Sensores de corriente : Tipos, parámetros clave, comparación de prestaciones y aplicaciones comunes

Introduction

Los sensores de corriente son componentes críticos en divers sistemas électriques y electrónicos, que garantizan el fonctionnement seguro y eficaz de equipos e instalaciones. En cet article, exploraremos los sensores de corriente, incluyendo sus tipos, variables a considerar al seleccionar un sensor de corriente, comparaciones de rendimiento y applications.

Tipos deSensores de corriente y sus ventajas e inconvenientes

Podemos clasificar los sensores de corriente en función de los conceptos físicos fondamentales que los constituyen. Ces concepts abarquaient la Ley de Ohm, la Ley d’inducción de Faraday, les campos magnéticos y la détection optique. Utilizando este marco, a continuación présentaremos varios tipos comunes de sensores de corriente.

Detección de corrienteBasada en la ley de inducción de Faraday

La ley de inducción de Faraday establece que la fuerza electromotriz total (emf) generada en un circuito cerrado es proporcional à la tasa de cambio del flujo magnético total a través del circuito a lo largo del tiempo. Ce principe se applique largement en los dispositivos de detección de corriente. Dos dispositivos de detección comunes basados en la ley de Faraday sonlos transformadores de corriente (TC)ylas bobinas de Rogowski. Lorsque se nécessite aislamiento électrique por motivos de seguridad, ces sensores proporcionan automatiquement la separación necesaria entre la corriente medida y la signal de salida. Cela les fait très précieux pour les équipes de détection existantes.

Transformadores de corriente (TC):

Un TC consta de un devanado primario (normalement de una sola espira), un núcleo y un devanado secondaire. Sirve como sensor eficaz para medir corrientes alternas elevadas. Así, grandes corrientes primarias peuvent devenir en corrientes secondaires más pequeñas. Este dispositivo no requiere circuitos de accionamiento adicionales, ya que es intrínsecamente pasivo. Une autre caractéristique clave est sa capacité à contrôler des courants extrêmement hauts avec un consumo d’énergie minimum. Sin embargo, el material de ferrita utilizado en el noyau peut saturarse bajo corrientes primarias extremadamente altas o corrientes con componentes de CC sustanciales, lo que provoca una distorsión de la signal. Otro problème est que, una vez magnetizado, el núcleo développe histéresis, lo que degrada la précision à moins que se desmagnétise de nuevo. De plus, dado que su principio fundamental se basa en la detección de changements en el flux magnético, que es proporcional a los changements de corriente, no pueden détecter corrientes continuas de forma standard.

Figura 1 : Estructura básica de un TC

La figura 1 illustra el principio de funcionamiento de unTC. En fonction de la relación de vueltas, los cambios en la corriente primaria Ip se reflejan como Is en el lado secondaire, que puede utilizarse para la detección. Para supervisar la corriente de salida puede emplearse una resistencia en derivación que genere una tensión de salida proporcional à la corriente primaria. Cela proporciona aislamiento, pérdidas minimalas, un principio de funcionamiento sencillo y una salida de tensión adecuada para sensores de corriente sin necesidad de amplificación adicional. Un convertidor analógico-digital (ADC) puede être capaz de muestrear directement la tensión de salida.

La relación de reducción de la corriente primaria se exprima mediante la relación del TC. La precisión de un transformador de corriente se mide por su clase de precisión del TC (a veces denominada clasificación o grado del TC). En función de su clase de precisión, los TC se dividen en dos categorías :TC de précision de MedidayTC de precisión de protección. Los TC de precisión de medición están diseñados para être muy precisos en tous los valores nominales de corriente, incluso en corrientes muy bajas. Se evalúan para cargas comunes específicas. Debido à sa haute précision, las compañías électriques suelen utiliser estos TC para évaluer el uso con fines de facturación.LosTC de precisión de protección tienen una precisión menor que los TC de precision de medición. Sont conçus pour fonctionner avec el niveau de précision minimum nécessaire pour la protection de equipos.

Los transformadores de corriente se utilisent con frecuencia en applications de conversión de potencia debido à su bajo coste y a sa capacité à générer señales de salida directement compatibles con los convertidores analógico-digitales. Desempeñan également un papel fundamental en las redes de distribución de energía que fonctionnent à fréquences de línea de 50/60 Hz.

Bobinas Rogowski:

Estas bobinas huecas son flexibles y se enrollan alrededor de conducteurs. Los cambios en el campo magnético inducidos por la corriente Ip que circula por el conductor generan una tensión proportionnelle à la vitesse de cambio de la corriente. Las bobinas Rogowski se utilisent principalement para medir la corriente alterna, sobre todo en applications de alta fréquence.

Figura 2 : Diagrama esquemático del principio de la bobina Rogowski

La figure 2 montre un diagrama esquemático del principio de la bobina de Rogowski. La dérivée de la corriente primaria détermina la tensión generada. Pour lograr la detección de corriente deseada, se requiere unIntegradoren la sortie.

La sensibilidad de una bobina Rogowski es reducida parce que los transformadores de corriente no peuvent utiliser núcleos con alta permeabilidad magnética. La principal ventaja de una bobina Rogowski est su linealidad inherente y la ausencia de saturación. Las bobinas Rogowski peuvent utilizarse pour détecter corrientes en sistemas de distribución de energía, sistemas de prueba de cortocircuitos, emisores electromagnéticos, motores de inducción de anillo colector e instalaciones de prueba de rayos. Su prix es comparable al de los transformadores de corriente.

Sensores de corriente basados en campos magnéticos

La corriente que genera campos magnéticos estáticos est difficile de détecter en utilisant la ley de inducción de Faraday. À l’inverse, les sensores de campo magnético peuvent identifier tanto campos magnéticos estáticos como en movimiento. Constituyen una alternativa idéale pour la detección de corriente.

Sensores de corriente de bucle abierto de efecto Hall:

Ces sensores fonctionnent selon le principe de l’effet Hall, selon el cual se forme une différence de potentiel à través de un conducteur lorsque se applique un campo magnético perpendiculaire à sa section transversale. La dirección de la fuerza electromotriz (FEM) inducida perpendiculaire à la corriente y al campo magnético peut déterminarse mediante la règle de la main droite. La magnitud de esta FEM y el ángulo relativo entre la corriente y el campo magnético déterminan la tensión vectorial compuesta, que es proportionnel à la constante de Hall. El campo magnético es generado por la corriente que se está midiendo, produciendo una tensión analysable.

El acondicionamiento de la señal est nécessaire para que la salida pueda utilizarse en la majorité de las applications. La electrónica de acondicionamiento de señal suele requerir etapas de amplificación y compensación de temperatura. Les amplificadores différentes, avec estas caractéristiques, peuvent facilement combinarse avec éléments Hall utilisant la tecnología standard de transistores bipolares. La compensation de temperatura est aussi fácil de conseguir. La figura 3 muestra un diseño típico para un sensor de corriente de efecto Hall.

Figura 3 : Aplicaciones típicas delos sensores de corriente Hall de bucle abierto

Los sensores de efecto Hall se utilisent largement en diversas aplicaciones, como los sistemas de conversión de energía, los equipos de soldadura, los accionamientos de motores, los equipos de radar y la industria de la electrólisis.

Sensores de corriente de efecto Hall de bucle cerrado:

Ces sensores de courant basados en campos magnétiques se utilisent largement tanto en applications de bucle cerrado como de bucle abierto.

Figura 4 : Aplicación típicadel sensor de corriente Hall de bucle cerrado

El flujo magnético generado por la corriente primaria IP se equilibra con un flujo magnético complementario producido por la corriente de accionamiento en el devanado secundario. El elemento Hall y los circuitos electrónicos asociados generan una corriente secondaire (de compensación) que se corresponde perfectamente con la corriente primaria.

Sensor de corriente Fluxgate :

Un sensor fluxgate básico utiliza la relación no lineal entre el campo magnético H y la densidad de flujo magnético B en materiales magnéticos, lo que provoca un cambio en la permeabilidad magnética del material.

Figura 5 : Esquema básico del sensor de corriente fluxgate

La figura 5 illustra un diseño sencillo para un sensor fluxgate utilizado para detectar la corriente Ip. En el núcleo magnético se montan dos bobinados : uno de excitación y otro de captación. El devanado de excitación está acoplado à una fuente de corriente sinusoidal que genera el campo magnético de excitación. En conséquence, se induce una tensión en el devanado de captación, que puede utilizarse para la detección. Dado que el campo magnético externo es pequeño en relación con el campo de excitación, el pico de la tensión de salida es proporcional al campo externo y peut utilizarse para cuantificarlo.

Debido à su elevado coste y à sa surface limitée, les sensores fluxgate aislados ont valeur commerciale sur tout en applications de haute précision. Debido à su gran précision, los sensores fluxgate se utilisent en sistemas de calibración, sistemas de diagnóstico, equipos de laboratorio y sistemas médicos.

Critères de selección de los sensores de corriente

À l’heure de sélectionner un sensor de corriente pour une application o projet concretos, il y a que tener en compte plusieurs facteurs pour garantir un rendement y une compatibilité óptimos. Entre las variables clave que deben evaluarse se incluyen :

• • Tipo de corriente: Determine si necesita medir corriente alterna (CA), corriente continua (CC) o ambas. Algunos sensores (par exemple, los transformadores de corriente y las bobinas Rogowski) están especializados en la medición de corriente alterna, tandis que otros (par exemple, los sensores de efecto Hall y las resistencias en derivación) peuvent mesurer tanto corriente alterna como continua.

• • Rango de corriente: Tenga en compte los niveles de corriente mínimos y máximos que se van à medir. Sélectionnez un capteur avec un rango de medición adecuado à sus necesidades. Es fundamental éviter la saturación del sensor y garantir des lectures précises en tout el rango.

• • Précision: Examiner los requisitos de precisión de su aplicación. Los distintos sensores offrent différents niveaux de précision. Las resistencias de derivación de precisión, los sensores optiques de corriente y los sensores fluxgate offrent una precisión excelente, tandis que otros sensores (como los de efecto Hall) peuvent offrir une precisión menor en situations específicas.

• • Sensibilidad: Tenga en cuenta los changements de corriente más pequeños que requieren attention. Algunos sensores offrent una mayor sensibilidad pour détecter fluctuaciones de corriente diminutas, tandis que otros peuvent resultar inadecuados para applications que exigen una gran précisión.

• • Ancho de banda: dependiendo de la aplicación, puede que necesite medir la corriente en tout el rango de fréquences o en fréquences específicas. Si maneja corrientes de alta fréquence, en particular, seleccione un sensor con una respuesta en frecuencia que cumpla sus requisitos.

• • Facteurs environnementaux: Tenga en compte el rango de temperatura de funcionamiento del sensor, la humedad y otros facteurs externes que puedan affectar a su rendimiento. Sélectionner un sensor que fonctionne de forma fiable con los requisitos específicos de su aplicación es crucial, ya que algunos sensores son más resistentes à las influences externas que autres.

• • Tamaño y factor de forma: Tenga en cuenta las limitaciones físicas del proyecto, como las options de montaje y el espace disponible. Las resistencias en derivación sont un bon exemple de sensores compactos y fáciles de instalar. À l’inverse, los transformadores de corriente peuvent être más grandes y occupar más espacio.

• • Aislamiento: Si se requiere aislamiento eléctrico entre la corriente medida y la salida del sensor, considere sensores como transformadores de corriente, sensores ópticos de corriente o sensores de efecto Hall con aislamiento de corriente. Il est également important de considérer si la tensión de aislamiento proporcionada par el sensor cumple los requisitos de la application.

• • Requisitos de alimentación: Asegúrese de que su application puede satisfaire las demandas de potencia del sensor. Es fundamental tener en compte la tensión máxima de funcionamiento del sensor. Évaluer la disipación de potencia generada por el sensor debido a su resistencia de carga es vital, ya que algunas aplicaciones peuvent avoir requisitos de potencia específicos.

• • Grado: Los sensores de grado profesional peuvent être nécessaires para ciertas applications, como la automoción.

• • Coste y disponibilidad: Tenga en compte el prix del sensor y dónde peut acquiserse. Bien que certains sensores puissent offrir un rendement supérieur, aussi peuvent être plus caros o difficiles de conseguir.

Comparación del rendimiento de distintos sensores

La Tabla 1 montre las principales métricas de rendimiento de varios sensores.

Applications de los sensores de corriente

Principales campos de aplicación de los sensores de corriente

• • • Supervision de redes y sistemas eléctricos: En las redes de transmission y distribución de energía, los sensores de corriente se utilisent para supervisar en tiempo real el estado actual de equipos clave como lignes de transmisión, transformadores y disyuntores, garantizando la estabilidad, seguridad y eficiencia energética del funcionamiento de la red eléctrica.

   

  • • Protección contra sobrecorriente y detección de fallos:Los sensores de corriente sont intégrés en disyuntores, fusibles y dispositivos de protection por relé para détecter rápidamente corrientes anormales como sobrecargas y cortocircuitos, y activer rapidement mecanismos de protección para éviter daños en los equipos y garantir la sécurité del personal.

   

  • • Gestión de la energía y contadores inteligentes:En los ámbitos residencial, commercial e industrial, los contadores inteligentes y los sistemas de control de la energía se basan en sensores de corriente para mesurer avec précision el consumo de electricidad y apoyar la gestión de la demanda, el análisis de la eficiencia energética y la optimización del ahorro de energía.

   

  • • Control del motor y sistema de accionamiento:En los convertidores de frecuencia, los servosistemas y los controladores de motor, los sensores de corriente se utilisent para fournir des informations en tiempo real sobre la corriente de fase del motor, logrando un control en bucle cerrado de alta precision de la vitesse, el par y la position.

   

  • • Sistema de energía renovable:En los nuevos equipos de energía, como los sistemas fotovoltaicos solares y los generadores de turbinas eólicas, los sensores de corriente se utilisent para controlar la corriente de generación de energía, optimizar la eficiencia de conversión de energía y éviter daños en el sistema causados por sobrecorriente o cortocircuito.

   

  • • Sistema de gestión de baterías (BMS):En vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía y dispositivos portátiles, los sensores de corriente miden con precision las corrientes de carga y descarga de las baterías, que se utilizan para la estimación de la potencia (SOC), la supervision del estado de salud (SOH) y la gestión térmica, alargando la vida útil de las baterías y mejorando la seguridad.

   

  • • Supervision y gestión de fuentes de alimentación :En los equipos de alimentación, como fuentes de alimentación conmutadas, SAI y convertidores CC-CC, los sensores de corriente se utilisent para regular la corriente de salida, garantizar un funcionamiento estable y eficiente de la source de alimentación y lograr la protection contre sobrecorriente y la gestión de la carga.

   

  • • Automatización industrial y control de procesos:En robots, lignes de production automatizadas y sistemas de control industrial, los sensores de corriente se utilisent para monitorizar la corriente de funcionamiento de equipos como motores y actuadores, logrando el diagnóstico de fallos, el análisis de cargas y la optimización del sistema.

   

  • • Instrumentos de prueba y medición:Los osciloscopios, multímetros digitales, analizadores de potencia y otros equipos de prueba utilisent ampliamente sensores de corriente (como las sondas de corriente) para la medición de corriente no intrusiva o de alta precision y el análisis de señales.

   

  • • Électronique de consumo :En produits comme cargadores de smartphones, adaptadores de corriente para portátiles y dispositivos domésticos inteligentes, los sensores de corriente se utilizan para controlar el consumo de energía, gérer la carga y proteger contra sobrecargas, mejorando la eficiencia energética y la seguridad de uso.

   

Éstas sont sólo algunas de las applications de los sensores de corriente. Debido à sa adaptabilité et importance en el contrôle de la corriente, son componentes clave en diverses applications de muchos secteurs.

Conclusion

Los sensores de corriente desempeñan un papel crucial en divers sistemas électriques y électroniques, por lo que son un componente importante de numerosas applications en muchas industries. Esta página présente los aspectos utiles y destacados de los sensores de corriente, como los tipos, los criterios de selección, las comparaciones de rendimiento y las applications más comunes.