ES2346959T3 - Dispositivos de medida. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo combinado toroide/shunt para detectar una intensidad residual en una instalación eléctrica que tiene un suministro en CA y que comprende un conductor neutro (3) y al menos un conductor de fase (2, 21, 22), dispositivo que comprende: medios tipo toroide (1, 4) para detectar un primer desequilibrio de intensidad entre los conductores neutro y de fase indicativo de una intensidad residual de CA que se encuentra dentro de un primer rango; una pluralidad de shunts resistivos (6a-6d) para su conexión al respectivo de cada uno de los conductores dichos; y medios de detección de intensidad (5, 7, 13) que responden a la intensidad que circula en cada uno de dichos shunts para detectar un segundo desequilibrio de intensidad entre los conductores neutro y de fase indicativo de una intensidad residual en CC y/o una intensidad residual en CA que se encuentra dentro de un segundo rango.
Description
Dispositivos de medida.
Esta invención se refiere a dispositivos de
medida para instalaciones eléctricas y, en particular, a
dispositivos de medida que incluyen un módulo de detección de
intensidad/tensión para analizar intensidad y tensión para
facilitar, inter alia, una detección de intensidad residual y
un consumo de energía.
Un método de detección de corrientes residuales
puede implicar el uso de un transformador de intensidad que tiene
devanados primarios a través de los cuales, en el caso de un
dispositivo monofásico, la corriente de carga circula en
direcciones opuestas de forma que si la intensidad de retorno es
diferente de la intensidad que circula hacia fuera debido a fugas
de corriente, se induce una señal de intensidad de salida en un
devanado secundario del transformador. En el caso de un dispositivo
multifásico, se conectan devanados primarios del transformador en
todas las líneas de fase y en la línea de neutro. En situaciones
normales, cuando no hay fugas de corriente, la corriente neta
inducida en el devanado secundario es cero y, por lo tanto, no se
detecta ninguna salida. Estos dispositivos están sujetos a
desconexiones intempestivas que se originan por sobretensiones en
el suministro, interruptores en los aparatos y similares. Otros
problemas se plantean porque el transformador está diseñado para
ser sensible a desequilibrios muy pequeños de intensidad causados
por las fugas de corriente. Con fallos por fugas de corriente
relativamente grandes, el flujo magnético puede causar que el núcleo
del transformador se sature y por ello falle en inducir una
corriente en el devanado secundario. Alternativamente, una
corriente inducida grande puede causar la saturación de un
amplificador del circuito electrónico que es usado para procesar la
señal de corriente inducida.
También, los dispositivos con transformador
toroidal pueden ser insensibles para dar fallos de fuga de
corriente, de tal forma que el fallo pasa sin ser detectado y no
ocurre ninguna desconexión. Muchos sistemas eléctricos incorporan
alimentaciones de energía que pueden conmutarse, por ejemplo
convertidores de CA a CC e inversores de control de velocidad de
motores y sistemas de arranque. En sistemas de este tipo, las fases
de alimentación de CA son conmutadas electrónicamente (por ejemplo
con FETs de alta tensión) para proporcionar señales con forma de
onda rectificada. En tales casos un fallo de fuga de corriente puede
no inducir suficiente corriente en el devanado secundario para
detectar el fallo.
Un método de determinar el consumo de energía es
medir la tensión a través de los hilos de alimentación de energía y
la intensidad que circula a través de ellos y multiplicar luego la
intensidad por la medida de la tensión para determinar una medida
de energía. Una aproximación es usar un shunt de valor conocido
conectado en serie con uno de los hilos y medir la tensión y la
intensidad que circula a través de él. Los medidores de energía
incluyen un contador o reloj para medir el número de
vatios-hora consumidos. El contador o reloj es leído
periódicamente de forma manual con objeto de que pueda facturarse al
consumidor la cantidad de electricidad usada.
También podrían usarse resistencias de shunt
para detectar un desequilibrio en la intensidad causado por una
fuga de corriente. Sin embargo, para ser útiles ellas solas como
dispositivo de seguridad de detección de intensidad residual para
disparar un disyuntor, las resistencias de shunt tendrían que ser
extremadamente exactas. La intensidad que circula a través de los
shunts necesitaría ser detectada con una exactitud del orden de 1 a
10 mA en 100 A (10^{-5} a 10^{-4}). Esto significa que sería
necesaria una circuitería de medida sofisticada y compleja para
proporcionar la resolución requerida así como resistencias de shunt
precisas y estables que tuvieran características de resistencia
lineales.
Convencionalmente, los dispositivos de
intensidad residual y los medidores de consumo de energía son
dispositivos discretos separados. El medidor de consumo de energía
está situado usualmente en el punto de entrada de la alimentación
de electricidad al inmueble y el dispositivo de intensidad residual
está situado dentro de la unidad consumidora o caja de fusibles
desde la cual se distribuyen los circuitos al inmueble.
El documento de patente francesa FR 2590030
describe un dispositivo de medida de corriente alterna que tiene un
shunt que conduce la corriente eléctrica que va a ser medida. Los
terminales del shunt están conectados al devanado primario de un
trasformador y los terminales del devanado secundario del
transformador están conectados a un instrumento para medir o
comparar tensiones.
El documento de patente francesa FR 2430680
describe un dispositivo de medida de intensidad que comprende un
toroide magnético previsto entre una fuente y un circuito de
corriente continua o alterna.
El documento de patente americana US 6018700
describe un dispositivo de monitorización de intensidad para un
circuito eléctrico, dispositivo de monitorización que tiene medios
sensores de intensidad que comprenden una resistencia conectada en
serie con el circuito eléctrico.
El documento de patente americana US 4278938
describe un dispositivo de medida de intensidad que comprende un
núcleo toroidal.
Es un objetivo de la presente invención concebir
un dispositivo combinado de medida de intensidad residual y energía
que supere o, al menos, alivie estos problemas. Es otro objetivo de
la invención concebir un dispositivo combinado de medida de
intensidad residual y energía que sea menos voluminoso que los
dispositivos convencionales y que funcione en un grado aumentado de
sofisticación de tal forma que facilite la monitorización remota de
la instalación eléctrica.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un dispositivo combinado toroide/shunt como se define en
la reivindicación 1.
En una realización, el primer rango de
intensidad residual en CA es una intensidad residual de CA que
resulta de fugas a tierra o fugas cruzadas entre los conductores
hasta un nivel de saturación, en el cual el toroide o un medio
electrónico asociado a él se satura, y el segundo rango incluye
intensidades residuales de CA por encima de dicho nivel de
saturación.
El dispositivo combinado toroide/shunt puede
comprender, además, medios procesadores para generar una señal de
desconexión a partir de dichos primer y/o segundo desequilibrios de
intensidad indicativos de la presencia de un fallo por intensidad
residual.
Preferiblemente, los medios procesadores son
efectivos para generar la señal de desconexión sobre la base de un
criterio de comparación de la señal de desequilibrio de intensidad
con un umbral predeterminado.
Más preferiblemente, el dispositivo combinado
toroide/shunt comprende, además, un disyuntor efectivo para
interrumpir esa alimentación de CA en respuesta a dicha señal de
desconexión.
En otra realización, un dispositivo de
monitorización para una instalación eléctrica comprende el
dispositivo combinado toroide/shunt. Aquí, los medios de detección
de intensidad responden a la intensidad que circula en cada uno de
dichos conductores y el procesador puede operar para generar una
señal de intensidad indicativa de la intensidad detectada en cada
uno de dichos conductores.
El dispositivo de monitorización puede
comprender, además, medios detectores tipo resistencia para su
conexión entre dichos conductores neutro y de fase para generar una
salida indicativa de la tensión entre dichos conductores de fase y
neutro mediante la medida de la caída de tensión a través de los
medios resistencia o una porción de ellos dividida en potencial.
Preferiblemente, los medios procesadores son
efectivos para generar una señal de salida derivada de dichas
señales de intensidad y tensión para facilitar la determinación del
consumo de energía.
Los medios detectores de intensidad, bien del
dispositivo combinado toroide/shunt bien del dispositivo de
monitorización, pueden comprender, también, un primer convertidor
analógico a digital acoplado a un devanado secundario del
transformador para generar una señal digital representativa del
desequilibrio de intensidad captado por el toroide.
Preferiblemente, los medios de detección de
corriente comprenden, también, un segundo convertidor analógico a
digital acoplado al detector de tipo resistencia de shunt para
generar señales digitales representativas de la intensidad que
circula a través del conductor neutro y de cada uno de los al menos
un conductores de fase.
Más preferiblemente, el segundo convertidor
analógico a digital está acoplado a dichos medios detectores tipo
resistencia para generar señales digitales representativas de la
tensión entre dichos conductores neutro y de fase.
Los primer y/o segundo convertidores analógico a
digital pueden incluir un multiplexor para acoplar selectivamente
dos o más de dichos medios detectores y generar las correspondientes
señales digitales representativas de la tensión o intensidad
detectadas.
Es evidente que, en realizaciones de la
invención, el dispositivo está provisto de dos medios para detectar
una intensidad residual. El trasformador toroidal facilita la
detección de un desequilibrio de intensidad entre los conductores
neutro y de fase, comparación indicativa de la corriente detectada
en los conductores neutro y de fase. El detector tipo shunt puede
facilitar, por su parte, la detección de una intensidad residual
incluso cuando la intensidad residual se origina por un fallo de CC,
no detectable por el transformador. El detector tipo shunt puede
facilitar también la detección de intensidad residual en
circunstancias en las que el flujo magnético causa que el
transformador se sature.
Es evidente que realizaciones de la invención
proporcionan un dispositivo integral o combinado de energía e
intensidad residual. Una ventaja que resulta de esto es que el
medidor de energía, el cual es propiedad usualmente del
suministrador eléctrico, puede ser propiedad del usuario. Los
parámetros que se refieren al uso de la electricidad y las
condiciones de fallo son transmitidos a una estación monitorizada
por el suministrador para propósitos de facturación, diagnóstico,
consumo o servicio. También es claro que es posible una reducción
de volumen con respecto a dispositivos convencionales de medida de
energía e intensidad residual separados. Esto permite que los
dispositivos que realizan la invención sean incorporados en
instalaciones para proporcionar la evitación de desconexiones, una
mayor discriminación, una indicación de fallos y la monitorización
aguas abajo. La medida de subcircuitos puede ser efectuada de forma
particular si los dispositivos están conectados en red, permitiendo
esto una mejor discriminación y aislamiento de fallos, desconectando
primero los subcircuitos antes de que se desconecte el circuito
principal. Se conciben otros usos más tales como proporcionar datos
de alarma antes de desconectar y su uso en sistemas de gestión de
edificios.
De acuerdo con un aspecto relacionado, el cual
es mencionado a modo de antecedente, se proporciona un dispositivo
de medida para una instalación eléctrica que comprende una
pluralidad de conductores, dispositivo que comprende medios de tipo
toroide para detectar una intensidad residual y medios de consumo de
energía que comprenden medios detectores tipo shunt para generar
una señal de intensidad indicativa de la intensidad detectada en al
menos uno de dichos conductores y medios detectores de tipo
resistencia para generar una señal de tensión indicativa de la
tensión a través de, al menos, un par de dichos conductores.
En una realización preferida, la instalación
eléctrica comprende un suministro de CA por medio de un conductor
neutro y un conductor de fase, comprendiendo dichos medios de tipo
toroide un detector tipo transformador toroidal para generar una
señal de intensidad residual en respuesta a una intensidad residual
detectada en dicha instalación eléctrica, y dichos medios
detectores tipo resistencia se proporcionan para su conexión entre
dichos conductores neutro y de fase para generar dicha señal de
tensión mediante la medida de la caída de tensión a través de los
medios detectores tipo resistencia o una porción de ellos dividida
en potencial, comprendiendo el dispositivo, además, medios
procesadores para generar una señal de desconexión indicativa de la
presencia de un fallo de intensidad residual en dependencia de dicha
señal de intensidad residual, para facilitar con ello la actuación
de un disyuntor para interrumpir dicho suministro de CA en respuesta
a dicha señal de desconexión y una señal de salida derivada de
dichas señales de intensidad y tensión para facilitar la
determinación del consumo de energía.
En otra realización preferida, un suministro de
CA puede comprender una pluralidad de fases, comprendiendo cada una
de las fases un suministro por medio de un conductor de fase y dicho
conductor neutro, en el que los medios detectores tipo shunt
comprenden un correspondiente shunt conectado en serie en cada uno
de dichos conductores de fase para proporcionar una correspondiente
señal de intensidad indicativa de la intensidad que circula en el
correspondiente conductor de fase y dichos medios detectores tipo
resistencia comprenden unos correspondientes medios resistencia
conectados entre cada uno de dichos conductores de fase y dicho
conductor neutro, siendo dicho procesador efectivo para generar
señales representativas de la tensión entre cada conductor de fase
y dicho conductor neutro mediante la medida de la tensión a través
de cada uno de dichos medios resistencia o porciones de ellos
divididas en
potencial.
potencial.
De acuerdo con un segundo aspecto relacionado,
el cual es mencionado a modo de antecedente, se proporciona un
dispositivo de medida para una instalación eléctrica que tiene un
suministro de CA por medio de un conductor neutro y al menos un
conductor de fase, dispositivo que comprende un detector tipo
trasformador toroidal para generar una señal de intensidad residual
en respuesta a una intensidad residual detectada en dicha
instalación eléctrica, un detector de tipo resistencia de shunt
para generar correspondientes señales de intensidad indicativas de
la intensidad detectada en dicho conductor neutro y en cada uno de
dichos al menos un conductores de fase, medios procesadores para
generar una señal de desconexión indicativa de la presencia de un
fallo por intensidad residual en dependencia de dicha señal de
intensidad residual y/o de la correspondiente señal de intensidad
detectadas, y un disyuntor efectivo para interrumpir dicho
suministro de CA en respuesta a dicha señal de desconexión.
En una realización preferida, para cada uno de
dichos al menos un conductores de fase, el dispositivo puede
comprender, además, medios detectores tipo resistencia para su
conexión entre dichos conductor neutro y conductores de fase y
efectivo para proporcionar una señal representativa de la tensión
entre dichos conductores neutro y de fase mediante la medida de la
caída de tensión a través de dichos medios detectores tipo
resistencia o una porción de ellos dividida en potencial.
En una realización, los medios procesadores
comprenden un primer convertidor analógico a digital acoplado a un
devanado secundario de dicho transformador para generar dicha señal
de intensidad residual como una señal digital representativa de la
tensión captada a través del devanado y/o la intensidad en el
devanado.
Los medios procesadores pueden comprender,
además, un segundo convertidor analógico a digital acoplado al
detector tipo resistencia de shunt para generar señales digitales
representativas de la intensidad que circula a través de dicho
conductor neutro y cada uno de dichos al menos un conductores de
fase.
Los primer y/o segundo convertidores analógico a
digital pueden estar también acoplados a dichos medios detectores
tipo resistencia para generar señales digitales representativas de
dicha tensión entre dichos conductores neutro y de fase.
Como alternativa, los primer y/o segundo
convertidores analógico a digital pueden incluir un multiplexor para
acoplar selectivamente dos o más de dichos medios detectores y
generar las señales digitales correspondientes representativas de la
tensión o la intensidad detectadas.
Cada uno de los convertidores analógico a
digital puede incluir un modulador delta-sigma.
Los medios procesadores pueden incluir un
microprocesador para recibir las señales digitales de los primer y
segundo convertidores analógico a digital para determinar la energía
consumida por la instalación eléctrica a partir de las señales
digitales. El microprocesador puede, además, ser efectivo para
generar una señal de desequilibrio de intensidad indicativa de la
intensidad residual durante el tiempo real a partir de la señal de
intensidad residual. El microprocesador puede, además, ser efectivo
para generar dicha señal de desequilibrio de intensidad a partir de
una comparación de dichas señales de intensidad en dichos
conductores neutro y de fase. El microprocesador puede ser, además,
efectivo para generar dicha señal de desconexión sobre la base de un
criterio de comparación de dicha señal de desequilibrio de
intensidad con un umbral predeterminado.
El microprocesador puede, aún más, ser efectivo
para analizar la intensidad residual, la intensidad y la tensión
con objeto de detectar una o más condiciones, que incluyen
sobreintensidad, fallo por arco, fuga de corriente permanente y
medida de "Energía real" a partir del ángulo de fase (Energía =
Tensión*Intensidad*Coseno (phi)). El consumo de energía, junto con
las otras condiciones de funcionamiento o eventos pueden ser
registrados para futura referencia. Esta información es útil para
propósitos de diagnóstico.
Se puede prever un sensor de temperatura para
permitir la comparación de fluctuaciones de temperatura en los
shunts. El microprocesador puede ser calibrado para generar señales
de intensidad y tensión teniendo en cuenta la temperatura de los
shunts con respecto a un punto de referencia.
El microprocesador puede estar dispuesto para
ajustar el umbral de la intensidad residual necesaria para generar
una señal de desconexión si aprende que la intensidad residual es
causada por una fuga permanente en la instalación. La función del
detector de intensidad residual continuará, por lo tanto, operando
como un dispositivo de seguridad mientras que minimiza la
posibilidad de desconexión intempestiva. Por ejemplo, si hubiera una
fuga permanente de 10 mA cuando se instala el dispositivo de
monitorización, el dispositivo desconectaría cuando el umbral
predeterminado fuera alcanzado por encima del nivel de 10 mA más
bien que de l nivel cero.
También puede preverse un dispositivo de
comunicación para transmitir esta información a una estación remota
de monitorización.
Ahora, la invención se describirá más, a modo de
ejemplo, con referencia a los dibujos que acompañan, en los
cuales:
la Figura 1 es un diagrama de bloques de un
dispositivo combinado medidor de energía e intensidad residual que
realiza la presente invención aplicado a un suministro eléctrico
monofásico;
la Figura 2 es un diagrama de bloques de un
dispositivo combinado medidor de energía e intensidad residual que
realiza la presente invención aplicado a un suministro eléctrico
trifásico;
y
la Figura 3 es un diagrama de flujo que indica
una secuencia de operación para la detección de intensidad residual
en un dispositivo que realiza la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Una configuración de la estructura de un
dispositivo de monitorización que realiza la presente invención se
muestra en las Figuras 1 y 2 en un primer aspecto. La Figura 1
muestra un dispositivo monofásico en el cual el núcleo 1 del
transformador toroidal está acoplado a los conductores neutro y de
fase, 2 y 3 respectivamente, de una red de suministro de CA. Una
bobina 4 secundaria está arrollada alrededor del núcleo 1 y acoplada
a un primer convertidor 5 analógico a digital para generar un
salida digital 01 representativa del desequilibrio de intensidad
captado por el transformador 1 toroidal.
Los medios detectores tipo shunt comprenden un
shunt 6a resistivo provisto en serie con el conductor 3 neutro de
la red. Este puede ser de un material resistivo tal como manganina
que tiene una resistencia nominal de 0,2 m\Sigma con una
tolerancia de menos del 5%. Los respectivos extremos del shunt 6a
están conectados a un convertidor 7 analógico a digital que produce
una salida 02 digitalizada representativa de la caída de tensión a
través del shunt 6a. La caída de tensión a través del shunt 6a
proporciona una medida de la intensidad que circula por el conductor
3 neutro.
Los medios detectores de tipo resistencia
comprenden un divisor de potencial que tiene resistencias 8a, 8b, 9
conectados entre los conductores de fase y neutro, 2, 3
respectivamente, de la red. La tensión entre estos conductores
puede determinarse mediante la medida de la caída de tensión a
través de la resistencia 8a conectando los correspondientes
extremos de la resistencia 8a a un segundo convertidor 7 analógico a
digital. La salida 02 digitalizada contiene la información sobre la
tensión a través de la resistencia 8a.
Una unidad 10 de alimentación está prevista para
sacar energía desde los conductores 2, 3 de fase y neutro y para
suministrar tensiones controladas a los convertidores 5, 7 analógico
a digital por medio de barreras de aislamiento 11, 12 y del
procesador 13. Un multiplexor puede ser previsto en cada uno de los
convertidores para proporcionar al procesador, a través de sus
respectivas barreras de aislamiento, señales representativas tanto
de la intensidad en el shunt asociado como de la tensión en un
extremo de él. El procesador 13 usa estas señales para monitorizar
la intensidad en cada shunt así como el desequilibrio de intensidad
captado por la bobina 4 del transformador 1 toroidal.
En el caso de un desequilibrio de intensidad que
exceda un umbral predeterminado, el procesador genera un señal de
desconexión 03 la cual acciona un actuador 14 de solenoide para
interrumpir o desconectar los correspondientes conductores 2, 3 por
medio de un disyuntor indicado esquemáticamente por los
interruptores 15 y 16 en la Figura 1.
El procesador 13 también está provisto de un
Transmisor Asíncrono Universal (UART) 25 como un medio para generar
y transmitir una señal de salida en forma de comunicaciones de datos
en serie 04. El procesador 13 proporciona señales de salida basadas
en las señales de intensidad y tensión detectadas. Esto puede
incluir una señal de consumo de energía basada en la energía
calculada a partir de las señales de intensidad y tensión detectadas
junto con un tiempo derivado de una señal de un generador de reloj
26 que está dentro de procesador 13.
Cada uno de los convertidores analógico a
digital comprende un convertidor analógico a digital en forma de un
modulador 17 delta-sigma el cual proporciona un
flujo de datos digital de un bit de alta frecuencia. Un sensor 18
de temperatura está previsto para que las señales 01 y 02 de salida
digitalizadas sean modificadas para compensar las fluctuaciones de
temperatura. La modificación puede ser efectuada por medio de una
técnica de calibración que implica el uso de una tabla de consulta
(no mostrada). La compensación de temperatura puede tomar la forma
de un polinomio ajustado a los resultados de las pruebas de
calibración, siendo almacenados los coeficientes del polinomio en la
tabla de consulta.
En un segundo aspecto, también mostrado en la
Figura 1, los medios detectores tipo shunt comprenden otra
resistencia 6b de shunt prevista en serie con el conductor 2 de
fase da la red. Los respectivos extremos del otro shunt 6b están
conectados al convertidor 5 analógico a digital de tal forma que la
salida 02 digitalizada contiene una señal digital representativa de
la caída de tensión a través del otro shunt 6b. La caída de tensión
a través del otro shunt 6b proporciona una medida de la intensidad
que circula por el conductor 2 de fase. El procesador 13 realiza
una comparación de las intensidades detectadas en los conductores 2,
3 de fase y neutro para detectar una intensidad residual. Una
intensidad residual no detectada por el transformador 1 toroidal,
por ejemplo una intensidad residual en CC o una intensidad residual
de saturación, será detectada por el detector tipo shunt a partir de
lo cual el procesador 13 genera una señal 03 de desconexión.
Las resistencias 8a, 8b y 9 que comprenden los
medios detectores de tipo resistencia proporcionan una señal de
tensión adicional conectando los respectivos extremos de la
resistencia 8b al primer convertidor 5 analógico a digital. La
salida 01 digitalizada contiene la información sobre la tensión a
través de la resistencia 8b. Las resistencias 8a, 8b, a través de
las cuales se hacen las conexiones para proporcionar las señales de
tensión, son resistencias de precisión de valor óhmico
relativamente bajo, mientras que la resistencia 9 intermedia tiene
un valor óhmico relativamente alto. La relación entre las tensiones
medidas a través de las resistencias de precisión 8a, 8b debe
permanecer constante. Monitorizando esta relación, se proporciona
una referencia independiente, de forma que si la relación cambia
durante el tiempo debido a una deriva en el convertidor 5 analógico
a digital o sus referencias, puede hacerse un ajuste mediante
software en el procesador 13 para corregir el valor de la tensión
medida.
La Figura 2 muestra una disposición trifásica en
la cual las características similares a las de la Figura 1 tienen
el mismo número de referencia. En este caso, el suministro de CA
tiene dos conductores 21, 22 de fase adicionales para la segunda y
tercera fases de suministro respectivamente. Dos convertidores 14,
15 analógico a digital adicionales están previstos para las dos
fases adicionales. Éstos generan, respectivamente, para las segunda
y tercera fases, señales representativas de las intensidad y la
tensión captadas y suministran éstas al procesador 13 por medio de
las barreras de aislamiento 19 y 20. En la disposición de la Figura
2, los medios detectores tipo shunt comprenden un shunt 6a
resistivo en el conductor 3 neutro de la red, y shunts 6b, 6c, 6d
resistivos en cada uno de los conductores de fase, 2, 21, 22
respectivamente, de la red. Se hace notar que las conexiones de
captación de tensión a los convertidores 23 y 24 analógico a digital
son hechas por medio de cadenas de resistencias conectadas entre
cada una de las líneas de fase y el neutro de una manera similar a
las resistencias 8a, 8b, y 9 de la Figura 1.
Tanto en la Figura 1 como en la Figura 2, el
procesador 13 está programado para llevar a cabo los cálculos
necesarios para determinar la existencia de un desequilibrio.
También está programado para determinar la intensidad y la tensión
con respecto a cada fase hasta un alto grado de precisión para una
medida subsiguiente del consumo. Estas medidas pueden ser
analizadas con objeto de detectar una o más condiciones de
funcionamiento diferentes que incluyen fallo por arco, fuga de
corriente permanente, medida del la Energía Real. Esta información
es útil para propósitos de diagnóstico.
Haciendo referencia a la Figura 3, el
procedimiento de operación de un dispositivo de monitorización
incluye ciertas funciones que son realizadas mediante componentes
de hardware y otras que son realizadas mediante un programa de
software que está en el procesador el cual comprende una unidad
microcontroladora (MCU). En el paso 101 se activa el suministro de
energía. Se realizan varias comprobaciones por el hardware para
asegurar que el suministro no es conectado en presencia de una
intensidad residual grande. Un monitor 102 de la unidad de
alimentación comprueba que la alimentación de energía es estable. Si
no, el dispositivo espera hasta que el suministro sea estable antes
de proseguir al paso 104 en el que se hace una comprobación de que
el reloj de la MCU es estable. Una vez que la estabilidad ha sido
confirmada mediante estas comprobaciones, la MCU es reinicializada
en el paso 107. Si las comprobaciones de los pasos 103 y 104 no
confirman la estabilidad de tal forma que la MCU es reinicializada
dentro de un tiempo predeterminado, entonces en el paso 105 un
tiempo de espera de vigilancia 106 proporciona una señal para
accionar una solenoide en el paso 108 que aísla el suministro de
energía.
Una vez que la MCU ha sido reinicializada, el
software de la MCU realiza una calibración de los convertidores
analógico a digital en el paso 109. La calibración usa criterios
predeterminados de forma que las señales de intensidad y tensión
analógicas medidas son convertidas en señales digitales que
representan las intensidades/tensiones con la precisión
requerida.
Los estándares de funcionamiento cuyo
cumplimento es requerido para los dispositivos de intensidad
residual son definidos usualmente en términos de valores de
intensidad eficaz. Por lo tanto, el procesador calcula los valores
eficaces de las intensidades y las tensiones detectadas. Para
evaluar un valor eficaz de forma exacta, el cálculo debe ser
realizado sobre un ciclo completo de señales o un múltiplo entero de
ciclos de señales. Esto puede hacerse usando una frecuencia de
suministro conocida o midiendo la frecuencia de suministro, por
ejemplo realizando un análisis de Fourier sobre una muestra de
valores medidos. Como alternativa, el cálculo de valores eficaces
puede ser realizado sobre un intervalo de tiempo específico que
contiene un múltiplo entero de ciclos para todas las frecuencias de
funcionamiento nominales. En uno u otro caso, en el paso 110 la MCU
debe inicializar los valores eficaces y los medios de
temporiza-
ción.
ción.
Un nuevo valor eficaz puede ser calculado para
cada ciclo de forma de onda de entrada o después de cada medida
instantánea. El método anterior obtiene un nuevo valor eficaz en
cada ciclo y este último después de cada muestreo de medidas. Se
prefiere el último método ya que da un tiempo de respuesta más
rápido a cualquier intensidad residual o sobreintensidad que
aparezca repentinamente. En cada uno de los casos, lleva al menos
20 ms (frecuencia nominal = 50 Hz) obtener el primer valor eficaz.
Esto es una porción significativa del tiempo permitido para la
desconexión durante el encendido en presencia de una intensidad
residual, por ello puede ser ventajoso tener una rutina específica
de encendido que observe los valores instantáneos antes que los
eficaces.
Muchos sistemas de medida de red muestrean en
frecuencias para incluir el 31^{er} harmónico. Permitir el
funcionamiento hasta 60 Hz y con una tolerancia de frecuencia de
\pm 5% da una frecuencia de muestreo mínima de 3.906 Hz, por ello
a menudo se usa una frecuencia de muestreo de 4 kHz, y ésta
parecería una buena base para un diseño inicial. Sin embargo, para
asegurar un número entero de muestras en las dos frecuencias
nominales de red de 50 Hz y 60 Hz, se prefiere una frecuencia de
muestreo de 3,9 kHz o 4,2 kHz.
La MCU, en el paso 111, evalúa las intensidades
y tensiones a partir de las señales detectadas, en el paso 112,
calcula la intensidad residual I_{\Delta} y, en el paso 113
calcula los valores eficaces.
En los pasos 114 a 117, la MCU realiza varios
cálculos y comparaciones para determinar si existe una condición no
segura en forma de una intensidad residual u otra condición
predefinida. En presencia de una condición no segura se genera una
señal de desconexión para accionar la solenoide en el paso 108 para
aislar el suministro. Los cálculos y comparaciones realizados
dependerán del tipo de dispositivo de intensidad residual empleado.
Por ejemplo, las comparaciones mostradas en los pasos 115 y 117 sólo
serían adecuadas para su uso con un disyuntor accionado por
intensidad residual que tenga protección contra sobreintensidades
(RCBO).
Ejemplos de los parámetros calculados por la MCU
incluyen los siguientes:
Magnitudes de Medida Primarias
Magnitudes de Medida Secundarias
Las magnitudes de medida secundarias calculadas
por la MCU se definen como sigue:
Intensidad instantánea i_{\Delta}s, donde ésta
es la suma de las intensidades en los cuatro shunts (denotando n el
shunt de neutro)
\newpage
Potencia instantánea, p_{1}, p_{2},
p_{3}:
Intensidad residual eficaz i_{\Delta}s (a
partir de los shunts):
donde j es el índice del punto de
muestreo dentro de un ciclo
completo.
Intensidad residual eficaz i_{\Delta}t (a
partir del Toroide):
donde j es el índice del punto de
muestreo dentro de un ciclo
completo.
Intensidad de línea y neutra total (a partir de
los shunts) I_{1s}, I_{2s}, I_{3s} e I_{ns}:
y de forma similar para I_{2s},
I_{3s} e
I_{ns}.
Tensión de línea eficaz V_{1}, V_{2} y
V_{3}:
Potencia real eficaz P_{1}, P_{2} y
P_{3}:
RPC de la potencia total W_{1}, W_{2} y
W_{3} donde W_{1} = I_{1s} \cdot V_{1}
Ángulo de fase para cada línea \varphi1,
\varphi2 y \varphi3:
En la definición de todas las magnitudes
secundarias eficaces, N es el número de palabras de salida a 4,2 kHz
en un ciclo de tensión de línea. N=84 para una frecuencia de línea
de 50 Hz y N=70 para 60 Hz.
Claims (12)
1. Un dispositivo combinado toroide/shunt para
detectar una intensidad residual en una instalación eléctrica que
tiene un suministro en CA y que comprende un conductor neutro (3) y
al menos un conductor de fase (2, 21, 22), dispositivo que
comprende: medios tipo toroide (1, 4) para detectar un primer
desequilibrio de intensidad entre los conductores neutro y de fase
indicativo de una intensidad residual de CA que se encuentra dentro
de un primer rango; una pluralidad de shunts resistivos
(6a-6d) para su conexión al respectivo de cada uno
de los conductores dichos; y medios de detección de intensidad (5,
7, 13) que responden a la intensidad que circula en cada uno de
dichos shunts para detectar un segundo desequilibrio de intensidad
entre los conductores neutro y de fase indicativo de una intensidad
residual en CC y/o una intensidad residual en CA que se encuentra
dentro de un segundo rango.
2. El dispositivo combinado toroide/shunt de la
reivindicación 1, en el que dicho primer rango de intensidad
residual en CA es una intensidad residual en CA que resulta de una
fuga a tierra o fuga cruzada entre los conductores hasta un nivel de
saturación en el cual el toroide o unos medios electrónicos
asociados a él se saturan, y el segundo rango incluye intensidades
residuales en CA por encima de dicho nivel de saturación.
3. El dispositivo combinado toroide/shunt de la
reivindicación 2, que comprende, además, medios procesadores (13)
para generar una señal de desconexión (03) a partir de dichos primer
y/o segundo desequilibrios de intensidad indicativos de la presencia
de un fallo por intensidad residual.
4. El dispositivo combinado toroide/shunt de la
reivindicación 3, en el que dichos medios procesadores son efectivos
para generar dicha señal de desconexión sobre la base de un criterio
de comparación de la señal del desequilibrio de intensidad con un
umbral predeterminado.
5. El dispositivo combinado toroide/shunt de la
reivindicación 3 o de la reivindicación 4, que comprende, además, un
disyuntor (15, 16) efectivo para interrumpir dicho suministro en CA
en respuesta a dicha señal de desconexión.
6. Un dispositivo de monitorización para una
instalación eléctrica que comprende el dispositivo combinado
toroide/shunt de una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el
que dichos medios de detección de intensidad (5, 7, 13, 23, 24)
responden a la intensidad que circula en cada uno de dichos
conductores (2, 3, 21, 22) y dicho procesador es efectivo para
generar una salida de intensidad indicativa de la intensidad
detectada en cada uno de dichos conductores.
7. El dispositivo de monitorización de la
reivindicación 6, que comprende, además, unos medios detectores de
tipo resistencia (8a, 8b, 9) para su conexión entre dichos
conductores neutro (3) y de fase (2, 21, 22) para generar una salida
indicativa de la tensión entre dichos conductores activos y neutro
mediante la medida de la caída de tensión a través de los medios
resistencia o una porción de ellos dividida en potencial.
8. El dispositivo de monitorización de la
reivindicación 7, en el que dichos medios procesadores (13) son
efectivos para generar una señal de salida derivada a partir de
dichas señales de intensidad y de tensión para facilitar la
determinación del consumo de energía.
9. El dispositivo combinado toroide/shunt de la
reivindicación 3 o el dispositivo de monitorización de la
reivindicación 7 o de la reivindicación 8, en el que los medios de
detección de intensidad (5, 7, 13, 23, 24) comprenden un primer
convertidor (5) analógico a digital acoplado a una bobina secundaria
(4) de dicho transformador (1) para generar un señal (01) digital
representativa del desequilibrio de intensidad captado por el
toroide.
10. El dispositivo de la reivindicación 9, en el
que los medios de detección de intensidad comprenden, además, un
segundo convertidor (7) analógico a digital acoplado al detector
tipo resistencia de shunt para generar señales digitales
representativas de la intensidad que circula a través de dicho
conductor neutro y cada uno de dichos al menos un conductor de
fase.
11. El dispositivo de la reivindicación 10, en
el que el segundo convertidor (7) analógico a digital está acoplado
a dichos medios detectores tipo resistencia (8a, 8b, 9) para generar
señales digitales representativas de la tensión entre dichos
conductores neutro y de fase.
12. El dispositivo de una cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 11, en el que el primer (5) y/o el segundo (7)
convertidores analógico a digital incluyen un multiplexor para
acoplar selectivamente dos o más de dichos medios detectores y
generar las correspondientes señales digitales representativas de la
tensión o de la intensidad detectadas.
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