BR102012028980A2 - dispositivo e processo de proteção de um circuito elétrico e contator elétrico - Google Patents

Abstract

dispositivo e processo de proteção de um circuito elétrico e contator elétrico. a presente invenção trata da proteção de um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada e, mais particularmente, da integração de um fusível (16) em um contator (1) móvel acoplado a um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada. o dispositivo de proteção de um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada, que compreende uma caixa (10) e um elemento fusível (16) disposto na caixa (10), em que a caixa (10) compreende uma primeira porção (ii) e uma segunda porção (12) móveis uma em relação à outra, e meios elásticos (6) aptos a solicitar a primeira porção (11) em apoio contra a segunda porção (12) e solicitar a caixa (10) no estado fechado.

Description

“DISPOSITIVO E PROCESSO DE PROTEÇÃO DE UM CIRCUITO ELÉTRICO E CONTATOR ELÉTRICO” Campo da Invenção A presente invenção trata da proteção de um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada e, mais particularmente, da integração de um fusível em um contator móvel acoplado a um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada.

Antecedentes da Invenção Um corta-circuito de fusível é amplamente utilizado como dispositivo de segurança nos circuitos elétricos ou eletrônicos. Esse dispositivo de segurança tem por função abrir um circuito elétrico ao qual está associado quando a corrente que percorre esse circuito atinge uma intensidade perigosa, e, assim, trazer novamente corrente a uma intensidade nula. Essa proteção permite em geral garantir a integridade do circuito elétrico, e mais particularmente a integridade do circuito de alimentação e a recolocação do circuito em funcionamento depois que o defeito foi eliminado. Um corta-circuito permite, assim, evitar as consequências potencialmente desastrosas que seriam provocadas por uma sobrecarga duradoura ou um curto-circuito, como, por exemplo, uma degradação dos isolantes, uma destruição dos aparelhos eletrônicos, uma projeção de matéria em fusão, ou mesmo um início de incêndio.

Um corta-circuito de fusível, designado mais simplesmente pelo termo “fusível”, funciona por fusão de um elemento fusível. A fusão do elemento fusível é provocada pela elevação de temperatura devida à sobrecarga da corrente que atravessa o fusível. O fusível é geralmente constituído de uma parte condutora, por exemplo, um filamento condutor ou uma tira de metal ou de liga fusível, montada em um corpo isolante e ligada a duas peças de conexão. Quando a corrente que atravessa a parte condutora ultrapassa o calibre, isto é, o limiar de carga a partir do qual a parte condutora entra em fusão, a parte condutora do fusível se funde e abre o circuito. O corpo isolante do fusível pode conter ar ou um material destinado a absorver a energia térmica liberada durante a fusão da parte condutora. Pó de sílica, ou um líquido isolante pode, assim, ser utilizado para encher o volume interno do corpo. O corpo isolante é geralmente realizado na forma de um cilindro de cerâmica ou de vidro estratificado em que cada uma das extremidades é dotada de um sino metálico engastado que está acoplado, de um lado, à parte condutora disposta no interior do corpo isolante e, de outro lado, a uma lingueta de conexão. O principal inconveniente desse dispositivo de segurança reside no volume ocupado. No caso de um contator móvel montado em um espaço reduzido, esse dispositivo de segurança não pode ser montado no contator sem que o volume no qual está montado o contator seja modificado.

Descrição da Invenção A presente invenção propõe-se a corrigir esse inconveniente propondo um dispositivo e um processo de proteção de um circuito elétrico que possam ser implementados em um dispositivo elétrico, tal como um contator, realizado de modo que o volume adicional de ocupação do contator de segurança seja limitado. Outra finalidade da presente invenção é propor um dispositivo de proteção que possa ser integrado em um dispositivo elétrico e de realização simples.

De acordo com um aspecto, é proposto em um modo de realização, um dispositivo de proteção de um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada, que compreende uma caixa e um elemento fusível disposto na caixa.

De acordo com uma característica geral da presente invenção, a caixa compreende uma primeira porção e uma segunda porção móveis uma em relação à outra, e meios elásticos aptos a solicitar a primeira em apoio contra a segunda porção e solicitar a caixa no estado fechado. A primeira porção e a segunda porção são afastadas uma da outra durante o aparecimento de um arco elétrico gerado após a fusão do elemento fusível ocasionada, em particular, por um curto-circuito. De fato, a fusão do elemento fusível e sua vaporização consecutiva provocam um aumento da temperatura e consequentemente da pressão no interior da caixa, forçando a primeira porção e a segunda porção a se afastarem uma da outra quando a pressão interna se tornar elevada.

Vantajosamente, os meios elásticos são realizados de modo a permitir a separação da primeira porção e da segunda porção da caixa quando a pressão na caixa for superior a um limiar. A primeira porção e a segunda porção da caixa se separam assim quando a pressão na caixa for mais elevada que um limiar de pressão que corresponde à força de chamada dos meios elásticos.

De preferência, o dispositivo de proteção compreende pelo menos dois bornes de conexão acoplados de cada lado do elemento fusível e fixados na segunda porção, sendo que a primeira e a segunda porções são realizadas de modo a se separar de acordo com a direção definida pelos dois bornes de conexão. A primeira porção pode compreender um sulco apto formado com a segunda porção um túnel fechado em torno dos dois bornes de conexão e do elemento fusível. A abertura da caixa de acordo com a direção definida pelos dois bornes de conexão favorece a expansão do arco elétrico fora da caixa, e favorece, consequentemente, o corte do arco elétrico durante o fechamento da caixa. De fato, ao abrir a caixa de acordo com a direção definida pelos dois bornes de conexão, a abertura pela qual o arco elétrico pode se estender para fora da caixa é maior do que se, por exemplo, a caixa se abrisse de acordo com uma direção ortogonal à direção definida pelos dois bornes de conexão. A primeira porção e a segunda porção da caixa compreendem de preferência um material não carbonizável na superfície sobre sua superfície interna. A geração de um arco elétrico na caixa provoca uma forte elevação de temperatura. O uso de um material não carbonizável para realizar pelo menos a superfície interna da caixa permite evitar que o arco elétrico queime partes da superfície interna da caixa que deixam então vestígios de carbono sobre essa superfície. Esses vestígios de carbono favoreceríam as roturas e consequentemente o retorno do arco elétrico.

Vantajosamente, o elemento fusível pode compreender pelo menos uma junta de brasagem realizada entre os dois bornes de conexão.

Uma junta de brasagem é um ponto do elemento fusível mais fino que no resto do elemento fusível. A realização de uma ou mais juntas de brasagem no elemento fusível permite controlar a localização em que o elemento fusível vai se romper e em que o arco vai ser gerado, bem como controlar a intensidade da corrente para a qual o elemento fusível se funde e se rompe.

De acordo com outro aspecto, é proposto um contator elétrico que compreende um elemento de comutação apto a abrir ou fechar um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada, e meios de comando aptos a comandar o elemento de comutação para abrir ou fechar o circuito elétrico.

De acordo com uma característica geral, o elemento de comutação compreende um dispositivo de proteção. Esse elemento de comutação pode ser realizado de modo a compreender uma caixa separável em duas porções ao longo de uma direção definida pelos dois bornes de conexão aos quais o elemento fusível está acoplado.

De preferência, o contator compreende bornes elétricos de acoplamento conectados ao circuito elétrico, sendo que o elemento de comutação compreende pelo menos dois pinos de conexão respectivamente conectados aos bornes de conexão do dispositivo de proteção, e os meios de comando compreendem meios de deslocamento acoplados ao elemento de comutação e que permitem deslocar o elemento de comutação entre uma posição aberta do circuito elétrico em que os pinos de conexão estão desacoplados dos bornes elétricos de acoplamento e uma posição de fechamento do circuito elétrico em que os pinos de conexão estão acoplados aos bornes elétricos de acoplamento.

Os meios de deslocamento do contator móvel podem compreender um eletroímã acoplado a uma haste de deslocamento à qual o elemento de comutação está acoplado mecanicamente. A haste, estimulada pelo eletroímã, desloca o elemento de comutação móvel em direção e para fora dos bornes elétricos de acoplamento. O contator compreende de preferência meios elásticos de contato acoplados aos meios de deslocamento de modo a solicitar o elemento de comutação em posição de fechamento do circuito elétrico, os quais meios elásticos de contato comportam os referidos meios elásticos do dispositivo de proteção.

Os meios elásticos de contato e os referidos meios elásticos do dispositivo de proteção podem confundir-se. O contator pode assim compreender uma mola mecanicamente acoplado entre a haste do eletroímã e o elemento de comutação. Essa mola tem por primeiro objetivo manter uma força de pressão sobre o elemento de comutação a fim de mantê-lo em contato com bornes elétricos de acoplamento. Essa mola tem igualmente por segundo objetivo servir de meios elásticos do dispositivo de proteção que permitem manter a primeira porção e a segunda porção da caixa juntas de modo a conservar o túnel da caixa fechado até que a pressão no interior da caixa ultrapasse o limiar. O contator pode vantajosamente ser um contator de potência superior a 30A ou ainda um RCCB (Remote Control Circuit Breaker em inglês).

De acordo com outro aspecto, é proposto em um modo de implementação, um processo de proteção de um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada, que compreende a geração de um arco elétrico após a fusão de um elemento fusível em uma caixa provocada por uma elevação de corrente ligada a um curto-circuito.

De acordo com uma característica geral, o processo de proteção compreende: a) uma abertura da caixa, b) uma expansão do arco elétrico fora da caixa, c) um fechamento da caixa, d) um corte do arco elétrico quando a caixa se fecha, e) uma repetição das etapas a) a d) se o arco elétrico volta a se formar.

Se as condições de pressão, de temperatura, de corrente, e as dimensões das porções do elemento fusível, entre outras coisas, o permitirem, é possível que um arco elétrico volte a se formar após um fechamento da caixa que corta o arco elétrico anterior. De fato, se a corrente de curto-circuito for forte e a distância que separa as duas porções do elemento fusível, isto é, as duas porções que não foram ainda vaporizadas, for relativamente pequena, é possível que um arco elétrico se forme.

Vantajosamente, a caixa se abre quando a pressão na referida caixa for superior a um limiar e se fecha quando a referida pressão for inferior ao limiar, sendo que a pressão na referida caixa diminui quando o valor absoluto da corrente alternada diminui. A pressão na caixa diminui também pela abertura da caixa com um volume maior. Essa diminuição de pressão contribui igualmente para a diminuição global da pressão na caixa que permite o fechamento da caixa.

Breve Descrição dos Desenhos Outras vantagens e características da presente invenção aparecerão com o exame da descrição detalhada de diferentes modos de realização da presente invenção, sem qualquer caráter limitativo, e dos desenhos anexos, nos quais: - a figura 1 representa uma vista em corte de um contator móvel que compreende um elemento de comutação de acordo com um modo de realização da presente invenção; - a figura 2 apresenta uma vista em corte de acordo com um plano transverso do contator móvel da figura 1; - a figura 3 apresenta uma vista em corte de acordo com um plano longitudinal do contator móvel da figura 1; - a figura 4 apresenta um organograma de um processo de proteção de acordo com um modo de implementação; - a figura 5 apresenta um exemplo de curvas que representam a tensão e a corrente nos bornes de conexão durante o aparecimento de um arco elétrico.

Descricão de Realizações da Invenção Na figura 1 está representada uma vista em corte de um contator 1 móvel que compreende um elemento de comutação 2 de acordo com um modo de realização da presente invenção. O contator 1 móvel destina-se a ser montado em um circuito de potência de uma aeronave para permitir a abertura ou o fechamento do circuito de potência através do deslocamento do elemento de comutação 2. O contator 1 compreende polos 3, ou bornes elétricos de acoplamento, que são contatos elétricos que permitem estabelecer e interromper a corrente no circuito de potência. O contator 1 compreende igualmente um circuito de comando e contatos auxiliares. Esses contatos auxiliares destinam-se a informar sobre o estado do contator (aberto ou fechado). O circuito de comando do contator 1 móvel compreende igualmente um eletroímã 5. Esse eletroímã 5 compreende uma bobinagem de cobre e um circuito magnético composto de uma parte fixa 51 e de uma parte móvel 52. Quando o eletroímã 5 é alimentado, a bobina é percorrida por uma corrente e gera um campo magnético canalizado pelo circuito magnético que provoca a aproximação da parte móvel 52 e assim o fechamento ou a abertura do contato. Esse circuito de comando pode vantajosamente ser alternado, e nesse caso o circuito magnético poderá ser laminado. A parte móvel 52 do eletroímã 5 está acoplado ao contator 2 através de uma mola 6. A mola 6 permite aplicar uma força de pressão sobre o contator 2 de forma que ele seja mantido em contato com os polos 3 quando a parte móvel 52 é abaixada. O contator 2 móvel está apresentado de modo detalhado nas figuras 2 e 3 que representam respectivamente uma vista em corte de acordo com um plano transverso e uma vista em corte de acordo com um plano longitudinal do contator 2 móvel. O contator 2 móvel compreende uma caixa 10 que comporta uma primeira porção 11 e uma segunda porção 12 mecanicamente acopladas a um elemento 13 de acoplamento mecânico destinado a unir o contator 2 com a parte móvel 52 do eletroímã 5. O elemento 13 de acoplamento mecânico atravessa ortogonalmente a primeira porção 11 e a segunda porção 12. A mola 6 está montada no elemento 13 de acoplamento mecânico de modo a ser disposta acima da primeira porção 11, em apoio sobre uma face oposta à face diante da segunda porção 12. A primeira porção 11 compreende um sulco 14 realizado de modo a não atravessar o elemento 13 de acoplamento mecânico e de modo a não terminar em uma das extremidades da primeira porção 11. Assim, quando a primeira porção 11 está em contato com segunda porção 12, o sulco 14 forma um túnel T fechado em cada extremidade.

No modo de realização ilustrado, a segunda porção 12 é realizada de modo a compreender uma placa de cerâmica, ou de outro material que não carboniza na superfície. A primeira porção 11 pode ser realizada no mesmo material ou em outro material que não carboniza em superfície. A segunda porção 12 compreende dois bornes de conexão 15 entre os quais está conectado um fusível 16. Os bornes de conexão 15 e o fusível 16 estão dispostos sobre a segunda porção 12 de modo que, quando a primeira porção 11 estiver em contato com a segunda porção 12, isto é, quando a caixa 10 estiver fechada, o túnel T formado pelo túnel 14 e a segunda porção 12 compreenda o fusível 16, e que cada borne de conexão 15 esteja disposto em uma extremidade do túnel T. O sulco 14 pode ser mais largo em suas extremidades de forma a adaptar-se ao tamanho e à forma dos bornes de conexão 15.

Os bornes de conexão 15 estão montados sobre uma face da segunda porção 12 diante da primeira porção 11, e estão fixados de modo que cada um esteja respectivamente acoplado a um pino de conexão 17 fixado sobre a face oposta da segunda porção 12. O fusível 16 pode ser um filamento ou um fita condutora. No modo de realização ilustrado na figura 3, o fusível 16 compreende um iniciador 18 que corresponde a um segmento do filamento para o qual a seção é menor que no resto do fusível 16. Esse iniciador 18 define assim o ponto de ruptura do fusível 16 quando ele for percorrido por uma sobrecarga, isto é, uma corrente cuja intensidade seja superior à intensidade nominal. O diâmetro da seção do fusível 16 no nível do iniciador 18 permite igualmente definir precisamente o valor da corrente a partir da qual o fusível 16 deve fundir. No caso do iniciador 18 não ser utilizado, o material fusível deve ser um bom condutor térmico para que as conexões permitam esfriar as extremidades do fusível e, portanto, fazer fusão na parte central do fusível.

Em relação à figura 4, o acoplador 1 que acaba de ser descrito funciona da maneira descrita a seguir.

Quando uma corrente de intensidade superior à corrente nominal de funcionamento atravessa o fusível 16 durante um tempo prolongado, o fusível 16 aquece-se, em particular na região do iniciador 18 ou no meio do fusível, aumentando a resistividade do fusível 16 em função da temperatura até que ocorra o corte na região da junta de brasagem 18. Com o aquecimento do fusível 16, a temperatura no túnel T da caixa 10 aumenta. À ruptura do fusível, a intensidade da corrente e a temperatura ambiente no túnel T são tais que um arco elétrico é gerado entre as duas porções do fusível rompido (etapa 301). O arco elétrico assim gerado, entre as duas porções de fusível 16 restantes, acopla eletricamente as duas porções de fusível 16 provocando também a elevação de temperatura do fusível 16 e da temperatura ambiente no túnel T. A elevação de temperatura do fusível 16 continua até a vaporização do fusível 16 (etapa 302). A vaporização do fusível 16 gera um aumento da temperatura e consequentemente um aumento da pressão no interior do túnel T da caixa 10.

Quando a pressão no interior da caixa 10, e em particular no túnel T, for superior a um limiar de pressão (etapa 310), a primeira porção 11 e a segunda porção 12 se separam, provocando a abertura do túnel T (etapa 320). O limiar de pressão corresponde à força de pressão exercida pela mola 6 sobre a primeira porção 11.

Depois que o túnel T da caixa 10 estiver aberto, o arco elétrico estende-se para fora do túnel T (etapa 330).

Como a corrente é uma corrente alternada, quando o valor absoluto da corrente diminui para aproximar-se de um valor nulo, a intensidade da corrente no arco elétrico diminui (etapa 340). A diminuição da intensidade do arco elétrico acarreta uma queda de temperatura e consequentemente uma queda de pressão. Além disso, a abertura da caixa 10 provocou igualmente uma queda de pressão adicional na região do túnel T da caixa 10.

Essas quedas de pressão (etapa 350) têm por efeito diminuir a pressão na caixa 10, e em particular no túnel T, para um valor inferior ao limiar de pressão, provocando o fechamento da caixa 10 (etapa 360). O fechamento da caixa 10, e, portanto, do túnel T, é realizado enquanto arco elétrico está fora do espaço definido pelo túnel T. O fechamento da caixa 10 acarreta, portanto, o corte do arco elétrico (etapa 370).

Se a vaporização do fusível 16 não for completa, de modo que porções de fusível 16 permaneçam próximas enquanto eles estão ainda alimentados por um sobrecorrente de intensidade elevada, é possível que o arco elétrico se regenere (etapa 380). As etapas 310 a 370 são então repetidas até que o arco elétrico não possa mais se regenerar, e que o corte seja efetivo.

Na figura 5 estão ilustradas uma primeira curva que representa a tensão V nos bornes do fusível 16, isto é, medida entre os dois bornes de conexão 15, e uma segunda curva que representa a corrente I em ampère que percorre o fusível 16. As duas curvas estão representadas em função do tempo em condições que apresentam um exemplo de geração de um arco elétrico.

Nesse exemplo, antes do instante ti, a corrente oscila normalmente entre -780A e 780A, e a tensão oscila muito fracamente em torno de uma tensão nula. No instante ti, o fusível 16 se funde e um arco elétrico é gerado. Observa-se, então, que a tensão de arco aumenta progressivamente ao passo que a corrente diminui até o instante Í2, em que a corrente se interrompe, em que o corte do arco elétrico é então bem sucedido.

Entre o instante t( e o instante t2, toda vez que a corrente é anulada, a caixa 10 se fecha, cortando o arco elétrico. A eventual regeneração do arco elétrico se traduz na curva em tensão por um pico de tensão. Esse pico de tensão é nitidamente observável em cada semissenoidal na curva de tensão V. A cada semissenoidal de corrente, após uma regeneração do arco elétrico após a anulação de corrente, a temperatura e a pressão aumentam novamente provocando uma nova abertura da caixa 10 antes que o valor absoluto da corrente diminua e se anule. Observa-se então, novamente, uma queda de pressão, um fechamento da caixa 10, e consequentemente um corte do arco elétrico que havia se estendido para fora do túnel T da caixa 10.

Este exemplo apresenta um caso de sobrecorrente elevada para o qual vários ciclos de abertura e de fechamento da caixa 10 são necessários para cortar definitivamente o arco elétrico. Para condições diferentes, o arco elétrico pode ser cortado definitivamente desde o primeiro fechamento da caixa 10. A presente invenção permite assim fornecer um dispositivo de proteção contra um curto-circuito integrado a um contator cuja realização é simples e em que o peso adicionado em relação ao contator original é desprezível.

Claims (11)

1. DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO DE UM CIRCUITO ELÉTRICO, alimentado por uma corrente alternada, que compreende uma caixa (10) e um elemento fusível (16) disposto na caixa (10), caracterizado pelo fato de que a caixa (10) compreende uma primeira porção (11) e uma segunda porção (12) móveis uma em relação à outra, e meios elásticos (6) aptos a solicitar a primeira porção (11) em apoio contra a segunda porção (12) e solicitar a caixa (10) no estado fechado.

2. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios elásticos (6) são realizados de modo a permitir a separação da primeira porção (11) e da segunda porção (12) da caixa (10) quando a pressão na caixa (10) for superior a um limiar.

3. DISPOSITIVO, de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos dois bornes de conexão (15) acoplados de cada lado do elemento fusível (16) e fixados sobre a segunda porção (12), sendo que a primeira e a segunda porções são realizadas de modo a se separar de acordo com a direção definida pelos dois bornes de conexão (15).

4. DISPOSITIVO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a primeira porção (11) e a segunda porção (12) da caixa (10) compreendem um material não carbonizável na superfície sobre sua superfície interna.

5. DISPOSITIVO, de acordo com uma das reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o elemento fusível (16) compreende pelo menos uma junta de brasagem (18) realizada entre os dois bornes de conexão (15).

6. CONTATOR ELÉTRICO (1), que compreende um elemento de comutação (2) apto a abrir ou fechar um circuito elétrico alimentado por uma corrente alternada, e meios de comando aptos a comandar o elemento de comutação (2) para abrir ou fechar o circuito elétrico, caracterizado pelo fato de que o elemento de comutação (2) compreende um dispositivo de proteção conforme definido em uma das reivindicações 1 a 5.

7. CONTATOR (1), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende bornes elétricos de acoplamento (3) conectados ao referido circuito elétrico, sendo que o elemento de comutação compreende pelo menos dois pinos de conexão (17), respectivamente conectados aos bornes de conexão (15) do dispositivo de proteção, e os meios de comando compreendem meios de deslocamento (5) acoplados ao elemento de comutação (2) e que permitem deslocar o elemento de comutação (2) entre uma posição aberta do circuito elétrico em que os pinos de conexão (17) estão desacoplados dos bornes elétricos de acoplamento (3) e uma posição de fechamento do circuito elétrico em que os pinos de conexão (17) estão acoplados aos bornes elétricos de acoplamento (3).

8. CONTATOR (1), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende meios elásticos de contato acoplados aos meios de deslocamento (5) de modo a solicitar o elemento de comutação (2) em posição de fechamento do circuito elétrico, os quais meios elásticos de contato comportam os referidos meios elásticos (6) do dispositivo de proteção.

9. CONTATOR (1), de acordo com uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que o contator (1) é um contator de potência.

10. PROCESSO DE PROTEÇÃO DE UM CIRCUITO ELÉTRICO, alimentado por uma corrente alternada, que compreende a geração de um arco elétrico após a fusão de um elemento fusível (16) em uma caixa (10) provocada por uma elevação de corrente ligada a um curto-circuito, caracterizado pelo fato de que compreende os passos de: a) uma abertura da caixa (10), b) uma expansão do arco elétrico fora da caixa (10), c) um fechamento da caixa (10), d) um corte do arco elétrico quando a caixa (10) se fecha, e) uma repetição das etapas a) a d) se o arco elétrico volta a se formar.

11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a caixa (10) se abre quando a pressão na referida caixa (10) for superior a um limiar e se fechada quando a referida pressão for inferior ao limiar, sendo que a pressão na referida caixa (10) diminui quando o valor absoluto da corrente alternada diminui.