Medición actual

4 formas diferentes

El siguiente informe técnico examina varios métodos para medir la corriente. Analiza cómo se miden las corrientes utilizando analizadores de potencia y pinzas de corriente. Se consideran las ventajas y desventajas respectivas de diferentes tecnologías como derivaciones, abrazaderas de corriente normal, sensores de efecto Hall y bobinas Rogowski. También se abordan los posibles errores de medición.

1. Shunt de corriente

1 Ilustración de ejemplo: shunt de corriente

El uso de una derivación es especialmente adecuado cuando se requiere una gran precisión en la medición, como ocurre, por ejemplo, en los bancos de pruebas de motores. Se utiliza una resistencia muy precisa, por ejemplo con un valor de resistencia de 0,1 Ohm. El flujo de corriente de 100 amperios a través de la derivación da lugar a una caída de tensión de 10 voltios, que es linealmente proporcional a la corriente que fluye a través de ella. El principio de medición es muy preciso y permite registrar altas frecuencias, así como señales de CA y CC. La desventaja es que el shunt debe instalarse en la red, lo que suele ser demasiado costoso para mediciones a corto plazo con un analizador de redes móvil. Cabe señalar que la derivación de corriente puede instalarse en la fase con alto potencial a tierra, así como en el conductor N. Es importante tener en cuenta el potencial al que se encuentran los shunts cuando se utilizan. Por ejemplo, un analizador de potencia podría medir la salida de tensión de 10 voltios, pero un potencial de la derivación a tierra podría sobrecargar el medidor. Por lo tanto, es importante considerar cuidadosamente si el uso de una derivación es favorable en una aplicación particular y si el medidor también está clasificado para el alto potencial.

2.Pinza amperimétrica con núcleo metálico

2 Pinza amperimétrica con núcleo metálico de A. Eberle
3 Principio físico de funcionamiento de una pinza amperimétrica con núcleo metálico

La técnica convencional para medir la corriente consiste en utilizar pinzas amperimétricas fijas. Funcionan según el principio de un transformador. El esquema de una pinza de este tipo se muestra en la figura. El cable de corriente se considera el devanado 1. A través de un campo magnético alterno en el núcleo de hierro, se induce una corriente en el segundo devanado, que es indirectamente proporcional a la corriente en el conductor. Por ejemplo, si en el conductor circula una corriente de 1000 amperios y el transformador tiene 1000 devanados, la corriente a la salida de la pinza amperimétrica será de 1 amperio. Por lo tanto, la relación entre las dos corrientes es de 1:1000.

Las pinzas amperimétricas modernas suelen tener una resistencia de terminación que no suministra corriente a la salida, sino una tensión en milivoltios proporcional a la corriente. Sin embargo, el principio de medición sigue siendo el mismo. Esto permite dejar el transformador de corriente conectado a la red sin peligro y desconectarlo del aparato de medida. Este transformador de corriente no tiene que estar necesariamente cortocircuitado, a diferencia de los transformadores de corriente a corriente que no deben funcionar en estado abierto. Hay que tener especial cuidado al utilizar pinzas amperimétricas con núcleos metálicos, ya que incluso un pequeño entrehierro puede provocar grandes errores de medición. Para evitarlo, se ha incorporado un enclavamiento en las minipinzas de corriente de la PQ-Box. Sin embargo, a corrientes más altas, como en el rango de 1000-3000 amperios, las pinzas se vuelven muy pesadas, grandes y poco manejables, lo que dificulta las maniobras alrededor de conductores grandes. En este caso, el uso de pinzas de corriente Rogowski es una alternativa más práctica.

3. Pinzas de corriente del sensor Hall

Si se van a medir tanto señales de CA como de CC, el esfuerzo necesario para la tecnología de medición es algo mayor. En este caso no se puede utilizar una pinza pasiva. En su lugar, se puede utilizar el efecto Hall en metrología. Se trata de un componente semiconductor al que se conecta un flujo de corriente. Cuando este elemento semiconductor se encuentra en un campo magnético, se produce una separación de portadores de carga en el componente conductor Hall. Esto implica que los portadores de carga se desplazan hacia un lado en el campo magnético. Esta tensión del elemento sensor Hall es proporcional al campo magnético. Con este efecto, se pueden medir corrientes tanto de CA como de CC.

4 pinzas amperimétricas para sensores Hall de A. Eberle para corriente alterna y continua
5 Principio de construcción de una pinza de efecto Hall

El uso de pinzas amperimétricas de corriente alterna y continua tiene ventajas e inconvenientes. Aunque estas pinzas se utilizan con mucha frecuencia, no se emplean de serie en todos los aparatos de medición. Una desventaja de estas pinzas es que a veces son muy sensibles a la temperatura.

Normalmente, hay que calibrar una pinza amperimétrica de corriente continua al valor 0 mediante una tecla o un mando giratorio antes de cada medición. Sin embargo, esto puede dar lugar a errores relativamente grandes en la técnica de medición para periodos de medición largos, como la monitorización de un sistema solar durante 7 días, debido a las fluctuaciones de temperatura entre el día y la noche.

Otra limitación es la necesidad de una fuente de alimentación. La mayoría de las pinzas amperimétricas están diseñadas para funcionar con baterías, lo que resulta inconveniente para periodos de medición largos. Sin embargo, hay pinzas que pueden funcionar con una fuente de alimentación externa, lo que permite períodos de medición más largos. Cuando se utilizan pinzas amperimétricas, siempre hay que tener en cuenta que existen diversas fuentes de error de medición, como la deriva por temperatura.

4. Bobina Rogovski

6 Bobina Rogovski de A. Eberle

Las pinzas Rogowski son muy fáciles de usar, ya que están disponibles en todas las longitudes y tamaños, y tienen un diseño muy flexible. Uno de los deseos de los clientes es que la pinza sea lo más fina y pequeña posible, para que estos bucles quepan incluso en espacios muy reducidos. Sin embargo, la ventaja de un bucle de corriente muy fino también conlleva una desventaja en términos de tecnología de medición. La señal de salida depende del diámetro del cabezal. A mayor diámetro, mayor señal de salida. Por tanto, aunque una pinza fina puede utilizarse en espacios más reducidos, la señal de salida es menor y, en consecuencia, las corrientes más pequeñas sólo pueden detectarse con un mayor error de medición. Se trata de una limitación física que no puede eludirse..

Una bobina Rogowski consiste en un núcleo de goma que se comporta magnéticamente como el aire, por lo que también se denomina bobina de aire.

7 Principio de funcionamiento Bobina de Rogowski (también conocida como «bobina de núcleo de aire»)

Para reducir el error de medición al medir corrientes pequeñas, es posible enrollar la bobina dos veces alrededor de un conductor. Dado que ahora el valor medido se duplicaría, esto se puede corregir muy fácilmente ajustando la relación de transformación en los ajustes de la caja PQ al factor x0,5.
Hay que tener en cuenta que los transformadores de corriente Rogowski sólo pueden medir corrientes AC y no DC.
Cada bobina Rogowski necesita un integrador en la salida para rastrear la señal de salida de nuevo a la señal de corriente original. La mayoría de las bobinas Rogowski tienen la electrónica incorporada en el cable, que por lo general también requiere una fuente de alimentación. Todas las cajas PQ de a-eberle tienen dos entradas de corriente separadas. Una entrada para pinzas de corriente y una entrada para bobinas Rogowski. Gracias a una codificación en el enchufe de la pinza amperimétrica, el aparato de medición reconoce automáticamente el tipo de pinza correcto. De este modo, no es necesaria una fuente de alimentación para estas pinzas de corriente y, además, se mejora la precisión, ya que la señal de medición no se convierte dos veces.

En cuanto a los errores de medición, debe tenerse en cuenta la información de la ficha técnica del proveedor de la pinza.

8 Datos técnicos de una bobina Rogowski

El calibrado y la fabricación de las pinzas proporcionan errores de medición relativamente pequeños, del 0,5 por ciento del valor medido, cuando se utilizan pinzas de corriente Rogowski. El mayor factor de error suele ser la sensibilidad de posición de la pinza. La precisión óptima se consigue cuando el conductor se coloca exactamente centrado en el centro de la pinza. En la práctica, sin embargo, la posición del conductor influye en el resultado de la medición hasta en un 2%. Otros factores que influyen en la precisión son la linealidad, las influencias de la temperatura y los sectores vecinos. Así, las corrientes en los conductores vecinos también influyen en el resultado de la medición. Este error es de hasta el 1 % de las corrientes vecinas. Se vuelve problemático cuando se miden pequeñas corrientes en las proximidades de conductores con grandes corrientes. En ese caso, el error también puede ser de hasta el 100 % del valor medido. Por lo tanto, es necesario considerar cuidadosamente las condiciones ambientales, especialmente cuando se miden corrientes bajas. El uso de minipinzas de corriente suele ser más adecuado para la medición de corrientes muy pequeñas.

Errores angulares

Los errores de medición, especialmente los angulares, pueden deberse al muestreo de tensiones y corrientes. Por regla general, las tensiones se toman de forma fija, mientras que las corrientes se miden con ayuda de pinzas amperimétricas. Sin embargo, cada pinza de corriente tiene un ligero error de fase, que puede hacer que la corriente medida se muestre adelantada o retrasada. El medidor calcula todas las potencias a partir de las muestras de las tensiones y las corrientes.

A modo de ejemplo, se mostrará cómo los errores angulares son apreciables en las magnitudes de medida de potencia.

9 Ejemplo de cálculo de un error angular 1

En el ejemplo 1 se trata de una red en la que el cosphi es bastante bueno, con un ángulo de fase de 10 grados entre la tensión fundamental y la corriente fundamental. Un error de fase de una pinza de corriente de un grado puede dar los siguientes resultados de medición en la pantalla del medidor para un valor real de 0,984 para el cosphi: Máx: 0,981 o Mín: 0.967.

Esto corresponde a un error del 0,3% tanto para el cosphi como para la potencia activa.

En el ejemplo 2, se utiliza una medición con un ángulo de fase extremadamente grande. Se trata de determinar las pérdidas de potencia activa en una reactancia de línea de 2,3 MVA de potencia reactiva en una red de media tensión. El coseno Phi de este inductor debe ser de 90 grados si es posible. En nuestro caso, el error de fase es de 89 grados.

Un error angular adicional de un grado de la pinza amperimétrica o incluso de un transformador secundario de medida puede provocar ahora un error de medida de hasta el 200%. En este caso, las pérdidas de potencia activa de esta bobina pueden estar ahora entre 0 y 200% del valor medido verdadero. Sin embargo, para la potencia reactiva en este caso la medición es muy precisa.

10 Ejemplo de cálculo de un error angular 2
11 Factor de corrección del ángulo de entrada Software PQ mobil de A. Eberle

Para las evaluaciones de la red en las que las mediciones angulares correctas son muy importantes, como cuando se mide en una red de media tensión o a través de transformadores de corriente en una red de baja tensión, la corrección de los errores angulares de los distintos transformadores puede llegar a ser muy importante.

En todas las cajas PQ puede almacenarse un factor de corrección angular para los cálculos de las magnitudes de medida de potencia y los ángulos de fase. Esto permite corregir muy fácilmente los errores angulares en las mediciones en las que el error angular es crucial.

Autor
Jürgen Blum, Jefe de Producto de Power Quality Mobil

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