Design ideal de ar duplo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 239 (2023) Citar este artigo

1295 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

A tecnologia avançada de sensores fornece informações precisas para monitoramento transparente e controle em tempo real da rede elétrica. Elementos de magnetorresistência de túnel (TMR) com alta sensibilidade e linearidade fornecem um novo meio técnico para medição de corrente em sistemas de distribuição de energia CC de média tensão. Este artigo propõe um sensor de corrente TMR de circuito fechado com entreferro duplo e seu método de projeto ideal baseado no coeficiente de uniformidade mínimo do campo magnético. A estrutura de entreferro duplo reduz o erro de medição causado pela excentricidade do fio, e a teoria e modelagem do coeficiente mínimo de uniformidade do campo magnético otimizam os parâmetros principais, como o raio interno do núcleo magnético, a distância do ar -gap e o tamanho da área do lado da seção. Por fim, foi desenvolvido um protótipo de sensor com corrente nominal de medição de ± 50 A. Os resultados do experimento mostram que o erro relativo do sensor de corrente TMR proposto é inferior a 0,2% abaixo da corrente nominal. Pode-se concluir que o sensor proposto com design otimizado melhora efetivamente a precisão da medição.

A tecnologia avançada de sensores fornece informações precisas para monitoramento e controle do sistema de energia. Nos últimos anos, com o desenvolvimento de dispositivos eletrónicos de potência, as fontes de energia distribuídas e as cargas com elementos eletrónicos de potência, como energia fotovoltaica, armazenamento de baterias e pilhas de carregamento de veículos elétricos, têm sido cada vez mais ligadas aos sistemas de distribuição de energia. Como resultado, muitas formas de onda transitórias são injetadas na rede, o que torna a medição e a detecção da corrente mais difíceis. Requisitos mais elevados são apresentados para sensores de corrente com capacidades precisas de medição de alta corrente CC, características de ampla frequência e baixo custo .

Sensores de corrente com sensor magnético, como Hall ou magnetorresistência de túnel (TMR), são soluções possíveis. O sensor de efeito Hall existe há décadas e é amplamente aplicado. No entanto, o sensor de efeito Hall possui defeitos inerentes, como sensibilidade fraca, baixa linearidade, mas sensível à temperatura . O elemento sensor magnético de quarta geração TMR possui características avançadas em sensibilidade, consumo de energia e caracteres de temperatura5,6,7. Sensores de corrente com elementos TMR são uma escolha nova e melhor para medição de corrente de formas de onda complexas, mas alguns problemas técnicos precisam ser resolvidos, como a estrutura do sensor, configurações de parâmetros, etc.

Sensores de corrente TMR baseados em estrutura de malha aberta sem ferro foram o primeiro desenvolvimento há alguns anos. Xu et al. projetou um sensor magnético diferencial ultraminiatura, que pode medir a corrente de ± 150 A, e o erro experimental é inferior a ± 2% na faixa de temperatura de -40 °C a 105 °C2. Shao et al. aplicou o sensor de corrente TMR à proteção de sobrecorrente de transistor bipolar de porta isolada (IGBT) e propôs um sensor de corrente TMR de matriz de anel para medir a corrente IGBT. O sensor de corrente projetado pode detectar sobrecorrente de 120A em 604 ns8. No entanto, o sensor de corrente TMR baseado em estrutura de malha aberta tem dois defeitos primários: Primeiro, a faixa de medição do sensor de corrente é limitada pela faixa de linearidade do elemento sensor TMR, portanto, a corrente nominal deste tipo de sensor de corrente é limitada dentro de cerca de um cem amperes. Em segundo lugar, este tipo de sensor de corrente é sensível à mudança de temperatura e também à excentricidade do condutor que transporta corrente.

Para aumentar a faixa de medição atual e melhorar as características da temperatura, os estudiosos integraram a tecnologia de fluxo zero na medição atual9,10. Yang propôs um sensor de corrente de circuito fechado baseado no princípio de fluxo zero, usando um núcleo magnético e um enrolamento de feedback para formar uma estrutura de circuito fechado para melhorar a sensibilidade do sensor e reduzir enormemente os erros causados ​​pela temperatura e histerese. No entanto, em aplicações práticas, o condutor condutor de corrente às vezes não está no centro do circuito magnético. O sensor de corrente em malha fechada não é muito resistente a este erro de excentricidade12. Cheng et al. analisaram sistematicamente diversas características do núcleo magnético para estudar os fatores que influenciam o núcleo magnético do sensor de corrente de malha fechada . Visando o problema de que o núcleo magnético pode estar saturado, Li propôs um circuito em malha fechada sem núcleo magnético, que enrola diretamente o solenóide composto pela bobina de realimentação no elemento sensor . Roland et al. propuseram um novo sensor de corrente sem núcleo baseado em um conjunto de sensores de campo magnético circular e aplicou o princípio de circuito fechado a um conjunto circular. No entanto, esta estrutura sem núcleo é suscetível a interferências de campos magnéticos externos. É necessário garantir rigorosamente a uniformidade das bobinas enroladas na matriz anular15, o que é difícil de conseguir na produção em massa de baixo custo. Além disso, a existência de condutores interferentes próximos e a colocação do elemento sensor levarão a alterações na intensidade da indução magnética medida no entreferro, o que também afetará a precisão da medição do sensor . A fonte específica do erro de medição ainda precisa ser analisada em profundidade e um método melhorado deve ser determinado para o erro.