Desempenho de medições utilizando bobinas Rogowsky

Desempenho de medições utilizando bobinas Rogowsky

26 de outubro de 2018 0 Por Augusto Magalhães

As bobinas Rogowsky não são novidade. Elas adotam um princípio conhecido e aplicado há anos para a medição de corrente em conjunto com algum outro aparelho. No entanto, devido aos equipamentos, sejam eles analisadores de energia, amperímetros, analisadores de qualidade ou equipamentos de testes terem-se difundido o seu uso, de uma forma geral, cada vez mais observo a necessidade de dotá-los de acessórios que possam tornar mais seguro e prático o trabalho dos técnicos no dia a dia, nas aplicações mais diversas, portanto, tenho observado também a popularização desse tipo de sensor. O objetivo deste artigo é expor resultados sobre o desempenho desses sensores, deixar algumas dicas importantes aos usuários e discutir sobre a sua seleção de acordo com a aplicação, isso é muito importante, assim espero contribuir com a sociedade técnica de forma a ajudá-la a especificar melhor, aguçando o seu senso crítico para que ela mesma saiba avaliar se algo que lhe é apresentado está coerente com o que é esperado.

O que são e como funcionam?

As bobinas são um tipo de núcleo de ar, envolvido por espiras enroladas de forma toroidal, portanto, espera-se que a relutância seja o parâmetro a se controlar no momento da fabricação. Verifica-se também que, o campo magnético da corrente que circula no interior da bobina induz um sinal de tensão proporcional a variação da corrente (di/dt) que se deseja medir. Essa tensão, se integrada, pode produzir um sinal proporcional linear à corrente circulante.

Com a evolução das técnicas de construção as bobinas Rogowsky tendem a apresentar um sinal que varia menos em relação a posição do condutor, assim como a interferência causada por campos magnéticos externos (no caso de condutores próximos por exemplo).

Aplicações:

Esses transdutores podem ser usados da mesma forma que os alicates amperimétricos convencionais (transformadores de corrente com núcleo bipartidos), no entanto apresentam algumas vantagens e outras desvantagens em relação a estes:

Larga faixa de operação;
Não apresenta saturação;
Não oferece risco em caso de sobrecarga;
Alta linearidade;
Pode ser construído em diâmetros extragrandes;
Pode ser instalado em ambientes cujo espaço é limitado;
Não apresenta problemas de secundário aberto (sinal na saída é de tensão na ordem de mV);
Equipamento muito leve (corpo de borracha);
Pode ser instalado em ambientes externos;
Não consome energia do sinal medido (isto é, não causa queda de tensão no barramento conectado).

Uma desvantagem que pode ser citada é que os alicates de corrente podem medir correntes menores em relação a nominal comparadas a um Rogwosky de mesma corrente nominal.

 

Avaliação prática

Conforme descrito acima, para que se obtenha o sinal de corrente adequado proporcional à corrente medida é necessário integrar a tensão, assim como condicionar o sinal para o instrumento que será usado realizar a medição final.

Neste experimento utilizar um qualímetro ION 7650 que possui versão com entrada para medição de corrente de (0-5Volts), para conexão de clamps – geralmente as saídas dos são de 0,333V ou de 1V. Esse qualimetro é apropriado para medições em que se demanda um equipamento portátil para análises de parâmetros elétricos e estudos de carga.

A configuração do teste basicamente foi um clamp convencional (núcleo bipartido) em um canal (Identificado com I4) e três bobinas Rogowsky em outros canais (I1 a I3).

O ION 7650, permite a compensação dos erros dos transdutores o que tornaria os resultados ainda melhores para ambos os sensores, no entanto, esse recurso não foi ativado. Apenas as relações 1000A/1V foi inserido no equipamento.

Os testes realizados permitiram observar a resposta em frequência e também em fase comparando com a curva típica de resposta em frequência de uma bobina ideal (figura 1 – abaixo) pode se verificar que entre 50/60 Hz e 2kHz não há atenuação na saída, já entre 2 e 3kHz a atenuação é muito baixa. Esta faixa é, portanto,  é o foco dos testes, uma vez que nas medições de qualidade de energia são realizadas medidas entre a frequência fundamental da rede 60 Hz e o harmônico de ordem 40 (2,4kHz) para Prodist Módulo 8 e 51 (3kHz) para medições em campanhas em aerogeradores para atender as exigências do ONS.

figura 1

 

Abaixo a figura 2, a conexão das bobinas (3000A-1V) e do alicate de referência (alicate de 3000A-1V). Observo que é importante verificar que o ponto ideal é que o condutor fique no centro geométrico da bobina, no entanto, isto não é realizável na prática.

O pior caso é quando o condutor fica próximo à junção da bobina (em vermelho), diante disto, recomendo posicionar conforme abaixo – a junção na outra extremidade do condutor medido.

 

figura 2

 

A figura 3, exibe o posicionamento e erros típicos em magnitude para cada região, em laranja 0,2% , em azul cerca de 0,8% e em preto 1% . Esses valores se referem a erros brutos sem nenhum tipo de compensação, esse tipo de comparação não foi verificada de forma criteriosa no teste descrito aqui.

 

figura 3

 

Conforme exibido acima, foram utilizados 3 cabos, cada um deles com 10 voltas, portanto, utilizando uma Bancada de Ensaios MTB-WVAR da METRUM, que pode gerar até 120A, foi possível alcançar até 3000A para testes nos limites superiores dos equipamentos.

Abaixo, apresento algumas imagens que ilustram o resultado obtido. Foi aplicado um sinal senoidal de 60Hz com amplitude entre 150 amperes até 3000A, com distorções harmônicas totais de cerca de 0% até 10%, outros testes individuais de maior distorção ou maior ordem também foram realizados, porém, não registrados. A distorção de 10% foi obtida utilizando a bancada de ensaios, que permite a geração de harmônicos. Foram gerados sinais até a ordem harmônica 21.

Medições em 10% (aproximadamente 300A).

 

 

Abaixo as medições para correntes de aproximadamente 3000A e distorção gerada de 10%.

 

 

A conclusão do meu trabalho é que os sensores apresentaram uma boa resposta para a faixa desejada (entre 300ª – 10% até 3000A – 100%.

Observei também que o erro de fase é mínimo e não levei em consideração que nas imagens alguns valores de ângulo estão em 180° e outros em 0°, aproximadamente, isto se deve a conexão dos cabos no analisador ou posicionamento das bobinas, o que não afeta em si a observação. O erro de fase típico, para toda a faixa foi cerca de 0,5 graus, um valor muito bom, principalmente para se medir fator de potência ou energia reativa.

A METRUM possui em sua linha de produtos bobinas Rogoswky associadas a transdutores adequados para obter uma saída linearizada, conforme observado neste experimento, e pode ajudar os seus clientes a selecionar o modelo que mais se adapte a sua necessidade.