ES2823297T3 - Dispositivo de conmutación de semiconductores - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido (2), que comprende: - un circuito (C) con una primera rama (4) que comprende un absorbedor de energía (6), una segunda rama (8), que comprende un interruptor de estado sólido (10), estando conectado el interruptor de estado sólido en paralelo con la primera rama, y una tercera rama (14) que comprende un interruptor mecánico (16), estando conectada la tercera rama en paralelo con la segunda rama, - un instrumento (3) para medir la intensidad (l) de la corriente eléctrica en un terminal (2.1, 2.2) del dispositivo, y - una unidad electrónica de control (18) del interruptor (10) programada para controlar la apertura del interruptor de estado sólido cuando la intensidad (l) de la potencia medida por el instrumento de medición alcanza un valor predeterminado, el dispositivo pasa entonces de un estado encendido a un estado apagado, en el que la corriente es absorbida por el absorbedor de energía, estando controlados la apertura y el cierre del interruptor mecánico (16) por medio de la unidad electrónica de control (18), estando la unidad electrónica de control (18) programada de tal manera que el interruptor de estado sólido se abre después del interruptor mecánico (16) cuando el dispositivo pasa del estado encendido al estado apagado. el dispositivo se caracteriza porque la unidad electrónica de control (18) está programada de tal manera que el interruptor de estado sólido (10) se cierra antes que el interruptor mecánico (16) cuando el dispositivo pasa del estado apagado al estado encendido.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de conmutación de semiconductores
[0001] La presente invención se refiere a un dispositivo de conmutación de estado sólido.
[0002] Como se describe en el EP-A-0513346, un dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido comprende dos terminales de conexión eléctrica, de los cuales un primer terminal está conectado a un generador y un segundo terminal está conectado a un componente eléctrico, llamado la carga. El dispositivo comprende un circuito que tiene dos ramas conectadas en paralelo: una primera rama tiene un interruptor de estado sólido y una segunda rama tiene un absorbedor de energía, como un varistor. El dispositivo también comprende un instrumento para medir la intensidad de la corriente en un terminal del dispositivo y una unidad electrónica de control para el interruptor. En condiciones normales de funcionamiento, el interruptor se cierra y garantiza la conexión entre el generador y la carga. Cuando se detecta una sobrecorriente, el interruptor se abre y la energía eléctrica se disipa dentro del absorbedor de energía.
[0003] Por definición, un interruptor de estado sólido es un conductor relativamente pobre, especialmente en corrientes altas. Un inconveniente de este tipo de dispositivo es que la cantidad de energía disipada por el interruptor cuando está cerrado es relativamente grande. Por lo tanto, la corriente suministrada a la carga es proporcionalmente bastante baja. Por lo tanto, este dispositivo no se utiliza en la práctica en la industria.
[0004] Una solución obvia a este problema es sustituir el interruptor de estado sólido por un interruptor mecánico, como por ejemplo un relé electromecánico. En este tipo de aplicación, un relé electromagnético comprende un par de contactos fijos y un par de contactos móviles. Al cerrarse, los contactos móviles inevitablemente "rebotan" contra los contactos móviles durante cierto período de transición. Hablamos de un fenómeno de rebote, que es más o menos pronunciado según el tipo de aplicación. Durante este período de transición, el contacto no se establece claramente y puede producirse un arco eléctrico entre los contactos móviles y los contactos fijos del interruptor, especialmente cuando la intensidad de la corriente es muy alta. Estos arcos eléctricos dañan las superficies de contacto del interruptor. La temperatura de los metales puede incluso aumentar hasta el punto de fusión debido al calor liberado por el arco eléctrico, de modo que los contactos se unen entre sí de manera comparable al efecto obtenido con un procedimiento de soldadura de arco.
[0005] La invención aborda particularmente estos inconvenientes al proporcionar un dispositivo de conmutación de estado sólido que es más robusto y proporciona una mejor conexión eléctrica en el estado de encendido.
[0006] Para este propósito, la invención se refiere a un dispositivo de conmutación de estado sólido que comprende:
- un circuito con una primera rama que comprende un absorbedor de energía y una segunda rama que comprende un interruptor de estado sólido, estando conectado el interruptor de estado sólido en paralelo con la primera rama, comprendiendo el circuito una tercera rama que comprende un interruptor mecánico, estando conectada la tercera rama en paralelo con la segunda rama,
- un instrumento para medir la intensidad de la corriente eléctrica en un terminal del dispositivo, y
- una unidad electrónica de control del interruptor programada para controlar la apertura del interruptor de estado sólido cuando la intensidad de la corriente medida por el instrumento de medición alcanza un valor predeterminado, el dispositivo pasa entonces de un estado encendido a un estado apagado, en el que la corriente es absorbida por el absorbedor de energía, estando controlados la apertura y el cierre del interruptor mecánico por medio de la unidad electrónica de control, estando la unidad electrónica de control programada de tal manera que el interruptor de estado sólido se abre después del interruptor mecánico cuando el dispositivo pasa del estado encendido al estado apagado.
[0007] Según la invención, la unidad electrónica de control está programada de tal manera que el interruptor de estado sólido se cierra antes que el interruptor mecánico cuando el dispositivo cambia del estado apagado al estado encendido.
[0008] Gracias a la invención, la corriente eléctrica fluye a través del interruptor de estado sólido mientras no se establezca claramente el contacto eléctrico del interruptor mecánico, y por lo tanto en particular durante el período de transición de rebote. Por lo tanto, el voltaje en los terminales del interruptor mecánico es muy bajo, o incluso cero, durante el período de transición de rebote. Por lo tanto, no hay riesgo de arco eléctrico entre los contactos del interruptor mecánico.
[0009] Además, cuando se requiere una interrupción de la energía, el interruptor de estado sólido permanece cerrado durante un cierto período de tiempo después del final de la secuencia de apertura del interruptor mecánico. Esto proporciona la desionización del aire entre los contactos fijos y móviles del interruptor mecánico. Esta secuencia de apertura se conoce a partir del documento EP2801994A1 y del documento US5650901 en particular.
[0010] De hecho, el documento EP2801994A1 muestra un dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido en el que el interruptor se abre después del interruptor mecáni
contactos fijos y móviles del interruptor mecánico.
[0011] Por su parte, el documento US5650901 muestra un circuito de conmutación para un sistema de distribución trifásico. El circuito comprende, para cada fase, un dispositivo de conmutación según el preámbulo de la reivindicación 1. Cuando se produce un fallo en el sistema de distribución, en particular en una fase, se abre el interruptor mecánico del dispositivo de conmutación correspondiente y el interruptor de estado sólido permanece cerrado, al menos durante un cierto período de tiempo.
[0012] Por otra parte, ninguno de estos dos documentos aborda el problema de la secuencia de cierre y, en particular, la gestión del período de transición de rebote durante el cual el contacto eléctrico dentro del interruptor mecánico no está plenamente establecido. Por lo tanto, es probable que se forme un arco eléctrico, que podría degradar el interruptor mecánico, con cada secuencia de cierre del dispositivo. Por lo tanto, estos dispositivos conocidos son claramente menos robustos con el tiempo, ya que son más sensibles a la repetición de las secuencias de apertura y cierre.
[0013] Según unos aspectos ventajosos, pero no obligatorios de la invención, dicho dispositivo de conmutación puede incorporar una o varias de las características siguientes, tomadas en cualquier combinación admisible:
- El interruptor mecánico comprende una parte fija, una parte móvil entre una posición abierta y una posición cerrada y un instrumento para medir la posición de la parte móvil con respecto a la parte fija, estando conectado dicho instrumento de medición a la unidad electrónica de control, mientras que la unidad electrónica de control está programada para cerrar el interruptor de estado sólido cuando la parte móvil, moviéndose hacia la posición cerrada, alcanza una primera posición umbral. Por lo tanto, el interruptor de estado sólido se cierra lo más tarde posible antes del comienzo del período de transición para evitar que el interruptor resista el flujo de corriente durante demasiado tiempo y, por lo tanto, se degrade demasiado rápido. El tiempo de cierre de un interruptor de estado sólido es muy corto comparado con el tiempo de cierre de un interruptor mecánico. Por ejemplo, el tiempo de cierre de un interruptor de estado sólido es del orden de 1 ms (microsegundos), mientras que el tiempo de cierre de un interruptor mecánico "clásico" es de entre 5 y 25 ms (milisegundos). En la práctica, el interruptor de estado sólido se cierra antes de que los contactos móviles se acerquen demasiado a los fijos, es decir, antes de que el riesgo de formación de arcos eléctricos sea demasiado grande. Por lo tanto, el interruptor de estado sólido se cierra cuando la distancia entre los contactos es inferior a un valor umbral. La distancia se calcula dinámicamente por la unidad electrónica de control utilizando la medición de la posición proporcionada por el instrumento de medición.
- La primera posición umbral se define de manera que un primer período entre el cierre del interruptor y el cierre del interruptor mecánico es de entre 100 ms y 1 ms.
- La unidad electrónica de control está programada para abrir el interruptor de estado sólido después de un segundo período a partir del instante en que la parte móvil que se mueve hacia la posición abierta alcanza una segunda posición umbral, definiéndose esta segunda posición umbral de manera que el segundo período sea inferior a 1 ms, en particular entre 10 ms y 100 ms. Esto evita ventajosamente el paso de la corriente a través del interruptor mecánico mientras que el volumen de aire entre los contactos fijos y móviles se desioniza. Esto evita "reajustar" el interruptor, es decir, crear arcos eléctricos entre los contactos móviles y fijos.
- El absorbedor de energía es extraíble. Esto permite sustituir el absorbedor de energía cuando su funcionamiento se deteriora, por ejemplo, después de un cierto número de usos, evitando así la necesidad de sustituir todo el dispositivo de conmutación.
- El interruptor mecánico comprende una parte móvil provista de un disco de repulsión y una bobina de repulsión que, al ser alimentada con corriente, repele el disco de repulsión, pasando luego la parte móvil de su posición cerrada a su posición abierta. Esto permite una rápida apertura del interruptor mecánico. Por ejemplo, el tiempo de apertura de un interruptor de este tipo es de unos 200 ms, mientras que el tiempo de apertura de un interruptor mecánico "clásico" es de entre 5 y 25 ms. Así, cuando se detecta una sobrecorriente, el dispositivo se abre lo más rápido posible para asegurar que la carga esté en conducción durante el menor tiempo posible bajo el efecto de una corriente de falla.
- El interruptor mecánico tiene un tiempo de apertura de menos de 1 ms, en particular alrededor de 200 ms. - El circuito comprende una cuarta rama que tiene un nodo común con la tercera rama y un nodo común con las dos primeras ramas, esta cuarta rama comprende otro interruptor mecánico.
- El circuito comprende una cuarta rama que conecta un terminal de conexión eléctrica del dispositivo a las tres primeras ramas del circuito, esta cuarta rama comprende otro interruptor mecánico.
- El otro interruptor mecánico está dimensionado para proporcionar aislamiento galvánico entre un primer terminal de conexión y un segundo terminal de conexión del dispositivo.
- El dispositivo comprende dos terminales de conexión eléctrica, uno de los cuales está destinado a ser conectado a una fuente de corriente continua.
[0014] La invención y otras ventajas de la misma se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción de dos realizaciones de un dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido de acuerdo
con su principio, dada solo como ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
- la figura 1 es un diagrama eléctrico de un dispositivo de conmutación según una primera realización de la invención;
- La figura 2 es una sección que representa un interruptor mecánico perteneciente al dispositivo de conmutación de la figura 1, este interruptor mecánico se muestra en la posición abierta;
- la figura 3 es una sección comparable a la figura 2, en la que el interruptor mecánico se muestra en posición cerrada;
- la figura 4 comprende tres gráficos representativos de la evolución, en función del tiempo, de una señal S16 para el control del interruptor mecánico de las figuras 2 y 3, de la posición P16 de una parte móvil del interruptor mecánico de las figuras 2 y 3 con respecto a una parte fija y de una señal S10 para el control de un interruptor de estado sólido perteneciente al dispositivo de conmutación de la figura 1, durante una secuencia de cierre del dispositivo de conmutación;
- la figura 5 comprende cuatro gráficos representativos de la evolución, en función del tiempo, de la señal de control S16 del interruptor mecánico de las figuras 2 y 3, de la corriente I12 que fluye a través de otro interruptor mecánico perteneciente al dispositivo de conmutación de la figura 1, de la corriente I10 que fluye a través de un interruptor de estado sólido del dispositivo y de la corriente I16 que fluye a través del interruptor mecánico de las figuras 2 y 3, durante la secuencia de cierre del dispositivo,
- la figura 6 incluye tres gráficos que representan las mismas cantidades que en la figura 4, pero con una secuencia de apertura del dispositivo de conmutación de la figura 1,
- la figura 7 comprende cinco gráficos que representan, en función del tiempo, las mismas cantidades que en la figura 5, pero para una secuencia de apertura del dispositivo de conmutación, con la adición de un gráfico que representa la intensidad I6 que pasa a través de un absorbedor de energía del dispositivo de conmutación en la figura 1;
- la figura 8 es una vista en perspectiva del absorbedor de energía, mostrada en una configuración separada del dispositivo de conmutación,
- la figura 9 es un diagrama comparable a la figura 1, que representa un dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido según una segunda realización de la invención.
[0015] La figura 1 muestra un dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido 2. El dispositivo 2 es un dispositivo de protección eléctrica destinado a ser insertado en un circuito eléctrico que se dese proteger. El dispositivo 2 comprende dos terminales de conexión eléctrica, 2.1 y 2.2 respectivamente. El terminal 2.1 puede conectarse a una fuente de energía, mientras que el terminal 2.2 puede conectarse a una carga eléctrica, o viceversa. Por lo tanto, es comprensible que el dispositivo de conmutación 2 sea bidireccional.
[0016] Típicamente, la fuente de energía es una fuente de corriente continua, es decir, una fuente cuyo voltaje es independiente del tiempo.
[0017] El dispositivo de conmutación 2 comprende un circuito eléctrico C con una primera rama 4 con un absorbedor de energía 6. Este absorbedor de energía 6 comprende uno o más de los siguientes elementos, que pueden estar asociados en serie o en paralelo:
- uno o más varistores asociados en serie o en paralelo,
- uno o más diodos Zener/Transil asociados en serie o en paralelo,
- uno o más tubos de gas asociados en serie o en paralelo,
- una o más resistencias asociadas en serie o paralelo, y
- uno o más condensadores asociados en serie o en paralelo.
[0018] El circuito C también comprende una segunda rama 8 con un interruptor de estado sólido 10 conectado en paralelo con la primera rama 4 del circuito C. El interruptor 10 comprende uno o más de los siguientes componentes electrónicos, que pueden estar asociados en serie o en paralelo:
- uno o más tiristores, en particular del tipo de gatillo extinguido (GTO),
- uno o más diodos, y
- uno o más transistores, en particular del tipo de efecto de campo de puerta aislada (MOSFET).
[0019] El circuito C comprende una tercera rama 14 con un interruptor mecánico 16. Esta tercera rama 14 está conectada en paralelo con la segunda rama 8 y con la primera rama 4.
[0020] Ventajosamente, el circuito C comprende una cuarta rama 13 que tiene un nodo común con la tercera rama 14 y un nodo común con las ramas 4 y 8. Esta cuarta rama 13 conecta el terminal 2.1 del dispositivo 2 a las ramas 4 y 8 del circuito C. Comprende otro interruptor mecánico 12 conectado en serie con el interruptor de estado sólido 10 y el absorbedor de energía 6.
[0021] El interruptor mecánico 12 está dimensionado para proporcionar un aislamiento galvánico entre los
terminales de conexión 2.1 y 2.2 del dispositivo 2. En efecto, el interruptor mecánico 12 impone una distancia física entre los terminales de conexión 2.1 y 2.2 que es superior a 1,5 mm, preferentemente del orden de 3 mm. El interruptor 12 es opcional para la realización de la invención.
[0022] La estructura del interruptor mecánico 16 es visible en las figuras 2 y 3.
[0023] Como se puede ver en estas figuras, el interruptor mecánico 16 comprende un marco 160, un par de contactos fijos 168 y un par de contactos móviles 166. Los contactos móviles 166 están montados en un portacontactos 164.0 hecho de material aislante eléctrico.
[0024] El interruptor mecánico 16 comprende un actuador electromagnético alojado dentro del marco 160. El actuador comprende una parte fija 162 que incluye una jaula 162.1, dentro de la cual está dispuesta una bobina 162.2 capaz de generar un campo magnético, y una parte 164, móvil a lo largo de un eje X16, entre una posición abierta que se muestra en la figura 2 y una posición cerrada que se muestra en la figura 3. Esta parte móvil 164 comprende el portacontactos 164.0, un eje central 164.1, un núcleo magnético 164.2 fijado alrededor de una parte central del eje 164.1 y un disco de repulsión 164.3. El portacontactos 164.0 y el disco de repulsión 164.3 están unidos a los extremos opuestos del eje 164.1.
[0025] El marco 160 también alberga una bobina de repulsión 170 que, al ser alimentada con corriente continua, empuja el disco de repulsión 164.3, desplazando así la parte móvil 164 del actuador de la posición cerrada a la posición abierta.
[0026] Cuando el interruptor mecánico 16 recibe una señal de control de cierre, la bobina 162.2 recibe corriente continua y genera un campo magnético orientado a mover el núcleo magnético 164.2 de la parte móvil 164. La parte móvil 164 pasa entonces de la posición de la figura 2 a la posición de la figura 3, en la que los contactos móviles 166 tocan los contactos fijos 168. Por lo tanto, los contactos eléctricos del interruptor 16 están normalmente abiertos en ausencia de la alimentación de la bobina 162.2. Estamos hablando de la topología de contactos NO.
[0027] El interruptor mecánico 16 comprende un instrumento 172 de medición de la posición P16 de la parte móvil 164 en relación con la parte fija 162. En el ejemplo, el instrumento de medición 172 es un sensor fotoeléctrico.
[0028] Cuando el interruptor mecánico 16 recibe una señal de control de apertura, la bobina de repulsión 170 se energiza y genera un campo magnético orientado a repeler el disco de repulsión 164.3 en una dirección opuesta a los contactos fijos 168 del interruptor 16. El uso de la repulsión magnética para abrir el interruptor 16 proporciona un tiempo de apertura extremadamente rápido en comparación con un actuador electromecánico "convencional" en el que el retorno de la parte móvil a la posición abierta se efectúa mediante un elemento mecánico, como un resorte. En la práctica, el tiempo de apertura, medido desde el momento en que se envía el control de apertura y el instante en que el contacto eléctrico se abre realmente, es mucho menos de 1 ms.
[0029] El dispositivo de conmutación 2 comprende también una unidad electrónica de control 18 que está conectada a cada uno de los componentes del circuito electrónico C. Así, la unidad electrónica de control 18 es capaz de enviar señales de control para abrir y cerrar los interruptores 12 y 16, así como para abrir y cerrar el interruptor 10. Estas señales de control se denominan S12, S16 y S10, respectivamente, en la figura 1. En el ejemplo, las señales S12, S16 y S10 toman el valor "1" cuando el interruptor o conmutador correspondiente está cerrado y el valor "0" cuando el interruptor o conmutador correspondiente está abierto.
[0030] La unidad electrónica de control 18 se conecta al interruptor mecánico 16 y, en particular, al instrumento de medición 172, para recoger, de forma dinámica, la posición P16 de la parte móvil 164 del actuador en relación con la parte fija 162.
[0031] La unidad electrónica de control 18 también está conectada al absorbedor de energía 6 y al interruptor de estado sólido 10 para recuperar dinámicamente la temperatura T6 del absorbedor 6 y la temperatura T10 del interruptor de estado sólido 10. Esto permite controlar el estado de funcionamiento del absorbedor de energía 6 y del interruptor de estado sólido 10 para detectar un sobrecalentamiento.
[0032] Además, la unidad electrónica de control 18 está conectada al otro interruptor mecánico 12 para recoger el estado P12 del interruptor 12. El estado P12 del interruptor 12 se transmite, por ejemplo, como una señal binaria, que es "0" cuando el interruptor 12 está abierto y "1" cuando el interruptor 12 está cerrado.
[0033] El dispositivo 2 comprende un instrumento 3 para medir la corriente I en la entrada del dispositivo 2, es decir, en el terminal de conexión 2.1. El instrumento de medición 3 es un amperímetro que transmite continuamente una señal eléctrica representativa de la corriente medida I a la unidad electrónica de control 18. Alternativamente, la corriente puede medirse en el terminal 2.2. De manera ventajosa, el dispositivo 2 también comprende un voltímetro para medir el voltaje, es decir, el potencial eléctrico, a la entrada del dispositivo 2.
[0034] El dispositivo de conmutación 2 puede asumir dos estados: un estado de conducción, en el que la corriente fluye entre los dos terminales de conexión eléctrica 2.1 y 2.2, y un estado de conmutación, en el que la corriente eléctrica es absorbida por el absorbedor de energía 6 y en el que no fluye ninguna corriente entre los terminales de conexión eléctrica 2.1 y 2.2. Cuando la intensidad de la corriente I de la corriente medida por el instrumento de medición 3 alcanza un valor predeterminado, el dispositivo pasa del estado de encendido al de apagado.
[0035] Ventajosamente, el dispositivo 2 comprende una interfaz de usuario 20 que permite comunicar el estado del dispositivo 2 a una persona externa, como un operador. La interfaz de usuario 20 puede comprender cualquier tipo de medio de comunicación visual, como diodos emisores de luz (LED) o una pantalla. La pantalla puede ser sensible al tacto. La interfaz de usuario 20 también puede comprender medios de comunicación táctiles, como los pulsadores.
[0036] En el presente documento, y a menos que se indique lo contrario, los términos "abierto" y "cerrado" utilizados en relación con los interruptores mecánicos 12 y 16 o en relación con el interruptor de estado sólido 10 se refieren al estado del interruptor o del conmutador en cuestión y no a la acción de apertura o cierre.
[0037] La secuencia de cierre del dispositivo de conmutación 2 se detalla a continuación con referencia a las figuras 4 y 5.
[0038] En un instante t0, la señal de control S16 del interruptor mecánico 16 toma el valor "1", lo que significa que se solicita el cierre del interruptor mecánico 16. En un instante posterior t1, la parte móvil 164 del actuador electromagnético del interruptor 16 comienza a moverse a lo largo del eje X16. La diferencia de tiempo entre los instantes t0 y t1 corresponde al tiempo de reacción del interruptor 16.
[0039] En un instante posterior t2, la parte móvil 164, que se mueve hacia la posición cerrada, alcanza una posición umbral P16a. En este instante t2, una señal de control S10 del interruptor de estado sólido 10 cambia al estado "1", lo que significa que se solicita el cierre del interruptor de estado sólido 10. El tiempo de cierre del interruptor de estado sólido 10 es extremadamente rápido comparado con el del interruptor mecánico 16. Así, en este ejemplo, se supone que el interruptor de estado sólido 10 está cerrado en el tiempo t2.
[0040] En un instante posterior t3, el interruptor mecánico 16 está completamente cerrado, es decir, los contactos móviles 166 están en contacto con los contactos fijos 168.
[0041] Por lo tanto, la unidad electrónica de control 18 está programada de tal manera que el interruptor de estado sólido 10 se cierra antes que el interruptor mecánico 16 cuando el dispositivo 2 pasa del estado apagado al estado encendido. Esto significa que el interruptor de estado sólido 10 cambia a estado cerrado antes del interruptor mecánico 16.
[0042] La posición umbral P16a se define de tal manera que el período At1 entre el cierre del interruptor de estado sólido 10 y el cierre del interruptor mecánico 16, es decir, el período entre los tiempos t2 y t3, está entre 100 ms y 1 ms.
[0043] Como puede verse en la figura 5, hasta el instante t2, no fluye ninguna corriente a través del dispositivo de conmutación 2. El período At1 corresponde, o al menos incluye, el período de transición de cierre del interruptor mecánico 16. Este período de transición está marcado por un fenómeno característico de rebote, en el que los contactos móviles 166 rebotan contra los contactos fijos 168.
[0044] La aplicación de alto voltaje a través del interruptor durante este período de transición puede afectar negativamente el funcionamiento del interruptor porque puede producirse un arco eléctrico entre los pares de contactos. Es probable que estos arcos eléctricos degraden las superficies de contacto e incluso creen puntos de soldadura entre los contactos fijos y móviles. Sin embargo, entre los tiempos t2 y t3, la corriente a la entrada del dispositivo de conmutación 2 fluye completamente a través del interruptor mecánico 12 y del interruptor de estado sólido 10. La resistencia del volumen de aire entre los contactos fijos 168 y los contactos móviles 166.1 es superior a la resistencia del interruptor 10: por lo tanto, la corriente prefiere fluir por la rama 8 del circuito C, en lugar de por la rama 14. Por lo tanto, hay poco o ningún voltaje aplicado a los terminales del interruptor mecánico 16 entre los tiempos t2 y t3. Por consiguiente, el período de transición de "rebote" puede llevarse a cabo sin el riesgo de que se produzca un arco eléctrico.
[0045] En el instante t3, el interruptor mecánico 16 está completamente cerrado. Casi toda la corriente que entra en el dispositivo de conmutación 2 pasa luego por el interruptor mecánico 16, que tiene la ventaja de presentar una resistencia casi nula al paso de la corriente eléctrica. Se puede ver entonces que el interruptor de estado sólido 10 conduce la corriente solo durante un período de transición que corresponde a la diferencia entre los tiempos t3 y t2. Por lo tanto, el interruptor de estado sólido 10 no funciona durante largos períodos de tiempo, como se enseña en el EP-A-0513346, por lo que la energía térmica disipada a través de él es relativamente baja.
[0046] La secuencia de apertura del dispositivo de conmutación 2 se detalla a continuación con referencia a las figuras 6 y 7. La apertura del dispositivo de conmutación 2 se controla automáticamente por la unidad electrónica de control 18 cuando la corriente I en el terminal de conexión eléctrica 2.1 alcanza un umbral peligroso para el circuito eléctrico en el que está instalado el dispositivo de conmutación 2. Por ejemplo, la unidad electrónica de control 18 puede ser programada para comparar dinámicamente la intensidad I con un valor umbral predefinido.
[0047] Supongamos en el ejemplo que en un instante t4, la intensidad I supera el valor umbral. La unidad electrónica de control 18 controla entonces la apertura del dispositivo 2. La señal de control S16 del interruptor 16 cambia de "1" a "0", lo que significa que se solicita la apertura del interruptor mecánico 16.
[0048] En un instante posterior t5, la parte móvil 164 del actuador electromagnético del interruptor 16 comienza a moverse de su posición cerrada a su posición abierta.
[0049] En un instante posterior t6, la parte móvil 164 que se mueve hacia la posición abierta alcanza una segunda posición umbral P16b.
[0050] En un instante posterior t6', el interruptor mecánico 16 está completamente abierto. La corriente fluye entonces completamente a través del interruptor mecánico 12 y del interruptor de estado sólido 10, que permanecen conductores cuando se enciende dispositivo de conmutación 2, incluso si no fluye corriente a través de ellos. El interruptor 10 presenta una resistencia eléctrica relativamente alta en comparación con el interruptor 16.
[0051] En el instante posterior t7, el interruptor de estado sólido 10 está abierto. Toda la corriente fluye entonces en la primera rama 4 con el absorbedor de energía 6. Como puede verse en el diagrama inferior de la figura 7, la corriente se disipa en el interior del absorbedor de energía 6 como energía térmica. En el ejemplo en el que el absorbedor de energía 6 es un varistor, la resistencia del elemento 6 es tanto más importante cuanto que la intensidad de la corriente es alta. Esto da como resultado un muy alto voltaje a través de los terminales del absorbedor de energía 6, que tiene el efecto de disminuir y eventualmente cancelar la corriente que fluye en la rama 4 y, a fortiori, la corriente que fluye entre los terminales 2.1 y 2.2.
[0052] Por lo tanto, la unidad electrónica de control 18 está programada para abrir el interruptor de estado sólido 10 después del interruptor mecánico 16. Esto significa que el interruptor de estado sólido 10 pasa a estado abierto después del interruptor mecánico 16.
[0053] Más concretamente, la unidad electrónica de control 18 está programada para abrir el interruptor de estado sólido 10 después de un segundo período At2 a partir del instante t6 cuando la parte móvil 164 que se mueve hacia la posición abierta alcanza la segunda posición umbral P16b, definiéndose esta segunda posición umbral P16b de tal manera que el segundo período At2, definido como la diferencia de tiempo entre los instantes t6 y t7, es inferior a 1 ms, en particular entre 10 ms y 100 ms. Esto permite que la corriente sea guiada a la rama 8 mientras que el volumen de aire entre los contactos fijos 168 y los contactos móviles 166.1 es desionizado. Esto evita "reajustar" el interruptor 16, es decir, crear arcos eléctricos entre los contactos móviles y fijos.
[0054] Como puede verse en la figura 8, el absorbedor de energía 6 es preferentemente extraíble. Está representado en esta figura por una caja con cuatro enchufes eléctricos 60 destinados a ser conectados con las correspondientes tomas eléctricas 202 de un soporte 200 perteneciente al dispositivo de conmutación 2. Cuando se usa, el absorbedor de energía 6 puede ser reemplazado por uno nuevo. El desgaste del absorbedor de energía 6 puede evaluarse durante el uso del dispositivo 2 mediante la medición de la temperatura T6. Un aumento repentino de la temperatura del absorbedor de energía 6 corresponde a que el dispositivo pase al estado de conmutación. La unidad 18 es entonces capaz de contar y almacenar en memoria el número de cortes de energía realizados por el dispositivo 2. Además, la unidad electrónica de control 18 es capaz de calcular la energía disipada por el absorbedor de energía 6 en cada desconexión, mediante la medición de corriente I, y es capaz de detectar el sobrecalentamiento anormal del absorbedor 6. Sobre esta base, se puede dar una señal de alarma cuando el absorbedor de energía 6 tiene que ser reemplazado por un nuevo componente.
[0055] En la figura 9 se representa un diagrama eléctrico de un dispositivo de conmutación según una segunda realización de la invención. En lo que sigue, solo se describen las diferencias con la primera realización en aras de la brevedad. Los componentes electrónicos del dispositivo de conmutación según la segunda realización son idénticos a los utilizados en el dispositivo de conmutación según la primera realización. Así pues, se utilizan las mismas referencias numéricas para ambas realizaciones.
[0056] El dispositivo de conmutación 2 según esta segunda realización difiere del descrito anteriormente en que la rama 13 que comprende el interruptor mecánico 12 conecta el terminal 2.1 a las ramas 4, 8 y 14 del circuito C. La rama 13 tiene así un nodo común con cada una de las ramas 4, 8 y 14.
[0057] Aunque el cableado es diferente, el dispositivo de conmutación 2 en esta segunda realización funciona de manera similar al dispositivo de conmutación 2 de la figura 1.
[0058] No obstante lo anterior, la naturaleza extraíble del absorbedor de energía 6 podría ponerse en primer plano en relación con el control del interruptor de estado sólido 10 y el interruptor mecánico 12 al abrir y cerrar el dispositivo 2.
[0059] En efecto, en el arte anterior, cuando el absorbedor de energía, es decir, la mayoría de las veces el varistor, se desgastaba, se cambiaba el dispositivo de conmutación completo, porque dicho absorbedor de energía no estaba destinado a ser reemplazado. Obviamente era muy caro. Por lo tanto, la idea aquí es ofrecer un dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido 2 que pueda ser reparado más fácilmente, y por lo tanto con una vida útil más larga. En las figuras 1 a 9 se muestran dos realizaciones de tal dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido 2.
[0060] Este dispositivo 2 de conmutación de potencia de estado sólido siempre comprende:
- un circuito C con una primera rama 4 que comprende un absorbedor de energía 6 y una segunda rama 8 que comprende un interruptor de estado sólido 10, estando el interruptor semiconductor de estado sólido 10 conectado en paralelo con la primera rama 4,
- un instrumento 3 para medir la intensidad de la corriente eléctrica en un terminal 2.1 o 2.2 del dispositivo, y - una unidad electrónica de control 18 para controlar el interruptor 10, programada para controlar la apertura del interruptor de estado sólido 10 cuando la intensidad de la corriente I medida por el instrumento de medición 3 alcanza un valor predeterminado, el dispositivo pasa entonces de un estado encendido a un estado apagado, en el que la corriente es absorbida por el absorbedor de energía.
[0061] En esta realización, el dispositivo de conmutación 2 se caracteriza por el hecho de que el absorbedor de energía 6 es extraíble.
[0062] Ventajosamente, el absorbedor de energía 6 comprende una caja con cuatro enchufes eléctricos 60 destinados a ser conectados con las correspondientes tomas eléctricas 202 de un soporte 200 perteneciente al dispositivo de conmutación 2.
[0063] Inteligentemente, el absorbedor de energía 6 comprende medios de conexión que forman un sistema de codificación mecánica, que impide que cualquier absorbedor de energía se conecte al circuito C. Los sistemas de conexión codificados mecánicamente son conocidos en sí mismos, por lo que el sistema de codificación mecánica para la conexión del absorbedor de energía 6 no se describe con más detalle.
[0064] Preferentemente, la unidad electrónica de control 18 es capaz de recoger, de forma dinámica (es decir, en tiempo real), la temperatura T6 del absorbedor 6 y posiblemente la temperatura T10 del interruptor de estado sólido 10. Esto permite controlar el estado de funcionamiento del absorbedor de energía 6 y, potencialmente, también del interruptor de estado sólido 10 para detectar el sobrecalentamiento.
[0065] Cuando se usa, el absorbedor de energía 6 puede ser reemplazado por uno nuevo. El desgaste del absorbedor de energía 6 puede evaluarse durante el uso del dispositivo 2 mediante la medición de la temperatura T6. Un aumento repentino de la temperatura del absorbedor de energía 6 corresponde a que el dispositivo pase al estado de conmutación. La unidad 18 es entonces capaz de contar y almacenar en memoria el número de cortes de energía realizados por el dispositivo 2. Además, la unidad electrónica de control 18 es capaz de calcular la energía disipada por el absorbedor de energía 6 en cada desconexión, mediante la medición de corriente I, y es capaz de detectar el sobrecalentamiento anormal del absorbedor 6. Sobre esta base, se puede dar una señal de alarma cuando el absorbedor de energía 6 tiene que ser reemplazado por un nuevo componente.
[0066] Igualmente, según unos aspectos ventajosos, pero no obligatorios, dicho dispositivo puede comprender una o varias de las características siguientes, tomadas en cualquier combinación técnicamente admisible:
- El circuito C comprende una tercera rama 14 con un interruptor mecánico 16, la tercera rama 14 está conectada en paralelo con la segunda rama 8;
- La apertura y el cierre del interruptor mecánico 16 se controla con la unidad electrónica de control 18;
- La unidad electrónica de control 18 está programada de tal manera que el interruptor de estado sólido 10 se cierra antes que el interruptor mecánico 16 cuando el dispositivo 2 pasa del estado apagado al estado encendido.
- La unidad electrónica de control 18 está programada de tal manera que el interruptor de estado sólido 10 se abre después del interruptor mecánico 16 cuando el dispositivo 2 cambia del estado de encendido al de apagado.
- El interruptor mecánico 16 comprende una parte fija 162, una parte 164 móvil entre una posición abierta y una posición cerrada y un instrumento 172 para medir la posición P16 de la parte móvil 164 con respecto a la parte fija 162, dicho instrumento 172 de medición está conectado a la unidad electrónica de control 18, mientras que la unidad electrónica de control 18 está programada para cerrar el interruptor de estado sólido 10 cuando la parte móvil 164, moviéndose hacia la posición cerrada, alcanza una primera posición umbral P16a.
- La primera posición umbral P16a está definida de manera que un primer período At1 entre el cierre del interruptor 10
y el cierre del interruptor mecánico 16 está entre 100 ms y 1 ms.
- La unidad electrónica de control está programada para abrir el interruptor de estado sólido 10 después de un segundo período At2a partir del instante en que la parte móvil 164 que se mueve hacia la posición abierta alcanza una segunda posición umbral, definiéndose esta segunda posición umbral de manera que el segundo período At2 sea inferior a 1 ms, en particular entre 10 ms y 100 ms.
- El interruptor mecánico 16 comprende una parte móvil 164 provista de un disco de repulsión 164.3 y una bobina de repulsión 170 que, al ser alimentada con corriente, repele el disco de repulsión 164.3, pasando luego la parte móvil 164 de su posición cerrada a su posición abierta.
- El interruptor mecánico 16 tiene un tiempo de apertura de menos de 1 ms, en particular alrededor de 200 ms. - El circuito comprende una cuarta rama 13 que tiene un nodo común con la tercera rama 14 y un nodo común con las dos primeras ramas 4 y 8, esta cuarta rama 13 comprende otro interruptor mecánico 12.
- Como variante, el circuito C comprende una cuarta rama 13 que conecta un terminal de conexión eléctrica 2.1 o 2.2 del dispositivo 2 a las tres primeras ramas del circuito C, esta cuarta rama 13 comprende otro interruptor mecánico 12. - Este otro interruptor mecánico 12 está dimensionado para proporcionar aislamiento galvánico entre un primer terminal de conexión 2.1 y un segundo terminal de conexión 2.2 del dispositivo 2.
[0067] Las características de las realizaciones planteadas más arriba pueden combinarse entre ellas para dar nuevas realizaciones de la invención.
Claims (11)
1. Dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido (2), que comprende:
- un circuito (C) con una primera rama (4) que comprende un absorbedor de energía (6), una segunda rama (8), que comprende un interruptor de estado sólido (10), estando conectado el interruptor de estado sólido en paralelo con la primera rama, y una tercera rama (14) que comprende un interruptor mecánico (16), estando conectada la tercera rama en paralelo con la segunda rama,
- un instrumento (3) para medir la intensidad (l) de la corriente eléctrica en un terminal (2.1, 2.2) del dispositivo, y - una unidad electrónica de control (18) del interruptor (10) programada para controlar la apertura del interruptor de estado sólido cuando la intensidad (l) de la potencia medida por el instrumento de medición alcanza un valor predeterminado, el dispositivo pasa entonces de un estado encendido a un estado apagado, en el que la corriente es absorbida por el absorbedor de energía, estando controlados la apertura y el cierre del interruptor mecánico (16) por medio de la unidad electrónica de control (18), estando la unidad electrónica de control (18) programada de tal manera que el interruptor de estado sólido se abre después del interruptor mecánico (16) cuando el dispositivo pasa del estado encendido al estado apagado.
el dispositivo se caracteriza porque la unidad electrónica de control (18) está programada de tal manera que el interruptor de estado sólido (10) se cierra antes que el interruptor mecánico (16) cuando el dispositivo pasa del estado apagado al estado encendido.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el interruptor mecánico (16) comprende una parte fija (162), una parte (164) móvil entre una posición abierta y una posición cerrada y un instrumento (172) para medir la posición (P16) de la parte móvil con respecto a la parte fija, dicho instrumento de medición está conectado a la unidad electrónica de control (18) y porque la unidad electrónica de control (18) está programada para cerrar el interruptor de estado sólido (10) cuando la parte móvil, moviéndose hacia la posición cerrada, alcanza una primera posición umbral (P16a).
3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque la primera posición umbral (P16a) está definida de manera que un primer período (At1) entre el cierre del interruptor (10) y el cierre del interruptor mecánico (16) está entre 100 ms y 1 ms.
4. Dispositivo según la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque la unidad electrónica de control (18) está programada para abrir el interruptor de estado sólido (10) después de un segundo período (At2a) partir del instante en que la parte móvil que se mueve hacia la posición abierta alcanza una segunda posición umbral (P16b), definiéndose esta segunda posición umbral de manera que el segundo período (At2) sea inferior a 1 ms, en particular entre 10 ms y 100 ms.
5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el absorbedor de energía (6) es extraíble.
6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el interruptor mecánico (16) comprende una parte móvil (164) provista de un disco de repulsión (164.3) y una bobina de repulsión (170) que, al ser alimentada con corriente, repele el disco de repulsión, pasando luego la parte móvil de su posición cerrada a su posición abierta.
7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el interruptor mecánico (16) tiene un tiempo de apertura de menos de 1 ms, en particular del orden de 200 ms.
8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito comprende una cuarta rama (13) que tiene un nodo común con la tercera rama (14) y un nodo común con las dos primeras ramas (4 y 8), esta cuarta rama (13) comprende otro interruptor mecánico (12).
9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el circuito comprende una cuarta rama (13) que conecta un terminal de conexión eléctrica (2.1) del dispositivo a las tres primeras ramas del circuito (C), esta cuarta rama (13) que comprende otro interruptor mecánico (12).
10. Dispositivo según la reivindicación 8 o 9, caracterizado porque el otro interruptor mecánico (12) está dimensionado para asegurar un aislamiento galvánico entre un primer terminal de conexión (2.1) y un segundo terminal de conexión (2.2) del dispositivo.
11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (2) comprende dos terminales de conexión eléctrica (2.1, 2.2), uno de los cuales está destinado a ser conectado a una fuente de corriente continua.
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