras arrolladas en un sentido opuesto respecto a las espiras de la otra bobina, caracterizado porque cada uno de los dos grupos (G'₁, G'₂) del circuito primario comprende dos espiras coaxiales según el citado eje (XX'), estando cada una de las dos espiras destinada a ser recorrida por una porción de corriente alterna (I) que se va a medir complementaria de la porción de la corriente alterna en la otra espira.

2. Sensor inductivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito primario (10) está formado por una pieza única de material eléctricamente conductor, que comprende dos extremos que forman respectivamente los bornes de entrada y de salida del circuito primario, así como una parte entre los dos extremos plegada según una forma sensiblemente cilíndrica y hueca cuyo eje de revolución define el citado eje (XX').

3. Sensor inductivo de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el eje (XX') se extiende en un plano paralelo al plano que contiene los bornes de entrada y de salida, con una inclinación tal que su proyección en el plano que contiene a los bornes de entrada y de salida no es perpendicular a la dirección longitudinal de los bornes.

4. Sensor inductivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las dos bobinas del circuito secundario (20) están conectadas, al nivel del centro del circuito primario (10), a un mismo potencial de referencia.

5. Sensor inductivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el circuito secundario (20) comprende dos agrupamientos idénticos que comprenden cada uno dos bobinas de multi espiras (L1, L2; L3, L4) coaxiales dispuestas a lo largo del citado eje (XX'), estando los dos agrupamientos conectados en serie pero presentando espiras arrolladas en sentidos opuestos, estando las ganancias y las posiciones según el eje de las bobinas de un mismo agrupamiento determinadas para compensar la influencia de un campo magnético alterno externo de gradiente lineal en toda la longitud del circuito secundario.

6. Sensor inductivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el circuito secundario (20) comprende dos agrupamientos idénticos que comprenden cada uno tres bobinas de multi espiras (L1-L3; L4-L6) coaxiales dispuestas a lo largo del citado eje (XX'), estando los dos agrupamientos dispuestos simétricamente respecto al citado centro (O) y estando conectados en serie, estando las tres bobinas de un mismo agrupamiento conectadas en serie pero presentando espiras arrolladas en sentidos opuestos, estando las ganancias y las posiciones según el eje de las bobinas de un mismo agrupamiento determinadas para compensar la influencia de un campo magnético alterno externo de gradiente lineal en una longitud correspondiente a la longitud de cada agrupamiento del circuito secundario.

7. Sensor inductivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el circuito secundario comprende dos agrupamientos idénticos que comprenden cada uno al menos un sub-agrupamiento de tres bobinas de multi espiras coaxiales dispuestas a lo largo del citado eje (XX'), estando los dos agrupamientos dispuestos simétricamente respecto al citado centro (O) y estando conectados en serie, estando las tres bobinas de un mismo sub-agrupamiento conectadas en serie pero presentando espiras arrolladas en sentidos opuestos, estando las ganancias y las posiciones según el eje de las bobinas de un mismo sub-agrupamiento determinadas para compensar la influencia de un campo magnético alterno externo de gradiente lineal sobre una longitud correspondiente a la longitud de cada sub-agrupamiento del circuito secundario.

8. Sensor inductivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque las tres bobinas de un mismo agrupamiento o sub-agrupamiento son tales que la ganancia de la bobina central de un mismo agrupamiento o sub-agrupamiento corresponde al doble de la ganancia de las otras dos bobinas.

9. Sensor inductivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque los dos agrupamientos del circuito secundario (20) están conectados, al nivel del centro del circuito primario (10), a un mismo potencial de referencia.