ES2929540T3

ES2929540T3 - Aparato para la conmutación y protección de una carga

Info

Publication number: ES2929540T3
Application number: ES19158869T
Authority: ES
Inventors: Philipp Steinberger; Hubert Lenker; Peter Spiel
Original assignee: Future Systems Besitz GmbH
Current assignee: Future Systems Besitz GmbH
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2022-11-30
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: EP3928400B1; ES2948908T3; CN113454866A; US20220255308A1; EP3928425C0; WO2020169774A1; ES2944075T3; CN113474948A; CN113474948B; EP3928425A1; EP3700038A1; US20220190586A1; PL3928400T3; ES2951963T3; WO2020169753A1; WO2020169780A1; EP3928402B1; WO2020169765A1; PL3928402T3; ES2951982T3

Abstract

Un aparato y método para conmutar y/o proteger una carga conectada a dicho aparato, comprendiendo dicho aparato (1) un interruptor de alimentación (5) a través del cual la carga conectada recibe una corriente eléctrica; un componente sensor (4) conectado en serie con dicho interruptor de alimentación (5) y adaptado para generar directamente una caída de tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través del componente sensor (4) y a través del interruptor de alimentación (5).) a dicha carga; y un circuito controlador (6) adaptado para detectar una corriente de cortocircuito que se produzca dependiendo de la caída de voltaje generada por dicho componente sensor (4) y para apagar dicho interruptor de alimentación (5) al detectar una corriente de cortocircuito dentro de un interruptor corto. período de apagado para proteger dicho interruptor de alimentación (5) y dicha carga. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato para la conmutación y protección de una carga

[0001] La invención se refiere a un aparato utilizado para la conmutación y/o utilizado para la protección de una carga conectada al respectivo aparato.

[0002] El documento DE 11 2014 006358 T5 describe un circuito de excitación de motor[FB1] para la conmutación y protección de una carga que comprende un motor. Una inductancia está conectada en serie con un interruptor de alimentación y está adaptada para generar directamente una caída de tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de elevación de corriente de una corriente eléctrica que fluye a través de la inductancia y a través del interruptor de alimentación a la carga. Un circuito de excitación comprende un lado de alta tensión conectado a la inductancia y al interruptor de alimentación y un lado de baja tensión. El lado de alta tensión del circuito de excitación está separado galvánicamente por medio de un fotoacoplador de un controlador. Al detectar una sobrecorriente, el interruptor de alimentación se apaga automáticamente.

[0003] El documento US 2009/0310270 A1 describe un sistema de protección contra cortocircuitos de respuesta rápida (CC) con un interruptor de alimentación desde el cual una carga conectada puede recibir una corriente continua eléctrica. Un inductor se conecta en serie con el interruptor de alimentación. El inductor está adaptado para generar directamente una caída de tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de elevación de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través del inductor y a través del interruptor a la carga conectada. El sistema de protección contra cortocircuitos comprende un sensor de tensión y un controlador. Se activa una desconexión del interruptor si la tensión detectada cae por debajo de una tensión umbral. El controlador puede comparar la tensión en un nodo detectado por la detección de tensión con una tensión de referencia o umbral proporcionada al controlador por un nivel de desconexión de tensión. El sensor de tensión detecta un cortocircuito cuando la tensión en el nodo cae a cero.

[0004] El documento EP 0473428 A2 describe un circuito desconectador de sobrecorriente. El circuito desconectador de sobrecorriente comprende una derivación (shunt) que tiene una resistencia y una inductancia conectadas en serie con un conductor de alimentación y un interruptor de alimentación. La derivación está adaptada para proporcionar una señal de estado representativa de la corriente eléctrica en el conductor de alimentación en forma de una señal de tensión. Un circuito intermedio está adaptado para recibir la señal de estado y la transmite a un primer comparador que compara la señal de estado con una primera señal de referencia. Una señal de desconexión se produce automáticamente cuando la magnitud de la señal de estado excede la magnitud de la primera señal de referencia. La señal de desconexión responde predominantemente a la tasa de cambio de la corriente eléctrica en el conductor proporcionado entre la derivación y el interruptor de alimentación del circuito desconectador de sobrecorriente.

[0005] El documento DE 19839617 A1 describe un circuito de protección para redes de baja tensión. El documento D3 describe un procedimiento y aparato para una detección rápida de sobrecorriente en una red eléctrica.

[0006] El documento DE 19729599 C1 describe un procedimiento y una disposición para la detección de cortocircuitos en redes de baja tensión. Un valor trascendental de una corriente eléctrica se calcula a partir de un valor de la tasa de cambio de la corriente eléctrica. Este valor se multiplica por coeficientes para la comparación con un umbral.

[0007] Las cargas conectadas a un sistema de fuente de alimentación requieren protección contra sobrecarga y sobrecorriente. En un sistema eléctrico, la situación puede ocurrir cuando una sobrecorriente fluye a través de un conductor eléctrico que conduce a una generación excesiva de calor y daña el equipo eléctrico o la carga. Hay muchas causas diferentes para causar una sobrecorriente, incluyendo cortocircuitos, un diseño incorrecto del circuito o averías por puesta a tierra. Existe una variedad de dispositivos de protección de sobrecorriente convencionales, tales como fusibles, disyuntores electromecánicos o interruptores de alimentación de estado sólido. Los fusibles se funden cuando se produce una sobrecorriente, interrumpiendo así la corriente eléctrica y protegiendo la carga. Sin embargo, los fusibles se funden solo a amplitudes de corriente relativamente altas para que se pueda transferir mucha energía eléctrica a la carga conectada antes de que el fusible se funda, lo que aumenta el riesgo de dañar los componentes de la carga respectiva. Además, después de que se haya aclarado la causa de la sobrecorriente, es necesario reemplazar el fusible afectado.

[0008] Otros dispositivos de protección eléctrica emplean sensores de corriente para medir una corriente eléctrica que fluye a la carga conectada para detectar una situación crítica y para activar automáticamente un interruptor electrónico o electromecánico en caso de que surja la situación crítica. Un elemento de medición de corriente tal como un sensor de Hall puede medir la corriente eléctrica y suministrar los valores de medición a un controlador o lógica de control que puede apagar el componente de conmutación en caso de que la corriente medida exceda un valor umbral predeterminado. Algunos circuitos de protección convencionales utilizan interruptores semiconductores como los MOSFET para proteger las cargas conectadas contra sobrecorrientes. Con el aumento de las corrientes eléctricas que fluyen a través del interruptor semiconductor encendido, la caída de tensión a lo largo del interruptor semiconductor también aumenta para que ahí ocurra una mayor pérdida de alimentación en el interruptor semiconductor. El aumento de la pérdida de alimentación puede causar daños e incluso una destrucción del interruptor semiconductor y/o los componentes electrónicos dentro de la carga conectada. Por lo tanto, los circuitos de protección convencionales evalúan la caída de tensión a lo largo de su interruptor semiconductor y apagan el interruptor semiconductor en cuanto la caída de tensión excede un valor umbral. Sin embargo, este mecanismo de apagado convencional solo tiene lugar después de que la corriente eléctrica ya haya alcanzado una alta amplitud después de un largo período de apagado. Estos circuitos de protección convencionales funcionan relativamente lentos y requieren un alto nivel de corriente para activar el respectivo componente de conmutación. Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar un aparato de protección que proteja una carga conectada de manera más eficiente.

[0009] Este objeto se consigue por un aparato que comprende las características de la reivindicación 1.

[0010] El componente de sensor es un componente de hardware que se configura individualmente para el interruptor de alimentación asociado.

[0011] En una realización posible del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el componente de sensor comprende una bobina que está adaptada para generar una tensión de inducción dependiendo de la corriente eléctrica que fluye a través de dicho componente de sensor y a través de dicho interruptor de alimentación a la carga conectada.

[0012] Según el primer aspecto de la presente invención, el circuito de excitación está adaptado para determinar, basándose en la tensión de suma aplicada, una sobrecorriente que ocurre, en particular una corriente de cortocircuito, y/o una sobrecarga del interruptor de alimentación y está adaptado para apagar el interruptor de alimentación tras la detección de una sobrecorriente y/o tras la detección de una sobrecarga del interruptor de alimentación para proteger la carga conectada y/o para proteger el interruptor de alimentación dentro de un período de apagado de menos de 5 microsegundos.

[0013] El aparato según la presente invención proporciona preferentemente mecanismos de protección redundantes usando diferentes principios o técnicas de medición para proteger el interruptor de alimentación contra sobrecarga y/o contra una corriente de cortocircuito.

[0014] El circuito de excitación está adaptado para apagar el interruptor de alimentación automáticamente, si la tensión de suma aplicada excede una tensión umbral configurable dentro del período de apagado para proteger el propio aparato y la carga conectada contra la sobrecarga y/o contra una sobrecorriente de cortocircuito, en particular contra una corriente de cortocircuito.

[0015] Según la invención, el aparato comprende una unidad de medición de corriente que mide continuamente la corriente eléctrica que fluye a la carga conectada y notifica a una unidad de control del aparato sobre la corriente eléctrica medida.

[0016] La unidad de control está adaptada para determinar un estado de funcionamiento de la carga conectada en función del perfil de corriente de la corriente eléctrica medida por la unidad de medición de corriente y/o un estado de funcionamiento del aparato y está adaptada además para controlar el circuito de excitación tras la desviación de un intervalo de operación de carga predeterminado de modo que apague automáticamente el interruptor de alimentación dentro del período de apagado.

[0017] Según la invención, la unidad de control está adaptada para controlar el circuito de excitación del aparato en la recepción de un comando de control de modo que el interruptor de alimentación se encienda o bien se apague según el comando de control recibido.

[0018] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control de dicho aparato está adaptada para recibir el comando de control desde una interfaz de usuario de dicho aparato, desde un ordenador conectado a dicho aparato o desde un control de programa almacenado de un sistema de automatización.

[0019] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el interruptor de alimentación comprende un IGBT o un MOSFET de alimentación, en particular un MOSFET de SiC, un MOSFET de GaN o un MOSFET de ScAlN.

[0020] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el interruptor de alimentación se enciende después de un período de espera configurable y/o después de la eliminación exitosa de la causa de apagado y/o si se cumplen otras condiciones de encendido predeterminadas.

[0021] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, la carga comprende un motor multifásico que recibe a través del aparato varias fases de corriente eléctrica como corrientes de funcionamiento.

[0022] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, para cada fase de corriente eléctrica se proporciona al menos un componente de sensor y un interruptor de alimentación asociado conectado en serie con dicho componente de sensor y controlado por un circuito de excitación asociado de dicho aparato.

[0023] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, para cada fase de corriente eléctrica o dirección de corriente continua se proporciona un primer interruptor de alimentación para una semionda de corriente positiva de una corriente alterna y se proporciona un segundo interruptor de alimentación para una semionda de corriente negativa de la corriente alterna.

[0024] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, se proporciona un primer interruptor de alimentación para una corriente continua positiva y se proporciona un segundo interruptor de alimentación para una corriente continua negativa.

[0025] En una realización posible adicional del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el aparato comprende una interfaz de usuario adaptada para indicar un estado de funcionamiento del aparato.

[0026] Según la invención, el circuito de excitación comprende un lado de baja tensión conectado a la unidad de control y un lado de alta tensión conectado al interruptor de alimentación, donde el lado de baja tensión y el lado de alta tensión del circuito de excitación están separados galvánicamente entre sí.

[0027] A continuación, se describen con más detalle posibles realizaciones de los diferentes aspectos de la presente invención con referencia a las figuras adjuntas.

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de una posible realización ejemplar de un aparato de protección según el primer aspecto de la presente invención;

La figura 2 muestra un diagrama de flujo de una posible realización ejemplar de un procedimiento para realizar la protección de carga según el segundo aspecto de la presente invención;

La figura 3 muestra un diagrama de circuito de una posible realización ejemplar de un aparato de protección según la presente invención;

La figura 4 muestra un diagrama de bloques de una posible realización ejemplar de un circuito de excitación utilizado en el aparato 1 según la presente invención;

La figura 5 muestra esquemáticamente los diferentes mecanismos redundantes de medición y protección empleados por el procedimiento y el aparato según la presente invención.

[0028] Como se puede observar en el diagrama de bloques de la figura 1, se puede proporcionar un aparato 1 según la presente invención para la conmutación y/o protección de una carga conectada al aparato 1. En la realización ilustrada, el aparato 1 comprende un terminal de entrada 2 para recibir una fase de corriente eléctrica L (CA) de un sistema de fuente de alimentación. En un posible caso de uso, el terminal de entrada 2 también puede recibir una corriente continua. El aparato 1 comprende, en la realización ilustrada, un terminal de salida 3 para conectar una carga externa al aparato de protección 1. La carga puede ser, por ejemplo, un motor eléctrico. El aparato 1 comprende un componente de sensor 4 conectado en serie con un interruptor de alimentación 5. El interruptor de alimentación 5 comprende, en una realización preferida, un interruptor de alimentación semiconductor controlado por un circuito de excitación 6 asociado como se ilustra en la figura 1. El interruptor de alimentación 5 puede comprender, en una realización posible, un IGBT o un MOSFET de alimentación, en particular un MOSFET de SiC, un MOSFET de GaN o un MOSFET de ScAlN. Se ilustra una realización posible de un circuito de excitación 6 en el diagrama de bloques de la figura 4. La corriente eléctrica I suministrada al terminal de entrada 2 del aparato 1 fluye a través del componente de sensor 4 y el interruptor de alimentación 5 a al menos una carga conectada al aparato 1. En la realización ejemplar ilustrada de la figura 1, el aparato 1 comprende además una unidad de medición de corriente 7 que está adaptada para medir la corriente eléctrica I que fluye a la carga conectada. La unidad de medición de corriente 7 notifica a una unidad de control 8 del aparato 1 sobre la corriente eléctrica medida.

[0029] El componente de sensor 4 de hardware conectado en serie con el interruptor de alimentación 5 está adaptado para generar una tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de elevación de corriente de la corriente eléctrica I que fluye a través del componente de sensor 4 y a través del interruptor de alimentación 5 a la carga conectada al terminal de salida 3 del aparato 1. El circuito de excitación 6 está adaptado para detectar una sobrecorriente que ocurre, en particular una corriente de cortocircuito, dependiendo de la caída de tensión generada directamente por el componente de sensor 4 y para apagar el interruptor de alimentación 5 automáticamente tras la detección de una sobrecorriente en un período de tiempo muy corto para proteger la carga conectada. El componente de sensor 4 comprende, en una realización posible, una bobina que está adaptada para generar directamente una tensión de inducción Ul dependiendo de un cambio de la corriente eléctrica I que fluye a través del componente de sensor 4 y a través del interruptor de alimentación 5 a la carga conectada. La tensión de inducción Ul generada por la dl_

bobina 4 corresponde a la velocidad de elevación de corriente dt de una corriente eléctrica I que fluye a través del sensor 4 y a través del interruptor de alimentación 5 a la carga respectiva. La caída de tensión generada por el componente de sensor 4 y la caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación 5 se aplica, en la realización ilustrada, como una tensión de suma U al circuito de excitación 6. En caso de que el interruptor de alimentación 5 se implemente por un MOSFET, la caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación 5 corresponde a la tensión de drenaje-fuente —

^{U ds-}El componente de sensor 4 no solo mide la velocidad de elevación de corriente dt , sino que también proporciona protección del interruptor de alimentación al limitar la caída de tensión, por ejemplo, la tensión de drenaje-fuente de un MOSFET 5. El circuito de excitación 6 está adaptado para determinar, basándose en la tensión de suma U aplicada, una corriente de cortocircuito que ocurre y/o una sobrecarga del interruptor de alimentación 5 y está adaptado para apagar el interruptor de alimentación 5 tras la detección de una sobrecorriente y/o tras la detección de una sobrecarga del interruptor de alimentación para proteger tanto la carga conectada y/o como para proteger el interruptor de alimentación 5 del aparato 1 dentro de un período de apagado corto de menos de 5 microsegundos. En una realización preferida, el circuito de excitación 6 puede apagar el interruptor de alimentación 5 dentro de un período de apagado de menos de 2 microsegundos si la tensión de suma aplicada excede una tensión umbral Uth predeterminada. La tensión umbral Uth es configurable. Si la tensión de suma U aplicada excede la tensión umbral Uth configurada, el circuito de excitación 6 apaga automáticamente el interruptor de alimentación 5 dentro de un período de apagado corto de menos de 5 microsegundos, preferentemente dentro de un período de menos de 2 microsegundos. En una realización posible, el componente de sensor 4 comprende una bobina adaptada para medir di

la velocidad de elevación de corriente dt de la corriente eléctrica que fluye a través del componente de sensor 4. El componente de sensor 4 genera directamente una tensión de inducción U^lproporcional al cambio de la corriente eléctrica (dl/dt) que fluye a través de la bobina 4. En una realización posible, si la corriente eléctrica I tiene una velocidad de elevación de corriente de alrededor de 5 amperios por microsegundo, la tensión de inducción U^lgenerada aplicada al circuito de excitación 6 es suficiente para activar una operación de apagado del interruptor de alimentación 5 conectado en serie al componente de sensor 4. La inductividad L de la bobina 4 se adapta individualmente a las limitaciones físicas del interruptor de alimentación 5 usado. El componente de sensor 4 de hardware es muy robusto contra las influencias ambientales y no involucra ningún circuito electrónico para generar la tensión de detección U^l. En consecuencia, la probabilidad de que el componente de sensor 4 de hardware falle durante el funcionamiento del aparato 1 es muy baja. A diferencia de los circuitos electrónicos tales como diferenciadores, el uso de un componente de sensor de hardware, en particular una bobina, hace que el aparato 1 sea extremadamente robusto y aumenta su vida útil. La operación de apagado se realiza mediante el circuito de excitación 6 sin involucrar la unidad de control 8 de lentitud relativa. Por consiguiente, la operación de apagado activada por la tensión eléctrica generada físicamente por el componente de sensor 4 se realiza por componentes de hardware del circuito de excitación 6 como también se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 4. El componente de sensor 4 es muy sensible y genera una tensión de detección incluso antes de que una corriente eléctrica que fluye a la carga alcance un alto nivel de corriente que potencialmente puede dañar los componentes de la carga conectada. Por consiguiente, el aparato de protección 1 como se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 1 es más rápido por al menos un factor de aproximadamente 50 que los dispositivos de protección convencionales. Una operación de apagado muy rápida proporcionada por el circuito de excitación 6 de hardware garantiza que solo una pequeña parte de la energía eléctrica se transfiere a la carga conectada en caso de un escenario de sobrecorriente o corriente corta. Por consiguiente, incluso los componentes eléctricos sensibles de la carga conectada están protegidos eficientemente por el aparato de protección 1 según la presente invención. El aparato 1 según la presente invención no solo protege los componentes eléctricos de la carga conectada, sino también el interruptor de alimentación 5 integrado en el aparato 1. Por consiguiente, el aparato 1 como se ilustra en la figura 1 también proporciona autoprotección. La energía eléctrica en el interruptor de alimentación está limitada, en una realización posible, al 80% de una energía de operación predeterminada.

[0030] Después de apagar el interruptor de alimentación 5, es posible volver a encender el interruptor de alimentación 5 en caso de que se hayan cumplido las condiciones de encendido predeterminadas. Después de una eliminación exitosa de la causa de apagado, el interruptor de alimentación 5 se puede volver a encender. En consecuencia, el aparato 1 según la presente invención se puede usar nuevamente después de que se haya activado un apagado. En una realización posible, el interruptor de alimentación 5 se puede volver a encender después de que haya expirado un período de espera configurable y/o después de la eliminación exitosa de una causa de apagado.

[0031] Como se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 1, una unidad de control 8 está adaptada para controlar el circuito de excitación 6 en respuesta a un comando de control CMD. La unidad de control 8 puede recibir un comando de control CMD ya sea desde una interfaz de usuario del aparato 1 o desde un dispositivo remoto, en particular desde un ordenador conectado al aparato 1 o desde una unidad de control de programa almacenada de un sistema de automatización. La unidad de medición de corriente 7 puede, por ejemplo, comprender un sensor de Hall que está adaptado para medir continuamente la corriente eléctrica I que fluye a la carga conectada y suministra a la unidad de control 8 los valores de medición que indican la corriente eléctrica medida.

[0032] La unidad de control 8 está adaptada para determinar un estado de funcionamiento de la carga conectada en función del perfil de corriente de la corriente eléctrica I medida por la unidad de medición de corriente 7. La unidad de control 8 puede controlar el circuito de excitación 6 tras la desviación de un intervalo de operación de carga predeterminado de modo que apague automáticamente el interruptor de alimentación 5. Además, la unidad de control 8 está adaptada para controlar el circuito de excitación 6 del aparato 1 en la recepción de un comando de control CMD de modo que el interruptor de alimentación 5 se encienda o bien se apague según el comando CMD recibido. Por consiguiente, la unidad de control 8 controla las operaciones normales de encendido/apagado en respuesta a un comando CMD recibido o en caso de que el perfil de corriente medido indique una sobrecarga de la carga conectada. Sin embargo, la operación de desconexión activada por sobrecorriente realizada por el circuito de excitación 6 en respuesta a la tensión de suma Ui aplicada tiene la mayor prioridad y se puede realizar muy rápidamente ya que no involucra la unidad de control 8.

[0033] La unidad de control 8 puede comprender un microprocesador que calcula el estado actual del interruptor de alimentación 5, en particular la potencia de disipación de corriente y/o temperatura de funcionamiento. La unidad de control 8 puede emitir una alarma preventiva en caso de que la potencia monitorizada del interruptor de alimentación 5 o la temperatura del interruptor de alimentación 5 exceda los límites admisibles. La unidad de control 8 puede observar una tendencia de la potencia y la temperatura del interruptor de alimentación 5 y activar un apagado en caso de que se haya alcanzado un intervalo crítico.

[0034] En la realización ilustrada de la figura 1, el aparato 1 comprende una única entrada 2 y una única salida 3. En una realización posible, el aparato 1 se puede utilizar para una carga multifásica que recibe varias fases de corriente L1, L2, L3. Para cada fase de corriente L, se puede proporcionar un componente de sensor 4 separado y un interruptor de alimentación 5 asociado conectado a un circuito de excitación 6 asociado. Por consiguiente, en una realización trifásica, el aparato 1 según la presente invención comprende un circuito de excitación 6 asociado para cada fase de corriente, es decir, un total de tres circuitos de excitación 6 cada uno conectado a un elemento sensor 4 correspondiente y a un interruptor de alimentación 5 correspondiente. En una realización posible, para cada fase de corriente L eléctrica, se puede proporcionar un primer interruptor de alimentación para una semionda de corriente positiva de la corriente alterna aplicada y se proporciona un segundo interruptor de alimentación para una semionda de corriente negativa de la corriente alterna. El primer y segundo interruptor de alimentación se pueden conectar a través de un circuito rectificador de puente con un circuito de excitación 6 asociado.

[0035] La fase de corriente L aplicada puede comprender una frecuencia de, por ejemplo, 50 a 60 Hz. En una realización posible, el componente de sensor 4 comprende una bobina con una inductividad de menos de 1 milihenrio.

[0036] En una realización posible, la unidad de control 8 es programable y puede hacer uso de un modelo programado de los componentes implementados en la carga conectada y/o implementados en el propio aparato 1. En una realización posible, se pueden configurar los parámetros de modelo del modelo empleado. Estos parámetros pueden, por ejemplo, comprender la corriente de funcionamiento normal de la carga conectada, así como la clase de desconexión de la carga conectada. En una realización posible, la unidad de control 8 está adaptada para derivar, en función de los perfiles de corriente medidos por la unidad de medición de corriente 7 y en función de al menos un parámetro de la carga conectada, un perfil de temperatura de los componentes de la carga conectada y/o de los componentes del aparato 1 y puede controlar el circuito de excitación 6 para apagar el interruptor de alimentación 5 si se detecta una desviación de un intervalo de temperatura predeterminado. El parámetro puede comprender, por ejemplo, una corriente establecida o una clase de desconexión de la carga. Además, la unidad de control 8 puede programarse con un período de espera configurable. Por ejemplo, dependiendo del perfil de temperatura derivado, un período de espera correspondiente tiene que expirar antes de que el interruptor de alimentación 5 pueda volver a encenderse. El aparato 1 como se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 1 se puede utilizar para cualquier tipo de cargas, es decir, cargas inductivas, cargas capacitivas o cargas óhmicas. La carga comprende uno o más parámetros de carga. La carga puede ser, por ejemplo, un motor con una potencia de motor de, por ejemplo, 1,5 kW, una tensión de alimentación de 400 voltios, una corriente nominal de 3,6 amperios con una clase de desconexión 10. La carga conectada se separa de la fuente de alimentación antes de que la corriente eléctrica I alcance un alto nivel de corriente o amplitud. El circuito de excitación 6 puede funcionar independientemente de la unidad de control 8 para apagar un interruptor de alimentación 5 asociado dentro de un breve tiempo de reacción en caso de que la tensión de suma aplicada exceda una tensión umbral U^thconfigurable. La caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación 5 corresponde a la amplitud o nivel de la corriente eléctrica que fluye. La caída de tensión a lo largo del componente de sensor 4 corresponde a la velocidad de elevación de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través del componente de sensor 4 y a través del interruptor de alimentación 5 a la carga respectiva. En los estados de funcionamiento críticos, se añaden ambas caídas de tensión y se aplican al circuito de excitación 6 de modo que ya se puede detectar un estado de funcionamiento crítico en la fase inicial de su ocurrencia. La aplicación de una tensión de suma Ui a un chip de circuito de excitación 6 integrado como se muestra en la figura 4 requiere solo un pin de entrada del chip, promoviendo así la miniaturización del aparato 1.

[0037] El circuito de excitación 6 controla un interruptor de alimentación 5 asociado que comprende, en una realización preferida, un MOSFET de nitruro de galio que tiene una resistencia de alta tensión de al menos 800 voltios en el estado de apagado y que tiene una baja impedancia en su estado de encendido. En una realización posible adicional, el interruptor de alimentación 5 también puede comprender un MOSFET de alimentación de SiC o un MOSFET de ScAlN.

[0038] Como también se ilustra en la figura 5, el aparato 1 comprende varios mecanismos de protección redundantes que usan diferentes técnicas de medición.

[0039] El aparato 1 como se ilustra en la figura 1 y la figura 5 comprende varios mecanismos de protección, en particular un primer mecanismo de protección proporcionado por el componente de sensor 4, un segundo mecanismo de protección proporcionado por la caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación 5 y un tercer mecanismo de protección proporcionado por la unidad de medición de corriente 7. En caso de una corriente de cortocircuito, el componente de sensor 4 y el interruptor de alimentación 5 activan el circuito de excitación 6 para realizar una operación de apagado muy rápida. La unidad de medición de corriente 7 proporciona además protección en caso de sobrecarga. Por consiguiente, el aparato de protección 1 proporciona una protección electrónica contra sobrecarga y sobrecorriente que se puede utilizar nuevamente después de que el interruptor de alimentación 5 se haya apagado, en particular después de que haya expirado un período de espera programable.

[0040] La figura 2 muestra un diagrama de flujo de un posible procedimiento ejemplar para conmutar y proteger la carga. En el ejemplo ilustrado, el procedimiento comprende dos etapas principales.

[0041] En una primera etapa S1, una caída de tensión correspondiente a una velocidad de elevación de corriente de una corriente eléctrica I que fluye a través de un interruptor de alimentación 5 a una carga se genera directamente en un componente de sensor 4. En una posible implementación, la caída de tensión detectada se puede generar mediante un componente de sensor 4, en particular mediante una bobina. La caída de tensión detectada se genera física e instantáneamente por un componente de sensor 4 de hardware tal como una bobina. El componente de sensor 4 se adapta físicamente a los requisitos físicos del interruptor de alimentación 5 asociado conectado en serie con el componente de sensor 4. Por ejemplo, la inductancia de una bobina utilizada como un componente de sensor se configura individualmente al límite de potencia del interruptor de alimentación 5 respectivo.

[0042] En una etapa S2 adicional, el interruptor de alimentación 5 se apaga automáticamente si la caída de tensión en el componente de sensor 4 más una caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación 5 en sí excede una tensión umbral U^thpreconfigurada. El apagado en la etapa S2 se realiza, en una realización preferida, muy rápido en un período de tiempo de menos de 5 microsegundos y, en una realización preferida, en un período de apagado de menos de 2 microsegundos.

[0043] La figura 3 muestra un diagrama de circuito de una posible realización ejemplar de un aparato 1 para la conmutación y/o protección de una carga conectada al aparato 1. En la realización ilustrada, el aparato 1 comprende un terminal de entrada 2 para recibir una corriente de fase L de una fuente de corriente que tiene, por ejemplo, una tensión de 400 voltios. En la realización ejemplar ilustrada, hay una ruta de señal desde el terminal de entrada 2 hasta el terminal de salida 3 que comprende dos pares de interruptores de alimentación 5 y componentes de sensor 4 asociados. El circuito ilustrado de la figura 3 es simétrico para las semiondas de corriente positiva y las semiondas de corriente negativa de una corriente alterna suministrada al aparato 1. Entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 del aparato 1, se proporciona una primera bobina 4-1 y una segunda bobina 4-2. Cada bobina 4-1, 4-2 comprende un interruptor de alimentación 5-1, 5-2 asociado como se ilustra en el diagrama de circuito de la figura 3. En la implementación ejemplar ilustrada, ambas bobinas 4-1, 4-2 tienen una inductividad de 2.2 microhenrios. En la realización ilustrada, los interruptores de alimentación 5-1, 5-2 se implementan mediante MOSFET de alimentación. Se puede proporcionar un varistor VAR en una posible implementación para eliminar las perturbaciones. En la implementación ilustrada, los diodos D pueden conectarse en paralelo a cada bobina 4-1, 4-2 para reducir la autoinducción. Los interruptores de alimentación 5-1, 5-2 están conectados a un circuito rectificador de puente que comprende, en la realización ilustrada, dos pares de transistores Q1 a Q4 complementarios. En el lado de salida del circuito rectificador de puente, se pueden proporcionar condensadores C para proporcionar un retraso mínimo predeterminado. Ambos resistores R1, R2 comprenden una resistencia que se puede configurar para ajustar la sensibilidad del circuito ilustrado en la figura 3. Como puede verse en la figura 3, el circuito de excitación 6 está conectado a la salida del circuito rectificador de puente para recibir la tensión de suma del interruptor de alimentación 5-1 o 5-2 y el componente de sensor 4-1 o 4-2 y para aplicar tensiones de control de retorno a las compuertas de los dos interruptores de alimentación 5-1, 5-2 ilustrados. El circuito de excitación 6 está adaptado para detectar una sobrecorriente que ocurre, en particular una corriente de cortocircuito, dependiendo de las tensiones generadas directamente por el componente de sensor 4-1 o el componente de sensor 4-2 y para apagar el interruptor de alimentación 5-1 o 5-2 asociado tras la detección de una corriente de cortocircuito que fluye a través de la trayectoria de corriente entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 dentro de un breve período de tiempo para proteger cualquier carga conectada al terminal de salida 3 del aparato 1.

[0044] La figura 4 muestra un diagrama de bloques de una posible realización ejemplar del circuito de excitación 6 utilizado en el aparato 1 según la presente invención. En la realización ejemplar ilustrada, el circuito de excitación 6 comprende un único accionador IGBT IC 1ED020/12-B2 fabricado por la empresa Infineon Technologies. Como se puede observar a partir del diagrama de bloques de la figura 4, el circuito de excitación 6 comprende dos mitades de circuito separadas galvánicamente separadas por los transformadores T1, T2. El lado izquierdo del circuito de excitación 6 ilustrado en la figura 4 está conectado a la unidad de control 8 para recibir señales de control de la unidad de control 8, en particular en respuesta a los comandos de control CMD o dependiendo de los perfiles de corriente medidos. El lado de baja tensión en el lado izquierdo del diagrama de circuito de la figura 4 está conectado a través de transformadores al lado de alta tensión proporcionado en el lado derecho del circuito ilustrado en la figura 4. La tensión de suma que consiste en la caída de tensión a lo largo del componente de sensor 4 y la caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación 5 se aplica al pin de entrada DESAT del circuito de excitación 6 y se compara mediante un comparador K3 con una tensión umbral U^thconfigurable de, por ejemplo, 9 voltios como se ilustra en la figura 4. Si se excede la tensión umbral configurable, una señal binaria viaja a través de varias compuertas para accionar un amplificador operativo y para generar una salida de señal de apagado de control a las compuertas de los MOSFET de alimentación 5-1, 5-2 para apagar ambos MOSFET de alimentación en un tiempo de reacción muy corto de menos de 5 microsegundos. El circuito de excitación 6 ilustrado en la figura 4 comprende dos partes separadas galvánicamente. El circuito de excitación 6 puede conectarse a un DSP o microcontrolador de 5 voltios estándar que forma parte de la unidad de control 8, donde las entradas/salidas de CMOS están conectadas a un lado de baja tensión. Como se puede observar en el diagrama de circuitos de la figura 4, se proporciona un bucle de apagado utilizado para apagar los interruptores de alimentación 5-1, 5-2 en respuesta a la tensión de suma aplicada solo en el lado de alta tensión del circuito de excitación 6 de modo que el tiempo de reacción sea muy corto debido a los pequeños tiempos de propagación de las señales lógicas a través de las compuertas lógicas de la parte de alta tensión del circuito de excitación 6. El bucle de protección de apagado no incluye la unidad de control 8 utilizada principalmente para las operaciones normales de encendido/apagado en respuesta a los comandos CMD de encendido/apagado recibidos.

[0045] En una realización posible, el componente de sensor 4 y el interruptor de alimentación 5, así como el circuito de excitación 6, se pueden proporcionar en una placa de circuito impreso común.

[0046] En una realización posible, el componente de sensor 4 se puede implementar mediante otro componente que no sea una bobina, en particular mediante un resistor con un circuito de medición local correspondiente adaptado para generar directamente una tensión eléctrica U correspondiente a una velocidad de elevación de corriente de una corriente eléctrica I que fluye a través del resistor de detección respectivo. El resistor puede ser un resistor NTC o PTC. La resistencia del resistor 4 usado puede depender de la temperatura. Además, la resistencia dependiente de la temperatura se puede configurar individualmente para las limitaciones físicas del interruptor de alimentación 5 asociado.

[0047] En una realización posible adicional, un modelo de datos de la carga conectada puede almacenarse en una memoria y evaluarse mediante un procesador de la unidad de control 8 para proporcionar protección contra sobrecarga de la carga conectada. En una realización posible, el aparato 1 puede comprender una interfaz de usuario adaptada para señalar un estado de funcionamiento de corriente del aparato 1, en particular de sus interruptores de alimentación. En una posible implementación, la interfaz de usuario puede indicar qué mecanismo de seguridad ha activado el apagado del interruptor de alimentación 5 integrado. En esta implementación, se puede informar a un usuario u operador del sistema de automatización si el apagado del interruptor de alimentación 5 se ha causado por una velocidad de elevación de corriente alta detectada de la corriente eléctrica o debido a una sobrecarga determinada o detectada del interruptor de alimentación 5 o causada por una detección de sobrecarga en vista de los perfiles de corriente medidos por la unidad de medición de corriente 7. En una realización aún más posible, la información sobre la causa del apagado del interruptor de alimentación 5 también se puede emitir a través de una interfaz de datos del aparato 1, por ejemplo, a un controlador remoto de un sistema de automatización que incluye la carga protegida conectada al aparato 1. En una realización aún más posible, el aparato de protección 1 puede comprender una memoria de datos local para almacenar datos de registro. Los datos de registro pueden comprender datos sobre las operaciones de apagado realizadas durante la operación de un sistema de automatización o durante la operación de una carga conectada. En una realización posible, los datos de registro memorizados se pueden evaluar para analizar los estados de funcionamiento críticos que se han producido durante el funcionamiento del sistema de automatización.

[0048] En una realización posible, un circuito de relé se puede conectar en serie con el interruptor de alimentación 5. Los circuitos de relé se pueden usar para cambiar la secuencia de fases de fuente de alimentación y para proporcionar una separación galvánica. Durante una operación de apagado controlada por el circuito de excitación 6 o por la unidad de control 8, el interruptor de alimentación 5 se apaga antes del circuito de relé asociado, mientras que, durante una operación de encendido bajo el control del circuito de excitación 6 o la unidad de control 8, el circuito de relé se enciende antes del interruptor de alimentación 5. Esto minimiza el desgaste por contacto del circuito del relé y aumenta la seguridad contra fallas del interruptor de alimentación 5. Además, esta secuencia de encendido y apagado permite detectar fallas del interruptor de alimentación 5.

[0049] En una realización posible adicional, se pueden cargar diferentes modelos para diferentes cargas a una memoria de configuración de la unidad de control 8 para proporcionar protección de carga coincidente para la carga respectiva dependiendo de los perfiles de corriente medidos y dependiendo de al menos un parámetro de carga de la carga conectada. En una realización posible, los modelos de datos se pueden descargar desde una base de datos central conectada a la unidad de control 8 a través de una red de datos. Dependiendo del tipo de la carga conectada, se pueden cargar diferentes modelos de datos correspondientes en la memoria de configuración de la unidad de control 8 y evaluarse en vista de los perfiles de corriente medidos proporcionados por la unidad de medición de corriente 7.

[0050] La figura 5 muestra esquemáticamente la arquitectura de funcionamiento del aparato 1 según la presente invención que comprende mecanismos de protección redundantes y diferentes técnicas de medición para proporcionar protección contra sobrecarga y protección contra sobrecorriente para el propio aparato 1, en particular su interruptor de alimentación 5, y también para la carga conectada al aparato 1. Los diferentes mecanismos de di

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protección redundantes difieren en lo que detectan ^ ' máx’ límite' continuad’ sus respectivos tiempos de reacción y la precisión de medición como también se ilustra en la figura 5. Incluso si un mecanismo de protección puede fallar, se puede aplicar aún otro mecanismo de protección.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aparato para la conmutación y/o protección de una carga conectada a dicho aparato (1), el cual está compuesto por:

- un interruptor de alimentación (5), a través del cual la carga conectada recibe una corriente eléctrica, I;

- un componente de sensor (4) conectado en serie con dicho interruptor de alimentación (5) y adaptado para generar directamente una caída de tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de elevación de corriente de la corriente eléctrica, I, que fluye a través del componente de sensor (4) y a través del interruptor de alimentación (5) a dicha carga;

- un circuito de excitación (6) que tiene un lado de baja tensión y un lado de alta tensión separados galvánicamente entre sí y que está adaptado para detectar una sobrecorriente que se produce dependiendo de una caída de tensión generada por dicho componente de sensor (4) más una caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación (5) y para apagar dicho interruptor de alimentación (5) tras la detección de una sobrecorriente para proteger dicho interruptor de alimentación (5) y dicha carga contra la sobrecorriente, donde la caída de tensión generada por el componente de sensor (4) más la caída de tensión a lo largo del interruptor de alimentación (5) se aplica como una tensión de suma, Ui, a un pin de entrada (DESAT) del lado de alta tensión de dicho circuito de excitación (6),

donde el circuito de excitación (6) está configurado además para comparar la tensión de suma aplicada al pin de entrada (DESAT) del lado de alta tensión del circuito de excitación (6) por un comparador (K3) con una tensión umbral (Uth) configurable, donde, si se excede la tensión umbral (Uth) configurable, una señal binaria viaja a través de varias compuertas lógicas del lado de alta tensión del circuito de excitación (6) para generar una salida de señal de apagado de control a la compuerta del interruptor de alimentación (5) de modo que se proporciona un bucle de apagado utilizado para apagar el interruptor de alimentación (5) solo en el lado de alta tensión del circuito de excitación (6),

donde dicho aparato (1) comprende además una unidad de control (8) adaptada para controlar el lado de baja tensión del circuito de excitación (6) del aparato (1) al recibir un comando de control (CMD) de modo que el interruptor de alimentación (5) se enciende o bien se apaga según el comando de control (CMD) recibido, donde el circuito de excitación (6) está adaptado para funcionar independientemente de la unidad de control (8) de dicho aparato (1) para apagar el interruptor de alimentación (5) si la tensión de suma, Ui, aplicada excede la tensión umbral (Uth) configurable,

donde la unidad de control (8) está adaptada para controlar el lado de baja tensión del circuito de excitación (6) para apagar el interruptor de alimentación (5) si un perfil de corriente de la corriente eléctrica medida por una unidad de medición de corriente de carga (7) de dicho aparato (1) indica una sobrecarga de la carga conectada a dicho aparato (1).

2. El aparato según la reivindicación 1, donde el componente de sensor (4) comprende una bobina, que está adaptada para generar una tensión de inducción, U^l, dependiendo de la corriente eléctrica, I, aplicada a un terminal de entrada (2) de dicho aparato (1) y que fluye a través de dicho componente de sensor (4) y a través del interruptor de alimentación (5) y a través de la unidad de medición de corriente (7) a la carga conectada, donde el terminal de entrada (2) está adaptado para recibir una fase de corriente alterna eléctrica, L, desde un sistema de fuente de alimentación.

3. El aparato según la reivindicación 1 o 2, donde el circuito de excitación (6) está adaptado para determinar, basándose en la tensión de suma, Ui, aplicada, una sobrecorriente que ocurre, en particular una sobrecorriente de cortocircuito, y/o una sobrecarga del interruptor de alimentación (5) y está adaptado para apagar el interruptor de alimentación (5) tras la detección de una sobrecorriente y/o tras la detección de una sobrecarga del interruptor de alimentación (5) para proteger la carga conectada y/o para proteger el interruptor de alimentación (5).

4. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3, que comprende mecanismos de protección redundantes que utilizan diferentes técnicas de medición para proteger el interruptor de alimentación (5) contra sobrecarga y/o una sobrecorriente.

5. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4, donde el circuito de excitación (6) está adaptado para apagar el interruptor de alimentación (5) automáticamente, si la tensión de suma, Ui, aplicada excede la tensión de umbral, U^th, configurable para proteger el propio aparato (1) y la carga contra sobrecarga y/o una sobrecorriente.

6. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 5, donde la unidad de medición de corriente (7) está adaptada para medir continuamente la corriente eléctrica, I, que fluye a la carga conectada y notifica a la unidad de control (8) del aparato (1) sobre la corriente eléctrica, I, medida.

7. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 6, donde la unidad de control (8) de dicho aparato (1) está adaptada para recibir el comando de control (CMD) desde una interfaz de usuario de dicho aparato (1), desde un ordenador conectado a dicho aparato (1) o desde un control de programa almacenado de un sistema de automatización.

8. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 7, donde el interruptor de alimentación (5) comprende un transistor IGBT o un transistor MOSFET de alimentación, en particular un MOSFET de SiC, un MOSFET de GaN o un MOSFET de ScAlN.

9. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 8, donde el interruptor de alimentación (5) se enciende después de un período de espera configurable y/o después de la eliminación exitosa de la causa de apagado y/o si se cumplen otras condiciones de encendido predeterminadas.

10. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 9, donde la carga comprende un motor multifásico que recibe a través del aparato (1) varias fases de corriente alterna eléctricas, L, como corrientes de funcionamiento.

11. El aparato según la reivindicación 10, donde el aparato (1) comprende para cada fase de corriente alterna eléctrica, L, al menos un componente de sensor (4) y un interruptor de alimentación (5) asociado conectado en serie con dicho componente de sensor (4) y controlado por un circuito de excitación (6) asociado de dicho aparato (1).

12. El aparato según las reivindicaciones 10 u 11, donde para cada fase de corriente alterna eléctrica, L, se proporciona un primer interruptor de alimentación (5-1) para una semionda de corriente positiva de la corriente alterna y donde se proporciona un segundo interruptor de alimentación (5-2) para una semionda de corriente negativa de la corriente alterna.

13. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 12, que comprende una interfaz de usuario adaptada para indicar un estado de funcionamiento de dicho aparato (1).

14. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 13, donde el lado de baja tensión y el lado de alta tensión del circuito de excitación (6) están separados galvánicamente entre sí por transformadores (T1, T2).