ES2633823T3 - Dispositivo de conmutación y protección a distancia de sistemas eléctricos - Google Patents

Dispositivo de conmutación y protección a distancia de sistemas eléctricos Download PDF

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ES2633823T3 ES14750239.7T ES14750239T ES2633823T3 ES 2633823 T3 ES2633823 T3 ES 2633823T3 ES 14750239 T ES14750239 T ES 14750239T ES 2633823 T3 ES2633823 T3 ES 2633823T3
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Abstract

Conmutador general electrónico y controlado a distancia en al menos un sistema de suministro de energía eléctrica de potencia continua, para asegurar una función de conmutación y una función de control de la corriente y de la tensión de alimentación, que se compone de un módulo electrónico que comprende: - una entrada de potencia (6); - una salida de potencia (7); - un circuito de conmutación o un cortacircuito (2), electrónico, conectado con la entrada de potencia (6); - un circuito de medición (1) provisto de un captador de corriente sin contacto y de un captador de tensión, estando el indicado circuito de medición conectado en serie entre el circuito de conmutación (2) y la salida de potencia (7); - una interfaz de comunicación (3) conectada con un bus bidireccional de comunicación (8); - un controlador o procesador (4) conectado, por una parte, con el circuito de conmutación (2) y con el circuito de medición (1), estando el controlador (4) configurado para que cuando reciba una medición de tensión y de corriente del circuito de medición (1), sea respectivamente apto para comprobar si la tensión de entrada se encuentra en un intervalo predeterminado y para controlar un corte de la corriente por el circuito de conmutación (2) durante un cierto tiempo, en función del valor de la indicada medición de corriente, y conectado, por otra parte, a la interfaz de comunicación (3), siendo la conexión entra la interfaz de comunicación (3) conectada con el bus de comunicación (8) y el controlador (4) bidireccional, de forma tal que el controlador (4) pueda ser programado a distancia; - un bus de direccionado (5) al cual el controlador (4) está igualmente conectado, permitiendo seleccionar, entre varios, un sistema de alimentación particular conectado con el conmutador general,

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de conmutacion y proteccion a distancia de sistemas electricos Objeto de la invencion
La presente invencion se refiere al ambito tecnico de los sistemas de control de potencias de suministros electricos en los vehnculos blindados.
El sistema segun la invencion es no obstante susceptible de aplicarse a cualquier sistema de suministro electrico de corriente continua (DC) o cualquier aplicacion electrica industrial que utilice este tipo de alimentacion, en cualquier lugar donde se tengan que proteger sistemas electricos y/o electronicos o de cableado.
Segundo plano tecnologico y estado de la tecnica
Se reconoce que existe una necesidad incrementada de proteccion de los sistemas electricos y electronicos presentes en la torreta de un vehnculo blindado. En efecto, en estos tipos de sistemas, las corrientes se establecen en microsegundos cuando los dispositivos de proteccion tales como fusibles, disyuntores y/o reles electromecanicos solo son adecuados para tiempos de reaccion en el ambito de los milisegundos.
Actualmente, se utiliza una distribucion de potencia. En este marco, los sistemas mas perfeccionados, a saber por ejemplo los interruptores magnetotermicos o una combinacion de estos y de fusibles, son mas lentos en la reaccion pues producen una respuesta variable de la corriente en funcion del tiempo de reaccion requerido.
Los interruptores magnetotermicos presentan una curva de desconexion tiempo/sobreintensidad que es una caractenstica intrmseca del componente, no programable. Se esta entonces obligado a fijar un valor maximo admisible de corriente medio con el transcurso del tiempo, poniendose el sistema en proteccion unicamente si la corriente real instantanea sobrepasa este valor maximo. Como es preciso tener en cuenta los picos de fallo, este valor debe en general ser bastante elevado (por ejemplo algunas decenas de amperios). Sucede que se esta obligado a sobredimensionar el cableado (cableado mas robusto, diametro mas importante), lo cual produce mas peso y rigidez para este y por consiguiente es desventajoso para la instalacion en una torreta de vehfculo blindado por ejemplo.
La solucion para evitar una corriente variable en funcion del tiempo es abandonar los sistemas de proteccion con interruptores electromecanicos y recurrir a una proteccion electronica sin interruptor mecanico.
Se conocen interruptores electronicos en el estado de la tecnica pero estos no miden la corriente que pasa por ellos.
El documento US 2013/113451 describe un circuito de conversion de potencia que comprende un circuito de estimacion de tension, un circuito de estimacion de corriente y un circuito de modulacion en anchura del impulso. El circuito de estimacion de tension esta configurado para recibir una tension de entrada de un inductor del circuito de conversion de potencia y generar una estimacion de una tension de salida del circuito de conversion de potencia sobre la base de la indicada tension. El circuito de estimacion de corriente esta configurado para recibir una corriente correspondiente a un conmutador conectado en serie con el inductor y generar una estimacion de una corriente de salida del circuito de conversion de potencia sobre la base de dicha corriente. El circuito de modulacion en anchura del impulso esta configurado para producir una senal modulada en anchura del impulso sobre la base de la estimacion de la tension de salida y la estimacion de la corriente de salida.
El documento WO 2008/057386 describe un sistema de gestion y de supervision de potencia a distancia para el control de un aparato electrico alimentado por un bloque de alimentacion. El sistema puede comprender una caja de disyuntor estructurada para controlar y gestionar la potencia en el aparato electrico por mediacion de un bus de datos centralizados y de un bus de potencia centralizado. La caja del disyuntor puede comprender al menos un cortacircuito electronico en estado solido accionado a distancia (CCE) que supervisa y gestiona la alimentacion del aparato electrico y un conmutador conectado con el CCE y capaz de rodear a distancia el CCE. El sistema puede igualmente comprender una representacion visual y un controlador que puede supervisar a distancia y controlar el aparato electrico accionando a distancia el CCE.
El documento US 2006/0049694 describe un sistema de control de carga en un sistema de suministro de energfa electrica, en el cual uno o varios dispositivos de control de carga estan previstos para controlar la potencia proporcionada al equipo electrico. Una autoridad de gestion de la red a distancia, tal como una comparMa de electricidad, un organismo gubernamental o una sociedad de transporte de electricidad, envfa uno o varios controles a dispositivos de control de carga para ajustar la carga al sistema de suministro electrico.
En un modo de realizacion, la indicada autoridad envfa controles de parada. En un modo de realizacion, la autoridad envfa controles que imponen al dispositivo de suministro electrico funcionar en la modalidad de baja potencia.
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En un modo de realizacion, los controles estan limitados en el tiempo, permitiendo asf al sistema de suministro electrico retomar un funcionamiento normal despues de un periodo de tiempo determinado.
En un modo de realizacion, los controles comprenden peticiones para llevar el dispositivo de control a senalar caractensticas de funcionamiento (por ejemplo, el rendimiento, el tiempo de funcionamiento, etc.), para envfo a la indicada autoridad.
Esta aplicacion se refiere al suministro de corriente alterna por la red de electricidad para aplicaciones de potencia en el ambito residencial o industrial y utiliza dispositivos de corte electromecanicos.
El documento US 2009/0225483 describe un dispositivo de cortacircuito electrico que protege un circuito electrico contra las sobrecargas. Un primer dispositivo de desconexion del cortacircuito programable a distancia recibe un control externo con un umbral de corriente programable, detecta un nivel de corriente en el circuito electrico y puede provocar un corte en el circuito electrico en funcion del nivel de corriente detectado en relacion con un primer periodo de la corriente asociada con el umbral de corriente programable memorizado. Un segundo dispositivo de desconexion del cortacircuito esta dispuesto para provocar un corte en el circuito electrico conforme a un segundo periodo de corriente diferente, por ejemplo mas corto, que el primer periodo, si una corriente que pasa por el circuito electrico sobrepasa una corriente nominal predeterminada durante un periodo superior al segundo periodo de la corriente. Esta tecnologfa, destinada igualmente para una utilizacion sobre la red de distribucion electrica, requiere varios niveles de desconexion pero es de reaccion lenta vista la utilizacion de cortacircuitos magnetotermicos.
Fines de la invencion
La presente invencion tiene por objeto proponer una solucion que permita salvar los inconvenientes de los sistemas de proteccion con interruptores electromecanicos y/o fusibles.
La invencion se refiere igualmente a la utilizacion de un sistema de proteccion que permita cambiar las protecciones de corriente en funcion del tiempo para ajustar la proteccion lo mas cercana al consumo real del conmutador.
La invencion trata tambien de mejorar la velocidad y la precision de corte de la corriente en caso de sobrecarga o cortocircuito.
Principales elementos caracteristicos de la invencion
Un primer aspecto de la presente invencion se refiere a un conmutador general electronico y controlado a distancia en al menos un sistema de suministro electrico de potencia continua, para asegurar una funcion de conmutacion y una funcion de control de la corriente y de la tension de suministro, que se compone de un modulo electronico que comprende:
- una entrada de potencia;
- una salida de potencia;
- un circuito de conmutacion o un cortacircuito, electronico, conectado con la entrada de potencia;
- un circuito de medicion provisto de un captador de corriente sin contacto y de un captador de tension,
estando el indicado circuito de medicion conectado en serie entre el circuito de conmutacion y la salida de
potencia;
- una interfaz de comunicacion conectada con un bus bidireccional de comunicacion;
- un controlador o procesador conectado, por una parte, con el circuito de conmutacion y con el circuito de
medicion, estando el controlador configurado para que cuando reciba una medicion de tension y de corriente del circuito de medicion, sea respectivamente apto para comprobar si la tension de entrada se encuentra en un intervalo predeterminado y para controlar un corte de la corriente por el circuito de conmutacion durante un cierto tiempo, en funcion del valor de la indicada medicion de corriente, y conectado, por otra parte, a la interfaz de comunicacion, siendo la conexion entra la interfaz de comunicacion conectada con el bus de comunicacion y el controlador bidireccional, de forma tal que el controlador pueda ser programado a distancia;
- un bus de direccionado al cual el controlador esta igualmente conectado, permitiendo seleccionar, entre varios, un sistema de alimentacion particular conectado con el conmutador general,
caracterizandose el indicado conmutador por que la conexion entre el controlador (4) y el circuito de medicion (1) es bidireccional y por que el circuito de medicion (1) comprende un devanado suplementario que permite al controlador (4) inyectar una senal de prueba detectable por el captador de corriente y que permite comprobar el buen funcionamiento del captador en cada encendido del sistema y/o determinar la precision del captador.
Segun formas de realizacion preferidas de la invencion, el conmutador general anteriormente citado comprende ademas una o una combinacion apropiada de las caractensticas siguientes:
- el controlador contiene un microcodigo espedfico apto para gestionar parametros de funcionamiento
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programables/configurables y ajustables/calibrables dinamicamente, es decir antes y durante el
funcionamiento, sobre una gama de valores predeterminada.
- los parametros programables/configurables y ajustables/calibrables sobre una gama de valores
predeterminada comprenden respectivamente una pluralidad de umbrales de sobreintensidad y de periodos de corte que corresponden a estos diferentes umbrales asf como una gama de tensiones de salida del conmutador y la precision del captador de corriente;
- el circuito de medicion de corriente comprende ademas medios que cooperan con el controlador para probar y autocalibrar el captador de corriente sin contacto;
- los indicados medios que cooperan con el controlador para probar y autocalibrar el captador de corriente sin contacto son aptos para ser utilizados en cada puesta bajo tension del sistema de alimentacion;
- el circuito de medicion comprende al menos dos comparadores conectados en paralelo sobre el captador
de corriente, asociados cada uno con un valor de umbral de sobreintensidad (I1, I2, U,...) a modo de
entrada de referencia de los comparadores respectivos y cuya salida es explotada por el controlador para controlar el corte de corriente por el conmutador durante un cierto tiempo si el valor de la indicada medicion de corriente es superior a al menos uno de los indicados valores de umbral;
- el bus de comunicacion es un bus de serie multiplexado, de preferencia de tipo CAN con una velocidad que va hasta los 10 Mbitios/s;
- el circuito de conmutacion o el cortacircuito, electronico, es del tipo transistorizado.
Un segundo aspecto de la presente invencion se refiere a la utilizacion del conmutador general descrito anteriormente, para proteger una aplicacion electrica y/o sistemas de cableado respecto a sobrecargas o sobreintensidades.
Breve descripcion de las figuras
La figura 1 representa el esquema de principio del dispositivo de conmutacion y proteccion de sistemas electricos segun la presente invencion.
La figura 2 representa un ejemplo de funcionamiento de la invencion con diferentes valores de umbral de sobreintensidad programados en el sistema de proteccion.
Descripcion de formas de realizacion preferidas de la invencion
El dispositivo de proteccion segun la invencion debe tener las caractensticas siguientes:
- utilizacion de transistores electronicos, es decir de piezas estaticas, que no necesitan movimiento para hacer pasar la corriente;
- utilizacion de un control por «bus» de comunicacion;
- utilizacion de una medicion de corriente sin contacto (contactless) para evitar o minimizar las perdidas de energfa;
- utilizacion de un sistema de auto-calibracion debido al hecho de que la medicion de corriente es sin contacto: en cada encendido, el sistema se calibra por consiguiente el mismo;
- utilizacion de parametros de funcionamiento programables.
Segun una modalidad de realizacion preferida de la invencion, el sistema propuesto esta basado en un procesador (controlador logico) que tiene conexiones, respectivamente con:
- un captador para la medicion de la corriente;
- un sistema de interruptores de transistores para dejar pasar o detener la corriente;
- una via de comunicacion bidireccional a gran velocidad para comunicar los parametros de funcionamiento, por ejemplo un bus de serie multiplexado de tipo CAN (por Controller Area Network) actualmente disponible hasta 10 Mbitios/s;
- un medio de seleccion para poder direccionar varios modulos de alimentacion en el mismo bus.
La figura 1 representa esquematicamente una forma de realizacion del sistema de conmutacion y proteccion electrica segun la invencion.
El circuito «senseur» (sensor 1) comprende a la vez un captador analogico que mide la corriente sin contacto, por ejemplo del tipo de efecto Hall, y los elementos necesarios para calibrar y probar el funcionamiento del captador. El mismo reenvfa las informaciones adquiridas al controlador (controller 4) que decide en que momento debe cortar la corriente, y durante cuanto tiempo, y envfa el control correspondiente al conmutador o dispositivo de corte (switching 2). Resulta ventajoso realizar una medicion de corriente sin contacto con el fin de minimizar las perdidas de energfa en el sistema. El circuito sensor 1 comprende igualmente un captador de tension (no representado).
La utilizacion de un sistema de bus tipo CAN 8 es particularmente ventajosa gracias a la gran rapidez de este debido a que no se sirve de un calculador exterior.
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El conmutador 2 corta o deja pasar la corriente.
El direccionado 5 presenta entradas que permiten diferenciar los diferentes modulos de alimentacion mediante una instruccion dada al comienzo. El dispositivo de la invencion permite as^ una aplicacion modular. Contrariamente a las aplicaciones del estado de la tecnica con interruptores magnetotermicos, o de forma general no transistorizados, donde un interruptor espedfico debe ser elegido para proteger cada dispositivo de potencia tal como un horno, bomba, motor, etc. (ver el documento US 2006/00049694 por ejemplo), el mismo dispositivo de proteccion puede ser utilizado y programado entonces para cada alimentacion particular.
El controlador (controller 4) contiene un microcodigo espedfico que gestiona los parametros de funcionamiento.
Un ejemplo de utilizacion del dispositivo de proteccion segun la invencion se facilita a continuacion en referencia a la figura 2. En esta figura, se han definido valores maximos de sobreintensidad admisibles en el sistema: Ii es la corriente de fallo maxima admisible (direct failure), I2 es el promedio de la corriente de fallo admisible con relacion a la corriente nominal e Iov es una sobreintensidad maxima admisible temporalmente. El periodo de corte para la sobreintensidad de valor maximo Ii es ti, siendo tx y ty ejemplos de duracion de las sobreintensidades temporales permitidas y siendo tov el periodo maximo admisible de sobreintensidad temporal Iov (tx, ty, ... < tov). La zona de proteccion (I, t) esta representada con lrneas de trazo discontinuo. El dispositivo de proteccion de la invencion puede ser parametrado con valores para Ii (por ejemplo 120A), I2 (por ejemplo 15A), Iov, ti, tov. El dispositivo segun la invencion permite por consiguiente asegurar una proteccion siguiendo mas de cerca el consumo real del conmutador. En el estado de la tecnica por el contrario, este ajuste final no es posible como se ha discutido mas arriba.
La toma en cuenta por el sistema de varios niveles de umbral de sobreintensidad, como en el ejemplo indicado anteriormente, puede ser realizada de la forma siguiente, siempre segun la invencion. La senal analogica proporcionada por el captador de corriente se introduce en al menos dos comparadores en paralelo (no representados), teniendo cada comparador como valor de referencia uno de los valores de sobreintensidad anteriormente mencionados (Ii, I2, Iov, ...). Las salidas de los comparadores estan conectadas con el controlador 4 que contiene la secuencia de instrucciones a realizar en el caso en que sea sobrepasado uno de los umbrales (Ii, I2,
Iov, ...).
Por otra parte, el captador de corriente utilizado es del tipo analogico y su precision variara con el tiempo o con la temperatura. El circuito sensor i contiene por lo tanto un devanado suplementario (no representado) que permite al controlador 4 inyectar una senal de prueba que sera detectada por el captador de corriente y que permitira comprobar el buen funcionamiento del captador en cada encendido del sistema o determinar la precision del captador (calibracion).
La invencion presenta las ventajas siguientes:
- se trata de un cortacircuito de parametros programables y ajustables que permite reducir los riesgos al maximo y ofrece asf una mejor proteccion para el sistema electrico/electronico y en particular para el cableado;
- se trata de un sistema estatico que no presenta ni movimiento, ni vibraciones, que confiere la capacidad de operar en cualquier entorno;
- los parametros son programables/configurables y ajustables/calibrables dinamicamente, es decir no unicamente antes de la utilizacion sino tambien durante la utilizacion (un solo modelo para toda una gama);
- una flexibilidad del componente con relacion a las utilizaciones en terminos de gama de corriente;
- una rapidez de ejecucion mucho mas importante (siendo el muestreado digital en el ambito de los microsegundos) que la del sistema magnetotermico (reaccion en la gama de los milisegundos), que, en combinacion con el ajuste del nivel de corriente, permite reducir al maximo el diametro o la seccion de los cables asf como el dimensionamiento de los conectadores;
- una robustez y una precision de medicion con relacion a los componentes clasicos mucho mas fiable.
El inconveniente es un mayor consumo que un fusible y un interruptor separados (pero el valor es mfimo).
Lista de los simbolos de referencia
1 sensor
2 conmutacion
3 comunicacion
4 controlador
5 direccionado
6 entrada de potencia
7 salida de potencia
8 bus de serie multiplexado (CAN bus)

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Conmutador general electronico y controlado a distancia en al menos un sistema de suministro de ene^a electrica de potencia continua, para asegurar una funcion de conmutacion y una funcion de control de la corriente y de la tension de alimentacion, que se compone de un modulo electronico que comprende:
    - una entrada de potencia (6);
    - una salida de potencia (7);
    - un circuito de conmutacion o un cortacircuito (2), electronico, conectado con la entrada de potencia (6);
    - un circuito de medicion (1) provisto de un captador de corriente sin contacto y de un captador de tension, estando el indicado circuito de medicion conectado en serie entre el circuito de conmutacion (2) y la salida de potencia (7);
    - una interfaz de comunicacion (3) conectada con un bus bidireccional de comunicacion (8);
    - un controlador o procesador (4) conectado, por una parte, con el circuito de conmutacion (2) y con el circuito de medicion (1), estando el controlador (4) configurado para que cuando reciba una medicion de tension y de corriente del circuito de medicion (1), sea respectivamente apto para comprobar si la tension de entrada se encuentra en un intervalo predeterminado y para controlar un corte de la corriente por el circuito de conmutacion (2) durante un cierto tiempo, en funcion del valor de la indicada medicion de corriente, y conectado, por otra parte, a la interfaz de comunicacion (3), siendo la conexion entra la interfaz de comunicacion (3) conectada con el bus de comunicacion (8) y el controlador (4) bidireccional, de forma tal que el controlador (4) pueda ser programado a distancia;
    - un bus de direccionado (5) al cual el controlador (4) esta igualmente conectado, permitiendo seleccionar, entre varios, un sistema de alimentacion particular conectado con el conmutador general,
    caracterizandose el indicado conmutador por que la conexion entre el controlador (4) y el circuito de medicion (1) es bidireccional y por que el circuito de medicion (1) comprende un devanado suplementario que permite al controlador (4) inyectar una senal de prueba detectable por el captador de corriente y que permite comprobar el buen funcionamiento del captador en cada encendido del sistema y/o determinar la precision del captador.
  2. 2. Conmutador general segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el controlador (4) contiene un microcodigo espedfico apto para gestionar parametros de funcionamiento programables/configurables y ajustables/calibrables dinamicamente, es decir antes y durante el funcionamiento, sobre una gama de valores predeterminada.
  3. 3. Conmutador general segun la reivindicacion 2, caracterizado por que los parametros programables/configurables y ajustables/calibrables sobre una gama de valores predeterminada comprenden respectivamente una pluralidad de umbrales de sobreintensidad y de duraciones de corte que corresponden con estos diferentes umbrales asf como una gama de tensiones de salida del conmutador y la precision del captador de corriente.
  4. 4. Conmutador general segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el circuito de medicion (1) comprende ademas medios que cooperan con el controlador (4) para probar y auto-calibrar el captador de corriente sin contacto.
  5. 5. Conmutador general segun la reivindicacion 4, caracterizado por que los indicados medios que cooperan con el controlador (4) para probar y auto-calibrar el captador de corriente sin contacto son aptos para ser utilizados en cada puesta bajo tension del sistema de alimentacion.
  6. 6. Conmutador general segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el circuito de medicion (1) comprende al menos dos comparadores conectados en paralelo al captador de corriente, asociados cada uno con un valor de umbral de sobreintensidad (I1, I2, U, ...) a modo de entrada de referencia de los comparadores respectivos y del cual la salida es explotada por el controlador (4) para controlar el corte de corriente por el conmutador (2) durante un cierto tiempo si el valor de la indicada medicion de corriente es superior a al menos uno de los indicados valores de umbral.
  7. 7. Conmutador general segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el bus de comunicacion (8) es un bus de serie multiplexado, de preferencia del tipo CAN con una velocidad que llega hasta loa 10 Mbitios/s.
  8. 8. Conmutador general segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el circuito de conmutacion o el cortacircuito, electronico, es del tipo transistorizado.
  9. 9. Utilizacion del conmutador general segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para proteger una aplicacion electrica de corriente continua y/o sistemas de cableado respecto a sobrecargas o sobreintensidades.
ES14750239.7T 2013-08-14 2014-08-12 Dispositivo de conmutación y protección a distancia de sistemas eléctricos Active ES2633823T3 (es)

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BE201300544 2013-08-14
BE2013/0544A BE1022018B1 (fr) 2013-08-14 2013-08-14 Dispositif de commutation et protection a distance de systemes electriques.
PCT/EP2014/067252 WO2015022329A1 (fr) 2013-08-14 2014-08-12 Dispositif de commutation et protection a distance de systemes electriques

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