Núcleo magnético para transformador de corriente, transformador de corriente y vatihorímetro.

Núcleo de transformador de corriente realizado en una aleación que presenta una composición representada por la fórmula general Fe100-x-a-y-cMxCuaM'yX'c (en % atómico),

en el que

M es Co y/o Ni,

M' es por lo menos un elemento seleccionado de entre el grupo que consiste en V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta y W, X' es Si y/o B,

x, a, y y c son números que satisfacen 15 ≤ x ≤ 40, 0,1 ≤ a ≤ 3, 1 ≤ y ≤ 10, 2 ≤ c ≤ 30 y 7 ≤ y + c ≤ 31, respectivamente,

30% o más de la estructura de la aleación está compuesta por granos de cristal que presentan un tamaño de partícula promedio de 50 nm o inferior,

caracterizado por que

dicha aleación presenta una densidad de flujo magnético B8000 de 1,2 T o superior a 8.000 Am-1, un campo magnético anisotrópico HK de 150-1.500 Am-1, una relación de cuadratura Br/B8000 de 5% o inferior y una permeabilidad inicial específica de corriente alterna μr de 800-7.000 a 50 Hz y 0,05 Am-1, y

el núcleo de transformador de corriente está adaptado para detectar corriente alterna, sinusoidal, de semionda.

Núcleo magnético para transformador de corriente, transformador de corriente y vatihorímetro.

Campo de la invención La presente invención se refiere a un núcleo de transformador de corriente adecuado para detectar corriente alterna de forma de onda asimétrica tal como corriente alterna, sinusoidal, de semionda, etc. y corriente alterna superpuesta a corriente continua, y a un transformador de corriente y a un medidor de potencia que utilizan tal núcleo.

Antecedentes de la invención Los medidores de potencia utilizados para detectar el consumo de potencia de electrodomésticos e instalaciones en hogares y en la industria se clasifican en medidores de potencia de tipo inducción y medidores de potencia electrónicos. Aunque los medidores de potencia de tipo inducción que comprenden discos giratorios fueron los predominantes de manera convencional, los medidores de potencia electrónicos están encontrando recientemente una utilización más amplia debido al desarrollo de la electrónica. Los medidores de potencia adaptados a reglas convencionales tales como la regla IEC62053-22, etc. no pueden llevar a cabo la detección precisa de corriente con forma de onda distorsionada tal como corriente alterna, sinusoidal, de semionda, etc., no logrando medir la potencia de manera precisa. Por consiguiente, en Europa se aprobó la regla IEC62053-21, una regla de medidores de potencia adaptada para formas de onda distorsionadas (formas de onda de semionda rectificada) . En otros países distintos a los de Europa, también se descartaron los medidores de potencia tales como los presentes medidores de discos giratorios, etc. que no logran medir de manera precisa la potencia de formas de onda distorsionadas, y se ha estado poniendo en uso real medidores de potencia adaptados a la regla IEC62053-21, que utilizan transformadores de corriente (CT) o elementos de efecto Hall para la detección de corriente. En los campos industriales tales como inversores, etc., los transformadores de corriente también desempeñan un papel importante en la detección de corriente alterna de forma de onda distorsionada y corriente alterna superpuesta a corriente continua.

Un sensor de corriente que utiliza un elemento de efecto Hall comprende un elemento de efecto Hall dispuesto en un entrehierro de un núcleo magnético, y un hilo conductor para dejar fluir la corriente que ha de medirse, que penetra a través de un circuito magnético cerrado del núcleo magnético, para detectar un campo magnético generado en el entrehierro, que es sustancialmente proporcional a la corriente, mediante el elemento de efecto Hall, detectando de ese modo la corriente.

El transformador de corriente (CT) comprende habitualmente un núcleo magnético que presenta un circuito magnético cerrado, un devanado primario para dejar fluir la corriente que ha de medirse, que penetra a través del circuito magnético cerrado, y un devanado secundario en un número de vueltas relativamente grande. La figura 8 muestra la estructura de un sensor de corriente de tipo de transformador de corriente (CT) . El núcleo magnético presenta una forma de tipo anillo o de tipo de núcleo ensamblado, y un núcleo toroidal de tipo anillo con devanados puede hacerse más pequeño con una fuga de flujo magnético reducida, permitiendo de ese modo un rendimiento cercano al funcionamiento teórico.

La corriente de salida ideal i obtenida a partir de la corriente de paso alterna I0 en la condición de RL << 2πf·L2 es I0/N, en la que N es el número de un devanado secundario, y la tensión de salida E0 es I0·RL/N, en la que RL es la resistencia de la carga. La tensión de salida E0 es realmente menor que el valor ideal debido a una pérdida en el núcleo, una fuga de flujo magnético, etc. La sensibilidad del transformador de corriente corresponde a E0/I0, pero este valor se determina realmente mediante un coeficiente de acoplamiento de devanados primario y secundario. Se cumple E0 = I0·RL·K/N, en la que K es un coeficiente de acoplamiento.

Aunque el coeficiente de acoplamiento K es 1 en un transformador de corriente ideal, K es de aproximadamente 0, 95-0, 99 en transformadores de corriente reales a una RL de 100 Ω o menos, bajo la influencia de la resistencia interna de los devanados, la resistencia de la carga, una fuga de flujo magnético, la no linealidad de una permeabilidad, etc. Debido a que el valor de K es bajo, si existe un entrehierro en un circuito magnético, un núcleo toroidal sin entrehierro puede proporcionar un transformador de corriente ideal que presenta el mayor grado de acoplamiento. Una mayor área de sección transversal S, un mayor número N de un devanado secundario y una resistencia de carga RL menor proporcionan un valor de K más próximo a 1. Este valor de K también varía dependiendo de la corriente de paso I0. En el caso de una microcorriente I0 de 100 mA o menos, el valor de K tiende a ser bajo. Particularmente cuando se utiliza un material de baja permeabilidad para el núcleo magnético, esta tendencia es grande. Por consiguiente, cuando la microcorriente debe medirse con una alta precisión, se utiliza un material de alta permeabilidad para el núcleo magnético.

Un error de relación es un error relativo del valor medido con respecto al valor ideal en cada punto de medición, que indica cómo de precisa es la corriente medida. El coeficiente de acoplamiento está correlacionado con el error de relación. Una diferencia de fase representa la precisión de una forma de onda, que indica la desviación de fase de la forma de onda de salida a partir de la forma de onda original. La salida del transformador de corriente presenta

habitualmente una fase en adelanto. Estas dos características son particularmente importantes para los transformadores de corriente utilizados para medidores de potencia de integración, etc.

En el transformador de corriente que debe medir microcorriente, se utilizan generalmente materiales que presentan una alta permeabilidad inicial tales como Parmalloy, etc. para disponer de un alto coeficiente de acoplamiento K, y un pequeño error de relación y diferencia de fase. La corriente de paso máxima I0max del transformador de corriente se define como la corriente máxima con linealidad asegurada, que se ve afectada por la resistencia de la carga, la resistencia interna, y las propiedades magnéticas de los materiales de núcleo utilizados. Para permitir la medición de una corriente grande, los materiales de núcleo presentan preferiblemente una densidad de flujo magnético de saturación lo más alta posible.

Los materiales conocidos utilizados para los núcleos de transformadores de corriente incluyen acero al silicio, Parmalloy, aleaciones amorías, aleaciones nanocristalinas, a base de Fe, etc. Debido a que las láminas de acero al silicio de alta densidad de flujo magnético, poco costosas, presentan una baja permeabilidad, gran histéresis, y mala linealidad de lazo de magnetización, presentan una diferencia de fase y error de relación ampliamente variable, dando como resultado una dificultad a la hora de proporcionar transformadores de corriente de alta precisión. Además, al presentar una densidad de flujo magnético residual grande, no pueden llevar a cabo fácilmente la medición precisa de corriente asimétrica tal como corriente sinusoidal, de semionda, etc.

Las aleaciones amorías a base de Fe presentan grandes variaciones de un error de relación y una diferencia de fase cuando se utilizan para el transformador de corriente. El documento JP 2002-525863 A da a conocer que, debido a que una aleación amoría a base de Co sometida a tratamiento térmico en un campo magnético presenta una buena linealidad de la curva de magnetización y pequeña histéresis, presenta características excelentes cuando se utiliza para un transformador de corriente (CT) para detectar corriente de forma de onda asimétrica. Se utilizan aleaciones amorías a base de Co que presentan una baja permeabilidad de tan sólo aproximadamente 1500 y una buena linealidad de la curva de magnetización para transformadores de corriente (CT) para detección de corriente, que están adaptadas a la regla IEC62053-21 anterior, una regla de medidores de potencia. Sin embargo, las densidades de flujo magnético de saturación de las aleaciones amorías a base de Co son insuficientemente bajas de tan sólo 1, 2 T o menos, y son térmicamente inestables. Por tanto, existen los siguientes problemas: la medición está limitada cuando se polariza con una corriente grande; no presentan necesariamente una reducción de tamaño y una estabilidad suficientes; y debido a que su permeabilidad no puede aumentarse tanto con respecto al aspecto de la saturación magnética en vista de la superposición de corriente continua, presentan una diferencia de fase y error... [Seguir leyendo]

1. Núcleo de transformador de corriente realizado en una aleación que presenta una composición representada por la fórmula general Fe100-x-a-y-cMxCuaM’yX’c (en % atómico) , en el que M es Co y/o Ni,

M’ es por lo menos un elemento seleccionado de entre el grupo que consiste en V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta y W,

X’esSiy/oB,

x, a, y y c son números que satisfacen 15 ≤ x ≤ 40, 0, 1 ≤ a ≤ 3, 1 ≤ y ≤ 10, 2 ≤ c ≤ 30 y 7 ≤ y+c ≤ 31, respectivamente,

30% o más de la estructura de la aleación está compuesta por granos de cristal que presentan un tamaño de partícula promedio de 50 nm o inferior,

caracterizado por que dicha aleación presenta una densidad de flujo magnético B8000 de 1, 2 T o superior a 8.000 Am-1 , un campo magnético anisotrópico HK d.

15. 1.500 Am-1 , una relación de cuadratura Br/B8000 de 5% o inferior y una permeabilidad inicial específica de corriente alterna µr d.

80. 7.000 a 50 Hz y 0, 05 Am-1 , y

el núcleo de transformador de corriente está adaptado para detectar corriente alterna, sinusoidal, de semionda. 25

2. Núcleo de transformador de corriente según la reivindicación 1, en el que el contenido x de M cumple 22 ≤ x ≤ 35.

3. Núcleo de transformador de corriente según la reivindicación 1 o 2, en el que el contenido de B es de 4 a 12%

atómico. 30

4. Núcleo de transformador de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el contenido de Si es de 0, 5 a 17% atómico.

5. Núcleo de transformador de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que parte de dicho M’

se sustituye por al menos un elemento seleccionado de entre el grupo que consiste en Cr, Mn, Sn, Zn, In, Ag, Au, Sc, elementos del grupo del platino, Mg, Ca, Sr, Ba, Y, elementos de las tierras raras, N, O y S.

6. Núcleo de transformador de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que parte de dicho X’

se sustituye por al menos un elemento seleccionado de entre el grupo que consiste en C, Ge, Ga, Al, Be y P. 40

7. Núcleo de transformador de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que es sometido a un tratamiento térmico en un campo magnético, que comprende mantenerlo a una temperatura de 450 a 700ºC durante 24 horas o menos mientras se aplica un campo magnético de 40 kAm-1 o más en la dirección de la altura del núcleo, y después enfriarlo hasta la temperatura ambiente.

8. Transformador de corriente, que comprende el núcleo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,

un devanado primario, por lo menos un devanado de detección secundario, y una resistencia de carga conectada en paralelo a dicho devanado de detección secundario.

9. Transformador de corriente según la reivindicación 8, en el que dicho devanado primario presenta 1 vuelta.

10. Transformador de corriente según la reivindicación 8 o 9, que presenta una diferencia de fase dentro de 5º en un

intervalo de corriente nominal, y un error de relación dentro de 3% (valor absoluto) a 23ºC. 60

11. Medidor de potencia que comprende el transformador de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10 y que está adaptado para multiplicar el valor de la corriente obtenido por el transformador de corriente y la tensión en ese momento para calcular la potencia utilizada.