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7/23/2019 3bhs206318s01 Rev- Abb Review Sp

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Una revolucinen la medicin de alta

corriente continuaNuevo sensor de intensidad de fibra ptica (FOCS, Fiber-Optic Current Sensor)

desarrollado por ABB para la industria de electroextraccin metlicaKlaus Bohnert

Peter Guggenbach

Los sistemas de medicin de intensi-

dad son imprescindibles para el sec-

tor de la electroextraccin metlica.

Tradicionalmente, la medicin de in-

tensidades 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 ex-

tremas pueden llegar a pesar 2.000 kg.

Aunque hoy da los transductores son

precisos y fiables, su complejidad im-

plica que la instalacin y puesta en

servicio tengan que ser extremada-

mente rigurosas y lleven mucho tiem-

po. Hay que prestar mximo cuidado

a la reduccin al mnimo de los posi-

bles errores debidos a campos mag-

nticos asimtricos o a interferencias

de intensidades prximas.

Aplicando la tecnologa de fibra pti-

ca, ABB ha desarrollado un sensor

que representa un avance excepcio-

nal en la medicin de alta corriente

continua. Este sensor de intensidad

de fibra ptica, de la ms avanzada

tecnologa, ofrece una precisin

extraordinaria, es ms pequeo, ms

ligero y mucho ms simple que los

transductores tradicionales y est

definiendo un nuevo futuro para la

medicin de intensidades continuas

de alta intensidad.

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7Revista ABB 1/2005

elementos Hall alimentan amplificado-

res de intensidad de alta ganancia,

cuyas salidas atraviesan bobinas que

rodean el ncleo magntico. Estas

bobinas generan un campo magntico

que compensa el campo de la intensi-

dad primaria. La suma de las intensi-

dades secundarias es proporcional ala intensidad primaria.

Este tipo de transductor, aunque muy

preciso, es sumamente complejo y

puede pesar hasta 2.000 kg. Adems

requiere refinados procedimientos de

ajuste para evitar los errores causados

por los campos asimtricos y por las

interferencias de las barras colectoras

prximas.

Para solucionar estos y otros proble-

mas, ABB desarroll su nuevo sensor

de intensidad de fibra ptica (FOCS).

FOCS versus efecto Hall

En comparacin con un transductor de

intensidad continua de efecto Hall, el

sensor FOCS de ABB no slo es

superior en trminos de rendimiento y

funcionalidad, sino tambin ms pe-

queo y ligero. Adems, la instalacin

y puesta en servicio es muy sencilla.

En particular, las distribuciones com-

plejas de campos magnticos o fuertes

La tecnologa de fibra ptica ha contri-

buido enormemente a aumentar la ca-

pacidad y la velocidad de las redes

mundiales de comunicacin. Pero la

comunicacin no es realmente la ni-

ca aplicacin de esta tecnologa. La

fibra ptica se puede encontrar hoy en

da en diversas aplicaciones, entre lasque estn la deteccin y la medicin.

Puesto que sus componentes esencia-

les son dielctricos por naturaleza y

en gran medida inmunes a las interfe-

rencias electromagnticas, los senso-

res de fibra ptica son ideales para

medir intensidades elctricas y Altas

Tensiones en subestaciones elctricas,

en lugar de los pesados transformado-

res convencionales de medida.

ABB est considerada una de las em-

presas pioneras en el desarrollo de

este tipo de sensores de fibra ptica.

Durante muchos aos, la compaa ha

ido avanzando progresivamente en

esta tecnologa, trabajando en estre-

cha colaboracin con compaas elc-

tricas de Europa y Norteamrica. Esta

interaccin ha proporcionado a ABB

una profunda comprensin de las

necesidades de sus clientes.

El uso de sensores de intensidad de

fibra ptica no se limita, sin embargo,

al sector elctrico. De hecho, ABB

est convencida de que los sensores

pticos de intensidad sern tambin

muy ventajosos en la industria de la

electroextraccin metlica.

En esta industria, los clientes exigen

sensores de intensidad continua de

gran precisin (error inferior al 0,1%)

para controlar sus procesos y opera-

ciones. La produccin de aluminio,

cobre, manganeso, zinc, acero y cloro

requiere enormes cantidades de ener-

ga elctrica. Una cuba electroltica de

obtencin de aluminio opera normal-

mente con una tensin de 1.000 V CCy una intensidad de varios cientos de

miles de amperios; para suministrar

esta corriente continua desde la red

de corriente alterna se han de interco-

nectar muchos rectificadores.

Cuando se implantan procesos optimi-

zados, las industrias pueden ahorrar

energa y supervisar su consumo real

y, por tanto, controlar mejor sus pro-

cesos. Esto es especialmente impor-

tante si se considera que un error de

medicin del 1% a 500 kA supone

una desviacin de 5 MW, la energa

suficiente para 1.000 hogares.

Transductores de intensidad basados

en el efecto Hall

Tradicionalmente, la medicin de in-

tensidades en el sector de la extrac-

cin electroltica se ha basado en el

efecto Hall.1) Un transductor de co-

rriente continua de efecto Hall y alto

rendimiento con anulacin del flujo

magntico posee un ncleo magn-

tico que rodea una barra colectora de

transporte de corriente. Para detectar

el campo magntico se utilizan varios

elementos semiconductores Hall,

situados en espacios previstos a lo

largo del ncleo. Las seales de los

1

Una revolucin en la medicin de alta corriente continua

Dos transductores convencionales de corriente

continua de efecto Hall para 400 kA

Transductor de intensidad de efecto Hall con anulacin del flujo magntico

(principio)

Bus bar

Magnetic core

Shunt

Control current

Total

amplifier

current

Current amplifier

Coil

Hall element

Transductor de corriente cont inua de efecto Hall1

Nota

1) Efecto Hall: En presencia de un campo magntico,las cargas positivas y negativas que se mueven en un

semiconductor se desvan en direcciones opuestas

(fuerza de Lorentz). La separacin de las cargas origi-

na una tensin (Hall) proporcional al campo magntico.


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corrientes cercanas no afectan al sen-

sor, lo que significa ms flexibilidad a

la hora de elegir la posicin del mismo.

De hecho, este tipo de sensor es id-

neo para satisfacer las necesidades del

cliente para un producto:

que es instalado y puesto en servi-

cio en cuestin de horas, y no das.con una drstica reduccin en com-

plejidad.

que no resulta afectado por distri-

buciones complejas de campos

magnticos ni por interferencias de

las barras colectoras cercanas.

cuya precisin es hasta 10 veces

mayor.

cuya precisin especificada se man-

tiene en un amplio rango de tempe-

raturas.

que proporciona superior estabili-

dad a largo plazo.

con un gran ancho de banda para

permitir una rpida respuesta a

rizados de corriente y transitorios.

con capacidad para manejar intensi-

dades unidireccionales y bidireccio-

nales de hasta 500 kA (20% de

sobreintensidad).

con un consumo de potencia insig-

nificante.

Sensor de intensidad de fibra ptica

(FOCS)

El nuevo sensor de intensidad de fibra

ptica (FOCS) desarrollado por ABB

para altas corrientes continuas es un

producto derivado de un sensor des-

arrollado en su momento para subesta-

ciones de Alta Tensin. En la industria

de la electroextraccin metlica, las di-

mensiones laterales de las barras colec-

2

toras de transporte de intensidad son

mucho mayores que las utilizadas en

dichas subestaciones, lo que provoca

algunas dificultades para el diseo de

una cabeza sensora apropiada.

El sensor utiliza el efecto Faraday

Vase cuadro informativo en pgina 9.

Entre los componentes del ncleo, se-gn se muestra en , estn un mdu-

lo optoelectrnico y una fibra ptica

sensora de terminacin sencilla que

rodea al conductor de corriente [1].

El mdulo optoelectrnico comprende

una fuente luminosa semiconductora,

un circuito de deteccin y un procesa-

dor de seal digital. Dos ondas lumi-

nosas, con polarizacin lineal ortogo-

nal, viajan desde la fuente de luz, por

una fibra de interconexin, hasta la

fibra sensora. Un retardador de fase

de fibra ptica convierte las ondas

lineales en ondas luminosas polariza-

das circularmente, a izquierda y dere-

cha, en la entrada de la fibra sensora.

En el campo magntico existente, estas

ondas luminosas se desplazan a distin-

tas velocidades por la fibra sensora, lo

que a su vez crea una diferencia de re-

corrido ptico o, equivalentemente,

una diferencia de fase ptica, Df. Las

ondas se reflejan en el extremo de la

fibra y luego retroceden en su recorri-

do ptico de vuelta hacia el mdulo

optoelectrnico. Las dos ondas lumino-

sas de retorno se hacen interferir luego

en el circuito de deteccin.

El procesador de seales convierte su

diferencia de fase ptica en una seal

digital.

La diferencia de fase total del recorri-

do de ida y vuelta es proporcional a

3

Esquema del sensor ABB de fibra ptica para intensidades continuas

de alta intensidad

3

Profibus

4-20 mA

0 -1 VPower

Link

AC 800 PEC

controller

fiber

orthogonal linear

light wavesx

y

retarder

reflector

sensing

fiber coil

left and right

circular light

waves

optoelectronics

module

interface

Df

current

conductor

Nuevo sensor de intensidad ABB de fibra

ptica

2

la integral lineal del campo magntico

a lo largo del camino cerrado descrito

por la fibra sensora y es, por consi-

guiente, una medida directa de la in-

tensidad. La seal es independiente

de la distribucin particular del cam-

po magntico, siempre que el nmero

de bucles de la fibra sensora sea unvalor entero. (Con las altas intensida-

des de la industria de la electroextrac-

cin es suficiente un solo bucle de

fibra). Tampoco existe sensibilidad

cruzada con corrientes externas a la

bobina de fibra. Ni el dimetro ni la

forma de los bucles de fibra tienen

influencia alguna.

La diferencia de duracin entre la ida

y la vuelta de las dos ondas luminosas

circulares vara entre 1021y 1015 se-

gundos, dependiendo de la intensi-

dad. La medicin directa no es facti-

ble y, por consiguiente, se mide con

gran precisin la diferencia de recorri-

do o de fase, que corresponde a una

fraccin de la longitud de onda ptica

(820 nm). Para ello se hacen interferir

las ondas, es decir, se superponen

entre s. Dependiendo de su retardo

relativo, las ondas se interfieren cons-

tructiva o destructivamente. La mnima

diferencia mensurable de recorrido es

100 veces menor que el dimetro de

un tomo de hidrgeno y corresponde

a una intensidad de 0,25 A (para un

bucle de fibra y un tiempo de medi-

cin de un segundo). Actualmente,

la mxima intensidad mensurable,

correspondiente a una diferencia de

recorrido de una longitud de onda

completa, es 600 kA (500 kA + 20%

de sobreintensidad).


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Una de las ventajas del funcionamien-

to de la bobina sensora en modo de

reflexin es que la salida del sensor

se hace inmune a los choques mec-

nicos y a las vibraciones. En modo de

reflexin, los estados de polarizacin

de las ondas luminosas se intercam-

bian en el extremo de la bobina. Enconsecuencia, los desplazamientos

recprocos de fase inducidos por vi-

bracin se anulan entre s y los des-

plazamientos de fase magnetopticos

no recprocos se duplican durante el

viaje de ida y vuelta.

Cabeza sensora

Para la precisin de un sensor de inten-

sidad de fibra ptica es fundamental

que la envoltura de la fibra sensora no

le someta a esfuerzo alguno. Cualquier

forma de esfuerzo perturbar las ondas

luminosas circulares y a su vez el des-

plazamiento de fase magnetoptico

recuperado. Es inaceptable incluso el

esfuerzo producido por la contraccin

a baja temperatura del recubrimiento

de proteccin comn de la fibra.

Por consiguiente, ABB desarroll unatcnica propia para envolver la fibra

sensora en una banda de deteccin

flexible . Este mtodo proporciona

una excelente precisin (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 instalacin.

La dependencia de la temperatura del

efecto Faraday (variacin del 0,7%

sobre 100 C) se anula intrnsecamente

mediante una contribucin opuesta

desde el retardador.

4

Otra ventaja es que la calibracin del

sensor efectuada en la fbrica no re-

sulta afectada por el envo y manipu-

lacin, y por tanto no es necesario el

recalibrado in situ tras la instalacin.

La banda de deteccin que contiene

la fibra sensora se sita en un aloja-

miento modular de la cabeza sensora,consistente en segmentos individuales

de resina epoxdica reforzada con

fibra. Este alojamiento es fcilmente

adaptable a las diferentes secciones

transversales de las barras colectoras

ajustando las longitudes de los seg-

mentos rectos y el sensor se puede

instalar sin abrir las barras colectoras

de transporte de corriente .

Mdulo optoelectrnico

La tecnologa del mdulo optoelectr-

nico es la misma que la aplicada en

los giroscopios de fibra ptica. Los

giroscopios pticos, que han sustitui-

do a sus homlogos mecnicos en

muchos sistemas navegacionales de

alto rendimiento, han demostrado ver-

daderamente su capacidad en exigen-

tes aplicaciones areas, terrestres y

marinas.

El procesador interno de seal digital

proporciona una gran precisin y ex-

celente estabilidad a largo plazo. Ade-

ms, el circuito de deteccin de bucle

cerrado anula el desplazamiento de

fase ptica inducido por la corriente

y, por tanto, produce una salida per-

fectamente lineal en todo el rango

dinmico.

El mdulo optoelectrnico esta inte-

grado en el controlador electrnico de

potencia AC 800PEC de ABB , que

puede estar situado a una distancia

de hasta 70 metros de la cabeza sen-

sora. El sensor se puede suministrar

como parte del sistema convertidor de

potencia de ABB y tambin est dis-

ponible como dispositivo autnomo.

Del mdulo optoelectrnico sale, por

una interfaz sncrona, una seal digi-

tal con una resolucin de 24 bits. Esta

seal digital se enva al controlador

AC 800PEC por medio del protocolo

ptico de alta velocidad PowerLINK

de ABB.

Para aplicaciones autnomas se dispo-

ne tambin de una seal digital por

medio del protocolo de bus de campo

PROFIBUS DP SLAVE. Adems, se pro-

porcionan seales de salida analgica

de 0(4) a 20 mA y de 0(0,2) a 1 V. El

proceso de seales digitales, como elregistro de datos histricos o el anli-

sis armnico, se proporciona a solici-

tud del cliente. La integridad funcio-

nal del dispositivo se supervisa me-

7

6

5

El efecto Faraday

La medicin ptica de intensidad sebasa normalmente en el efecto Fara-day, llamado as en honor al cientfi-co ingls Michael Faraday (17911867). El efecto Faraday o magneto-ptico es el fenmeno de rotacindel plano de polarizacin de unaonda luminosa polarizada linealmen-te que atraviesa un medio, por ejem-plo, un trozo de vidrio, en presencia

de un campo magntico. La luz linealse puede representar tambin me-diante un par de ondas luminosaspolarizadas circularmente a izquierda

y derecha, que se propagan conjun-tamente. En presencia de un campomagntico, las dos ondas circularesse propagan con diferente velocidad

y, por tanto, acumulan una diferenciade fase que causa la rotacin, segnun ngulo jF, de la onda lineal resul-tante. En un sensor de intensidad, laluz viaja a lo largo de un caminocerrado, delimitado por la fibra querodea al conductor. En el modo dereflexin, la diferencia de fase vienedada por:

DfF= 4V NH ds = 4V N I

donde

Ves la constante de Verdet, unamedida de la magnitud del efectoFaraday, dependiente del material.Nes el nmero de vueltas de la luzalrededor del conductor.Ies la intensidad de la corriente.

Dado que el camino es cerrado, laseal depende nicamente de la inten-sidad y del nmero de bucles de fibra,

y no de parmetros dimensionalescomo el dimetro del bucle de fibra.

Un segmento del alojamiento de la cabeza

sensora. La fibra del sensor est integrada

en una banda sensora flexible y robusta.

4

El alojamiento modular de la cabeza senso-

ra se puede adaptar fcilmente para diver-

sas secciones transversales del conductor.

5


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diante funciones internas de autoveri-

ficacin, que ms tarde se comunican

al controlador central.

El gran nmero de innovaciones con-

tenidas en el FOCS de ABB ha su-

puesto unas doce patentes, ya conce-

didas o pendientes de concesin.

Especificaciones del producto y

ventajas para el cliente

En comparacin con los transductores

convencionales de intensidad conti-

nua basados en el efecto Hall, el

sensor de intensidad de fibra ptica

ofrece varias ventajas a los usuarios:

La instalacin del sensor es mucho

ms fcil y rpida.

No se requiere ningn esfuerzo es-

pecial para centrar magnticamen-

te la cabeza. Esto proporciona una

notable flexibilidad al cliente en lo

que respecta a la colocacin del

sensor.

Existen muy pocas limitaciones so-

bre dnde colocar las cabezas sen-

soras. La facilidad con que se pue-

de instalar el sensor significa que es

posible sustituir rpidamente un sis-

tema de medicin ya existente en la

planta.

A di ferencia de los transductores de

intensidad convencionales, los erro-

res debidos a la distribucin de

campos asimtricos y sobrecargas

magnticas se eliminan intrnseca-

mente.

La complejidad de las cabezas sen-

soras se ha reducido drsticamente.

Esto reduce a su vez la probabili-

dad de fallos.

El sensor puede manejar camposmagnticos bidireccionales. Una in-

versin local de la direccin del

campo, causada por fuertes intensi-

dades cercanas, no provoca una sa-

Klaus Bohnert

ABB Switzerland Ltd., Corporate Research

[email protected]

Peter Guggenbach

ABB Switzerland Ltd., High Power Rectifiers

[email protected]

Bibliografa

[1] K. Bohnert, G. Gabus, J. Nehring, H. Brndle:

Temperature and vibrat ion insensi tive f iber-optic

current sensor. Journal of Lightwave Technology 20

(2002) 2, 267276.

lida imprecisa del sensor. Adems,

el sensor indica si se producen

corrientes inversas.

El gran ancho de banda(frecuencia

de muestreo de datos de 4 kHz)

posibilita la recuperacin de com-

ponentes de corriente alterna, tales

como los rizados y los transitorios

rpidos, y tiempos muy cortos de

reaccin para el control de proce-

sos, as como el anlisis de armni-

cos. Por consiguiente, el sensor

abrir nuevas posibilidades de ad-

quisicin de datos para lneas de

proceso de alta corriente continua.

La cabeza sensora es totalmente

dielctrica y, por tanto, muy segu-

ra. La electrnica de proceso de se-

ales est completamente aislada

galvnicamente de las barras colec-

toras.

El consumo de potencia del sensor

ptico es insignificanteen compara-

cin con los sensores convenciona-

les, que consumen hasta varios ki-

lovatios de potencia.

Las especificaciones fundamentales

son las siguientes:

El sensor puede manejar intensida-

des unidireccionales y bidirecciona-

les de hasta 500 kA (100 kA de

sobreintensidad).

El sensor tiene una precisin de

0,1% del 1 al 120% del fondo de

escala.

La frecuencia de muestreo es 4 kHz.

El rango de temperaturas de opera-

cin para la cabeza sensora es de

40 a 85 C, y de 20 a 55 C para la

electrnica del controlador (0 a

65 C con un mdulo PROFIBUS).

Otras aplicaciones

Entre los mercados objetivo para los

sensores de intensidad de fibra ptica

de ABB se encuentran la medicin, el

control y la proteccin en subestacio-

nes de Alta Tensin. Dada la drstica

reduccin de tamao y peso del sen-

sor, es posible integrarlo fcilmente

en los equipos existentes, como inte-

rruptores o aisladores, ahorrando as

espacio y reduciendo los costes de

instalacin.

El sensor tambin tiene inters para

sistemas de corriente continua y Alta

Tensin (HVDC) que se usan para

transportar energa elctrica a largas

distancias. Los ferrocarriles constitu-

yen otra prometedora aplicacin. De

hecho, ABB ya ha instalado varias

docenas de sensores, basados en una

versin prototipo, en sistemas de pro-

teccin de subestaciones pertenecien-

tes a los ferrocarriles italianos.

El nuevo sensor FOCS de ABB es real-

mente un acontecimiento extraordi-

nario en medicin de intensidades.

AC 800 PEC power converter control ler7

a) El controlador del convertidor de potencia

AC 800 PEC de ABB aloja el mdulo optoelec-

trnico del sensor. Este mdulo, basado en

tecnologa de giroscopios de fibra, detecta los

desplazamientos magnetopticos de fase.

b) Un modulador de fase ptica integrado, de

niobato de litio, es un componente esencial del

circuito de deteccin.

Envoltura de cabeza sensora montada

alrededor de las barras de bus portadoras

de corriente

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