ES2289729T3 - Dispositivo de conmutacion con limitador electronico de corriente. - Google Patents
Dispositivo de conmutacion con limitador electronico de corriente. Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo (1) de conmutación de corriente que incluye al menos un conmutador (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e) de corriente para conmutar una carga eléctrica (C) en un circuito eléctrico de potencia de corriente alterna y caracterizado porque también incluye un limitador electrónico (2) de corriente puesto en serie con dicho conmutador (10) de corriente así como unos medios (20) de comando del limitador electrónico (2) de corriente aptos para controlar la activación o la desactivación del limitador electrónico (2) de corriente, estando estos medios (20) de comando acoplados al conmutador (10) de corriente de forma que los medios (20) de comando activan el limitador electrónico (2) de corriente con el fin de obtener durante la conmutación del conmutador (10) una corriente con un valor inferior o igual a un determinado valor de umbral.
Description
Dispositivo de conmutación con limitador
electrónico de corriente.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de conmutación de corriente que asocia al menos un
conmutador de corriente y un limitador electrónico de
corriente.
Con el fin de preservar los contactos de un
conmutador de corriente, se sabe que, cuando se abre o se cierra un
conmutador de corriente, se debe evitar la aparición de un arco
eléctrico entre los contactos para limitar el desgaste de los
contactos y aumentar, en consecuencia, la vida útil del dispositivo.
Es conocido por ejemplo mediante el documento DE 19530494 utilizar
un limitador electrónico de corriente en un disyuntor. En un
disyuntor, la limitación de la corriente se realiza de forma
automática cuando se sobrepasa un determinado umbral de corriente.
Además, al no ser previsible la información de apertura de los
contactos del conmutador, resulta imposible limitar la corriente
mientras tiene lugar la apertura de los contactos. El documento DE
19731269 A1 describe un dispositivo de conmutación de corriente
según el preámbulo de la reivindicación 1.
El objeto de la invención es proponer un
dispositivo de conmutación de corriente en el que la apertura o el
cierre de un conmutador se asegura con la orden sin que se produzca
la aparición de un arco eléctrico.
Este objeto se consigue a través de un
dispositivo de conmutación de corriente que incluye al menos un
conmutador de corriente para conmutar una carga eléctrica en un
circuito eléctrico de potencia y caracterizado porque también
incluye un limitador electrónico de corriente puesto en serie con
dicho conmutador de corriente, así como unos medios de comando del
limitador electrónico de corriente aptos para la activación o la
desactivación del limitador electrónico de corriente, estando estos
medios de comando acoplados al conmutador de corriente de forma que
los medios de comando activan el limitador electrónico de corriente
con el fin de obtener durante la conmutación del conmutador una
corriente con un valor inferior o igual a un determinado valor de
umbral.
En el caso de un contactor con limitador de
corriente, la conmutación se realiza de esta forma una vez que la
corriente se ha limitado a un valor inferior al de aparición de un
arco eléctrico. Una vez que se produce la conmutación, los medios
de comando desactivan el limitador electrónico de corriente, lo que
se traduce en una disminución de su resistencia y permite que se
reestablezca la corriente normal en el circuito eléctrico.
Limitando así la corriente, se limita el desgaste de los contactos
del conmutador de corriente y se incrementa, en consecuencia, la
vida útil del dispositivo.
Según la invención, los medios de comando
coordinan la activación o la desactivación del limitador de
corriente y la conmutación del conmutador de corriente con el fin
de limitar la corriente a un valor inferior al de aparición de un
arco eléctrico durante la apertura o el cierre del conmutador de
corriente. Dependiendo del caso, esta coordinación se realiza de
forma automática mediante los tiempos de respuesta respectivos del
limitador de corriente y del conmutador de corriente o mediante la
utilización de un temporizador, por ejemplo integrado en los medios
de comando.
Según una particularidad de la invención, el
temporizador de los medios de comando está regulado a una duración
determinada correspondiente a un intervalo de tiempo entre el envío
de una orden de activación al limitador electrónico de corriente y
el envío de una orden de conmutación al conmutador de corriente. Una
temporización realizada mediante un temporizador de este tipo
también permite el mantenimiento de la activación del limitador de
corriente hasta que las maniobras de apertura y de cierre finalicen,
ya que el incumplimiento de dicho procedimiento traerá como
consecuencia un daño al conmutador de corriente.
Según otra particularidad, el valor de umbral es
sensiblemente igual a cero. El limitador electrónico de corriente
se utiliza, por lo tanto, en modo interruptor.
Según otra particularidad, el limitador
electrónico de corriente está fabricado a partir de un sustrato
adaptado para la electrónica de potencia, es decir, adaptado para
estar integrado en un circuito de alimentación de una carga
eléctrica.
Según otra particularidad, el sustrato del
limitador electrónico de corriente es de silicio.
Según otra particularidad, el sustrato del
limitador electrónico de corriente es de carburo de silicio. Será
preferible utilizar carburo de silicio frente al silicio si el
limitador electrónico de corriente se debe integrar en un
microsistema y si la tensión nominal es superior a 400 Vac.
Según la invención, dado que el circuito
eléctrico está alimentado por corriente alterna, el limitador
electrónico de corriente debe ser bidireccional en corriente y en
tensión. Un componente JFET que sea unidireccional no se puede
utilizar por lo tanto tal cual como limitador electrónico de
corriente en el dispositivo según la invención. Según la invención,
el limitador electrónico de corriente presenta una estructura
realizada, por ejemplo, sobre la base de un JFET de silicio o de
carburo de silicio con el fin de responder a las necesidades de la
invención.
En caso de que se quiera utilizar un componente
JFET sin modificación, éste debe estar integrado, por ejemplo en el
centro de un puente de diodos, o estar asociado a otro componente
JFET en paralelo y a los diodos.
Según otra particularidad, el conmutador de
corriente está fabricado según una tecnología de tipo microsistemas
(micromecánica o MEMS o asociación de MEMS y micromecánica).
Según otra particularidad, el conmutador de
corriente fabricado según una tecnología de tipo microsistemas y el
limitador electrónico de corriente fabricado en carburo de silicio
están integrados en un único y mismo componente.
Según un modo de realización particular, el
dispositivo comprende una pluralidad de conmutadores de corriente
dispuestos en paralelo y acoplados a los medios de comando del
limitador electrónico de corriente.
Según otra particularidad, en el momento de
cierre del conmutador de corriente, la utilización de un limitador
electrónico de este tipo también permite mitigar el inconveniente
asociado a posibles vibraciones del conmutador de corriente.
Según la invención, el conmutador de corriente
asegura el aislamiento galvánico y presenta una baja resistencia en
el estado de conducción en régimen nominal. Por otro lado, el
conmutador no está diseñado para asegurar por sí solo la
interrupción de la corriente nominal. Es necesaria la utilización de
un limitador electrónico de corriente para evitar la aparición de
arcos eléctricos.
Otras características y ventajas aparecerán en
la descripción detallada que viene a continuación que se refiere a
un modo de realización dado a título de ejemplo y representado por
los dibujos anexos en los que:
la figura 1 representa un dispositivo de
conmutación según la invención que incluye varios conmutadores de
corriente dispuestos en paralelo.
La invención trata sobre un dispositivo 1 de
conmutación de una carga C. Este dispositivo 1 de conmutación
utiliza un limitador electrónico 2 de corriente que permite evitar
la aparición de un arco eléctrico durante la apertura o el cierre
de un conmutador de corriente situado en el circuito eléctrico de
potencia de alimentación de la carga C por corriente alterna. Así,
el limitador electrónico 2 de corriente permite que sólo pase al
conmutador de corriente una corriente inferior a un valor de umbral
determinado sensiblemente igual al valor de corriente de aparición
de un arco eléctrico. Cuando los contactos de un conmutador son de
oro, la corriente de aparición de un arco eléctrico es
aproximadamente de 0,3 amperios. En este caso, bastará por lo tanto
con limitar la corriente destinada al conmutador de corriente a un
valor inferior a 0,3 amperios.
Antes de la apertura del conmutador, la simple
limitación de corriente a un valor distinto de cero inferior al
valor de aparición de un arco eléctrico es suficiente cuando la
carga eléctrica que hay que alimentar es resistiva. Por el
contrario, cuando la carga es inductiva, es necesario proceder al
bloqueo del limitador electrónico 2 de corriente con el fin de
cortar por completo la corriente en el circuito eléctrico de
potencia y, de esta forma, evitar el sobrevoltaje en los terminales
del conmutador durante su apertura.
El dispositivo 1 de conmutación de corriente
puede incluir en el circuito eléctrico de potencia uno o varios
conmutadores (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e) de corriente dispuestos
en paralelo y puestos en serie con el limitador electrónico 2 de
corriente. En el circuito eléctrico de potencia, el limitador
electrónico 2 de corriente se sitúa aguas arriba de los
conmutadores 10 de corriente. El limitador electrónico de corriente
se regula de forma que no deje pasar, una vez activado, más que una
corriente que tenga un valor inferior a un valor de umbral
determinado, sensiblemente igual al de aparición de un arco
eléctrico en el conmutador o los conmutadores 10 de corriente con
los que está asociado.
El dispositivo 1 de conmutación incluye unos
medios 20 de comando del limitador electrónico 2 de corriente.
Estos medios 20 de comando del limitador electrónico 2 de corriente
controlan la activación o la desactivación del limitador
electrónico 2 de corriente. Estos medios 20 de comando tienen la
particularidad de estar acoplados a los conmutadores 10 de
corriente. En efecto, cuando se envía, por ejemplo por parte de un
usuario, una orden de apertura o de cierre de los contactos, es
recibida una señal por los medios 20 de comando que, antes o
simultáneamente a la transmisión de esta orden a los conmutadores 10
de corriente, envían una orden de activación al limitador
electrónico 2 de corriente situado aguas arriba de los conmutadores
10 de corriente. La activación del limitador electrónico 2 de
corriente se traduce en un aumento de su resistencia con el fin de
limitar la corriente que circula en dirección a los conmutadores 10
de corriente. El limitador electrónico 2 de corriente limita
entonces la corriente a un valor que, según la naturaleza de la
carga, resistiva o inductiva, es cero o distinta de cero y, en
ambos casos, inferior a la de aparición de un arco eléctrico en los
conmutadores 10 de corriente. Según el caso, el envío de la orden
de activación al limitador electrónico 2 de corriente y el envío de
la orden de conmutación a los conmutadores 10 de corriente pueden
por lo tanto ser, en una primera variante, simultáneos o, en una
segunda variante, diferidos.
En la primera variante en la que el envío de la
orden de activación al limitador electrónico 2 de corriente es
simultáneo al envío de la orden de conmutación al conmutador 10 de
corriente, son los tiempos de respuesta respectivos entre los
conmutadores 10 de corriente y el limitador electrónico 2 de
corriente los que permiten obtener una limitación de corriente
durante la conmutación. El tiempo de respuesta de los conmutadores
10 de corriente es entonces inferior al tiempo de respuesta del
limitador electrónico 2 de corriente. La activación del limitador
electrónico 2 de corriente se efectúa, por lo tanto, antes de la
conmutación de los conmutadores 10 de corriente.
\newpage
En la segunda variante, se utiliza una
temporización entre el envío de las dos órdenes. Después del envío
de la orden de activación al limitador electrónico 2 de corriente y
tras una duración determinada, se envía la orden de conmutación a
los conmutadores 10 de corriente. Los medios 20 de comando pueden
incluir, por ejemplo, un temporizador 200 regulado a una duración
determinada tras la cual se encargan de enviar la orden de
conmutación a los conmutadores 10 de corriente. Durante la apertura
o el cierre de los conmutadores 10 de corriente, la corriente
destinada a los conmutadores 10 de corriente se mantiene, gracias al
limitador electrónico 2 de corriente, en un valor inferior al de la
corriente por la que aparece un arco eléctrico, lo que permite
evitar la aparición de un arco eléctrico y, por lo tanto, evitar el
desgaste prematuro de los contactos de los conmutadores 10 de
corriente. A continuación, tras el transcurso de una duración
determinada, correspondiente por ejemplo a la duración de apertura
o de cierre de los conmutadores 10 de corriente, establecida, por
ejemplo, en el temporizador 200, los medios 20 de comando del
limitador electrónico 2 de corriente envían una orden de
desactivación al limitador electrónico 2 de corriente con el fin de
desactivarlo. Esto se traduce al nivel del limitador electrónico 2
de corriente en una reducción de su resistencia eléctrica y, por lo
tanto, en un reestablecimiento de la corriente normal destinada a
los conmutadores 10 de corriente.
Los conmutadores 10 de corriente pueden estar
fabricados en una tecnología de tipo electromecánico clásico. Según
una variante de realización, estos conmutadores 10 de corriente
podrán estar fabricados en una tecnología de tipo microsistemas
(micromecánica o MEMS o asociación de MEMS y micromecánica). Los
contactos de los conmutadores 10 de corriente fabricados en una
tecnología de tipo microsistemas tienen una superficie y un espesor
de reducido tamaño. Con el fin de preservar estas superficies de
contacto, es por lo tanto indispensable realizar las aperturas y
los cierres de los conmutadores de corriente sin la aparición de un
arco eléctrico.
Según la invención, el limitador electrónico 2
de corriente está fabricado con un sustrato adaptado a la
electrónica de potencia, es decir, adaptado para estar integrado en
un circuito de alimentación de una carga eléctrica, y estará, por
ejemplo, realizado sobre la base de un JFET (Transistor de efecto de
campo de unión) en silicio (Si) o preferentemente en carburo de
silicio (SiC) si la tensión nominal es superior a 400 Vac y si el
limitador electrónico de corriente 2 debe estar integrado en un
microsistema. Particularmente, el carburo de silicio presenta la
ventaja de disponer de un pequeño tamaño de chip y una baja
resistencia en el estado de conducción, lo que permite limitar las
disipaciones térmicas. Limitar las disipaciones térmicas en el
limitador electrónico 2 de corriente es todavía más importante
cuando los conmutadores son de pequeño tamaño (por ejemplo, en
tecnología MEMS), ya que éstos presentan un comportamiento
resistivo en estado cerrado. Una vez desactivado, el limitador
electrónico 2 de corriente está diseñado para tener una resistencia
mínima de forma que no perturbe el paso de corriente a la carga C
cuando el conmutador 10 está cerrado. Otros materiales como el
diamante, el nitruro de boro (BN), el nitruro de aluminio (AIN) o
el nitruro de galio (GaN) también están perfectamente adaptados a
la electrónica de potencia.
Un limitador electrónico 2 de corriente de
carburo de silicio que presenta una superficie inferior a 10
mm^{2} es apto para limitar la corriente, por ejemplo, a 1/10 de
su valor nominal.
Un limitador de corriente realizado en carburo
de silicio, por ejemplo sobre la base de un JFET, presenta por
ejemplo las siguientes especificaciones eléctricas:
Tensión nominal = 400 Vac
Intensidad nominal = 2 Arms
Resistencia del limitador Rp en estado de
conducción, es decir, desactivado < 100 m\Omega
Superficie del componente limitador de corriente
de SiC < 10 mm^{2}.
A partir de este ejemplo, para obtener un valor
de umbral determinado, igual, por ejemplo, a 0,2 A (para los
contactos de oro), la resistencia Rb del limitador activado tendrá
por lo tanto que ser de al menos 2800 \Omega (400\surd2/0,2 =
2828 \Omega).
Particularmente, se podría prever integrar el
limitador electrónico 2 de corriente, fabricado por ejemplo sobre
la base de un JFET en carburo de silicio, y uno o varios
conmutadores 10 de corriente fabricados según una tecnología de
tipo microsistemas en un mismo componente.
Según un modo de realización particular, para
poder efectuar la limitación de corriente deseada en función del
tipo de conmutador de corriente utilizado, los medios de comando del
limitador electrónico de corriente son aptos para hacer variar la
resistencia del limitador, por ejemplo siguiendo una rampa
determinada.
Como se ha descrito anteriormente, según un modo
de realización particular, se puede prever igualmente anular
completamente la corriente, antes de la apertura del conmutador de
corriente, bloqueando el limitador electrónico 2 de corriente. Esto
equivale a utilizar el limitador electrónico 2 de corriente en modo
interruptor o como un diodo. El conmutador 10 sirve entonces para
separar los contactos con el fin de obtener una distancia de
aislamiento suficiente. Es necesario situar el limitador electrónico
de corriente en un estado de bloqueo cuando la carga es
inductiva.
Claims (13)
1. Dispositivo (1) de conmutación de corriente
que incluye al menos un conmutador (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e) de
corriente para conmutar una carga eléctrica (C) en un circuito
eléctrico de potencia de corriente alterna y caracterizado
porque también incluye un limitador electrónico (2) de corriente
puesto en serie con dicho conmutador (10) de corriente así como
unos medios (20) de comando del limitador electrónico (2) de
corriente aptos para controlar la activación o la desactivación del
limitador electrónico (2) de corriente, estando estos medios (20)
de comando acoplados al conmutador (10) de corriente de forma que
los medios (20) de comando activan el limitador electrónico (2) de
corriente con el fin de obtener durante la conmutación del
conmutador (10) una corriente con un valor inferior o igual a un
determinado valor de umbral.
2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios (20) de comando son aptos
para enviar simultáneamente una orden de activación al limitador
electrónico (2) de corriente y una orden de conmutación al
conmutador (10) de corriente.
3. Dispositivo (1) según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios (20) de comando son aptos
para enviar una orden de conmutación al conmutador (10) de
corriente en diferido con relación al envío de una orden de
activación del limitador electrónico (2) de corriente.
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque los medios (20) de comando incluyen un
temporizador (200) de una duración determinada correspondiente a un
intervalo de tiempo entre el envío de la orden de activación al
limitador electrónico (2) de corriente y el envío de la orden de
conmutación al conmutador (10) de corriente.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 4, caracterizado porque los medios de comando son aptos
para enviar una orden de desactivación al limitador electrónico (2)
de corriente tras una duración determinada establecida en un
temporizador (200).
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 5, caracterizado porque el valor de umbral es
sensiblemente igual a cero.
7. Dispositivo (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el limitador
electrónico (2) de corriente está fabricado a partir de un sustrato
adaptado a la electrónica de potencia.
8. Dispositivo (1) según la reivindicación 7,
caracterizado porque el sustrato es de silicio.
9. Dispositivo (1) según la reivindicación 7,
caracterizado porque el sustrato es de carburo de
silicio.
10. Dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado porque el limitador electrónico de corriente
(2) está realizado sobre la base de un JFET de carburo de
silicio.
11. Dispositivo (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el conmutador
(10) de corriente está fabricado según una tecnología de tipo
microsistemas.
12. Dispositivo (1) según la reivindicación 1,
caracterizado porque el conmutador (10) de corriente
fabricado según una tecnología de tipo microsistemas y el limitador
electrónico (2) de corriente fabricado en carburo de silicio están
integrados en un único y mismo componente.
13. Dispositivo (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque incluye una
pluralidad de conmutadores (10a, 10b, 10c, 10d, 10e) de corriente
dispuestos en paralelo y acoplados a los medios (20) de comando del
limitador electrónico (2) de corriente.
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