Sensoreamento de Corrente

Universidade Paulista UNIP

Curso de Engenharia Disciplina de Controle e Automao

Prof. Joo Flrio

Sensoreamento de Corrente

Camila Alves Ferreira 876669-0

Luis Rogrio Barbosa 877234-7

Rafael Paes 217999-7

Ronaldo Martins Waldemarin 875679-1

Thiago Augusto Cardoso 875136-6

Giovani Coan 877303-3

Nelson Ap. Bezerra 877196-0

Felipe Rosa Antunes 127447-3

Sorocaba 2010

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_____________________________________________________________________ UNIP - Unidade Universitria de Sorocaba 1

ndice

1. Introduo ....................................................................................................... 2

2. Tipos De Sensores De Corrente ............................................................ 3

2.1. Shunt Resistivo ............................................................................................. 3

2.2. Sensores De Efeito Hall ........................................................... 4

2.3. Tipos De Transdutores: ............................................................ 7

3. Dispositivos Trmicos ............................................................................... 10

4. Transformadores De Corrente .............................................................. 11

4.1. Tipos Construtivos .................................................................. 14

5. Bobinas Rogoswski ................................................................................... 15

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1. INTRODUO

Uma aplicao muito freqente na indstria de sensores magneto-resistivos o

sensoriamento da intensidade da corrente que circula num circuito. Esse

sensoriamento serve para realimentar os circuitos de controle PWM que

determinam a velocidade de potncia de motores, acionamento de solenides,

e muitos outros tipos de dispositivos semelhantes. Uma das aplicaes mais

comuns dos sensores de corrente a realimentao dos circuitos de controle

de motores.

Figura 1 - Controle de motor por sensor de corrente.

Para se obter um sinal proporcional corrente que circule por um condutor

existem diversas tecnologias que so utilizadas nos componentes comerciais.

Essas tecnologias incluem shunts resistivos, dispositivos de efeito hall,

transformadores de corrente, dispositivos trmicos, etc.

Cada tecnologia tem suas vantagens e desvantagens como, por exemplo, a

no existncia de isolamento no caso do shunt ou ainda a queda de tenso no

circuito causando perdas, etc.

Os sensores magneto-resistivos, entretanto, oferecem muitas vantagens que

analisadas podem torn-los uma escolha melhor do que os outros tipos. Dentre

as vantagens que destacamos para esses sensores est o fato de que eles

proporcionam isolamento eltrico total, no causam alteraes na intensidade

da corrente do circuito sensoriado e, alm disso, so rpidos o bastante para

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poderem operar com freqncias to altas como 5 MHz, isso numa faixa

dinmica de 100 dB.

2. TIPOS DE SENSORES DE CORRENTE

2.1. Shunt Resistivo

Resistncia de derivao para medio de corrente contnua. O Shunt

principalmente empregado para medies de correntes elevadas, sendo

calculado de tal maneira que a uma determinada corrente nominal se

tenha uma queda de tenso, geralmente de 60, 150 ou 300mV.

Para que se obtenha uma indicao de corrente, deve ser conectado ao

shunt um indicador bobina mvel com escala igual a corrente nominal e

o campo equivalente a queda de tenso provocada pelo shunt.

Para que seja assegurada a preciso do shunt, deve-se tomar o cuidado

para que no sejam a ele conectadas linhas de medio com resistncia

maior que o valor mencionado nos dados tcnicos do shunt.

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Exemplo de Dados Tcnicos do shunt:

Norma: NBR 5180

Terminais: Lato MS 58.

Conexo: Ao barramento atravs de parafusos de ao niquelado ou lato

linha de medio atravs de parafusos de lato com cabea cilndrica, M5x8.

Material da Resistncia: Mangann.

Resistncia da Linha de medio:

Shunt 60 mV 0,35

Shunt 150 mV 4

Shunt 300 mV 12

Classe de exatido: 0,5%.

Sobrecarga de curta durao:

In at 500A 10 x In/5 seg.

In de 501A/2000A 5 x In/5 seg.

In de 2001A/10000A 2 x In/5 seg.

2.2. Sensores De Efeito Hall

So dispositivos transdutores de corrente fabricados usando o princpio

efeito hall de elementos magnticos, com a capacidade de medir sinais

AC e DC com total isolamento galvnico. Podem trabalhar com vrios

formatos de onda (faixa ampla de freqncia).

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Os Sensores de Corrente por efeito Hall Realimentado podem medir

correntes AC e DC numa faixa ampla de freqncia. Dessa forma,

possuem a capacidade de reproduzir praticamente qualquer formato de

onda. Possuem uma sada em corrente determinada atravs de uma

relao entrada: sada. Em modelos, por exemplo, que possuem uma

relao 1:1000, teremos na sada do sensor uma reproduo de sinal

medido numa proporo 1000 vezes menor.

Na escolha do modelo a ser utilizado, deve-se observar quais so os

valores de corrente de pico positivos (Ipp) e negativos (Ipn) do formato

de onda presente no sinal a ser medido, pois os mesmos devem

respeitar a faixa de medida do sensor que ser utilizado. Por exemplo:

pegando-se um modelo cuja faixa de medida seja 80Adc, o Ipp e o Ipn,

devem ser, respectivamente, (+80Adc) e (-80Adc).

A corrente nominal tem um papel importante na indicao do erro do

sensor. Como os mesmos podem medir vrios formatos de onda,

basear-se somente neste parmetro para dimensionar o sensor pode

incutir em erro, pois os valores Ipp e Ipn podem extrapolar os valores da

faixa de medida.

A converso da sada em corrente para uma em tenso feita atravs

de um resistor de amostragem (Ra).

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Em medidas de corrente com baixa amplitude de sinal, pode-se

aumentar a resoluo da medida, fazendo-se com que o condutor da

corrente seja passado mais de uma vez pela janela do sensor.

A corrente resultante lida pelo sensor ser resultado do nmero (n) de

vezes que o condutor ser passado pela janela do sensor multiplicado

pelo valor da corrente (i) que passa pelo prprio condutor.

Exemplo:

- nmero de vezes que o condutor passa pela janela: n = 5

- corrente no condutor: i = 5A

Valor de corrente resultante lida pelo sensor (ir ): i i n A r = = 5 5 = 25

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Deve levar em conta que a corrente no primrio do sensor, no caso de

se passar o condutor mais de uma vez pela janela, ser neste caso (ir).

Algumas vantagens destes sensores:

Medio de corrente contnua: Substituio com vantagem de

custo- benefcio os sensores semicondutores de efeito Hall e seu

complexo sistema eletrnico de calibrao e compensao de

temperatura.

Proteo de sistemas de energia em corrente contnua: Substitui

o shunt resistivo de potncia eliminando problemas de dissipao

de calor.

Banco de baterias para alimentao de sistemas de proteo de

subestaes: O no emprego de shunt dispensa o uso de

amplificadores de alto ganho, susceptveis a interferncias

eletromagnticas externas.

No-Break: Por no usar shunt existe uma perfeita isolao

galvnica entre circuito primrio e secundrio.

Carregadores de baterias automotivas e tracionrias: Excelente

sensibilidade para uma vasta gama de correntes.

Medio e controle de processos em industria eletroqumica"

Medio e controle de processos em industria eletroqumica:

Maior robustez sendo indicado para ambientes agressivos. Pode

suportar atmosferas com poeira e outros poluentes, calor,

umidade, elevada interferncia eletromagntica e vibrao sem

alterar o seu funcionamento normal nem sua preciso

Controle de processo em galvanizao: Menor custo.

2.3. Tipos De Transdutores:

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Transdutores de Corrente Janelados

medida direta que dispensa a utilizao de TCs ou SHUNTs.

Basta a passagem do condutor da corrente pela

no prprio encapsulamento do transdutor, para se ter uma medida

AC ou DC com total isolamento galvnico.

Transdutores de Corrente com Terminal:

em medidas de baixo valor de corrente. Nestes modelos, o

condutor deve ser

total isolamento galvnico.

Transdutores de Corrente que utilizam sensor hall externo:

Utilizados para medidas AC e DC. Diferente dos modelos

janelados e de Terminais, que possuem os pontos de medida da

corrente integrados n

fixao em fundo de p

(sondas) de Corrente AC e DC (Efeito HALL realimentados) para

executarem as medidas. Os mesmos so ideais em casos onde a

amplitude da corrente ou os pontos de medid

remotamente

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Transdutores de Corrente Janelados: Possuem um sistema de


Basta a passagem do condutor da corrente pela janela,


com total isolamento galvnico.

sdutores de Corrente com Terminal: Geralmente utilizados


condutor deve ser fixado nos terminais do transdutor. Possuem

total isolamento galvnico.



anelados e de Terminais, que possuem os pontos de medida da

corrente integrados no prprio encapsulamento padro DIN de

fixao em fundo de painel, os mesmos necessitam dos Sensores



amplitude da corrente ou os pontos de medida esto localizados

remotamente (longe do painel).

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Possuem um sistema de


janela, localizada


Geralmente utilizados


nos terminais do transdutor. Possuem



anelados e de Terminais, que possuem os pontos de medida da

prprio encapsulamento padro DIN de

ainel, os mesmos necessitam dos Sensores



a esto localizados

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Transdutores de Corrente que utilizam TC (Transformador de

Corrente): Utilizados para medidas AC. Necessitam de TCs

(Transformadores de Corrente) para executarem as medidas. Os

mesmos so ideais em casos onde a amplitude da corrente ou os

pontos de medida esto localizados remotamente (longe do

painel).

Multiplexador (Concentrador): Em casos onde existam vrios pontos de

medida que precisam que os seus dados sejam enviados para um nico

local (equipamento), pode-se utilizar o Multiplexador (Concentrador)

que recebe as informaes de vrios transdutores e as concentram em

uma nica sada.

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3. DISPOSITIVOS TRMICOS

Um termopar uma juno entre dois metais diferentes que produz uma

tenso relacionada a uma temperatura de diferena. Termopares um tipo

amplamente utilizado de sensor de temperatura para medio e controle e

tambm pode ser utilizada para converter calor em energia eltrica. Eles so

baratos e intercambiveis, so fornecidos montados com conectores padro e

podem medir uma vasta gama de temperaturas. A principal limitao a

preciso: os erros do sistema de menos de um grau Celsius pode ser difcil de

alcanar.

Um termopar pode produzir a corrente, o que significa que pode ser usado para

conduzir alguns processos diretamente, sem a necessidade de circuitos

adicionais e fontes de energia. Por exemplo, o poder de um termopar pode

ativar uma vlvula quando surge uma diferena de temperatura. A energia

eltrica gerada por um termopar convertida a partir da energia trmica que

deve ser fornecido para o lado quente para manter o potencial eltrico. Um

fluxo contnuo de calor necessrio porque a corrente que flui atravs do

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termopar tende a causar o lado quente esfriar e o lado frio para aquecer (o

efeito Peltier).

Qualquer juno de metais diferentes ir produzir um potencial eltrico

relacionadas temperatura. Termopares para a medio prtica de

temperatura so junes de determinadas ligas que tm uma relao previsvel

e repetitiva entre temperatura e tenso, ligas diferentes so usados para

diferentes faixas de temperatura. Propriedades como resistncia corroso

pode tambm ser importante na escolha de um tipo de termopar. Quando o

ponto de medio est longe de ser o instrumento de medio, a conexo

intermediria pode ser feita por fios de extenso, que so menos onerosos do

que os materiais utilizados na fabricao dos sensores. Termopares so

geralmente normalizados em relao a uma temperatura de referncia de 0

Celsius; instrumentos prticos usar mtodos eletrnicos de compensao de

juno fria para ajustar a variao da temperatura nos terminais do

instrumento. Os instrumentos eletrnicos tambm podem compensar as

diferentes caractersticas do termopar, e assim melhorar a preciso e exatido

das medies.

Termopares so amplamente utilizados na cincia e na indstria; aplicaes

incluem a medio de temperatura para fornos , turbinas a gs de escape, para

motores diesel motores, e outros processos industriais.

Termopares podem ser conectados em srie para formar uma termopilha, onde

todas as junes quentes so expostas a um maior e todas as junes frias

para uma temperatura mais baixa. A sada a soma das tenses atravs das

junes individuais, dando maior tenso e potncia. Usando o decaimento

radioativo de elementos transurnicos como fonte de calor, este arranjo tem

sido usado para alimentao em misses espaciais longe demais do Sol para

utilizar a energia solar.

4. TRANSFORMADORES DE CORRENTE

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Os transformadores de corrente so classificados em dois tipos:

Transformadores de Corrente para servios de medio, utilizados para

medio de correntes em alta tenso, possuem caractersticas de boa

preciso (ex.: 0,3%-0,6% de erro de medio) e baixa corrente de

saturao (4 vezes a corrente nominal).

Transformadores de Corrente para servios de proteo, utilizados para

proteo de circuitos de alta tenso, so caracterizados pela baixa

preciso (ex.: 10%-20% de erro de medio) e elevada corrente de

saturao (da ordem de 20 vezes a corrente nominal).

Quando a corrente em um circuito muito alta para aplicar diretamente os

instrumentos de medio, um transformador de corrente produz uma corrente

reduzida exatamente proporcional corrente no circuito, que pode ser

facilmente conectado a medio e os instrumentos de registro. Um

transformador de corrente tambm isola os instrumentos de medio do que

pode ser muito alta tenso no circuito monitorado. Transformadores de

corrente so comumente usados em medio e rels de proteo na indstria

de energia eltrica.

Um transformador de corrente ou simplesmente TC um dispositivo que

reproduz no seu circuito secundrio, a corrente que circula em um enrolamento

primrio com sua posio vetorial substancialmente mantida, em uma

proporo definida, conhecida e adequada. Os transformadores de corrente,

tambm chamados de transformadores de instrumentos, utilizados em

aplicaes de alta tenso (situaes essas onde circulam, frequentemente,

altas correntes), fornecem correntes suficientemente reduzidas e isoladas do

circuito primrio de forma a possibilitar o seu uso por equipamentos de

medio, controle e proteo. Como qualquer outro transformador, um

transformador de corrente tem um enrolamento primrio, um ncleo magntico

e um enrolamento secundrio. A corrente alternada que flui nas primrias

produz um campo magntico no ncleo, que ento induz uma corrente no

enrolamento do circuito secundrio. O principal objetivo do projeto

transformador de corrente o de assegurar que os circuitos primrio e

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secundrio estejam acoplados de forma eficiente, de modo que a corrente

secundria tem uma relao exata para o corrente primria.

Os designs mais comuns do

enrolado muitas vezes em torno de um anel de ao

a ser medido. Circuito primrio do TC, portanto, consiste em um nico 'virar' do

maestro, com um derivado de muitas centenas de voltas.

primrio pode ser uma parte permanente do transformador de corrente, com

uma barra de cobre pesado para transportar corren

magntico. Do tipo janela transformadores de corrente so tambm

que podem ter os cabos do circuito correr no meio de uma abertura no centro

para fornecer um nico turno enrolamento primrio.

passar por uma tomografia computadorizada no so centrados na circular (ou

oval) de abertura, pequenas imprecises podem ocorrer.

Formas e tamanhos podem variar de acordo com o usurio final ou o fabricante

do quadro. Exemplos tpicos de baixa tenso r

transformadores de corrente so o tipo de toque ou caso plstico moldado.

Transformadores de corrente

porcelana para isol-los da terra.

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acoplados de forma eficiente, de modo que a corrente

secundria tem uma relao exata para o corrente primria.

Os designs mais comuns do TC so constitudos por um comprimento de fio

enrolado muitas vezes em torno de um anel de ao silcio passando

ircuito primrio do TC, portanto, consiste em um nico 'virar' do

maestro, com um derivado de muitas centenas de voltas. O enrolamento


uma barra de cobre pesado para transportar corrente atravs do ncleo

Do tipo janela transformadores de corrente so tambm


para fornecer um nico turno enrolamento primrio. Quando condutores de


oval) de abertura, pequenas imprecises podem ocorrer.


Exemplos tpicos de baixa tenso razo simples de medio de


ransformadores de corrente de alta tenso so montados e

los da terra. Algumas configuraes do TC tm

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acoplados de forma eficiente, de modo que a corrente

por um comprimento de fio

silcio passando no circuito

ircuito primrio do TC, portanto, consiste em um nico 'virar' do

O enrolamento


te atravs do ncleo

Do tipo janela transformadores de corrente so tambm comuns,


Quando condutores de



azo simples de medio de


lta tenso so montados em buchas de

Algumas configuraes do TC tm

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deslizamento em torno da bucha de um transformador de alta tenso ou

disjuntor, que mantm automaticamente os centros de condutores dentro da

janela do TC.

4.1. Tipos Construtivos

So classificados de acordo com o modelo do enrolamento primrio, j

que o enrolamento secundrio constitudo por uma bobina com

derivaes (taps) ou mltiplas bobinas ligadas em srie e/ou paralelo,

para se obter diferentes relaes de transformao. Quanto aos tipos

construtivos, os TCs mais comuns, so:

Tipo enrolado: Este tipo usado quando so requeridas relaes

de transformaes inferiores a 200/5. Possui isolao limitada e

portanto, se aplica em circuitos at 15kV. Ocorre quando o

enrolamento primrio, constitudo de uma ou mais espiras,

envolve mecanicamente o ncleo do transformador.

Tipo barra: Transformador de corrente cujo enrolamento primrio

constitudo por uma barra, montada permanentemente atravs

do ncleo do transformador.

Tipo bucha: Consiste de um ncleo em forma de anel (ncleo

toroidal), com enrolamentos secundrios. O ncleo fica situado ao

redor de uma bucha de isolamento, atravs da qual passa um

condutor, que substituir o enrolamento primrio. Este tipo de TC

comumente encontrado no interior das buchas de disjuntores,

transformadores, religadores, etc..

Tipo janela: Tem construo similar ao tipo bucha, sendo que o

meio isolante entre o primrio e o secundrio o ar. O

enrolamento primrio o prprio condutor do circuito, que passa

por dentro da janela.

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Tipo Ncleo Dividido: Transformador de corrente tipo janela em

que parte do ncleo separvel ou basculante, para facilitar o

enlaamento do condutor primrio.

Tipo com vrios enrolamentos primrios: Transformador de

corrente com vrios enrolamentos primrios distintos e isolados

separadamente.

Tipo com vrios ncleos: Transformador de corrente com vrios

enrolamentos secundrios isolados separadamente e montados

cada um em seu prprio ncleo, formando um conjunto com um

nico enrolamento primrio, cujas espiras (ou espira) enlaam

todos os secundrios.

5. BOBINAS ROGOSWSKI

Uma bobina de Rogowski, em homenagem a Walter Rogowski, um

dispositivo eltrico para medir a corrente alternada (AC) ou corrente de pulsos

de alta velocidade. constituda por uma hlice de bobina de fio com o

chumbo de um fim de retornar pelo centro da bobina para a outra extremidade,

de modo que ambos os terminais esto na mesma extremidade da bobina. O

conjunto todo ento envolto em torno da reta do condutor cuja corrente est a

ser medido. Uma vez que a tenso que induzida na bobina proporcional

taxa de variao (derivada) da corrente no condutor em linha reta, a sada da

bobina de Rogowski geralmente conectada a uma tomada eltrica (ou

eletrnico) integrador circuito, a fim de fornecer uma sada sinal que

proporcional corrente.

Uma das vantagens de uma bobina de Rogowski sobre outros tipos de

transformadores de corrente que ela pode ser feita aberta e flexvel,

permitindo que seja envolvida em torno de um condutor vivo sem perturb-la.

Uma vez que uma bobina de Rogowski tem um ncleo de ar, em vez de um

ferro do ncleo, que tem uma baixa indutncia e pode responder a mudana de

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correntes rpidas. Tambm, porque no tem nenhum ncleo de ferro para

saturar, altamente linear, mesmo quando submetido a grandes correntes,

como os usados em transmisso de energia eltrica, solda, ou aplicaes de

pulso. Uma bobina de Rogowski formado corretamente, com enrolamentos

igualmente espaados, praticamente imune a interferncias

eletromagnticas.

Mais recentemente, sensores baixo custo com base no princpio de uma bobina

de Rogowski tm sido desenvolvidos. Estes sensores compartilham os

princpios de uma bobina de Rogowski, a medio da taxa de variao da

corrente usando um transformador sem ncleo magntico. A diferena entre a

bobina de Rogowski tradicional que o sensor pode ser fabricado usando uma

bobina planar ao invs de uma bobina toroidal. Para rejeitar a influncia de

condutores de fora da regio de medio de sensores, estes sensores planares

Rogowski atuais usam uma geometria da bobina concntrica em vez de uma

geometria toroidal de limitar a resposta a campos externos. A principal

vantagem do atual Rogowski sensor planar que o enrolamento de preciso

que uma exigncia, pode ser conseguida utilizando placa de circuito impresso

baixo custo de fabricao.

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