ES2883175T3 - Celda de seguridad de relé estático y conjunto de celda de relé estático asociado - Google Patents

Abstract

Una celda de relé estático (6) que comprende: - un terminal de entrada (16) y un terminal de salida (18), - al menos un interruptor principal (12) en serie entre el terminal de entrada (16) y el terminal de salida (18), y - una unidad de control (20) que se configura para controlar el o cada interruptor principal independientemente (12), caracterizado porque comprende un detector de corriente de fuga (30), capaz de detectar una corriente de fuga en el o en cada interruptor principal (12), el detector de corriente de fuga (30) que comprende: - un módulo de medición (34) para medir una tensión de fuga (V+), la tensión de fuga (V+) que es representativa de la corriente de fuga, - un generador de señales de tensión periódica (42), capaz de generar una señal de comparación (V-), y - un comparador (38) capaz de comparar el valor de la tensión de fuga (V+) y el valor de la señal de comparación (V-), y para dar, como salida, una señal de detección de corriente de fuga (VSALIDA) que tiene un factor de trabajo (α) representativo de la corriente de fuga.

Description

DESCRIPCIÓN

Celda de seguridad de relé estático y conjunto de celda de relé estático asociado

La presente invención se refiere a una celda de seguridad de relé estático que comprende un terminal de entrada y un terminal de salida, al menos un interruptor principal en serie entre el terminal de entrada y el terminal de salida, y una unidad de control que se configura para controlar el o cada interruptor principal independientemente.

La invención se aplica al campo de los sistemas electrónicos de seguridad, en particular a los sistemas electrónicos de seguridad para la señalización ferroviaria.

Los relés estáticos se usan en sistemas de seguridad electrónicos como interruptores de salida. Son dispositivos de conmutación implementados en particular con componentes electrónicos basados en semiconductores. Estos relés se denominan estáticos porque no comprenden ningún componente mecánico o electromecánico. Permiten controlar el paso de una corriente de alto nivel con una señal de comando de baja potencia.

La ventaja de los relés estáticos de este tipo es la durabilidad de los componentes usados, ya que pueden soportar un mayor número de conmutaciones que los relés de seguridad electromecánicos. También generan menos calor y su velocidad de apertura puede controlarse más fácil.

Por lo general, estos relés estáticos comprenden interruptores, como interruptores basados en transistores, como transistores de efecto de campo de puerta aislada (MOSFET).

El documento CN 105946902 describe una salida que usa señales de comando dinámicas para controlar interruptores, como transistores, a través de dos unidades de comando.

Sin embargo, cuando se usan componentes de este tipo, los transistores que se someten a una alta tensión pueden, incluso en el estado bloqueado, dejar pasar una corriente baja, como resultado del desgaste o fallas en los componentes semiconductores. Más allá de un valor particular, una carga puede controlarse incorrectamente, lo que genera un problema de seguridad.

El documento US 4 757 417 A describe una celda de relé estático que comprende un detector de presencia o ausencia de corriente de fuga basado en un fotoacoplador.

El objeto de la invención es proponer una celda de seguridad de relé estático y un conjunto asociado de celdas de relés estáticos que permitan detectar el desgaste o avería de los interruptores que forman dicho conjunto. La celda de seguridad de relé estático y el conjunto asociado de celdas de relés estáticos deben poder continuar proporcionando su función de corte, incluso si un componente se avería.

A tal efecto, la invención se refiere a una celda de relé estático de acuerdo con la reivindicación 1.

Una celda de relé estático de este tipo permite detectar la presencia de una corriente de fuga a través de los interruptores que la forman.

En modalidades particulares, la celda de relé estático es de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a la 7. La invención se refiere además a un conjunto de celdas de relés estáticos de acuerdo con la reivindicación 8.

En modalidades particulares, el conjunto de celdas de relés estáticos es de acuerdo con la reivindicación 9.

Estas características y ventajas de la invención resultarán evidentes tras leer la siguiente descripción, que se proporciona únicamente a modo de ejemplo no limitativo y dada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que: - [Figura 1] La Figura 1 es una representación esquemática de un conjunto de celdas de relés estáticos de acuerdo con la invención, que comprende dos celdas de seguridad de relé estático en serie,

- [Figura 2] La Figura 2 es una representación esquemática de una celda de seguridad de relé estático de acuerdo con la Figura 1, que comprende en particular dos interruptores principales en serie entre un terminal de entrada y un terminal de salida, un detector de corriente de fuga y, para cada interruptor, un módulo de comando, - [Figura 3] La Figura 3 es un gráfico que representa un ejemplo de desarrollo a lo largo del tiempo de los valores de una señal de comparación y de señales de detección de corriente de fuga, en diferentes escenarios operativos de la celda de la Figura 2, y

- [Figura 4] La Figura 4 es una representación esquemática de una variante del conjunto de celdas de relés estáticos de acuerdo con la Figura 1.

La Figura 1 presenta un conjunto 5 de celdas de relés estáticos que comprende una primera 6 y una segunda 7 celda de seguridad de relé estático, preferiblemente idénticas, en serie. Cada una de las celdas 6 y 7 comprende un terminal de entrada 16 y un terminal de salida 18, el terminal de salida 18 de la celda 6 se conecta al terminal de entrada 16 de la celda 7. Cada celda 6, 7 comprende dos interruptores principales 12 que se conectan en serie entre el terminal de entrada 16 y el terminal de salida 18 del mismo.

En una variante, cada celda 6, 7 comprende un solo interruptor 12 que se conecta entre el terminal de entrada 16 y el terminal de salida 18.

La arquitectura de una celda de seguridad de relé estático 6 o 7 se describe a continuación con referencia a la Figura 2.

La celda 6 puede hacer circular una corriente I del terminal de entrada 16 hacia el terminal de salida 18 cuando los interruptores 12 están en la posición cerrada.

En adelante, todas las tensiones se consideran con referencia al potencial del terminal de salida 18.

Cada uno de los interruptores 12 se controla independientemente por una unidad de control (comando y verificación) 20, que también es ventajosamente capaz de recuperar el estado del interruptor entre un estado cerrado y un estado abierto. Más precisamente, para cada interruptor 12, la unidad de control (comando y verificación) 20 comprende un módulo de comando 22 que se configura para generar y transmitir al interruptor 12 correspondiente una señal de comando para la conmutación del interruptor 12. Ventajosamente, cada señal de comando es una señal dinámica. Cada interruptor 12 comprende ventajosamente un transistor 26 y un diodo 28 que se conecta en antiparalelo con el transistor 26. Los transistores 26 son, por ejemplo, transistores de efecto de campo, preferiblemente transistores de efecto de campo de puerta aislada. En este caso, el drenaje de un primer transistor 26 se conecta al terminal de entrada 16, su fuente se conecta al drenaje del segundo transistor 26 y la fuente del segundo transistor 26 se conecta al terminal de salida 18. Para cada transistor 26, el módulo de mando correspondiente 22 se conecta al transistor 26 a través de la puerta del mismo.

Además, la celda 6 comprende un detector de corriente de fuga 30 que comprende dos entradas 31 y 32 que se conectan a los terminales del conjunto de los dos interruptores 12 y una salida 33 que se conecta a la unidad de control (comando y verificación) 20. El detector 30 es capaz de detectar una corriente de fuga potencial que circula en los interruptores 12, en particular cuando al menos uno de los interruptores 12 está en la posición abierta.

El detector 30 comprende un módulo de medición 34 que comprende dos entradas que se conectan a las entradas 31 y 32 del detector de salida 30. Es capaz de proporcionar a la salida una tensión de fuga V+, la tensión de fuga V+ que es representativa de la corriente de fuga.

El detector 30 comprende además un comparador 38 que comprende dos entradas y una salida. Se conecta a través de una de sus entradas a la salida del módulo de medición 34 y a través de su salida a la salida 33 del detector 30.

El detector 30 comprende además un generador de señales de tensión de comparación periódica 42 que se conecta a la otra entrada del comparador 38. El generador 42 se comanda por la unidad de control (comando y verificación) 20. Es capaz de generar y proporcionar a través de una salida, al comparador 38, una señal de comparación V-, la señal de comparación V- que es una señal de tensión periódica.

En el ejemplo de la Figura 2, el detector 30 comprende una fuente de alimentación aislada 46, que se conecta al módulo de medición 34 y al generador 42 y permite alimentarlos eléctricamente.

En una variante (no mostrada), el detector 30 comprende dos fuentes de alimentación aisladas, una que se conecta al módulo de medición 34 y la otra que se conecta al generador 42.

Por ejemplo, el módulo de medición 34 es un puente divisor de tensión que comprende dos resistencias 50 y 52, que se conectan en serie entre una de las entradas del módulo de medición 34 y una fuente de tensión de CC 56, y un diodo 60, que se conecta entre un nodo 62 entre las resistencias 50 y 52 y la otra entrada del módulo de medición 34. El nodo 62 se conecta a la salida del módulo de medición 34.

La fuente de tensión continua 56 se alimenta por la fuente de alimentación 46 y es capaz de proporcionar una tensión de referencia Vref.

El diodo 60 se orienta para estar en funcionamiento bloqueado cuando los interruptores 12 se cierran y la corriente I es de un nivel positivo.

El generador 42 es, por ejemplo, un generador de señales de diente de sierra, la señal de comparación generada V-que es una señal de diente de sierra. Comprende un condensador 66 que se conecta a una fuente de corriente continua 70 y un interruptor secundario 74 que se conecta en paralelo con el condensador.

La fuente de corriente continua 70 se alimenta por la fuente de alimentación 46 y es capaz de cargar el condensador 66 con una corriente continua. El terminal cargado positivamente del condensador 66 se conecta a la salida del generador 42.

La unidad de control (comando y verificación) 20 se configura para controlar la conmutación del interruptor 74. Más precisamente, la unidad de control (comando y verificación) 20 comprende un módulo de comando 78 para el generador 42, que se configura para generar y transmitir al interruptor 74 una señal de comando de descarga V^{c c} . El interruptor 74 comprende, por ejemplo, un transistor de efecto de campo 82, preferentemente un transistor de efecto de campo de puerta aislada. En este caso, el drenaje y la fuente del transistor 82 se colocan de manera que cortocircuiten el condensador 66 para provocar la descarga del condensador 66 cuando el transistor 82 es transitable, y la puerta del transistor 82 se conecta al módulo 78.

El comparador 38 es capaz de comparar el valor de la tensión de fuga V+ y el valor de la señal de comparación y emitir una señal de detección de corriente de fuga V^salida que tiene un factor de trabajo a representativo de la corriente de fuga.

La unidad de comando 20 puede recuperar la señal de detección de corriente de fuga V^salida en la salida 33 del detector 30. Más precisamente, la unidad de control (comando y verificación) 20 comprende un módulo de recepción 88, que se conecta a la salida 33 del detector 30 y permite recuperar la señal de detección de corriente de fuga V^salida.

Además, el módulo 78 se conecta a la salida 33 del detector 30 y es capaz de recuperar la señal de detección de corriente de fuga V^salida.

El módulo de recepción 88 se conecta al módulo 78 y puede recuperar la señal de comando de descarga V^{c c} . La unidad de control (comando y verificación) 20 comprende además un módulo de cálculo 92, que se conecta al módulo de recepción 88 y se configura para calcular el factor de trabajo a de la señal de detección de corriente de fuga V^salida, que es el valor del factor de trabajo a representativo de la corriente de fuga, así como también el factor de trabajo de la señal de comando de descarga V^{c c} . Además, puede almacenar los factores de servicio calculados y realizar una votación sobre diferentes valores de factor de servicio calculados.

Un factor de trabajo es la relación entre el tiempo en que la señal está en un estado alto durante un período y el tiempo total de un período.

El funcionamiento de la celda 6 se describirá ahora con referencia a la Figura 3, que representa un ejemplo del desarrollo a lo largo del tiempo de la señal de comando de descarga V^{c c} , en el gráfico 200, de la señal de comparación V-, en el gráfico 202, y de la señal de detección de corriente de fuga V^salida para tres escenarios operativos, en los gráficos 204, 206 y 208 respectivamente.

La celda 6 generalmente tiene dos estados operativos: un estado cerrado, cuando los dos interruptores 12 se cierran y la corriente I está circulando desde el terminal de entrada 16 al terminal de salida 18, y un estado abierto, cuando al menos uno de los interruptores 12 se abre.

El gráfico 200 representa el desarrollo a lo largo del tiempo de la señal de comando de descarga V^cc que se genera por el módulo 78. Cuando está en el estado alto, ordena el cierre del interruptor 74 y la descarga del condensador 66. La señal de comando de descarga V^cc es una señal periódica del período t3-to. Durante el primer período, está en el estado alto entre momentos en el tiempo t2 y t3.

A continuación, es de interés el comportamiento de la celda 6 durante el primer período, es decir, entre un momento inicial to y el momento t3, que es el comportamiento idéntico en los otros períodos.

El gráfico 202 representa el desarrollo a lo largo del tiempo de la señal de comparación V- que se genera por el generador 42. En el momento inicial to, el condensador se descarga y el valor de la señal de comparación V- es cero. Hasta el momento t2, la fuente de corriente 70 carga el condensador 66 con una corriente de un nivel constante, y el valor de la señal de comparación V- aumenta linealmente con un gradiente que es función del nivel de la corriente que se genera por la fuente de corriente 70 y de la capacitancia eléctrica del condensador 66, hasta que un valor V-máx se alcanza en el momento t2. Por el momento t2, el módulo 78 ordena el cierre del interruptor 74, que inicia la descarga del condensador 66, y el valor de la señal de comparación V- es por tanto cero entre los momentos t2 y t3.

El gráfico 202 también presenta, en línea de puntos, valores de la tensión de fuga V+ para diferentes escenarios operativos. La tensión de fuga V+ toma un valor V+a en el escenario a, donde los dos interruptores 12 están abiertos y no se observa ninguna corriente de fuga. Toma un valor V+c en el escenario c, donde los dos interruptores 12 están cerrados. Toma un valor V+b en el escenario b, donde uno de los interruptores 12 está cerrado y el otro está abierto y observa una fuga de corriente, o donde los dos interruptores 12 están abiertos y ambos observan una fuga de corriente.

Los gráficos 204, 206 y 208 representan el desarrollo en el tiempo de las respectivas señales VsALiDAa, VsALiDAb y V^salidac, correspondiente a la señal de detección de corriente de fuga V^salida para los respectivos escenarios a, b y c. La señal VsALiDAa, o VsALiDAb o V^salidac respectivamente, está en el estado alto cuando la tensión de fuga V+ es mayor que el valor de la señal de comparación V- , en otras palabras entre el momento to y un momento t ía , o t ib o tic respectivamente, así como también entre el momento t2 y el momento t3, y en el estado bajo en el escenario inverso, en otras palabras entre los momentos tía , o t ib o t ic respectivamente, y t².

Para detectar que un interruptor 12 está defectuoso y está permitiendo el paso de una corriente de fuga, la unidad de control (comando y verificación) 20 conmuta uno de los interruptores 12 al estado abierto y el otro al estado cerrado, el interruptor 12 está en el estado abierto el que se está probando. El módulo de recepción 88 recupera así la señal de detección de corriente de fuga V^salida y calcula el factor de trabajo aB del mismo. Realiza la misma operación para probar el otro interruptor 12.

El módulo de cálculo 92 calcula así los factores de trabajo ab correspondiente a estas dos pruebas. Los factores de servicio aB que se calculan para cada uno de los interruptores probados 12 se comparan con los factores de trabajo que se calculan y almacenan por el módulo de cálculo 92 cuando los dos interruptores 12 están abiertos aa y cerrado ac y con el factor de trabajo de la señal de comando de descarga V^{c c} , para detectar una corriente de fuga potencial, en particular cuando uno de los factores de trabajo ab es menor que aa.

Ventajosamente, el módulo de recepción 88 recupera la señal de comando de descarga V^{c c} para verificar que la señal se genera correctamente.

Si uno de los interruptores 12 de una celda 6 se avería, la unidad de control (comando y verificación) 20 lo deja sin mando y, en particular, se cierra, y el cambio de estado de la celda 6 se proporciona únicamente por el otro interruptor 12.

Por tanto, se apreciará que una celda 6 que comprende dos interruptores 12 permite tener una mayor fiabilidad operativa que una celda 6 que comprende un solo interruptor 12.

Si uno de los dos interruptores 12 se avería, se considera que la celda 6 se averió.

El conjunto 5 está en un estado cerrado cuando las celdas 6 y 7 están en el estado cerrado, y en un estado abierto cuando al menos una de las celdas 6 y 7 está en el estado abierto.

Cuando una de las celdas del conjunto 5 se avería, se deja en el estado cerrado, y la apertura y el cierre de la arquitectura compuesta 5 se proporciona por la otra celda del conjunto 5. Se iniciará así una operación de mantenimiento en la celda averiada.

La Figura 4 presenta otra modalidad del conjunto 105 de celdas de relés estáticos que comprende una primera 106, una segunda 107, una tercera 108, una cuarta 109 y una quinta celda de seguridad de relé estático 110.

Cada una de las celdas 106 a 110 comprende un terminal de entrada y un terminal de salida. Las primera y segunda celdas 106 y 107 se conectan de la misma manera que las primera y segunda celdas 6 y 7 del conjunto 5. El terminal de entrada de la primera celda 106 se conecta además a los terminales de entrada de la tercera celda 108 y la quinta celda 110, el terminal de salida de la tercera celda 108 se conecta al terminal de salida de la quinta celda 110 y al terminal de entrada de la cuarta celda 109, y el terminal de salida de la segunda celda 107 se conecta al terminal de salida de la cuarta celda 109.

El conjunto 105 está en el estado cerrado cuando las celdas 106 y 107 están cerradas o cuando la celda 109 y al menos una de las celdas 108 y 110 están cerradas. Está en el estado abierto cuando al menos una de las celdas 106 y 107 está abierta y la celda 109 o las celdas 108 y 110 están abiertas.

Por tanto, si una de las celdas 106 a 110 se avería, se deja en el estado cerrado, y las otras celdas pueden proporcionar la apertura y el cierre del conjunto 105.

Por tanto, se apreciará que la modalidad del conjunto 105 permite tener una mayor disponibilidad que la modalidad de la arquitectura compuesta 5. Específicamente, el conjunto 105 puede permitir proporcionar fiabilidad operativa incluso si 2 o incluso 3 celdas se averían, siempre que no haya 2 celdas en serie averiadas simultáneamente.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Una celda de relé estático (6) que comprende:

- un terminal de entrada (16) y un terminal de salida (18),

- al menos un interruptor principal (12) en serie entre el terminal de entrada (16) y el terminal de salida (18), y

- una unidad de control (20) que se configura para controlar el o cada interruptor principal independientemente (12),

caracterizado porque comprende un detector de corriente de fuga (30), capaz de detectar una corriente de fuga en el o en cada interruptor principal (12),

el detector de corriente de fuga (30) que comprende:

- un módulo de medición (34) para medir una tensión de fuga (V+), la tensión de fuga (V+) que es representativa de la corriente de fuga,

- un generador de señales de tensión periódica (42), capaz de generar una señal de comparación (V-), y - un comparador (38) capaz de comparar el valor de la tensión de fuga (V+) y el valor de la señal de comparación (V-), y para dar, como salida, una señal de detección de corriente de fuga (V^salida) que tiene un factor de trabajo (a) representativo de la corriente de fuga.

2. La celda (6) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la unidad de control (20) comprende un módulo de recepción (88) que se acopla en su salida al comparador (38) para recibir la señal de detección de corriente de fuga (V^salida), y un módulo de cálculo (92) capaz de calcular el factor de trabajo (a) de la señal de detección de corriente de fuga (V^salida).

3. La celda (6) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el generador de señales periódicas (42) es un generador de señales de diente de sierra, la señal de comparación generada (V-) que es una señal de diente de sierra.

4. La celda (6) de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el generador de señales periódicas (42) comprende una fuente de corriente CC (70), un condensador (66) y un interruptor secundario (74), la fuente de corriente CC (70) es capaz de cargar el condensador (66), y el interruptor secundario (74) es capaz de cortocircuitar el condensador (66) cuando está en posición cerrada para provocar la descarga del condensador (66), y se controla por una señal de control de descarga (V^{c c} ) que se transmite por la unidad de control (20).

5. La celda (6) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el módulo (34) para medir la tensión de fuga (V+) comprende un puente divisor de tensión (50, 52), el módulo de medición se conecta a los terminales del interruptor principal o del conjunto de los interruptores principales.

6. La celda (6) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la celda (6) comprende al menos dos interruptores principales (12) en serie.

7. La celda (6) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada interruptor principal (12) incluye un transistor (26) y un diodo (28) conectado en antiparalelo con el transistor (26), y en donde al menos un transistor (26) es un transistor de efecto de campo, preferentemente un transistor de efecto de campo de puerta aislada.

8. Un conjunto (5, 105) de celdas de relés estáticos, caracterizado porque comprende una primera celda de relé estático (6, 106) y una segunda celda de relé estático (7, 107) en serie, cada celda está de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el terminal de salida (18) de la primera celda ( 6, 106) se conecta al terminal de entrada (16) de la segunda celda (7, 107), las unidades de control (20) de cada celda son capaces de comunicarse entre sí.

9. El conjunto (5, 105) de celdas de relés estáticos de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además una tercera celda de relé estático (108), una cuarta celda de relé estático (109) y una quinta celda de relé estático (110), cada celda está de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 7, en donde:

- el terminal de entrada (16) de la primera celda (6, 106) se conecta a los terminales de entrada (16) de la tercera celda (108) y la quinta celda (110),

- el terminal de salida (18) de la tercera celda (108) se conecta al terminal de salida (18) de la quinta celda (110) y al terminal de entrada (16) de la cuarta celda (109), y

- el terminal de salida (18) de la segunda celda (7, 107) se conecta al terminal de salida (18) de la cuarta celda (109),

las unidades de control (20) de cada celda son capaces de comunicarse entre sí.