ES2346749T3 - Circuito de deteccion de corriente residual. - Google Patents

Abstract

Un circuito de detección de corriente residual que comprende medios para detectar un desbalance indicativo de corriente de una corriente residual y proporcionar una salida cuya amplitud corresponda a la magnitud de la corriente residual, caracterizado por que la salida es aplicada simultáneamente en dos canales donde el primer canal proporciona una primera señal y el segundo canal proporciona una segunda señal la cual es retrasada en tiempo con respecto a la primera señal, la salida de cada canal es aplicada a la etapa del circuido la cual produce una salida sólo cuando la primera y la segunda señales son coincidentes en su entrada.

Description

Circuito de detección de corriente residual.

Esta invención se relaciona a un circuito de detección de corriente residual para ser usado, por ejemplo, en un dispositivo de corriente residual (RCD).

El problema más común asociado con los RCDs es la molestia del disparo, y en la mayoría de los casos esto es debido al disparo del RCD en la ausencia de una corriente residual sostenida por encima de un nivel predeterminado. Como se utiliza aquí, el término "corriente residual sostenida" se refiere a cualquier corriente residual la cual continua fluyendo hasta que es interrumpida por una eliminación de potencia, mientras "una corriente no residual sostenida" se refiere a cualquier corriente la cual automáticamente cesa el flujo después de una agitación o impulso inicial. Una corriente residual no sostenida puede fluir a tierra en respuesta a sobretensiones eléctricas, conmutación de cargas reactivas o flujos de corriente momentáneos a tierra los cuales no son atribuibles a una ruptura del aislamiento y por lo tanto no sostenida. Sin embargo, en muchos casos tales corrientes serán percibidas por el RCD como una corriente residual de magnitud y duración suficientes tal que cause que el RCD se caiga.

Por razones de seguridad y protección óptimas, varios RCDs tienen una característica de tiempo/corriente inversa la cual ocasiona que el RCD se caiga rápidamente para una corriente residual de magnitud alta. Sin embargo, esta característica puede predisponer al RCD a caerse automáticamente en respuesta al flujo de corrientes residuales de una magnitud alta pero de corta duración. En el caso de sobretensiones eléctricas, el flujo de corriente resultante a la tierra puede tener una magnitud en la región de amperios, y aunque tales corrientes pueden fluir por solo un periodo de algunos microsegundos, el RCD puede caer inevitablemente, El problema de la molestia del disparo ha sido recientemente agravado por el uso de arrancadores electrónicos en luces fluorescentes donde una corriente de ignición de cientos de amperios con una duración de unos pocos milisegundos puede resultar en el flujo de corrientes de capacitancia relativamente grandes a tierra por un período similar. Los RCDs convencionales tienen una pequeña inmunidad a tales corrientes y son muy probables que molesten al caer.

Los diseñadores de RCD han tratado diversos medios para hacer sus productos inmunes a tales problemas, tal como la adición de un promedio de potencia mecánico y circuitos de retraso de tiempo. Sin embargo, la cantidad del promedio de potencia o retraso de tiempo que pueda ser adicionado a un RCD es limitado debido a un requerimiento para caer dentro de un límite de tiempo especificado para diferentes magnitudes de corrientes de falla. Típicamente, un RCD de tipo general de 30 mA que cumple con el estándar del producto RCD IEC61008 tendrá que caer dentro de 300 mS para una corriente residual de 30 mA y dentro de 40 mS para una corriente residual de 150 mA o mayor. Este tipo de respuesta a corrientes residuales de alta magnitud proporciona la característica de tiempo/corriente inverso. Un promedio de potencia excesivo o retraso de tiempo hará imposible al RCD reunir el requerimiento de 40 mS, así es limitada la efectividad de tales mejoras.

Además, el uso de un circuito electrónico para lograr un retraso de tiempo a menudo resulta en el almacenamiento de carga en componentes reactivos los cuales pueden tener un efecto de estiramiento de la duración de la señal como se ven por el circuito electrónico. En efecto, debido a la gran magnitud de la corriente residual, el efecto de resultante del almacenamiento acumulativo en componentes reactivos ocasionará al RCD percibir un flujo de corriente residual de un periodo sustancialmente más largo que el actual periodo de flujo de corriente residual.

La GB-A-2.318.002 divulga un circuito de detección de corriente residual que comprende las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un circuito de detección de corriente residual mejorado para uso, por ejemplo, en un RCD, en el cual estos problemas son superados o sustancialmente reducidos.

En consecuencia, la invención proporciona un circuito de corriente residual que comprende medios para detección un desbalance de corriente indicativo de corriente residual y proporcionando una salida cuya amplitud corresponda a la magnitud de corriente residual, la salida es aplicada simultáneamente a dos canales donde el primer canal proporciona una primera señal y el segundo canal proporciona una segunda señal la cual es el tiempo de retraso con respecto a la primera señal, la salida de cada canal es aplicada a la etapa del circuito el cual produce una salida sólo cuando la primera y la segunda señales son coincidentes en su entrada.

Una realización preferida de la invención proporciona un circuito de corriente residual que comprende medios para detectar un desbalance de corriente indicativa de corriente residual y que proporciona una salida cuya amplitud corresponda a la magnitud de la corriente residual, la salida es aplicada simultáneamente a dos canales donde el primer canal incluye medios para proporcionar una primera señal donde la amplitud de la salida excede un primer nivel, y donde el segundo canal incluye un capacitor el cual adquiere una carga correspondiente a la amplitud de la salida y medios para proporcionar una segunda señal en respuesta al voltaje del capacitor excediendo un segundo nivel, el circuito además incluye medios para proporcionar una señal de salida solo cuando la primera señal es coincidente con la segunda señal.

El primer y el segundo nivel pueden ser los mismos o diferentes. También, de acuerdo al contexto, una señal puede ser proporcionada por cualquier estado distinguible de un dispositivo; por ejemplo, una carga en el nivel de voltaje o la ausencia de un voltaje donde previamente existía uno.

Las realizaciones de la invención serán ahora descritas, a manera de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, donde:

1. La Fig. 1 es un diagrama de un circuito de un arte anterior de un circuito de detección de corriente residual en un RCD; y

2. Las Figs. 2 a 6 son realizaciones de circuitos de detección de corriente residual de acuerdo a la invención.

Una fuga de corriente (residual) de tierra es convencionalmente detectada utilizando un transformador de corriente (CT) rodeando los conductores principales. La corriente residual vista por el CT puede ser una onda completa, o una onda parcial en forma de DC pulsante la cual puede fluir por un corto periodo durante la mitad de los ciclos positivo o negativo del suministro principal AC cuando la potencia es controlada por rectificadores o tiristores, etc. Las corrientes DC pulsantes pueden ser peligrosas como corrientes de onda completas, y aunque éstas puedan fluir por sólo un corto periodo de tiempo durante mitades de ciclo alternativas, sería importante para el circuito RCD detectar tales corrientes residuales. Como una corriente residual de onda completa puede ser considerada ser continua donde una corriente residual pulsante DC puede ser considerada a ser periódico debido a periodo de tiempo relativamente largo de no conducción entre pulsos.

La figura 1 muestra un circuito de detección de corriente residual básico el cual es accionado de un voltaje DC o AC rectificado. De forma convencional, una red eléctrica viva AC y conductores neutrales conectados a una carga pasan a través del transformador de corriente CT y cualquier corriente residual en estos conductores, la cual es indicativa de una corriente de falla de tierra, es detectada por el CT para producir un voltaje de salida en proporción a la magnitud de la corriente residual. Los diodos D1 y D2 restringidos al voltaje de salida del CT a límites positivos y negativos para prevenir al circuito electrónico de ser dañado por una excursión de voltaje excesivo y el resistor R1 y el capacitor C1 filtran las frecuencias altas del voltaje de salida del CT. Después de limitar y filtrar, el voltaje de salida del CT es aplicado a un amplificador A1 cuya ganancia es establecida por el R2 y el R3. La salida del A1 es alimentada a una etapa rectificadora de onda completa FWR para convertir el voltaje AC a un voltaje unipolar. Así, para cualquier corriente residual la salida del FWR es una serie de pulsos de voltaje de polaridad positiva al doble de la frecuencia de las redes eléctricas, por ejemplo 100 Hz en el caso de redes eléctricas de 50 z, y teniendo una amplitud correspondiente a la magnitud de la corriente residual.

La salida FWR es alimentada por medio de un diodo D3 y un resistor R4 para cargar un capacitor C2. El resistor R5 es un resistor de sangrado el cual previene al C2 de tener su carga indefinidamente. Los valores de estos componentes son elegidos de tal forma que el C2 se carga por medio de D3/R4 a un régimen rápido que si descarga por medio de R5, las ratas de carga y descarga son determinadas por los valores de R4 y R5 respectivamente para un voltaje de salida dado FWR. Por lo tanto, C2 efectivamente suaviza la salida de FWR de tal forma que el voltaje en C2 es un promedio de la salida de FWR sobre un periodo sustancialmente determinado por una constante de tiempo C2/R5. El voltaje en C2 es alimentado a una etapa de salida (no mostrada) para operar un mecanismo de disparo. Para el propósito del ajuste de un nivel de disparo o umbral, antes de la etapa de salida el voltaje en C2 puede ser comparado en un comparador Comp a un nivel de umbral Ref, de modo que una salida es solamente proporcionara a una etapa de salida si el voltaje en C2 excede el Ref. El circuito básico tiene la habilidad de detectar y responder a corrientes residuales AC y pulsantes DC.

Un problema clave con el circuito básico de la figura 1 es que el capacitor C1 adquirirá y almacenará una carga en respuesta a cualquier salida del CT, incluyendo impulsos de corta duración ocasionados por ruido u oleadas de corriente, etc. Tales impulsos, aunque momentáneamente y no atribuibles a una falla de corriente de tierra, pueden a menudo ser de amplitud relativamente grande con el resultado que la carga en C2 ocasionará a la etapa de salida a ser activado y así dar lugar a la molestia del disparo.

La figura 2 muestra un circuito mejorado el cual reduce el riesgo de molestia del disparo asociado con la duración corta de impulsos de corriente.

El voltaje de salida del FWR es suministrado simultáneamente en dos canales. En el primer canal el voltaje de salida del FWR es alimentado directamente a un primer terminal de entrada de un puerto AND. En el segundo canal el mismo voltaje de salida FWR es también alimentado a C2 como antes pero la entrada de C2 es ahora alimentada a la segunda terminal de entrada y al puerto AND. Cada terminal de entrada de un puerto AND ha tiene un umbral predeterminado, el cual puede ser el mismo o diferente para cada terminal de entrada, de forma que en cada terminal de entrada una señal de entrada al puerto AND será solamente producida cuando el voltaje en esa terminal exceda el umbral respectivo. Así, el puerto AND producirá solamente una salida cuando los dos voltajes de entrada sean coincidentes u tengan niveles por encima de los umbrales de entrada de los puertos AND respectivos. El tiempo tomado por C2 para adquirir una carga por medio de R4 introducirá una demora en el voltaje aplicado en un segundo terminal de entrada del puerto AND en comparación con el aplicado en el primer terminal de entrada. Siempre que la corriente residual produce la salida FWR sea periódica o sostenida más allá de la demora introducida por C2 y por encima de un cierto nivel, el puerto AND verá dos señales coincidentes de FWR y C2 respectivamente produciendo así una salida y ocasionando al RCD que caiga. Si la corriente residual produce que la salida FWR no sea periódica o sostenida más allá de la demora introducida por C2, la primera señal de entrada y el puerto AND no estarán presentes cuando la segunda señal llegue a C2. Como resultado no habrá una salida del puerto AND y el RCD no caerá en respuesta a un impulso de corta duración. El C2 se descargará por medio de R5 dentro de un tiempo finito si la salida FWR no es periódica o sostenida.

Tomando la salida FWR y utilizándola para producir dos señales separadas al RCD le ha dado un alto grado de inmunidad a la molestia del disparo ocasionado por la corta duración de corrientes residuales no sostenidas.

El circuito de la figura 2 puede ser además mejorado como es mostrado por la figura 3. En este circuito la salida FWR, la cual es una primera señal, es ahora alimentada al terminal +ve de un primer comparador Comp1 cuyo terminal -ve es conectado al voltaje de referencia Ref1. La salida FWR es también alimentada a C2 como antes para producir una segunda señal derivada del voltaje en C2 pero esta señal es ahora alimentada al terminal -ve de un segundo comparador Comp2 cuyo terminal +ve es conectado en referencia al voltaje Ref2. Bajo condiciones inactivas la salida Comp2 es alta así manteniendo un transistor de conmutación Q1 activado y manteniendo deshabilitada la restricción en la salida del circuito manteniéndola a nivel del suelo. Cuando el voltaje en C2 excede Ref2, la salida Comp2 para a nivel bajo y apaga Q1 así removiendo la restricción deshabilitada de la salida. Cuando la salida FWR excede el nivel Ref1, la salida Comp1 pasa a alto y cuando Q1 es apagado cualquier salida alta de Comp1 será alimentada al nivel de salida por medio de R6.

Comp1 efectivamente convierte la salida FWR en pulsos rectangulares de igual amplitud. Ref1 puede ser ajustado en cualquier nivel conveniente el cual asegura que solo las señales FWR causadas por corrientes residuales por encima de un cierto umbral son convertidas en ondas rectangulares por Comp1. Esto asegura que el ruido de fondo tendrá el mínimo efecto en el rendimiento del RCD. En efecto Comp1 será responsable de la presencia de cualquier corriente residual por encima de un cierto umbral con respecto a su actual amplitud donde Comp2 será responsable de corrientes residuales las cuales resultan en la carga en C2 excediendo un cierto promedio de nivel DC determinado por Ref2.

El umbral de caída deseado del RCD puede ser ajustado alterando la ganancia del amplificador por una selección adecuada de los valores de R2 y R3, o por la selección de Ref2, o una combinación de estas variables.

Es algunas veces deseable para los RCDs tener un tiempo de no respuesta asegurado durante el cual el RCD no responderá a una corriente residual con respecto a su magnitud. Esta es una característica deseable la cual puede proporcionar un alto grado de inmunidad para sobretensiones eléctricas de arrancadores electrónicos para luces fluorescentes las cuales pueden resultar en corrientes residuales en el rango de amperios más bien que el rango de miliamperios donde los RCDs normalmente operan para protección de choques. La figura 4 muestra un refinamiento de la figura 3 la cual proporciona esta capacidad.

En la figura 4 la salida FWR es aplicada a Comp1 y C2 como antes. Sin embargo, Comp2 es en este caso conectado a una fuente de corriente S1 la cual, cuando es habilitada por una salida de Comp2, se carga hasta un capacitor C3. El voltaje en C3 es aplicado al terminal -ve de un tercer comparador Comp3 cuyo terminal +ve es conectado al voltaje de referencia ref3. Cuando el voltaje en C2 excede el nivel ref2, la salida Comp3 pasa a alta, habilitando el capacitor C3 de cargarse hasta una rata predeterminada de S1. Cuando el voltaje en C3 excede Ref3, la salida Comp3 pasa a baja y remueve una restricción deshabilitada en la salida como antes, habilitando al RCD de caer si la primera señal está entonces presente en la salida de Comp1. El tiempo tomado por C3 para cargarse es independiente de la magnitud de la corriente residual. Si la carga en 2 cae por debajo de ref2 antes de la carga en C3 exceda Ref3, la salida Comp2 pasará a nivel bajo y C3 será descargada por medio de D4 así previniendo al RCD del disparo. El circuito de la figura 4 por lo tanto tiene la habilidad de prevenir al RCD de responder a una corriente residual por un periodo finito el cual a su vez proporciona al RCD con un tiempo de no respuesta asegurado mientras asegura su respuesta a corrientes residuales sostenidas o periódicas mientras fluye después de ese período.

Como se indicó previamente, el nivel de corriente residual al cual el RCD caerá es conocido como el umbral de caída del dispositivo. En el caso de una corriente residual sostenida la cual exceda el umbral de caída del RCD, el circuito como se describió anteriormente tendrá un tiempo de respuesta similar con respecto o si tales corrientes son ligeramente o sustancialmente por encima del umbral. En muchos casos los usuarios prefieren al RCD tener una característica de tiempo/corriente inversa. El circuito de la figura 5 puede proporcionar esta capacidad por la inclusión de un comparador adicional Comp4 y una segunda fuente de corriente S2, el voltaje en C2 es aplicado al terminal +ve del Comp4 y un voltaje de referencia Ref4 es suministrado al terminal -ve.

El voltaje de referencia ref4 es mayor que Ref2. Cuando el voltaje de C2 excede Ref2, Comp2 permite a C3 adquirir una carga a un régimen predeterminado de la fuente de corriente S1. Sin embargo, si el voltaje a través de C2 es mayor que Ref4, la salida Comp4 activará la segunda fuente de corriente S2 y habilitará C3 para adquirir su carga a un régimen más rápido con el resultado que el RDC responderá más rápido a nivel más alto de corrientes residuales. La respuesta inversa de tiempo/corriente puede ser optimizada por ejemplo utilizando fuentes de corriente adicionales o utilizando diferentes corrientes de carga de fuentes de corriente, o cargando el voltaje Ref4, o utilizando uno o más de los anteriores como medios de control. La selección adecuada de valores de componentes puede proporcionar para tiempos de respuesta apropiados a varios niveles de corriente residual mientras mantienen una inmunidad básica alta del circuito para molestia del disparo.

La figura 6 proporciona un ejemplo de tales medios de control. En la fig. 6 un circuito adicional ha sido incluido para proporcionar para ajuste y control del nivel del flujo de corriente de las fuentes de corriente S1 y S2. El control es logrado por medio de un resistor de influencia, Rbias, cuyo valor se ajusta al nivel preciso de las fuentes de corrientes. Un cambio en el valor de Rbias o bien el incremento o la disminución de la cantidad de corriente fluyendo de S1 y S2 dentro de C3, y así controla su régimen de carga y el tiempo de respuesta del circuito para corrientes residuales de diferentes magnitudes.

Los problemas de molestia del disparo pueden también ser causados por conducción o componentes de frecuencia radiada de armonía de los medios de frecuencia fundamentales a frecuencias de radio extendidas al rango de giga Hertz. Técnicas de supresión apropiadas pueden ser aplicadas al circuito básico para mejorar su inmunidad a la molestia del disparo en respuesta a tal interferencia sin apartarse de las realizaciones básicas acá descritas.

La invención no es limitada a las realizaciones descritas aquí las cuales pueden ser modificadas o variadas sin apartarse del alcance de las reivindicaciones.

Claims (9)

1. Un circuito de detección de corriente residual que comprende medios para detectar un desbalance indicativo de corriente de una corriente residual y proporcionar una salida cuya amplitud corresponda a la magnitud de la corriente residual, caracterizado por que la salida es aplicada simultáneamente en dos canales donde el primer canal proporciona una primera señal y el segundo canal proporciona una segunda señal la cual es retrasada en tiempo con respecto a la primera señal, la salida de cada canal es aplicada a la etapa del circuido la cual produce una salida sólo cuando la primera y la segunda señales son coincidentes en su entrada.

2. Un circuito de detección de corriente residual de acuerdo a la reivindicación 1 que comprende medios para detectar un desbalance indicativo de corriente de una corriente residual y proporciona una salida cuya amplitud corresponda a la magnitud de la corriente residual, la salida es aplicada simultáneamente a dos canales donde el primer canal incluye medios para proporcionar una primera señal donde la amplitud de la salida excede un primer nivel, y donde el segundo nivel incluye un capacitor el cual adquiere una carga correspondiente a la amplitud de la salida y medios para proporcionar una segunda señal en respuesta al voltaje en el capacitor excediendo un segundo nivel, incluyendo el circuito además medios para proporcionar una señal de salida solo cuando la primera señal es coincidente con la segunda señal.

3. Un circuito de detección de corriente residual como se reivindicó en la reivindicación 2, donde la salida de la detección y proporción de medio es un voltaje, donde el primer canal conecta el voltaje de salida a un primer terminal de entrada de un puerto AND, la primera entrada de terminal tiene un primer umbral que define dicho nivel mediante el cual la señal es producida a dicho puerto AND cuando el voltaje de salida es producido en dicho puerto AND cuando el voltaje excede el primer umbral, y donde el segundo canal conecta el voltaje del capacitor a un segundo terminal de entrada de un puerto AND, la segunda entrada terminal tiene un segundo umbral que define dicho segundo nivel donde la segunda señal es producida en dicho puerto AND cuando el voltaje del capacitor excede el segundo umbral, la señal de salida es producida por el puerto AND hasta que coincidan la primera y la segunda señales.

4. Un circuito de detección de corriente residual como se reivindicó en la reivindicación 2, donde la salida de la detección y la proporción de medios es un voltaje, donde el primer canal incluye un primer comparador para comparar el voltaje de salida con un primer voltaje de referencia y proporcionando dicha primera señal como una salida cuando el voltaje de salida exceda el primer voltaje de referencia, y donde el segundo canal incluya un segundo comparador para comparar el voltaje del capacitor con un segundo voltaje de referencia y proporcionando una señal de salida cuando el voltaje del capacitor exceda el segundo voltaje de referencia, dicha segunda señal ya sea constituyéndose por, o ser derivada de, la segunda señal de salida del comparador.

5. Un circuito de detección de corriente residual como se reivindicó en la reivindicación 4, donde el segundo canal además incluye una fuente de corriente el cual se carga hasta un segundo capacitor sobre la ocurrencia de un segundo comparador para comparar el segundo voltaje del capacitor con un tercer voltaje de referencia y proporcionar una señal de salida cuando el segundo voltaje del capacitor exceda el tercer voltaje de referencia.

6. Un circuito de detección de corriente residual como se reivindicó en la reivindicación 5, donde el segundo canal incluye un cuarto comparador para comparar el voltaje del capacitor con un cuarto voltaje de referencia mayor que el segundo voltaje de referencia y proporcionar y proporcionando una señal de referencia cuando el voltaje del capacitor exceda el cuarto voltaje de referencia, donde el segundo canal además incluye una segunda fuente de corriente la cual ayuda a la primera fuente de corriente a cargarse hasta el segundo capacitor sobre la ocurrencia de un cuarto comparador de señal de salida.

7. Un circuito de detección de corriente residual como se reivindicó en la reivindicación 5 o 6, que incluye además medios para ajustar la(s) magnitud(es) de la(s) corriente(s) suministradas por la(s) fuente(s) de corriente.

8. Un circuito de detección de corriente residual como se reivindicó en la reivindicación 5, 6 o 7, donde el tercer comparador de voltaje de salida constituye dicha segunda señal.

9. Un circuito de detección de corriente residual como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, donde los medios para proporcionar la señal de salida sólo cuando la primera señal es coincidente con la segunda señal comprende un dispositivo de conmutación el cual aplica una restricción deshabilitada a la salida del primer comparador excepto durante la ocurrencia de la segunda señal.