ES2263192T3 - Rele protector hibrido con tiempos de respuesta de contacto mejorados. - Google Patents

Abstract

SE EXPONE UN RELE PROTECTOR DEL TIPO QUE CONSISTE EN UNOS CONTACTOS DE RELE (22), CONTROLADOS POR MEDIO DE UNA BOBINA DE RELE (21), Y QUE INCLUYE ADEMAS UN TRIAC (Z4) CONTROLADO POR UN CONMUTADOR OPTICO (11), QUE COMPRENDE UN DIODO FOTOLUMINISCENTE (LED) (D1) Y UN TRIAC (Z1). LA RESPUESTA A GRAN VELOCIDAD SE ATRIBUYE A LA CONFIGURACION DE LOS TRIACS, MIENTRAS QUE EL VALOR ELEVADO DE LOS AMPERIOS LO PROPORCIONAN LOS CONTACTOS.

Description

Relé protector híbrido con tiempos de respuesta de contacto mejorados.

Cuando se utilizan relés protectores dentro de sistemas de transmisión de energía eléctrica en una función de protección de sobrecargas, el relé debe responder rápidamente sin demora para asegurar que no se dañe el equipo de transmisión asociado.

Los relés protectores de la técnica actual incluyen un circuito para sobrealimentar un relé electromagnético convencional usando una tensión mayor que la que especifica el diseño de la bobina del relé y limitar entonces la corriente bien mediante una fuente de corriente electrónica en el circuito de la bobina o bien puenteando un resistor en serie en el circuito de la bobina utilizando un conmutador semiconductor tal como un tiristor para acortar el tiempo total de respuesta del relé.

Una segunda aproximación incluye un par de contactos de relé uno de los cuales está normalmente cerrado para suministrar una trayectoria inicial de alta corriente hacia el interior de la bobina del relé. Una vez que los contactos del relé empiezan a moverse, los contactos normalmente cerrados se abren, eliminando la corriente más alta de la bobina. Un resistor de sincronización en serie suministra una excitación continua después de que se cierre el relé.

Una aproximación adicional utiliza tiristores en lugar de contactos de relé como dispositivos de conmutación. El tiempo de activación de los tiristores debe ser muy rápido y los tiristores de la técnica actual pueden manejar grandes corrientes de forma instantánea. Sin embargo, los tiristores deben adaptarse para limitar la pérdida de potencia asociada con las grandes corrientes estáticas dentro de los sistemas de transmisión de energía eléctrica y deben polarizarse con respecto a la dirección del flujo de la corriente.

La patente de EE.UU. 5.079.457 titulada "Dual solid state relay" describe el uso de relés de estado sólido que emplean tanto triacs como SCR en aplicaciones de relés de protección.

La patente de EE.UU. 5.162.682 titulada "Solid state relay employing triacs and a plurality of snubber circuits" descubre el uso de un acoplador óptico combinado con un triac y un circuito amortiguador para proteger el equipo eléctrico.

La patente de EE.UU. 5.338.991 titulada "High power solid state relay with input presence and polarity indication" describe la aplicación de un acoplador óptico con un circuito Darlington de estado sólido para suministrar una función de relé de estado sólido.

Dichos relés de estado sólido, sin embargo, son generalmente caros, no proporcionan un aislamiento óhmico adecuado y requieren una atención particular a la polaridad durante su instalación dentro del circuito protegido.

Recientes aproximaciones a la combinación de contactos de relé personalizados con conmutadores semiconductores personalizados para aplicaciones específicas se encuentran en la patente de EE.UU. 4.992.904 titulada "Hybrid contactor for DC airframe power supply" y en la patente de EE.UU. 5.336.980 titulada "High voltage current switching apparatus". El documento US 5 473 202 A descubre un relé mecánico híbrido/conmutador semiconductor como el que se describe en el preámbulo de la reivindicación 1.

En vista de las excelentes propiedades de los relés protectores convencionales que emplean bobinas y contactos estándar para cubrir una amplia gama de corrientes operativas, sería altamente ventajoso modificar su tiempo de respuesta para permitir su uso en aquellas aplicaciones que requieran una separación inmediata de los contactos.

Un propósito de la invención es suministrar un relé protector híbrido que tenga las rápidas características de respuesta de un relé de estado sólido y que aun conserve el bajo coste y el alto rendimiento de un relé protector electromagnético.

De acuerdo con la invención, un relé protector del tipo de los que constan de un par de contactos de relé controlado por una bobina de relé incluye además un triac controlado por un conmutador óptico. La respuesta de alta velocidad se atribuye a la configuración del triac mientras que el valor nominal alto del amperaje es proporcionado por los contactos. El funcionamiento tolerante a fallos es suministrado por la disposición mediante la cual los contactos pueden permanecer operativos incluso en el caso de fallo del conmutador semiconductor. Un fusible sustituible simple suministra aislamiento óhmico si falla el conmutador semiconductor en el modo puenteado.

Ahora se describirá una realización de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 es una representación diagramática de un relé de estado sólido de acuerdo con la técnica anterior.

La figura 2 es una representación diagramática de un relé protector híbrido de acuerdo con la invención.

Antes de describir el relé protector de la invención, será útil revisar el funcionamiento de un relé 10 de estado sólido según se describe en la previamente mencionada patente de EE.UU. 5.079.457 y representado en la figura 1 (características con números similares aparecen en ambas figuras 1 y 2). Un conductor 18 de control efectúa la conexión entre la fuente +V de tensión, el resistor R_{1} limitador de corriente y tierra, según se indica con 13, e incluye un conmutador óptico 11 en forma de un diodo D_{1} emisor de luz y un triac Z_{1} fotosensible, tal como se indica. Se aplica una señal de tensión al terminal 12 que efectúa la conexión con la base de un conmutador Z_{3} de transistor para iniciar la interrupción del circuito efectuando la transferencia a través de los terminales 16, 17. Un lado del triac Z_{1} está conectado con el terminal 16 a través del conductor 14 y el otro lado del triac está conectado con la puerta del SCR Z_{2} a través de uno de los resistores R_{2} divisores de tensión. El otro resistor R_{3} divisor de tensión está conectado entre la puerta SCR Z_{2} y el terminal 17 por medio del conductor 15. El cátodo del SCR Z_{2} se conecta directamente con el terminal 17. Tal como se describió anteriormente, el SCR Z_{2} está en circuito con el circuito protegido y extrae continuamente corriente del circuito para desarrollar un considerable calentamiento del I2R a los largo de grandes períodos de tiempo y está diseñado para tratar la corriente de sobrecarga del circuito durante un período de tiempo muy pequeño y la polaridad de las conexiones del circuito con el cátodo y el ánodo del SCR debe disponerse según aquí se indica. Una señal de salida desarrollada a través de los terminales 16, 17 acciona entonces un contactor o disrruptor de circuito asociado para interrumpir la corriente del circuito.

El relé protector híbrido 20 de acuerdo con la invención se muestra en la figura 2 y consta de un relé protector electromagnético convencional que consta de una bobina 21 de relé que controla las condiciones OPEN (abierto) y CLOSED (cerrado) de un par de contactos 22 asociados. El relé funciona de la forma descrita en la patente de EE.UU. 5.057.962 titulada "Microprocessor-based protective relay system" mediante la cual una corriente suministrada a la bobina del relé articula los contactos del relé hacia la posición cerrada. El circuito funciona de una forma similar a la descrita en la figura 1 y se aplicarán números de referencia similares donde sea adecuado. Un conmutador Z_{3} de transistor está conectado por la base con un terminal 12 y está conectado por el emisor con tierra. Un conmutador óptico 11 similar que contiene un diodo D_{1} emisor de luz y un triac Z_{1} fotosensible responde al flujo de corriente a través del resistor R_{1} limitador de corriente dentro del conductor 19. El triac Z_{1} fotosensible responde al flujo de corriente a través del resistor R_{1} limitador de corriente dentro del conductor 19. El triac Z_{1} fotosensible se conecta con la puerta de un segundo triac Z_{4}, sobre el lado de los contactos 22, y con el terminal 16 a través del conductor 23. El ánodo del segundo triac se conecta con el otro lado del triac Z_{1} fotosensible a través del resistor R_{3} y la puerta del segundo triac Z_{4} se conecta a través del conductor 25 con un fusible 26, con un lado de los contactos 22 y con el terminal 17 a través del conductor 24. Un diodo D_{2} en inversa a través del diodo D_{1} emisor de luz protege el fotodiodo y la bobina 21 del relé cuando la tensión se invierte momentáneamente después de la eliminación de la señal del terminal El relé protector híbrido 20 exhibe la velocidad de respuesta de los contactos del relé 10 de estado sólido de la técnica anterior de la figura 1 con una reducción substancial tanto en el coste de los componentes como en el tiempo y la complejidad de su instalación en su emplazamiento.

El relé protector híbrido 20 funciona de la siguiente manera. Una señal de tensión aplicada a la base del conmutador Z_{3} de transistor sobre la entrada 12 activa el transistor y permite que la corriente fluya a través tanto de la bobina 21 del relé como del conmutador Z_{3} de transistor para activar el triac Z_{1} fotosensible así como el segundo triac Z_{4}. Después de la activación del segundo triac para llevar la corriente del circuito a los terminales 16, 17, los contactos 22 se cierran. La menor resistencia de los contactos desvía la corriente del segundo triac para desactivar el segundo triac. Durante el período en el cual los contactos del relé se están moviendo hacia la posición cerrada, la corriente de salida se incrementa en el circuito del triac, acelerando el funcionamiento del dispositivo de interrupción del circuito de salida, por ejemplo un disrruptor de circuito (no mostrado). La rápida transferencia de la corriente de control de salida incrementada por el circuito de relé híbrido es una característica importante de la invención por las siguientes razones. Cuando se cierran los contactos, tienden a "rebotar" lo que es una causa potencial de fallo del relé en los relés protectores de la técnica actual, según se describió anteriormente, debido a que se sueldan cuando el circuito se desconecta y se vuelve a conectar. Los contactos bajo estas circunstancias están expuestos a tensiones mayores que la tensión del circuito de salida debido al inductor del circuito. Los componentes dentro del relé protector híbrido 20, tales como el triac Z_{1} fotosensible y el segundo triac Z_{4} se seleccionan para suministrar una rápida trayectoria paralela para la corriente hacia los contactos 22 lo que evita que la tensión se eleve significativamente a través de los contactos durante la aparición de los "rebotes". Una vez que los contactos se restablecen, la corriente se ha transferido completamente a través de los contactos y lejos del triac Z_{1} fotosensible y del segundo triac Z_{4}. Cuando el conmutador Z_{3} de transistor se desactiva, la corriente se elimina tanto del diodo D_{1} emisor de luz dentro del conmutador óptico 11 como de la bobina 21 del relé. La inversión inductiva de la bobina del relé eleva la tensión en el colector del conmutador Z_{3} de transistor. La imposición del diodo D_{2} en inversa protege la bobina del relé y el del diodo D_{1} emisor de luz de la inversión de la tensión inducida según se describió anteriormente. Según se describió en la anteriormente mencionada patente de EE.UU. 5.162.682 los circuitos amortiguadores en forma de resistores y condensadores se utilizan para proteger los triac de los rápidos cambios en la tensión del circuito.

Una ventaja adicional de la invención es la característica de tolerancia a fallos que aporta la utilización de los triacs Z_{1}, Z_{4} en paralelo con los contactos 22. En el caso de que falle cualquiera de los triac al activarse, los contactos 22 todavía funcionarán, aunque con algún retraso. Si los triacs se cortocircuitan, el fusible rápido 26 funciona para desconectar los triacs del circuito.

Además se ha determinado, que el rápido tiempo de respuesta entre la recepción de una señal de control y la rápida activación de los triacs permite que el relé protector híbrido de la invención pueda utilizarse dentro de un bus de comunicaciones de alta velocidad. Uno de tales buses de comunicaciones se describe en la patente de EE.UU. 4.817.037 titulada "Data Processing System with Overlap Bus Cycle Operations".

Claims (12)

1. Un relé protector, que comprende:

una bobina electromagnética (21) dispuesta para controlar la posición de contactos (22) tras un comando, dichos contactos están conectados a través de un primer y un segundo terminales (16, 17) de salida;

un conmutador fotoeléctrico (11) dispuesto en paralelo con dicha bobina;

un conmutador electromagnético (Z3) dispuesto en serie con dicha bobina para energizar dicha bobina y mover dichos contactos; y

un conmutador semiconductor (Z4), dicho conmutador semiconductor (Z4) es activado mediante puerta por dicho conmutador fotoeléctrico (11) en donde dicho conmutador semiconductor se activa antes de completar el cierre de dichos contactos (22), que se caracteriza por poseer una conexión en serie del conmutador semiconductor y del fusible (26) de protección del conmutador semiconductor, dicha conexión en serie se dispone en paralelo con dichos contactos, en donde dicho fusible (26) de protección del conmutador semiconductor conectado en serie con dicho conmutador semiconductor (Z4) desconecta dicho conmutador semiconductor si dicho conmutador semiconductor se cortocircuita.

2. El relé protector de la reivindicación 1 que incluye un primer resistor (R2) que se conecta entre dicho conmutador fotoeléctrico y dicho conmutador semiconductor.

3. El relé protector de la reivindicación 2 que incluye un segundo resistor (R3) que se conecta entre conmutador semiconductor y dicho segundo terminal de salida.

4. El relé protector de la reivindicación 1 que incluye un diodo en inversa (D2) que se conecta a través de dicho conmutador fotoeléctrico para proteger dicho conmutador de condiciones de tensión
inversa.

5. El relé protector de la reivindicación 1 en el que dicho conmutador fotoeléctrico (11) incluye un fotodiodo (D1).

6. El relé protector de la reivindicación 1 en el que dicho conmutador fotoeléctrico (11) incluye un primer triac (Z1).

7. El relé protector de la reivindicación 1 en el que dicho conmutador electrónico (12) comprende un transistor (Z3).

8. El relé protector de la reivindicación 1 en el que dicho conmutador semiconductor (Z4) comprende un segundo triac.

9. El relé protector de la reivindicación 1 en el que dicho conmutador electrónico comprende un transistor, dicho transistor se conecta en serie con dicha bobina de relé y tiene una base adaptada para recibir dicha tensión de activación.

10. El relé protector de la reivindicación 1 en el que dicho conmutador fotoeléctrico comprende un fotodiodo (D1) y un primer triac fotosensible (Z1) sensible a dicho fotodiodo.

11. El relé protector de la reivindicación 10 en el que dicho conmutador semiconductor comprende un segundo triac conectado en paralelo con dicho primer triac fotosensible y dichos contactos.

12. El relé protector de la reivindicación 1 en el que dichos primer y segundo terminales de salida se conectan con un bus de comunicaciones.