en la medición de alta corriente continua

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1 Una revolución Los sistemas de medición de intensidad son imprescindibles para el sector de la electroextracción metálica. Tradicionalmente, la medición de intensidades continuas de hasta 500 ka requiere transductores de intensidad muy refinados, que normalmente se basan en el efecto Hall y suelen ser voluminosos y pesados. De hecho, los transductores para intensidades extremas pueden llegar a pesar kg. Aunque hoy día los transductores son precisos y fiables, su complejidad implica que la instalación y puesta en servicio tengan que ser extremadamente rigurosas y lleven mucho tiempo. Hay que prestar máximo cuidado a la reducción al mínimo de los posibles errores debidos a campos magnéticos asimétricos o a interferencias de intensidades próximas. Aplicando la tecnología de fibra óptica, ABB ha desarrollado un sensor que representa un avance excepcional en la medición de alta corriente continua. Este sensor de intensidad de fibra óptica, de la más avanzada tecnología, ofrece una precisión extraordinaria, es más pequeño, más ligero y mucho más simple que los transductores tradicionales y está definiendo un nuevo futuro para la medición de intensidades continuas de alta intensidad. en la medición de alta corriente continua Nuevo sensor de intensidad de fibra óptica (FOCS, Fiber-Optic Current Sensor) desarrollado por ABB para la industria de electroextracción metálica Klaus Bohnert Peter Guggenbach 6 Revista ABB 1/2005

2 La tecnología de fibra óptica ha contribuido enormemente a aumentar la capacidad y la velocidad de las redes mundiales de comunicación. Pero la comunicación no es realmente la única aplicación de esta tecnología. La fibra óptica se puede encontrar hoy en día en diversas aplicaciones, entre las que están la detección y la medición. Puesto que sus componentes esenciales son dieléctricos por naturaleza y en gran medida inmunes a las interferencias electromagnéticas, los sensores de fibra óptica son ideales para medir intensidades eléctricas y Altas Tensiones en subestaciones eléctricas, en lugar de los pesados transformadores convencionales de medida. ABB está considerada una de las empresas pioneras en el desarrollo de este tipo de sensores de fibra óptica. Durante muchos años, la compañía ha ido avanzando progresivamente en esta tecnología, trabajando en estrecha colaboración con compañías eléctricas de Europa y Norteamérica. Esta interacción ha proporcionado a ABB una profunda comprensión de las necesidades de sus clientes. El uso de sensores de intensidad de fibra óptica no se limita, sin embargo, al sector eléctrico. De hecho, ABB está convencida de que los sensores ópticos de intensidad serán también muy ventajosos en la industria de la electroextracción metálica. En esta industria, los clientes exigen sensores de intensidad continua de gran precisión (error inferior al 0,1%) para controlar sus procesos y operaciones. La producción de aluminio, cobre, manganeso, zinc, acero y cloro requiere enormes cantidades de energía eléctrica. Una cuba electrolítica de obtención de aluminio opera normalmente con una tensión de V CC y una intensidad de varios cientos de miles de amperios; para suministrar esta corriente continua desde la red de corriente alterna se han de interconectar muchos rectificadores. Cuando se implantan procesos optimizados, las industrias pueden ahorrar energía y supervisar su consumo real y, por tanto, controlar mejor sus procesos. Esto es especialmente importante si se considera que un error de medición del 1% a 500 ka supone una desviación de 5 MW, la energía suficiente para hogares. Transductores de intensidad basados en el efecto Hall Tradicionalmente, la medición de intensidades en el sector de la extracción electrolítica se ha basado en el efecto Hall. 1) Un transductor de corriente continua de efecto Hall y alto rendimiento con anulación del flujo magnético 1 posee un núcleo magnético que rodea una barra colectora de transporte de corriente. Para detectar el campo magnético se utilizan varios elementos semiconductores Hall, situados en espacios previstos a lo largo del núcleo. Las señales de los elementos Hall alimentan amplificadores de intensidad de alta ganancia, cuyas salidas atraviesan bobinas que rodean el núcleo magnético. Estas bobinas generan un campo magnético que compensa el campo de la intensidad primaria. La suma de las intensidades secundarias es proporcional a la intensidad primaria. Este tipo de transductor, aunque muy preciso, es sumamente complejo y puede pesar hasta kg. Además requiere refinados procedimientos de ajuste para evitar los errores causados por los campos asimétricos y por las interferencias de las barras colectoras próximas. Para solucionar estos y otros problemas, ABB desarrolló su nuevo sensor de intensidad de fibra óptica (FOCS). FOCS versus efecto Hall En comparación con un transductor de intensidad continua de efecto Hall, el sensor FOCS de ABB no sólo es superior en términos de rendimiento y funcionalidad, sino también más pequeño y ligero. Además, la instalación y puesta en servicio es muy sencilla. En particular, las distribuciones complejas de campos magnéticos o fuertes Nota 1) Efecto Hall: En presencia de un campo magnético, las cargas positivas y negativas que se mueven en un semiconductor se desvían en direcciones opuestas (fuerza de Lorentz). La separación de las cargas origina una tensión (Hall) proporcional al campo magnético. 1 Transductor de corriente continua de efecto Hall Dos transductores convencionales de corriente continua de efecto Hall para 400 ka Transductor de intensidad de efecto Hall con anulación del flujo magnético (principio) Control current Current amplifier Coil Hall element Magnetic core Shunt Bus bar Total amplifier current Revista ABB 1/2005 7

3 corrientes cercanas no afectan al sensor, lo que significa más flexibilidad a la hora de elegir la posición del mismo. De hecho, este tipo de sensor es idóneo para satisfacer las necesidades del cliente para un producto: que es instalado y puesto en servicio en cuestión de horas, y no días. con una drástica reducción en complejidad. que no resulta afectado por distribuciones complejas de campos magnéticos ni por interferencias de las barras colectoras cercanas. cuya precisión es hasta 10 veces mayor. cuya precisión especificada se mantiene en un amplio rango de temperaturas. que proporciona superior estabilidad a largo plazo. con un gran ancho de banda para permitir una rápida respuesta a rizados de corriente y transitorios. con capacidad para manejar intensidades unidireccionales y bidireccionales de hasta ±500 ka (±20 % de sobreintensidad). con un consumo de potencia insignificante. Sensor de intensidad de fibra óptica (FOCS) El nuevo sensor de intensidad de fibra óptica (FOCS) 2 desarrollado por ABB para altas corrientes continuas es un producto derivado de un sensor desarrollado en su momento para subestaciones de Alta Tensión. En la industria de la electroextracción metálica, las dimensiones laterales de las barras colec- toras de transporte de intensidad son mucho mayores que las utilizadas en dichas subestaciones, lo que provoca algunas dificultades para el diseño de una cabeza sensora apropiada. El sensor utiliza el efecto Faraday Véase cuadro informativo en página 9. Entre los componentes del núcleo, según se muestra en 3, están un módulo optoelectrónico y una fibra óptica sensora de terminación sencilla que rodea al conductor de corriente [1]. El módulo optoelectrónico comprende una fuente luminosa semiconductora, un circuito de detección y un procesador de señal digital. Dos ondas luminosas, con polarización lineal ortogonal, viajan desde la fuente de luz, por una fibra de interconexión, hasta la fibra sensora. Un retardador de fase de fibra óptica convierte las ondas lineales en ondas luminosas polarizadas circularmente, a izquierda y derecha, en la entrada de la fibra sensora. En el campo magnético existente, estas ondas luminosas se desplazan a distintas velocidades por la fibra sensora, lo que a su vez crea una diferencia de recorrido óptico o, equivalentemente, una diferencia de fase óptica, φ. Las ondas se reflejan en el extremo de la fibra y luego retroceden en su recorrido óptico de vuelta hacia el módulo optoelectrónico. Las dos ondas luminosas de retorno se hacen interferir luego en el circuito de detección. El procesador de señales convierte su diferencia de fase óptica en una señal digital. La diferencia de fase total del recorrido de ida y vuelta es proporcional a la integral lineal del campo magnético a lo largo del camino cerrado descrito por la fibra sensora y es, por consiguiente, una medida directa de la intensidad. La señal es independiente de la distribución particular del campo magnético, siempre que el número de bucles de la fibra sensora sea un valor entero. (Con las altas intensidades de la industria de la electroextracción es suficiente un solo bucle de fibra). Tampoco existe sensibilidad cruzada con corrientes externas a la bobina de fibra. Ni el diámetro ni la forma de los bucles de fibra tienen influencia alguna. La diferencia de duración entre la ida y la vuelta de las dos ondas luminosas circulares varía entre y segundos, dependiendo de la intensidad. La medición directa no es factible y, por consiguiente, se mide con gran precisión la diferencia de recorrido o de fase, que corresponde a una fracción de la longitud de onda óptica (820 nm). Para ello se hacen interferir las ondas, es decir, se superponen entre sí. Dependiendo de su retardo relativo, las ondas se interfieren constructiva o destructivamente. La mínima diferencia mensurable de recorrido es 100 veces menor que el diámetro de un átomo de hidrógeno y corresponde a una intensidad de 0,25 A (para un bucle de fibra y un tiempo de medición de un segundo). Actualmente, la máxima intensidad mensurable, correspondiente a una diferencia de recorrido de una longitud de onda completa, es ±600 ka (±500 ka + 20% de sobreintensidad). 2 Nuevo sensor de intensidad ABB de fibra óptica 3 Esquema del sensor ABB de fibra óptica para intensidades continuas de alta intensidad y orthogonal linear light waves x Profibus 4-20 ma 0-1 V optoelectronics module Power Link interface fiber φ reflector retarder current conductor sensing fiber coil left and right circular light waves AC 800 PEC controller 8 Revista ABB 1/2005

4 Una de las ventajas del funcionamiento de la bobina sensora en modo de reflexión es que la salida del sensor se hace inmune a los choques mecánicos y a las vibraciones. En modo de reflexión, los estados de polarización de las ondas luminosas se intercambian en el extremo de la bobina. En consecuencia, los desplazamientos recíprocos de fase inducidos por vibración se anulan entre sí y los desplazamientos de fase magnetoópticos no recíprocos se duplican durante el viaje de ida y vuelta. Cabeza sensora Para la precisión de un sensor de intensidad de fibra óptica es fundamental que la envoltura de la fibra sensora no le someta a esfuerzo alguno. Cualquier El efecto Faraday La medición óptica de intensidad se basa normalmente en el efecto Faraday, llamado así en honor al científico inglés Michael Faraday ( ). El efecto Faraday o magnetoóptico es el fenómeno de rotación del plano de polarización de una onda luminosa polarizada linealmente que atraviesa un medio, por ejemplo, un trozo de vidrio, en presencia de un campo magnético. La luz lineal se puede representar también mediante un par de ondas luminosas polarizadas circularmente a izquierda y derecha, que se propagan conjuntamente. En presencia de un campo magnético, las dos ondas circulares se propagan con diferente velocidad y, por tanto, acumulan una diferencia de fase que causa la rotación, según un ángulo ϕ F, de la onda lineal resultante. En un sensor de intensidad, la luz viaja a lo largo de un camino cerrado, delimitado por la fibra que rodea al conductor. En el modo de reflexión, la diferencia de fase viene dada por: φ F = 4V N H ds = 4V N I donde V es la constante de Verdet, una medida de la magnitud del efecto Faraday, dependiente del material. N es el número de vueltas de la luz alrededor del conductor. I es la intensidad de la corriente. Dado que el camino es cerrado, la señal depende únicamente de la intensidad y del número de bucles de fibra, y no de parámetros dimensionales como el diámetro del bucle de fibra. forma de esfuerzo perturbará las ondas luminosas circulares y a su vez el desplazamiento de fase magnetoóptico recuperado. Es inaceptable incluso el esfuerzo producido por la contracción a baja temperatura del recubrimiento de protección común de la fibra. Por consiguiente, ABB desarrolló una técnica propia para envolver la fibra sensora en una banda de detección flexible 4. Este método proporciona una excelente precisión (error inferior al 0,1 %) en un rango de temperaturas de 40 C a 85 C y su forma flexible facilita el transporte y la instalación. La dependencia de la temperatura del efecto Faraday (variación del 0,7 % sobre 100 C) se anula intrínsecamente mediante una contribución opuesta desde el retardador. 4 5 Un segmento del alojamiento de la cabeza sensora. La fibra del sensor está integrada en una banda sensora flexible y robusta. El alojamiento modular de la cabeza sensora se puede adaptar fácilmente para diversas secciones transversales del conductor. Otra ventaja es que la calibración del sensor efectuada en la fábrica no resulta afectada por el envío y manipulación, y por tanto no es necesario el recalibrado in situ tras la instalación. La banda de detección que contiene la fibra sensora se sitúa en un alojamiento modular de la cabeza sensora, consistente en segmentos individuales de resina epoxídica reforzada con fibra. Este alojamiento es fácilmente adaptable a las diferentes secciones transversales de las barras colectoras ajustando las longitudes de los segmentos rectos 5 y el sensor se puede instalar sin abrir las barras colectoras de transporte de corriente 6. Módulo optoelectrónico La tecnología del módulo optoelectrónico es la misma que la aplicada en los giroscopios de fibra óptica. Los giroscopios ópticos, que han sustituido a sus homólogos mecánicos en muchos sistemas navegacionales de alto rendimiento, han demostrado verdaderamente su capacidad en exigentes aplicaciones aéreas, terrestres y marinas. El procesador interno de señal digital proporciona una gran precisión y excelente estabilidad a largo plazo. Además, el circuito de detección de bucle cerrado anula el desplazamiento de fase óptica inducido por la corriente y, por tanto, produce una salida perfectamente lineal en todo el rango dinámico. El módulo optoelectrónico esta integrado en el controlador electrónico de potencia AC 800PEC de ABB 7, que puede estar situado a una distancia de hasta 70 metros de la cabeza sensora. El sensor se puede suministrar como parte del sistema convertidor de potencia de ABB y también está disponible como dispositivo autónomo. Del módulo optoelectrónico sale, por una interfaz síncrona, una señal digital con una resolución de 24 bits. Esta señal digital se envía al controlador AC 800PEC por medio del protocolo óptico de alta velocidad PowerLINK de ABB. Para aplicaciones autónomas se dispone también de una señal digital por medio del protocolo de bus de campo PROFIBUS DP SLAVE. Además, se proporcionan señales de salida analógica de 0(4) a 20 ma y de 0(0,2) a 1 V. El proceso de señales digitales, como el registro de datos históricos o el análisis armónico, se proporciona a solicitud del cliente. La integridad funcional del dispositivo se supervisa me- Revista ABB 1/2005 9

5 6 Envoltura de cabeza sensora montada alrededor de las barras de bus portadoras de corriente 7 AC 800 PEC power converter controller a) El controlador del convertidor de potencia AC 800 PEC de ABB aloja el módulo optoelectrónico del sensor. Este módulo, basado en tecnología de giroscopios de fibra, detecta los desplazamientos magnetoópticos de fase. b) Un modulador de fase óptica integrado, de niobato de litio, es un componente esencial del circuito de detección. diante funciones internas de autoverificación, que más tarde se comunican al controlador central. El gran número de innovaciones contenidas en el FOCS de ABB ha supuesto unas doce patentes, ya concedidas o pendientes de concesión. Especificaciones del producto y ventajas para el cliente En comparación con los transductores convencionales de intensidad continua basados en el efecto Hall, el sensor de intensidad de fibra óptica ofrece varias ventajas a los usuarios: La instalación del sensor es mucho más fácil y rápida. No se requiere ningún esfuerzo especial para centrar magnéticamente la cabeza. Esto proporciona una notable flexibilidad al cliente en lo que respecta a la colocación del sensor. Existen muy pocas limitaciones sobre dónde colocar las cabezas sensoras. La facilidad con que se puede instalar el sensor significa que es posible sustituir rápidamente un sistema de medición ya existente en la planta. A diferencia de los transductores de intensidad convencionales, los errores debidos a la distribución de campos asimétricos y sobrecargas magnéticas se eliminan intrínsecamente. La complejidad de las cabezas sensoras se ha reducido drásticamente. Esto reduce a su vez la probabilidad de fallos. El sensor puede manejar campos magnéticos bidireccionales. Una inversión local de la dirección del campo, causada por fuertes intensidades cercanas, no provoca una sa- lida imprecisa del sensor. Además, el sensor indica si se producen corrientes inversas. El gran ancho de banda (frecuencia de muestreo de datos de 4 khz) posibilita la recuperación de componentes de corriente alterna, tales como los rizados y los transitorios rápidos, y tiempos muy cortos de reacción para el control de procesos, así como el análisis de armónicos. Por consiguiente, el sensor abrirá nuevas posibilidades de adquisición de datos para líneas de proceso de alta corriente continua. La cabeza sensora es totalmente dieléctrica y, por tanto, muy segura. La electrónica de proceso de señales está completamente aislada galvánicamente de las barras colectoras. El consumo de potencia del sensor óptico es insignificante en comparación con los sensores convencionales, que consumen hasta varios kilovatios de potencia. Las especificaciones fundamentales son las siguientes: El sensor puede manejar intensidades unidireccionales y bidireccionales de hasta ±500 ka (±100 ka de sobreintensidad). El sensor tiene una precisión de ±0,1 % del 1 al 120 % del fondo de escala. La frecuencia de muestreo es 4 khz. El rango de temperaturas de operación para la cabeza sensora es de 40 a 85 C, y de 20 a 55 C para la electrónica del controlador (0 a 65 C con un módulo PROFIBUS). Otras aplicaciones Entre los mercados objetivo para los sensores de intensidad de fibra óptica de ABB se encuentran la medición, el control y la protección en subestaciones de Alta Tensión. Dada la drástica reducción de tamaño y peso del sensor, es posible integrarlo fácilmente en los equipos existentes, como interruptores o aisladores, ahorrando así espacio y reduciendo los costes de instalación. El sensor también tiene interés para sistemas de corriente continua y Alta Tensión (HVDC) que se usan para transportar energía eléctrica a largas distancias. Los ferrocarriles constituyen otra prometedora aplicación. De hecho, ABB ya ha instalado varias docenas de sensores, basados en una versión prototipo, en sistemas de protección de subestaciones pertenecientes a los ferrocarriles italianos. El nuevo sensor FOCS de ABB es realmente un acontecimiento extraordinario en medición de intensidades. Klaus Bohnert ABB Switzerland Ltd., Corporate Research Peter Guggenbach ABB Switzerland Ltd., High Power Rectifiers Bibliografía [1] K. Bohnert, G. Gabus, J. Nehring, H. Brändle: Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor. Journal of Lightwave Technology 20 (2002) 2, Revista ABB 1/2005

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