ES2211106T3 - Dispositivo para la deteccion de la corriente residual. - Google Patents
Dispositivo para la deteccion de la corriente residual.Info
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Abstract
Dispositivo para la detección de la corriente residual que comprende una pluralidad de derivaciones resistivas (14) para una conexión en aquellas respectivas de las líneas de fase y neutral a través de las cuales la corriente de línea de fase puede circular a una carga y a través de la cual una corriente de línea neutral puede circular desde la carga, y proporcionando unos respectivos medios detectores (15) para cada derivación (14), cada respectivo medio de detección (15) que son sensibles al voltaje desarrollado a través de la derivación (14) para proporcionar una señal indicativa de la corriente que fluye que atraviesa la derivación (14), por lo que cualquier desequilibrio entre las corrientes que circulan a través de las derivaciones (14) puede ser determinado.
Description
Dispositivo para la detección de la corriente
residual.
La presente invención hace referencia a un
dispositivo para la corrección de la corriente residual (RCD) para
su uso en un ruptor de circuito.
Convencionalmente, la corriente residual se
detecta utilizando un transformador de corriente que tiene
arrollamientos primarios a través de las cuales, en el caso de un
dispositivo monofásico, carga flujos de corriente en direcciones
opuestas de tal modo que si la corriente de retorno es diferente de
la corriente que fluye desde el exterior debido a la dispersión de
la corriente, una señal de la corriente de salida es inducida en un
arrollamiento secundario del transformador. En el caso de un
dispositivo polifásico, los arrollamientos primarios del
transformador están conectadas en todas las líneas de la fase y en
la línea neutral. En situaciones normales, cuando no hay la
dispersión de la corriente, la corriente de red inducida en el
arrollamiento secundario es cero y por lo tanto no se detecta
ninguna salida.
Sofisticados materiales se han desarrollado para
el núcleo del transformador de corriente, que permiten obtener una
considerable exactitud cuando las corrientes que fluyen en los
arrollamientos primarios son substancialmente sinusoidales. Sin
embargo, las fuentes de alimentación tipo interruptor, a menudo son
utilizadas para los ordenadores y otros equipos y hay una tendencia
de aumento por tal equipo a causar compensaciones CC en las
corrientes. Tales progresos han conseguido detectores utilizando los
transformadores de corrientes menos fiables y con una tendencia a
realizar falsas desconexiones o suspensiones en la detección de la
dispersión de la corriente CC.
Este es un problema particular en el caso de los
dispositivos electromecánicos directamente accionados, en donde el
arrollamiento secundario del transformador de la corriente conduce
realmente un actuador. La situación no se mejora mucho cuando se
incluye una detección electrónica y medios de amplificación
conectados al arrollamiento secundario, ya que todavía existen
problemas con los temporales de alta frecuencia y las compensaciones
CC. Un nivel de corriente CC pequeño puede causar saturación al
núcleo de tal modo que puede seriamente deteriorar la capacidad del
detector de detectar la dispersión de la corriente.
Un transductor aislante de derivación de la
corriente para medir la corriente eléctrica en un dispositivo
medidor de energía multifase se describe en la descripción de la
patente USA. 5,701,253. El dispositivo descrito allí mide la
corriente que fluye de la carga con el propósito de medir la
energía.
Es un objeto de la presente invención el
proporcionar un dispositivo para la detección de la corriente
residual en el cual los problemas antes mencionados están
sustancialmente superados de una manera eficaz y simple.
Según la presente invención se proporciona un
dispositivo para la detección de la corriente residual tal y como se
define en la reivindicación 1.
Preferiblemente, los medios para la detección
comprenden un convertidor de analógico a digital para cada
derivación y se proporciona un procesador para la recepción de
señales digitales desde los conversores y determinando si existe un
desequilibrio de corriente.
Cada derivación preferiblemente adopta la forma
de una banda compuesta que tiene porciones conductoras en sus
extremos y una porción resistiva interconectando las porciones
conductoras. Tales bandas compuestas pueden ser producidas en masa,
baratas a muy altas tolerancias las cuales las hacen extremadamente
convenientes para este propósito.
El convertidor de analógico a digital para cada
derivación incluye un modulador delta-sigma, que
genera un flujo único de datos digitales de alta frecuencia que se
convierte filtrando por decimación en un flujo de datos digitales
multibit a una frecuencia más baja.
El convertidor de analógico a digital para cada
derivación está preferiblemente conectado al procesador a través de
una barrera aislante de tal modo que el convertidor pueda compensar
al nivel voltaico de la derivación que sirve. La filtración por
decimación puede efectuarse enteramente en el convertidor,
enteramente en el procesador o separada entre el convertidor y el
procesador.
En los dibujos que se adjuntan:
La figura 1 es una vista en perspectiva
esquemática de un ejemplo de la invención tal y como se aplica a un
dispositivo la monofásico,
La figura 2 es un diagrama de bloques de otro
ejemplo de la presente invención, aplicado a un dispositivo de tres
fases,
La figura 3 es una vista en perspectiva mostrando
uno de los dispositivos para la detección de la corriente,
La figura 4 es una vista en sección del
dispositivo para la detección de la corriente de la figura 3,
La figura 5 es una vista desde arriba del
dispositivo de la figura 3,
La figura 6 es un diagrama de bloques de una
forma simple de un circuito electrónico de un dispositivo único
sensor de la corriente,
La figura 7 es un diagrama de bloques de una
forma alternativa del circuito electrónico, y
La figura 8 es un diagrama de bloques de otra
forma del circuito electrónico.
En el dispositivo mostrado en la figura 1, un
substrato 10 soporta dos bandas conductoras compuestas 11, 12. Cada
una de éstas incluye porciones finales o extremas 13 de cobre y una
porción intermedia 14 de un material resistivo tal como manganina.
Las bandas están formadas por un rebanado de una estructura
interlaminar formada por un haz electrónico que suelda las porciones
de cobre a los lados opuestos de la porción de manganina. Las
derivaciones formadas por las porciones resistivas fabricadas por
este método pueden tener una resistencia nominal de 0.2 m\Omega
para una tolerancia de menos de un 5%. Si las dos derivaciones 14
usados en un dispositivo están presionados desde las porciones
adyacentes del surtido de estructuras multilaminares, están
comprendidos dentro del 2%. La calibración de las derivaciones
construidas en una unidad a dos diferentes temperaturas puede
eliminar virtualmente los errores de la derivación.
En el ejemplo mostrado en la figura 1, hay una
señal separado preprocesando un Circuito Integrado de Específica
Aplicación (ASIC) 15 montado en cada uno de las derivaciones 14 y
conectado a las porciones extremas de cobre 13 de las bandas de
conductor asociadas. Los dos ASICs 15 están conectados vía un haz
transformador aislante 16 a un procesador principal 17. Los ASICs 15
funcionan para convertir los dos voltajes a través de las
derivaciones en un flujo de señal digital que se comunica al
procesador 17 vía el haz transformador aislante. El procesador
principal se programa para proporcionar una señal de conducción a un
actuador desconectador 18.
La actual configuración estructural preferida de
los sensores se muestra de las figuras 3 a 5. Estas muestran unos
conductores 40 conectando dos terminales de entrada analógicos del
ASIC de dos porciones extremas de cobre. Otros conductores conectan
otros terminales del ASIC 15 a un bastidor de conductores por medio
del cual todas las otras conexiones externas están hechas. La figura
5 muestra en líneas punteadas un bloque 42 de material encapsulado y
la figura 4 muestra una capa 41 adhesiva aislante eléctricamente por
medio de la cual el ASIC está unido a la porción intermedia 14 de la
banda compuesta 14, 15.
La figura 2 muestra un mayor detalle eléctrico de
un dispositivo de tres fases. En este caso hay cuatro derivaciones
14, uno en cada línea de fase y el cuarto en la línea neutral.
Los ASICs 15 de la figura 1 se muestran como
cuatro bloques separados 20, 21, 22, y 23 y hay una unidad 24 de
alimentación que suministra energía desde las líneas de fase en el
lado principal de las derivaciones 14 y proporciona voltajes
controlados al procesador 17. La energía se suministra a los cuatro
bloques 20 a 23 vía las barreras aislantes 25 que forman el haz 16.
Cada bloque del ASIC incluye un convertidor de analógico a digital
en la forma de un modulador delta-sigma que
proporciona un flujo de datos digitales monobit de alta frecuencia.
Un multiplexor puede ser incluido en cada convertidor de tal modo
que el convertidor pueda proporcionar al procesador a través de la
respectiva barrera aislante, señales representando ambas corrientes
en la derivación asociada y el voltaje a un extremo de ella. El
procesador usa estas señales para monitorizar la corriente en cada
derivación y para accionar el actuador 18 si ocurre un
desequilibrio.
Se tendrá en cuenta que las conexiones detectoras
de voltajes a los ASICs están hechas vía cadenas de resistencias
conectadas entre cada línea de fase y la neutral. Cada cadena de
resistencias comprende un par externo de resistencias de precisión
de valor óhmico relativamente bajo y una resistencia intermedia de
valor óhmico relativamente alto. Estas cadenas de resistencias
permiten al RCD estar suministrado con una referencia independiente.
Si el Convertidor de Analógico a Digital (ADC) neutral se toma como
el sistema de referencia seleccionado, entonces el software de
funcionamiento del procesador principal puede utilizar las señales
múltiples derivadas de las diversas cadenas de resistencias para
calibrar cada fase con relación a la referencia neutral.
La Unidad de Procesamiento Central (CPU) se
programa para lleva a cabo los cálculos necesarios para determinar
la existencia de un desequilibrio y puede determinar el valor
eficaz de la corriente residual, cuyos dispositivos convencionales
no pueden hacer correctamente particularmente en el caso de formas
de onda de corrientes no sinusoidales. La CPU puede ser programada
para permitirle determinar desde los datos que recibe si un
acontecimiento particular es, de hecho, una descarga inaceptable más
fiable que los dispositivos convencionales. Por ejemplo, la CPU
puede tener en cuenta el funcionamiento histórico de la unidad al
fijar el umbral de la descarga de corriente y puede ignorar
acontecimientos que tengan una "firma" reconocible. De esta
manera se puede obtener una mejora en la tolerancia a las molestas
basculaciones.
La filtración por decimación de un flujo de datos
monobit de alta frecuencia se precisa para reducir cada flujo de
datos de una señal digital multibit a una frecuencia de muestreo
predeterminada. Por ejemplo, cada señal de corriente puede ser una
señal 23-bits con relación a una evaluación de
muestreo de 64 veces la frecuencia principal, pero cuando no son
lineares se puede emplear resoluciones más bajas en relación a
evaluaciones de muestreo más bajas, más que conversión linear.
La filtración por decimación es típicamente una
función del procesador, filtrando los cuatro flujos de datos que son
ejecutados simultáneamente de tal modo que lo valores de muestra
están derivados para las cuatro derivaciones simultáneamente. Un
circuito que emplea tal disposición se muestra en la figura 6.
En una realización alternativa tal y como se
muestra en la figura 7, una o más estaciones de la filtración por
decimación se pueden ejecutar por el hardware incluido dentro del
ASIC. Grupos de señales digitales multibit son transmitidos en serie
a través de las barreras aislantes a pesar del flujo de la señal
digital monobit. Las estaciones de filtración pueden ser separadas
entre el ASIC y el procesador.
Allá donde la corriente y el voltaje ambos son
supervisados como en el sistema mostrado en la figura 2, el circuito
15 puede ser como se muestra en la figura 8 con modulaciones
separadas y componentes de filtración para los dos flujos de la
señal y una interfaz común en serie. Alternativamente, se pueden
emplear interfaces en serie separadas.
Las disposiciones descritas permiten la detección
exacta del desequilibrio de corriente efectuado incluso con la
presencia de los temporales de conmutación y compensaciones CC. Los
problemas que se presentan de la saturación potencial del núcleo del
transformador de corriente se evitan totalmente.
Puesto que la CPU recibe datos actuales del
voltaje y de la línea de corriente de cada uno de los bloques 20 a
23, puede ser programada para realizar otros cálculos, tales como el
consumo de energía y el límite de la corriente. Así un dispositivo
RCD construido como se describe arriba puede también proporcionar
las funciones de un cortocircuito convencional y/o de un medidor de
consumo energético sin que ningún componente adicional sensor o de
analógico a digital sean precisos.
Claims (12)
1. Dispositivo para la detección de la corriente
residual que comprende una pluralidad de derivaciones resistivas
(14) para una conexión en aquellas respectivas de las líneas de fase
y neutral a través de las cuales la corriente de línea de fase puede
circular a una carga y a través de la cual una corriente de línea
neutral puede circular desde la carga, y proporcionando unos
respectivos medios detectores (15) para cada derivación (14), cada
respectivo medio de detección (15) que son sensibles al voltaje
desarrollado a través de la derivación (14) para proporcionar una
señal indicativa de la corriente que fluye que atraviesa la
derivación (14), por lo que cualquier desequilibrio entre las
corrientes que circulan a través de las derivaciones (14) puede ser
determinado.
2. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque los medios de
detección comprenden un convertidor de analógico a digital para cada
derivación (14) y se suministra un procesador (17) para recibir las
señales digitales de los convertidores y determinarse si existe un
desequilibrio de corriente.
3. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque cada derivación
(14) toma la forma de una banda compuesta (11, 12) teniendo
porciones conductoras (13) en sus extremos y una porción resistiva
(14) que interconecta las porciones conductoras.
4. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 2 o la reivindicación 3 cuando es dependiente de la
reivindicación 2 caracterizado porque el convertidor de
analógico a digital para cada derivación (14) incluye un modulador
delta-sigma que produce un único flujo de datos
digitales de alta frecuencia que se convierten filtrando por
decimación en un flujo de datos digitales multibit a una frecuencia
más baja.
5. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 2, 3 cuando es dependiente de la 2, o la
reivindicación 4, caracterizado porque cada convertidor de
analógico a digital se presenta en la forma de un circuito integrado
(15) que se monta bajo uno de los correspondientes derivaciones
resistivas (14).
6. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 5, caracterizado porque cada circuito
integrado (15) también tiene unos terminales de entrada conectados
por unos hilos conductores (40) a las dos porciones finales de cobre
(13) de uno de los correspondientes de derivaciones resistivas
(14).
7. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizado porque el circuito integrado
(15) también dispone de un terminal conectado a una fuente de
referencia del voltaje e incluye un segundo convertidor de analógico
a digital para proporcionar un flujo de señal digital dependiente
del voltaje en una de las porciones extremas de cobre de una de las
derivaciones asociadas (14).
8. Un dispositivo para la detección de la
corriente residual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
anteriores caracterizado porque funciona para realizar una
función adicional como un cortocircuito convencional y/o dispositivo
para la medición del consumo.
9. Un dispositivo para la detección de la
corriente residual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
anteriores caracterizado porque además comprende una cadena
de resistencias para el acoplamiento entre una línea de fase y una
línea neutral para suministrar un dispositivo para la detección de
la corriente residual con una referencia independiente.
10. Un dispositivo para la detección de la
corriente residual de acuerdo con la reivindicación 9,
caracterizado porque dicha cadena de resistencias comprende
un par externo de resistencias y una resistencia intermedia, dicho
par externo presenta un valor óhmico más bajo que dicha resistencia
intermedia.
11. Un dispositivo para la detección de la
corriente residual de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque:
los medios de detección comprenden un convertidor
de analógico a digital para cada derivación (14);
el dispositivo se proporciona con un procesador
(17) para recibir las señales digitales desde los convertidores de
analógico a digital y para determinar si existe cualquier
desequilibrio de corriente;
el dispositivo se proporciona con una cadena de
resistencias para el acoplamiento entre la línea de fase y la línea
neutral para proporcionar el dispositivo con una referencia
independiente, dicha cadena de resistencias comprende un par externo
de resistencias y una resistencia intermedia, dicho par externo
tiene un valor óhmico más bajo que la mencionada resistencia
intermedia, por la cual en uso, una de dichas líneas de fase y
neutral pueden ser tomadas como dicha referencia independiente;
y
dicho procesador (17) comprende un software
operativo para recibir las señales de voltaje desde las cadenas de
resistencias para calibrar cada una de las líneas de fases con
respecto a la línea neutral.
12. Un dispositivo para la detección de la
corriente residual de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones de la 9 a la 11 caracterizado porque
comprende unas cadenas de resistencias respectivas para un
acoplamiento entre cada línea de fase y la neutral de un sistema
multifase.
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