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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.

    6 Revista ABB 1/2005

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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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    8 Revista ABB 1/2005

    Una revolucin en la medicin de alta corriente continua

    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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    9Revista ABB 1/2005

    Una revolucin en la medicin de alta corriente continua

    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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    10 Revista ABB 1/2005

    Una revolucin en la medicin de alta corriente continua

    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

    6