Design ideal de ar duplo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 239 (2023) Citar este artigo

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A tecnologia de sensor avançada 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 DC de média tensão. Este artigo propõe um sensor de corrente TMR de malha fechada com entreferro duplo e seu método de projeto ótimo baseado no coeficiente mínimo de uniformidade 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 principais parâmetros, 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 o design otimizado melhora efetivamente a precisão da medição.

A tecnologia de sensor avançada fornece informações precisas para o monitoramento e controle do sistema de energia. Nos últimos anos, com o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de potência, as fontes de energia distribuídas e as cargas com elementos eletrônicos de potência, como fotovoltaicos, acumuladores de baterias e pilhas de carregamento de veículos elétricos, têm sido cada vez mais conectadas aos sistemas de distribuição de energia. Como resultado, muitas formas de onda transientes são injetadas na grade, o que dificulta a medição e a detecção da corrente. Requisitos mais altos são apresentados para os sensores de corrente com recursos precisos de medição de alta corrente CC, características de ampla frequência e baixo custo1,2.

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 temperatura3,4. O elemento de detecção magnética TMR de quarta geração possui características avançadas de sensibilidade, consumo de energia e caracteres de temperatura5,6,7. Os sensores de corrente com elementos TMR são uma nova e melhor escolha para medição de corrente de forma de onda complexa, mas alguns problemas técnicos precisam ser resolvidos, como a estrutura do sensor, configurações de parâmetros, etc.

Os 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 ai. aplicou o sensor de corrente TMR à proteção de sobrecorrente do transistor bipolar de porta isolada (IGBT) e propôs um sensor de corrente TMR de matriz de anéis para medir a corrente do IGBT. O sensor de corrente projetado pode detectar a sobrecorrente de 120A dentro de 604 ns8. No entanto, o sensor de corrente TMR baseado em estrutura de malha aberta tem dois defeitos principais: primeiro, a faixa de medição do sensor de corrente é limitada pela faixa de linearidade do elemento sensor TMR, portanto, a corrente nominal desse tipo de sensor de corrente é limitada em 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 de corrente.

Para aumentar a faixa de medição de corrente e melhorar as características de temperatura, os estudiosos integraram a tecnologia de fluxo zero na medição de corrente9,10. Yang propôs um sensor de corrente de circuito fechado baseado no princípio de fluxo zero11, usando um núcleo magnético e um enrolamento de feedback para formar uma estrutura de circuito fechado para melhorar a sensibilidade do sensor e reduzir consideravelmente os erros causados ​​por 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 e outros. analisou sistematicamente várias características do núcleo magnético para estudar os fatores de influência do núcleo magnético do sensor de corrente de circuito fechado13. Visando o problema de que o núcleo magnético pode estar saturado, Li propôs um circuito em malha fechada sem núcleo magnético, que enrolava diretamente o solenóide composto pela bobina de realimentação no elemento sensor14. Roland e outros. propôs um novo sensor de corrente sem núcleo baseado em uma matriz de sensores de campo magnético circular e aplicou o princípio de malha fechada a uma matriz circular. No entanto, esta estrutura sem núcleo é suscetível à interferência do campo magnético externo. 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 acarretará mudanças na intensidade da indução magnética medida no entreferro, o que também afetará a precisão da medição do sensor16. A fonte específica do erro de medição ainda precisa ser analisada em profundidade, e um método melhorado deve ser determinado para o erro.