Cómo medir corriente y hacer mediciones de potencia

Visión General

Este documento cubre las diferentes transductores de corriente disponibles y como deben ser implementados con el propósito de análisis de calidad de energía y monitoreo de potencia.

Contenido

Transformadores de Corriente y Transductoress

Medir de manera segura grandes corrientes en un laboratorio o en un piso de producción presenta muchos retos los cuales no están asociados con la adquisición de señales típicas. Medir el voltaje a través de unas pequeñas resistencias de carga puestas en un circuito es poco práctico y puede llegar a ser peligroso. Instrumentos comunes como un multímetro digital generalmente puede medir corrientes en el orden de pocos amperes, pero esto generalmente tiene límites en el período de tiempo que puede ser observado y también se debe tener cuidado para evitar dañar el equipo o causar alguna herida. Y aún más importante, algunos usuarios deben de medir corrientes considerablemente más grandes que pueden ser medidas de forma segura a través de conexiones directas.

Para medir altas corrientes de manera segura, la práctica más común es hacerlo con un Transformador de Corriente (CT) de propósito general.  O transductor el cual reduce la magnitud de la corriente en el circuito a un nivel más manejable. Así como en otras tecnologías de medición, hay una gran variedad de tipos de sensores específicos para diferentes aplicaciones.

 

 

Núcleo Dividido vs. Núcleo Solido

 Los transformadores de corriente pueden ser de núcleo dividido (abierto) o núcleo sólido (cerrado). Los transformadores de corriente usan la inductancia para medir la corriente, de esta forma el circuito debe pasar al menos una vez a través de sensor, aunque varias vueltas pueden ser usadas para multiplicar la corriente de salida. Cuando se instala los CT en un circuito existente, los de núcleo dividido son vistos con mayores ventajas ya que pueden ser abiertos y puestos alrededor de los cables existentes sin tener que interrumpir el circuito. Por otra parte los CT de núcleo sólido requieren que el circuito sea re-cableado para que pueda pasar a través del núcleo. Debido a que los costos de la instalación pueden exceder el precio de los sensores, los sensores de núcleo dividido, aunque son más costosos, pueden reducir el costo total de la implementación. Los transductores de núcleo sólido pueden ser preferidos, en situaciones en donde mediciones extremadamente precisas son requeridas, ya que por el mismo precio de uno de núcleo dividido puede obtener más precisión.

 

Los CT de núcleo dividido cuestan más pero provén una instalación más fácil Los CT de núcleo sólido son más precisos por un menor costo

 

Salida e Integración con Sistemas de Medición

Se debe de tener cuidado cuando se integran sensores de corriente en sistemas de medición ya que las salidas de diferentes sensores pueden diferir. Si se conecta un sensor no adecuado a su equipo ó conectar un sensor incorrectamente puede dañar tanto el sensor así como el sistema de medición y puede originar riesgos de seguridad para el personal. Es esencial saber qué tipo de sensor se está comprando y como se hace la interface con la instrumentación. 

Los transformadores vienen con dos diferentes configuraciones de salida: salidas de voltaje y salidas de corriente. Sensores con señales de voltaje proporcionales en corriente en el primario del transformador son generalmente clasificados en volts por ampere primario, ej. V por amp. Estos sensores generalmente contienen una resistencia de carga interna que permite a la corriente secundaria ser medida como voltaje. Los sensores que entregan una salida de voltaje pueden ser conectados a la mayoría de los equipos estándar de pruebas, siempre y cuando el voltaje no exceda los rangos de entrada del equipo. Las señales que producen estos sensores son de baja potencia y pueden ser conectados y desconectados sin dañar el sensor. Ya que son señales de baja potencia están expuestos a interferencia y degradación de la señal, y no siempre son adecuados cuando el cableado entre el sensor y los equipos de medición es muy largo.

Otros transformadores de corriente tienen una salida de formas de onda de corriente en sus terminales secundarias. Estos sensores producen señales de alta potencia las cuales pueden producir riesgos en la seguridad del personal si no son manejados adecuadamente. Las terminales secundarias de estos transformadores son construidos generalmente para tener una salida nominal de 5 ampere AC (AAC) o señales 1 AAC, y no pueden ser conectados directamente a la mayoría de equipos estándar.    

Un CT  500:5 por ejemplo, puede producir 5 AAC de corriente secundaria cuando 500AAC pasa a través de su primario. Es extremadamente importante que las terminales secundarias de este CT no estén en un circuito de configuración abierta si la corriente este pasando  a través de las bobinas primarias, produciendo voltajes peligrosos en el secundario generando en el sensor un daño permanente. Por esta razón, los circuitos secundarios de CT que tienen salidas de corriente nunca deben ser cruzados. Para poder usar estos sensores con equipo medición que no acepta entradas de corriente se necesita implementar una resistencia de carga a la entrada. Para poder mantener la integridad de la señal. La resistencia es generalmente puesta lo más cerca al equipo de medición. Contacte a su proveedor de su equipo de control o prueba si no está seguro acerca de las entradas que acepta (corriente, voltaje).

Sensores de corriente básicos y transformadores de corriente no realizan ningún tipo de análisis o registro en un circuito de potencia. Mediciones tales como el RMS, factor de poder, pico a pico, fase y muchas otras son comunes y requieren de sensores más caros o pueden ser calculadas con la salida de un sensor de corriente básico/transformador y software. Para sistemas de prueba usados en el diseño o pruebas de manufactura es generalmente preferido tener un sistema que realice los cálculos debido a los únicos y muy específicos requerimientos que vienen en el diseño y validación del producto.

 

Fabricantes de Sensores y Transformadores

Las siguientes compañías de terceros tienen transformadores de medición de corriente y/o transductores en sus catálogos.

MAGNELAB

CR Magnetics

LEM

Mediciones Requeridas

Las mediciones de potencia fundamentales pueden ser observadas en la figura 2, representadas en lo que es conocido como el triangulo de potencia. Usando las tres mediciones de voltaje, corriente y el offset de la fase entre el V y las formas de onda de I,  se puede calcular el triángulo completo.

Medición de Voltaje

NI ofrece una amplia selección de módulos de medición de voltaje pero para mediciones de formas de onda de potencia los módulos sugeridos son él NI 9239 para mediciones de 10V, el NI 9229 para mediciones de 60V y él NI 9225 para mediciones de hasta 300Vrms. Los tres módulos tienen muestreo simultáneo los cuales son necesarios para mediciones trifásicas y tienen 600 Vrms CAT II de aislamiento de seguridad canal a canal. Aunque es más conveniente tener una conexión directa al módulo para mediciones de voltaje, se puede usar un transformador de potencia (PT) para voltajes superiores a los 300Vrms para bajar el voltaje de forma similar a los transformadores similares discutidos anteriormente.     

El NI 9225 puede medir hasta 300 Vrms

 

Medición de Corriente

Ya que varios sensores de corriente pueden entregar una salida de voltaje proporcional al flujo de la corriente a través de su secundario, hay muchos productos de NI que pueden ser usados para mediciones de alta corriente. Para un sensor de 10V de salida use el NI 9239. Este módulo opera con la misma arquitectura de un NI 9225 haciéndolo una opción ideal para sincronización. La selección de un módulo de medición de entrada analógica para corriente dependerá del sensor de corriente seleccionado, así como el la corriente máxima esperada en el circuito medido. Mientras que el hardware de NI cumple todos los estándares de la industria para aislamiento de voltaje una selección equivocada de un módulo de entrada analógica puede ocasionar una saturación de la medición o un daño en el módulo si la salida de voltaje del sensor excede el rango de adquisición del módulo.  Cuando se calcula el máximo de voltaje de salida del sensor, recuerde que varias máquinas industriales tienen corrientes transitorias de arranque que algunas veces son sus rangos normales de carga. Revise la hoja de especificaciones de cada módulo de forma individual cuando se encuentre seleccionando el módulo adecuado para su aplicación.

Midiendo la Fase de Offset

Para hacer la medición del offset de la fase entre las dos formas de onda de la corriente y el voltaje, los canales necesitan estar sincronizados. Esto es conseguido usando los dos módulos, tales como él NI 9225 para voltaje y él NI 9239 para corriente, en el mismo chasis de Compact RIO o Compact DAQ. Estos planos traseros pueden correr todos los canales en los mismos relojes internos proveyendo de datos sincronizados. Con estos datos síncronos, el offset de fase puede ser calculado en software. Muchos paquetes de software tienen funciones incorporadas para este análisis, una manera fácil de hacerlo es instalar la paleta de Electrical Power Measurements para LabVIEW del Tutorial de Electrical Power Measurement y utilice el “EPM_Phasor.vi. Para más información de fases vea el tutorial de Phase Modulation.

Dadas las entradas de V y las formas de onda de I, esta función regresará los cálculos de RMS y el ángulo de fase para cada componente

 

Este indicador de fase está incluido con la paleta de Electrical Power Measurement.

 

Componentes Sugeridos para sistemas trifásicos

•1 Chasis NI CompactDAQ (cDAQ-9172)  ó Chasis CompactRIO Chassis (varias opciones disponibles)

•1 NI 9225 – Módulo de entrada de 300Vrms para medición de voltaje.

•1 NI 9225 (300Vrms), NI 9229 (60Vp-p), o NI 9239 (10Vp-p) Módulo de entrada analógica (Conectado al sensor de corriente)

•Sensor de Corriente (uno por fase)

Este sistema recomendado puede medir una fase-sencilla de dos cables, fase-sencilla 3 cables ó un sistema trifásico de 3 cables. Él NI 9225, NI 9229, y él NI 9239 tienen convertidores analógico-digital (ADC) de 24 bits de resolución para adquirir datos a 50kS/s lo cual es importante si se requiere hacer los cálculos para transitorias y harmónicas. Estos módulos no son solo de muestreo simultáneo (un ADC por canal), sino que también son sincronizados dentro del plano trasero lo cual es crítico cuando se mide el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje en una solo línea.

Cálculos de Software para sistemas de prueba o control flexibles y expandibles

Las funciones de análisis para todos los cálculos de potencia fundamentales discutidos en este documento pueden ser encontrados en los recursos disponibles en línea del kit Electrical Power Measurements. Estas funciones comunes incluyen:

•Calculo de Fasor de Voltaje and Corriente (Valor RMS cortado con el ángulo de fase)

•Diagrama de Fasor

•Power Data.vi

         o   Potencia Real (Watts)

         o   Potencia Aparente (VA)

         o   Potencia Reactiva (VAR)

         o   Factor de Potencia