O futuro das redes elétricas modernas é semelhante ao de muitos sistemas industriais e empresariais de grande escala: estão se tornando altamente digitalizados para utilizar sistemas de otimização eletrônica que melhoram a distribuição de serviços, facilitam a identificação de problemas e aumentam a eficiência. Embora os medidores inteligentes de eletricidade instalados em residências sejam apenas um dos elementos da modernização das redes elétricas, eles representam uma parte crucial dessa equação.
No final de 2023, o mercado de medidores inteligentes de eletricidade alcançou 43% globalmente.[1] e, até 2033, algumas fontes preveem que o número de medidores inteligentes no mundo crescerá para 3,4 bilhões.[2] Esses medidores inteligentes são utilizados para eletricidade, água ou gás, sendo a grande maioria deles medidores inteligentes de eletricidade. Um dos principais motivos para esse crescimento é o benefício que os medidores inteligentes oferecem aos fornecedores de serviços de utilidade pública, permitindo a tomada de decisões baseadas em dados, reduzindo a necessidade de intervenções manuais demoradas e caras, e lidando com a complexidade das tecnologias modernas de redes heterogêneas, como energia solar, eólica e diversos métodos de armazenamento de energia.
Um elemento essencial desses sistemas de medidores inteligentes é a alta precisão de seus sensores de corrente. Os sistemas mecânicos legados e os transformadores de corrente não atendem aos requisitos modernos de detecção de corrente. Por outro lado, os sensores de corrente de bobina de Rogowski são ideais para aplicações em medidores inteligentes e redes inteligentes. Este texto aborda os três principais métodos de detecção de corrente em medidores e redes, além de explicar por que os sensores de corrente de bobina de Rogowski são a solução preferida para aplicações modernas de medidores inteligentes e redes inteligentes.
Como os Medidores Medem Corrente
Um sistema de medidor de eletricidade residencial consiste em sistemas eletromecânicos ou eletrônicos que medem continuamente a tensão e a corrente instantâneas, a partir das quais o consumo total de energia—geralmente em quilowatt-hora (kWh)—é calculado ao longo do tempo. Na maioria das aplicações residenciais, esses medidores estão conectados em série entre os condutores de serviço e o sistema de distribuição elétrica do cliente. Para aplicações de alta carga, geralmente acima de 200 amperes, um transformador de corrente permite que o medidor seja instalado em uma posição diferente dos condutores de serviço.
Historicamente, o medidor eletromecânico de kWh é o tipo mais comum de medidor de eletricidade. Esses medidores utilizam uma tecnologia de indução eletromagnética que aproveita a condutividade elétrica de um disco não magnético para fazê-lo girar a uma taxa proporcional à potência elétrica conduzida pelo medidor. Este sistema possui uma bobina de tensão e uma bobina de corrente que consomem energia separadamente, embora esse consumo não seja registrado pelo medidor. As bobinas de tensão e de corrente induzem fluxos magnéticos proporcionais aos sinais de tensão e corrente, criando essencialmente um motor de indução linear bifásico com o disco do medidor de energia. Um ímã permanente é usado como um freio de corrente parasita, exercendo uma força proporcional à velocidade do disco, permitindo a calibração da rotação do disco para corresponder à quantidade de energia que passa pelo medidor.
Com os medidores baseados em transformadores de corrente, todo o sistema mencionado anteriormente está implementado. No entanto, os condutores de serviço passam por um transformador de corrente que se acopla às linhas de serviço e extrai uma corrente menor, mas proporcional, à corrente que passa pelas principais linhas de serviço. Isso permite que uma corrente menor e proporcional seja enviada ao medidor eletromecânico de kWh, que é calibrado para considerar a diferença proporcional exata apresentada pelo transformador de corrente.
Esses transformadores de corrente são construídos com núcleos ferromagnéticos, o que apresenta algumas limitações ao tentar extrair sinais de corrente altamente precisos em amplas faixas de corrente. Principalmente, os transformadores baseados em núcleos ferromagnéticos sofrem efeitos não lineares devido à saturação do núcleo, o que significa que eles são projetados para operar dentro de faixas específicas de níveis de corrente, determinadas pelas características físicas do transformador e pela carga conectada ao enrolamento secundário (também conhecida como burden).
Uma bobina de Rogowski é uma bobina de fio condutor em formato toroidal que circunda um condutor por onde passa corrente. A corrente que atravessa o condutor induz uma tensão na bobina de Rogowski. Essa tensão induzida é uma função tanto da corrente no condutor quanto da frequência AC dessa corrente. Usando uma equação simples, V = k(dI/dt), onde k é uma constante derivada das características físicas da bobina (comprimento do enrolamento, número de espiras, tamanho do laço, etc.), observa-se que a tensão na bobina depende da variação temporal da corrente. Por meio de eletrônica simples que converte a tensão induzida na bobina em uma saída de tensão linear e independente de frequência, essa saída de tensão pode ser utilizada, junto com um fator de escala calibrado, para determinar a corrente transportada pelo condutor primário.*
Ao contrário dos transformadores de corrente ferromagnéticos com núcleo de ferro, sondas de corrente de efeito Hall e fluxgate, os sensores de corrente de bobina de Rogowski apresentam alta resistência a interferências eletromagnéticas externas, não sofrem saturação ao medir correntes elevadas, são leves, compactos e podem ser projetados com uma faixa dinâmica de detecção extremamente ampla. Além disso, esses sensores podem ser deixados sem terminação enquanto a corrente passa pelo condutor primário, sem gerar níveis perigosos de tensão (operação sem carga). Isso ocorre porque as bobinas de Rogowski podem ser projetadas para desenvolver milivolts por ampere, o que significa que são necessários 1.000 amperes para gerar 1 volt na bobina. A compacidade e flexibilidade do design dessas bobinas permitem uma ampla variedade de métodos de integração e designs que facilitam a instalação.
Dada a necessidade de sensores de corrente altamente precisos, compactos e flexíveis em medidores de eletricidade modernos, os sensores de corrente de bobina de Rogowski são a tecnologia ideal para o futuro dos medidores inteligentes. Sensores de Corrente de Bobina Yageo Pulse RC Series Rogowski, em particular, são projetados para superar os padrões da indústria e garantir total conformidade com os exigentes requisitos das aplicações de medidores inteligentes e redes inteligentes. (Figura 1).
Conclusão
À medida que as indústrias de redes inteligentes e medidores inteligentes evoluem, torna-se evidente a necessidade de tecnologias de detecção de corrente precisas e adaptáveis, já que os sistemas legados não atendem mais a essas demandas. No entanto, os sensores de corrente de bobina de Rogowski oferecem uma solução que combina flexibilidade, precisão e durabilidade. Esses sensores conseguem lidar com uma ampla faixa de corrente e são resistentes a interferências eletromagnéticas. Quando aliados à facilidade de integração, tornam-se a opção ideal para a próxima geração de sistemas de gerenciamento de energia.
Artigo publicado por Mouser Electronics no blog da Mouser Electronics: Smart Meter and Smart Grid Applications Find the Ideal Fit
Traduzido pela Equipe Embarcados.
