El transformador de corriente
Consideremos el magnetismo de un
núcleo toroidal de material de alto μ
a través del que pasa un conductor que transporta corriente. Incluye un
devanado secundario de n vueltas como se muestra en la siguiente figura. El
devanado secundario es conectado a una carga de resistencia baja.
En este transformador de
corriente, universalmente referido a un CT, la corriente alterna en el primario
de una única vuelta intenta magnetizar el núcleo pero al hacerlo, crea una FEM
y corriente en el secundario que tiende a cancelar el campo. Si el secundario
tiene una corriente auténticamente cero, la corriente exactamente cancela el
campo debido al primario. El resultado es una corriente secundaria que es igual
a la corriente del primario dividida por el número de vueltas del secundario.
La corriente del secundario está en fase con la corriente del primario. Debido
a un bucle magnético estrechamente cerrado, hay poco efecto desde los
conductores cercanos o posición del conductor primario en el hueco.
El circuito secundario puede
ahora ser conectado a un dispositivo sensor de potencia o corriente de baja
resistencia con garantías de calibración. Pero la resistencia del secundario
nunca es realmente cero y el acoplamiento magnético nunca es perfecto, así que
hay otras consideraciones.
Primero, se introdujo el concepto
de carga secundaria. Se le llamó así para evitar llamarlo carga debido a que se
comporta diferentemente; la mejor carga es un cortocircuito. La carga a veces
se expresa como una resistencia secundaria en ohmios, pero más a menudo como
una potencia equivalente en kVA para una corriente definida sin consideración
de fase. Cuando la carga no es un cortocircuito perfecto, la energía se disipa
y el campo magnético presente en el núcleo no será cero. La corriente
secundaria lleva a la corriente primaria con una fase que depende de la
frecuencia.
Los fabricantes de CTs tienen
técnicas para optimizar la exactitud del CT cuando es especificado para una
carga particular. Las unidades terminadas pueden no tener el número de vueltas
secundarias que uno esperaría, pero de ningún modo proporcionaría resultados
exactos. Tienen laminaciones seleccionadas para minimizar el calentamiento del
núcleo. Podremos ver ratios como 100:5, lo cual significa que 100 A en el
primario producirá 5 A en el secundario. Se instalarán en un circuito que
proporcione la carga para la cual fueron calibrados. El voltaje a través de una
resistencia de carga es comúnmente ampliado y pasa a un dispositivo de
captación de datos. CTs para grandes corrientes necesitan ser grandes para
eludir la saturación magnética cuando están cargados.
Los núcleos están preparados con
láminas de hierro silicio en forma de discos, anillas concéntricas o cinta que
se devana en una bobina. Incluso con el mejor de los materiales, están
presentes corrientes parásitas y pérdidas de histéresis. Cuando la disipación
de potencia no es aceptable, otra elección de sensor puede ser preferible.
La mayoría de los CTs se usan
para medir energía y potencia de baja frecuencia. La corriente de la frecuencia
de radio en las antenas de transmisión puede medirse con material de núcleo
conveniente. Los núcleos muy grandes se usan para sentir haces pulsantes de
partículas de alta energía. Algunas sondas de osciloscopio son CTS altamente
compensados con un núcleo que puede abrirse para permitir se introduzca un
conductor transportador de corriente. Con equipos de devanados modernos para
toroides, es posible poner 2000 o más vueltas en un secundario (Coilcraft). El
CT entonces comienza a parecer más como un convertidor de corriente a voltaje
sin necesidad de valores muy pequeños de resistencia de carga y amplificación
de voltaje subsiguiente. La impedancia de salida es alta y requiere el uso de
voltímetros electrónicos. La disipación de potencia es baja, incluso para
modelos de corriente muy alta. El voltaje de salida es lo bastante alto que rectificadores de diodos simples pueden
usarse para proporcionar una salida DC para procesado posterior. En mochos
casos, tal sensor puede ser usado sin ninguna electrónica especial distinta a
un voltímetro.
Sensores inductivos gapped
Es práctica común en el diseño de
transformadores introducir un pequeño hueco en la trayectoria magnética. Para
incluso muy pequeños huecos, las propiedades magnéticas del bucle magnético
llegan a estar casi completamente determinados por la longitud del hueco, el
resto del material sirve sólo para contener las líneas de flujo. El análisis de
tal dispositivo comienza con la compresión de que el campo B es continuo en el
núcleo y a través del hueco. El campo H no es, sino que satisface la relación
que la integral de la línea de Hdl alrededor del núcleo es igual a la corriente
conectada. Para una trayectoria magnética de longitud s en material de
permeabilidad μ con
hueco g, el ratio B/H, la permeabilidad efectiva viene dada por:
Que se aplica para g mucho más
pequeño que s.
Introduciendo un hueco que de
otra forma sería un CT y drásticamente incrementando las vueltas del secundario
hasta contar 10000 o más, resultando un sensor de corriente que es
intrínsecamente seguro porque el núcleo no puede saturarse. Debido a que el
campo B es siempre pequeño, el efecto de calentamiento de las corrientes
parásitas es menos importante que en los CT. Cuando es cargado con una
resistencia apropiada, la alta inductancia del secundario causa que el sensor
actúe como una fuente de corriente que genera un voltaje a través de la carga
proporcional a la corriente primaria con una linealidad superior al 1 %
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