ES2948908T3 - Un aparato para proteger y controlar una carga eléctrica - Google Patents

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Abstract

Caída (ΔU5) a lo largo del interruptor de alimentación (5) y adaptado para apagar dicho interruptor de alimentación (5) tras la detección de una sobrecorriente dentro de un período de apagado de menos de un milisegundo; y/o que comprende un circuito de control de suministro de energía (1C) que tiene un componente sensor (9) adaptado para medir en el terminal de entrada (2) un voltaje de suministro (U) notificado a una unidad de control (8) del aparato de control y protección de carga. (1) adaptado para controlar una energía eléctrica suministrada a la carga eléctrica, en donde cada terminal de entrada (2) está configurado para establecer una conexión eléctrica con una barra colectora (14) de un sistema de barras colectoras o con un cable portador de corriente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Un aparato para proteger y controlar una carga eléctrica
La invención se refiere a un método y aparato para controlar un fuente de alimentación a una carga eléctrica conectada al aparato y protegida por el aparato contra sobrecorriente y/o sobrecarga. La carga puede comprender una carga inductiva tal como un motor eléctrico o cargas capacitivas y/o resistivas.
El documento DE 112014006358 T5 describe un controlador conectado a través de acopladores ópticos a circuitos de control de puerta proporcionados para conmutadores de semiconductores. El circuito de control de puerta utiliza una tensión a lo largo de una bobina para controlar la puerta del conmutador semiconductor asociado.
El documento US 2009/0310270 A1 describe un sistema de protección contra cortocircuitos de respuesta rápida con reinicio automático para su uso en un circuito alimentado por energía de CC. Se proporciona un sensor de tensión para detectar una tensión a lo largo de un conmutador y un inductor.
El documento CN 103050944 B divulga un controlador de motor de tracción con un módulo de control de protección de bucle cerrado de relé de barras colectoras positivas, un módulo de control de protección lógica contra sobretensión, sobrecorriente y sobretemperatura, un inversor trifásico, un módulo para medir la temperatura de cada IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) del inversor y un módulo de detección de aislamiento del controlador del motor de tracción. Los motores eléctricos forman cargas que operan a través de la interacción entre el campo magnético del motor y una corriente eléctrica en un bobinado de alambre para generar una fuerza mecánica en forma de rotación de un eje. En general, los motores eléctricos pueden alimentarse por fuentes de corriente continua tales como baterías o rectificadores o por fuentes de corriente alterna tales como una red eléctrica, un inversor o un generador eléctrico. Hay diferentes tipos de motores eléctricos, en particular motores asíncronos y motores síncronos. Las cargas, en particular los motores eléctricos, conectadas a un sistema de fuente de alimentación requieren protección contra sobrecarga y/o sobrecorriente. En un sistema eléctrico, puede ocurrir una situación en la que fluya una sobrecorriente a través de un conductor eléctrico que conduce a una generación excesiva de calor y dañe el equipo eléctrico o la carga. La carga puede comprender una carga resistiva, una carga capacitiva o una carga inductiva, tal como un motor eléctrico M. Puede haber muchas causas diferentes para causar una sobrecorriente, incluidos los cortocircuitos, un diseño de circuito incorrecto o fallos en la puesta a tierra. Además, existe diversos dispositivos de protección contra sobrecorriente convencionales, tales como fusibles, disyuntores electromecánicos o conmutadores de alimentación de estado sólido. Los fusibles se derriten cuando ocurre una sobrecorriente, lo que interrumpe por tanto la corriente eléctrica y, en consecuencia, protege la carga conectada. Sin embargo, los fusibles se derriten solo a amplitudes de corriente relativamente altas, de modo que se puede transferir mucha energía eléctrica a la carga conectada, tal como un motor eléctrico, antes de que el fusible se derrita. Esto aumenta el riesgo de dañar los componentes del motor eléctrico conectado. Además, después de que se haya eliminado la causa de la sobrecorriente, es necesario reemplazar el fusible afectado.
Un motor eléctrico como carga puede comprender una alimentación nominal. En ingeniería eléctrica, la alimentación nominal de un equipo es la entrada de alimentación más alta que se permite fluir a través del equipo respectivo. La protección contra sobrecorriente protege el equipo eléctrico contra corrientes excesivas o corrientes más allá de las corrientes nominales aceptables, que puede resultar de cortocircuitos, fallos de puesta a tierra y condiciones de sobrecarga. En contraste, la protección contra sobrecarga protege contra una situación donde la corriente de sobrecarga provoca el sobrecalentamiento del equipo eléctrico protegido.
Se puede usar un relé de sobrecorriente como protección contra sobrecarga (térmica) para proteger las cargas resistivas. Sin embargo, para cargas inductivas, el relé de sobrecorriente no puede servir como protección contra sobrecarga. Los relés de sobrecarga normalmente tienen un ajuste de tiempo más largo que los relés de sobrecorriente.
Los dispositivos de protección eléctrica pueden emplear sensores de corriente para medir una corriente eléctrica que fluye hacia la carga conectada para detectar una situación crítica y activar automáticamente un conmutador electrónico o electromecánico en caso de que surja una situación crítica. Un elemento de medición de corriente, tal como un sensor Hall, puede medir la corriente eléctrica y suministrar los valores de medición a un controlador o lógica de control que puede desconectar el componente de conmutación en caso de que la corriente medida supere un valor umbral predeterminado. Los sensores de protección convencionales usan conmutadores semiconductores tales como los MOSFET para proteger las cargas conectadas contra sobrecorrientes. Con el aumento de las corrientes eléctricas que fluyen a través del conmutador de semiconductores conectado, la caída de tensión a lo largo del conmutador de semiconductores también aumenta, de modo que se produce una mayor pérdida de alimentación en el conmutador de semiconductores. El aumento de la pérdida de alimentación puede provocar daños e incluso la destrucción del conmutador de semiconductores y/o los componentes electrónicos dentro del motor eléctrico conectado. Por lo tanto, los circuitos de protección convencionales evalúan la caída de tensión a lo largo de su conmutador de semiconductores y pueden desconectar el conmutador de semiconductores tan pronto como la caída de la tensión supere un valor umbral. Sin embargo, este mecanismo de desconexión convencional entra en operación sólo después de que la corriente eléctrica ya haya alcanzado una gran amplitud después de un período de desconexión relativamente largo. Estos circuitos de protección convencionales funcionan comparativamente lentos y requieren un alto nivel de corriente para activar el respectivo componente de conmutación.
Por consiguiente, un objetivo de la presente invención es proporcionar un aparato que esté adaptado para controlar una fuente de alimentación a una carga eléctrica y que proteja la carga eléctrica conectada de forma eficiente. Este objetivo se logra mediante un aparato de protección y control de carga que comprende las características de la reivindicación 1.
Las posibles realizaciones del aparato de carga y protección se definen en las reivindicaciones subordinadas 2 a 22. La carga conectada puede comprender diferentes tipos de carga, que incluyen una carga resistiva, una carga capacitiva y/o una carga inductiva.
En una posible realización del aparato de protección y control de carga, en donde cada terminal de entrada comprende un contacto eléctrico saliente. Los contactos eléctricos salientes en los terminales de entrada pueden configurarse para insertarse en las ranuras de contacto correspondientes de las barras colectoras o de un adaptador de barras colectoras.
En una posible realización del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el aparato de protección y control de carga comprende además un circuito de protección contra sobrecarga que tiene un componente de sensor adaptado para medir continuamente la corriente de carga que fluye hacia el terminal de salida notificada a la unidad de control del aparato de protección y control de carga adaptado para determinar un estado de sobrecarga y/o tipo de la carga eléctrica basándose en el perfil de corriente de carga medido. En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, una unidad de control está adaptada para controlar el circuito de accionamiento para desconectar el conmutador de alimentación si la unidad de control determina un estado de sobrecarga de la carga eléctrica.
En todavía otra posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el componente de sensor del circuito de protección contra sobrecorriente comprende una bobina que está adaptada para generar una caída de tensión de inducción dependiendo de la velocidad de aumento de la corriente de carga que fluye a través del componente de sensor del circuito de protección contra sobrecorriente.
En todavía otra posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el componente de sensor del circuito de protección contra sobrecarga comprende un sensor Hall adaptado para medir continuamente la corriente de carga que fluye a través del terminal de salida del aparato de protección y control de carga para proporcionar el perfil de corriente de carga.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el circuito de control de la fuente de alimentación tiene un componente de sensor formado por un divisor de tensión adaptado para suministrar una fracción de la tensión de alimentación en el terminal de entrada a la unidad de control del aparato de protección y control de carga para proporcionar un perfil de tensión de alimentación. En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el componente de sensor del circuito de protección contra sobrecarga y el componente de sensor del circuito de control de fuente de alimentación están conectados a convertidores de analógico a digital asociados adaptados para convertir el perfil de corriente de carga analógico medido y el perfil de tensión de alimentación medido en valores de medición correspondientes almacenados en un memoria de datos de la unidad de control como datos de perfil de corriente de carga y datos de perfil de tensión de alimentación.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, un procesador de la unidad de control está adaptado para calcular un factor de alimentación basándose en los datos del perfil de corriente de carga y los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos de la unidad de control.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la carga eléctrica es un motor eléctrico que comprende como modos de funcionamiento un modo de funcionamiento inactivo en donde el motor eléctrico está desconectado y la velocidad de rotación del motor eléctrico es cero,
un modo de funcionamiento de arranque en donde se arranca el motor eléctrico y se aumenta la velocidad de rotación del motor eléctrico,
un modo de funcionamiento de estado estable en donde la velocidad de rotación del motor eléctrico se mantiene constante, y un modo de funcionamiento de parada en donde se detiene el motor eléctrico y se reduce la velocidad de rotación del motor eléctrico.
De acuerdo con la presente invención, el circuito de accionamiento está adaptado para desconectar el conmutador de alimentación automáticamente, si la tensión suma aplicada supera una tensión de umbral configurable dentro del período de desconexión para proteger el propio aparato de protección y control de carga y la carga eléctrica contra sobrecarga y/o contra sobrecorriente.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, un procesador de la unidad de control está adaptado para determinar un modo de funcionamiento y/o un estado de funcionamiento específico de la carga eléctrica conectada procesando los datos del perfil de corriente de carga y/o los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos de la unidad de control.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control está adaptada para controlar el circuito de accionamiento del aparato de protección y control de carga al recibir una orden de control de manera que el conmutador de alimentación se conecta o desconecta de acuerdo con el comando de control recibido.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control del aparato de protección y control de carga está adaptada para recibir el comando de control desde una interfaz de usuario del aparato de protección y control de carga, desde un ordenador conectado a dicho aparato de protección y control de carga o desde un control de programa almacenado de un sistema de automatización. El comando de control se puede suministrar también por medio de comunicación por línea eléctrica (PLC) a través de las barras colectoras a los terminales de entrada del aparato de protección y control de carga. En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el conmutador de alimentación del aparato de protección y control de carga comprende un IGBT o un MOSFET de alimentación, en particular un MOSFET SiC, un MOSFET GaN o un MOSFET ScAlN.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control del aparato de protección y control de carga está adaptada para derivar, basándose en al menos un parámetro de funcionamiento de la carga eléctrica conectada y los datos de perfil almacenados, un perfil de temperatura de los componentes de la carga eléctrica y/o de los componentes del aparato de protección y control de carga y para controlar el circuito de accionamiento para desconectar el conmutador de alimentación si se detecta una desviación de un intervalo de temperatura predeterminado.
En todavía otra posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el conmutador de alimentación se conecta después de un período de espera configurable y/o después de eliminar con éxito una causa de desconexión y/o si se cumplen otras condiciones de conexión predeterminadas.
En todavía otra posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la carga eléctrica comprende un motor multifásico que recibe a través de al menos un aparato de protección y control de carga varias fases de corriente eléctrica como corrientes de carga de funcionamiento.
En todavía otra posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el aparato de protección y control de carga comprende, para cada fase de corriente eléctrica, un circuito de protección contra sobrecorriente asociado, un circuito de control de fuente de alimentación y un circuito de protección contra sobrecarga.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, para cada fase de corriente eléctrica o para cada dirección de corriente CC se proporciona un primer conmutador de alimentación para una semionda de corriente positiva de una corriente de CA o para una corriente de CC positiva y en donde se proporciona un segundo conmutador de alimentación para una semionda de corriente negativa de una corriente de CA o para una corriente de CC negativa.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, los conmutadores de alimentación están conectados a través de circuitos rectificadores de medio puente o de puente completo con circuitos de accionamiento asociados del aparato de protección y control de carga.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el aparato de protección y control de carga comprende una interfaz de usuario adaptada para señalizar un estado de funcionamiento del aparato de protección y control de carga y/o un estado de funcionamiento de la carga eléctrica conectada.
De acuerdo con la presente invención, el circuito de accionamiento comprende un lado de baja tensión conectado a la unidad de control y un lado de alta tensión conectado al conmutador de alimentación, en donde, en una posible realización adicional, el lado de baja tensión y el lado de alta tensión del circuito de accionamiento están separados galvánicamente entre sí.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control está adaptada para realizar un control de ángulo de fase y/o para aplicar un patrón de conmutación predefinido al conmutador de alimentación en función del factor de alimentación calculado y del modo de funcionamiento de la carga eléctrica.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el procesador de la unidad de control tiene acceso a al menos una característica de funcionamiento de carga de la carga eléctrica que indica para parámetros de funcionamiento al menos una zona de funcionamiento admisible, al menos una zona de funcionamiento crítica y/o al menos una zona de funcionamiento no admisible.
El procesador de la unidad de control también puede tener acceso a al menos una característica de funcionamiento de un componente del propio aparato de protección y control de carga que indica parámetros de funcionamiento del respectivo componente, al menos una zona de funcionamiento admisible, al menos una zona de funcionamiento crítica y/o al menos una zona de funcionamiento no admisible.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el procesador de la unidad de control está adaptado para evaluar los datos de perfil de corriente de carga y los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos de la unidad de control con respecto a las características de funcionamiento de carga de la carga eléctrica y/o del componente interno para determinar si las combinaciones de parámetros de funcionamiento de diferentes parámetros de funcionamiento están en una zona de funcionamiento crítica o no admisible de la característica de funcionamiento de carga y/o de unas características de funcionamiento de componente.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control emite una señal de advertencia a través de una interfaz de salida del aparato de protección y control de carga si se determina que una combinación de parámetros de funcionamiento de los parámetros de funcionamiento se encuentra en una zona de funcionamiento crítica de una característica de funcionamiento de carga de la carga eléctrica y/o la característica de funcionamiento del componente del aparato de protección y control de carga. Este componente puede comprender, por ejemplo, el conmutador de alimentación del aparato de protección y control de carga.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control del aparato de protección y control de carga genera automáticamente una señal de control de desconexión aplicada al conmutador de alimentación para desconectar la corriente de carga si se determina que una combinación de parámetros de funcionamiento de parámetros de funcionamiento se encuentra en una zona de funcionamiento no admisible de una característica de funcionamiento de carga de la carga eléctrica y/o la característica de funcionamiento del componente integrado monitorizado del aparato de protección y control de carga.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, diferentes características de funcionamiento de carga y/o características de funcionamiento de componentes para diferentes combinaciones de parámetros de funcionamiento se almacenan en una memoria de la unidad de control.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control del aparato de protección y control de carga está adaptada para determinar si las tensiones de alimentación recibidas en diferentes terminales de entrada provistos para diferentes fases indican una fuente de alimentación simétrica del aparato de protección y control de carga por la red de fuente de alimentación conectada a los terminales de entrada del aparato de control de carga y/o una fuente de alimentación simétrica de la carga conectada por el aparato de protección y control de carga basándose en los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos de la unidad de control.
La unidad de control puede controlar una fuente de alimentación simétrica de la carga conectada por el aparato de protección y control de carga.
En una posible realización adicional del aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control está adaptada para desconectar automáticamente los conmutadores de alimentación si la unidad de control reconoce una fuente de alimentación asimétrica del aparato de protección y control de carga por la red de fuente de alimentación o una fuente de alimentación asimétrica de la carga conectada por el aparato de protección y control de carga.
La invención proporciona de acuerdo con un aspecto adicional un sistema de automatización que comprende un aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención y una carga eléctrica conectada al terminal de salida de dicho aparato de protección y control de carga.
La invención proporciona de acuerdo con un aspecto adicional un método para controlar una fuente de alimentación para una carga eléctrica y para la protección de la carga eléctrica conectada que comprende las características del método de la reivindicación 24.
La invención proporciona de acuerdo con aspectos adicionales un sistema de barras colectoras que comprende las características de la reivindicación 27, un sistema que comprende las características de la reivindicación 30 y un alojamiento de fusibles que comprende las características de la reivindicación 31.
En lo sucesivo en el presente documento, se describen en detalle posibles realizaciones de los diferentes aspectos de la presente invención con respecto a las figuras adjuntas.
las Figuras 1A, 1B, 1C muestran un diagrama de bloques de posibles realizaciones ilustrativas de un aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención;
la Figura 2 muestra un diagrama de bloques de una posible realización ilustrativa de un aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención;
la Figura 3 muestra un diagrama de estado para ilustrar una posible implementación ilustrativa de un aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención;
la Figura 4 muestra un diagrama para ilustrar una posible realización ilustrativa de un aparato de protección y control de carga de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención;
la Figura 5 ilustra esquemáticamente posibles características de funcionamiento de carga de una carga eléctrica conectada a un aparato de protección y control de carga de acuerdo con la presente invención;
las Figuras 6, 7 muestran características de funcionamiento de carga ilustrativas para ilustrar la operación de un aparato de protección y control de carga de acuerdo con la presente invención;
la Figura 8 muestra un diagrama de flujo para ilustrar una posible realización ilustrativa de un método para controlar una fuente de alimentación para una carga eléctrica de acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención;
la Figura 9 muestra un diagrama de circuito de una posible realización ilustrativa de un circuito de protección contra sobrecorriente que puede usarse en un aparato de protección y control de carga de acuerdo con la presente invención;
la Figura 10 muestra un diagrama de circuito para ilustrar una implementación ilustrativa de un circuito de accionamiento usado en un aparato de protección y control de carga de acuerdo con la presente invención;
la Figura 11 muestra esquemáticamente diferentes mecanismos de protección y medición redundantes posibles empleados por un método y aparato de acuerdo con la presente invención;
las Figuras 12A-12D y 13A-13B muestran ejemplos de realizaciones de un aparato de protección y control de carga de acuerdo con la presente invención;
las Figuras 14A, 14B ilustran un sistema híbrido de barras colectoras al que se puede conectar un aparato de protección y control de carga.
Como se puede ver a partir del diagrama de bloques de la Figura 1A, un aparato de control de carga y/o protección de carga 1 de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención (en lo sucesivo en el presente documento, aparato de control de carga 1) puede comprender varios circuitos principales que incluyen un circuito de protección contra sobrecorriente 1A, un circuito de protección contra sobrecarga 1B y un circuito de control de fuente de alimentación 1C. El aparato de control de carga 1 se puede proporcionar entre un sistema de barras colectoras de una red de fuente de alimentación PSN y una carga eléctrica como se ilustra en la Figura 1. La carga eléctrica está conectada a un terminal de salida 3 del aparato de control de carga 1. En una posible realización, el aparato de control de carga 1 comprende un circuito de protección contra sobrecorriente 1A y un circuito de control de fuente de alimentación 1C. En todavía otra posible realización adicional, el aparato de control de carga 1 comprende un circuito de protección contra sobrecorriente 1A, un circuito de protección contra sobrecarga 1B y un circuito de control de fuente de alimentación 1C como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2. La carga puede comprender una carga inductiva tal como un motor, una carga capacitiva o una carga resistiva o una combinación entre ellas.
En general, una carga eléctrica es un componente eléctrico o porción de un circuito que consume energía eléctrica. Una carga eléctrica consume energía eléctrica en forma de las corrientes eléctricas recibidas y puede transformar esta energía eléctrica en otras formas como calor, luz, trabajo, etc. Las cargas inductivas, también denominadas cargas de retardo, son cargas de CA que son de naturaleza predominantemente inductiva, de modo que la corriente alterna se retarda detrás de la tensión alterna cuando la corriente eléctrica fluye hacia la carga. En contraste, una carga capacitiva es una carga que tiene una reactancia capacitiva, es decir, negativa, a la frecuencia de funcionamiento. Una carga capacitiva hace que la onda de corriente eléctrica conduzca la onda de tensión. Por tanto, el factor de alimentación de una carga capacitiva es determinante. Una carga resistiva es un tipo de carga que consume corriente en la misma proporción de la tensión aplicada. Una carga resistiva se usa normalmente para convertir la corriente eléctrica en otra forma de energía, tal como calor. La onda de tensión y la fase de corriente son de la misma fase que una carga resistiva.
Las Figuras 1A, 1B, 1C ilustran diferentes disposiciones de ejemplo donde se puede utilizar un aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención. Como se puede ver en la Figura 1A, el aparato de control de carga 1 se puede utilizar para una sola carga, en particular una carga resistiva, capacitiva o inductiva. En el ejemplo ilustrado en la Figura 1A, tres cargas carga A, carga B, carga C se conectan a través de un aparato de control de carga asociado 1 a una de las fases LI, L2, L3, de la red de fuente de alimentación (PSN). En esta realización, cada aparato de control de carga 1 comprende un solo terminal de entrada 2 y un solo terminal de salida 3. Cada aparato de control de carga 1 puede integrarse en un alojamiento 15 que incluye un circuito de protección contra sobrecorriente 1A, un circuito de protección contra sobrecarga 1B y/o un circuito de control de fuente de alimentación 1C. En el terminal de entrada 2, el aparato de control de carga 1 está conectado al sistema de barras colectoras de la red de fuente de alimentación PSN. Se puede proporcionar un contacto eléctrico saliente 16 en el terminal de entrada 2. Este contacto eléctrico saliente 16 puede configurarse para guiarse a través de aberturas de guía 20-i de una cubierta de protección segura contra contacto 21 que incluye las barras colectoras 14 e insertarse después en las ranuras de contacto correspondientes 22 proporcionadas dentro de las respectivas barras colectoras 14 que se encuentran directamente debajo de las aberturas de contacto 20 de la cubierta de protección 21 para establecer la conexión eléctrica con las respectivas barras colectoras 14 como también se muestra en las Figuras 14A, 14B. En una realización alternativa, el contacto eléctrico 16 puede configurarse para unirse a una barra colectora voluminosa que no proporcione ninguna ranura de contacto. En la realización de la Figura 1A, el sistema de barras colectoras de la red de fuente de alimentación PSN comprende tres barras colectoras 14-1, 14-2, 14-3 conectadas a los terminales de entrada 2-1, 2-2, 2-3 de los tres diferentes aparatos de control de carga 1 a través de los contactos eléctricos 16-1, 16-2, 16-3, respectivamente. Cada barra colectora 14-i puede comprender ranuras eléctricas equidistantes 22 adaptadas para recibir un contacto eléctrico saliente 16 del aparato de control de carga 1 conectado al terminal de entrada 2 de este aparato de control de carga 1. Además, los contactos eléctricos salientes 16 del aparato de control de carga 1 pueden insertarse también en las ranuras de contacto de recepción del dispositivo adaptador 18A, 18B mostrado en las Figuras 12A, 12C. La Figura 12A muestra un adaptador de barras colectoras trifásico 18A para tres barras colectoras voluminosas 14-1, 14-2, 14-3. La Figura 12C muestra un adaptador de carril DIN 18B.
La Figura 1B muestra como ejemplo de una carga eléctrica de un motor eléctrico trifásico M. En el ejemplo ilustrado, el motor eléctrico M está conectado a través de tres aparatos de control de carga 1-1, 1-2, 1-3 a tres barras colectoras 14-1, 14-2, 14-3 del sistema de barras colectoras de la red de fuente de alimentación PSN.
En una disposición alternativa, el motor eléctrico trifásico M se puede conectar a través de un único aparato de control de carga 1 al sistema de barras colectoras de la red de fuente de alimentación PSN. En esta realización, el aparato de control de carga 1 puede comprender un circuito de protección contra sobrecorriente 1A, tres circuitos de protección contra sobrecarga 1B y tres circuitos de control de fuente de alimentación 1C en paralelo. En una implementación alternativa, se puede proporcionar una sola unidad de control 8 utilizada para las tres trayectorias de señal integradas en el aparato de control de carga 1. El aparato de control de carga 1 comprende una interfaz de carga 24 que tiene tres terminales de salida 3-1, 3-2, 3-3 para tres fases diferentes L1, L2, L3 como se muestra en la Figura 1C.
El aparato de control de carga 1 ilustrado en las diferentes realizaciones de las Figuras 1A, 1B, 1C se puede utilizar para controlar una potencia alimentada a la carga respectiva. Además, el aparato de control 1 proporciona protección integrada contra sobrecorriente y sobrecarga. En lugar de barras colectoras 14-i, se pueden utilizar otros perfiles portadores de electricidad. Las barras colectoras 14 y/o los carriles portadores de corriente pueden extenderse en dirección horizontal o vertical. Las barras colectoras 14 y/o los carriles portadores de corriente se pueden usar también para transportar señales de comunicación entre diferentes cargas conectadas al sistema, por ejemplo, mediante comunicación de línea eléctrica PLC. En una posible realización, los contactos eléctricos salientes 16 proporcionados en el terminal de entrada 2 pueden comprender también nervaduras de protección proporcionadas para proteger los contactos eléctricos salientes 16 contra daños mecánicos. Estos contactos eléctricos salientes 16 proporcionan además un soporte mecánico del aparato de control de carga 1 cuando se conecta al menos a la barra colectora 14 o al carril del perfil del sistema. Las cargas se pueden conectar también a carriles de perfiles específicos, tales como carriles de sombrero de copa o carriles DIN.
En una posible realización, los diferentes aparatos de protección y control de carga 1 ilustrados en los ejemplos de las Figuras 1A, 1B, 1C se pueden integrar en un alojamiento 15 que tiene la misma forma que un fusible convencional tal como un fusible NH. El aparato de control de carga 1 se puede integrar también en un componente de zócalo y/o enchufe del sistema. El aparato de control de carga 1 puede, en una posible implementación, colocarse en un portafusibles de un elemento fusible convencional para reemplazar dicho elemento fusible. Por ejemplo, el aparato de control de carga 1 se puede integrar en un elemento de enchufe enchufado en un zócalo de la carga tal como el motor eléctrico M para proporcionar conexión eléctrica a través del terminal de salida 3 entre el aparato de control de carga 1 y la carga respectiva, es decir, el motor eléctrico M. Por consiguiente, el sistema puede comprender un motor eléctrico monofásico o multifásico M que tiene zócalos adaptados para recibir un alojamiento correspondiente 15 de un aparato de control de carga 1 para establecer una conexión eléctrica con el sistema de barras colectoras de la red de fuente de alimentación PSN. De esta manera, se puede facilitar el montaje de la carga tal como el motor eléctrico M en el sistema de barras colectoras.
La Figura 2 muestra una posible realización de un aparato de protección y control de carga 1 que incluye un circuito de protección contra sobrecorriente 1A, un circuito de protección contra sobrecarga 1B y un circuito de control de fuente de alimentación 1C. El circuito de protección contra sobrecorriente 1A tiene un terminal de entrada 2 para recibir alimentación eléctrica de la red de fuente de alimentación PSN mostrada en la Figura 1. El aparato de control de carga 1 comprende además un terminal de salida 3 usado para conectar una carga eléctrica al aparato de control de carga 1. Como se puede ver en la Figura 2, un componente de sensor 4 se conecta en serie con un conmutador de alimentación 5. El componente de sensor 4 está adaptado para generar directamente una caída de tensión ΔU4 correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de la corriente de carga eléctrica IL que fluye desde el terminal de entrada 2 del aparato de control de carga 1 a través del componente de sensor 4 y el conmutador de alimentación 5 al terminal de salida 3 del aparato de control de carga 1. El circuito de protección contra sobrecorriente (OCPC) 1A incluye el conmutador de alimentación 5 a través del cual la carga eléctrica recibe la corriente de carga eléctrica IL y el componente de sensor 4 conectado en serie con el conmutador de alimentación 5. En una posible realización, el componente de sensor 4 del circuito de protección contra sobrecorriente 1A comprende una bobina que está adaptada para generar una caída de tensión de inducción ΔU4 dependiendo de la velocidad de aumento de la corriente de carga IL que fluye a través del componente de sensor 4 del circuito de protección contra sobrecorriente 1A. El circuito de protección contra sobrecorriente 1A comprende además un circuito de accionamiento 6 como se muestra en el diagrama de bloques de la Figura 2. El circuito de accionamiento 6 está adaptado para detectar una sobrecorriente que se produzca dependiendo de la caída de tensión ΔU4 generada por el componente de sensor 4 y una caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5. La caída de tensión ΔU4 generada por el componente de sensor 4 y la caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5 se aplican al circuito de accionamiento 6 como una tensión suma U∑=ΔU4+ΔU5. El circuito de accionamiento predeterminado 6 está adaptado para desconectar el conmutador de alimentación 5 tras la detección de una sobrecorriente con un período de desconexión de menos de cinco microsegundos. La caída de tensión no lineal ΔU5 en el conmutador de alimentación 5 se usa como un valor representativo de la corriente momentánea en la tensión suma U∑.
La desconexión protegida responde a una combinación tanto del valor de la corriente como del valor de la tasa de cambio de la corriente.
El aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención comprende además en la realización ilustrada de la Figura 2 un circuito de control de fuente de alimentación (PSCC) 1C. El circuito de control de fuente de alimentación 1C comprende un componente de sensor 9 adaptado para medir en el terminal de entrada 2 del aparato de control de carga 1 una tensión de alimentación U notificada a una unidad de control 8 del aparato de control de carga 1. La unidad de control 8 está adaptada para controlar la energía eléctrica suministrada a la carga eléctrica en función del tipo y/o modo de funcionamiento de la carga eléctrica. El tipo de carga eléctrica puede comprender una carga de tipo resistiva, inductiva o capacitiva. En la realización ilustrada de la Figura 2, el circuito de control de fuente de alimentación 1C tiene un componente de sensor 9 formado por un divisor de tensión adaptado para suministrar una fracción de la tensión de alimentación Ven en el terminal de entrada 2 del aparato de control de carga 1 a la unidad de control 8 del aparato de control de carga 1 para proporcionar un perfil de tensión de alimentación a lo largo del tiempo. Para una carga capacitiva, se puede proporcionar un divisor de tensión adicional 9 en el terminal de salida 3. Solo si la tensión Ven en el terminal de entrada 2 es igual a la tensión Vout en el terminal de salida 3, se puede activar la carga capacitiva.
Además en la realización de la Figura 2, el aparato de protección y control de carga 1 también comprende un circuito de protección contra sobrecarga (OLPC) 1B que tiene un componente de sensor 7 adaptado para medir continuamente la corriente de carga IL que fluye hacia el terminal de salida 3. La corriente de carga medida IL se notifica por el componente de sensor 7 a la unidad de control 8 del aparato de control de carga 1 que está adaptado para determinar un estado de sobrecarga de la carga eléctrica basándose en el perfil de corriente de carga medido. El componente de sensor 7 también puede proporcionar mediciones al circuito de accionamiento 6 para la detección de fallos. La unidad de control 8 del aparato de control de carga 1 está adaptada además para controlar el circuito de accionamiento 6 para desconectar el conmutador de alimentación 5 automáticamente si la unidad de control 8 ha determinado un estado de sobrecarga de la carga eléctrica. Como se puede ver en la Figura 2, el componente de sensor 7 del circuito de protección contra sobrecarga 1B y el componente de sensor 9 del circuito de control de fuente de alimentación 1C están conectados ambos a convertidores de analógico a digital asociados 10, 11. Los convertidores de analógico a digital 10, 11 están adaptados para convertir el perfil de corriente de carga analógica medido recibido del componente de sensor 7 y el perfil de tensión de alimentación medido, medido por el componente de sensor 9, en valores de medición correspondientes (muestras). La resolución de los ADC 10, 11 puede comprender al menos 12 bits. La frecuencia de muestreo puede comprender, por ejemplo, 4 kHz. Los ADC 10, 11 pueden comprender componentes separados o también pueden formar parte de un procesador de la unidad de control 8. Los valores de medición proporcionados por los convertidores de analógico a digital 10, 11 se almacenan como muestras de datos en una memoria de datos de la unidad de control 8 como datos de perfil de corriente de carga y como datos de perfil de tensión de alimentación. En la realización ilustrada de la Figura 2, la unidad de control 8 comprende un procesador o un circuito FPGA 8A y una memoria de datos 8B para almacenar sobre la marcha durante la operación datos de perfil de corriente de carga y datos de perfil de tensión de alimentación. La unidad de control 8 puede comprender además una memoria 8C para almacenar diferentes características de funcionamiento de carga, es decir, características de funcionamiento para diferentes parámetros de funcionamiento y/o para diferentes tipos de cargas, es decir, para cargas resistivas, capacitivas o inductivas. La memoria de datos 8B y/o la memoria 8C pueden insertarse en una ranura 23 o zócalo 23 como se muestra en la Figura 12D. Esta ranura 23 puede estar en el lado inferior del alojamiento 15 cuando el aparato está montado en un carril DIN o en al menos una barra colectora horizontal 14. La ranura 23 puede proporcionarse también en el lado frontal del alojamiento 15 cuando el aparato 1 está montado.
En una posible realización, el circuito de protección contra sobrecarga 1B también puede incluir un relé electromecánico 14 conectado en serie con el conmutador de alimentación 5 y controlado por la unidad de control 8. Tan pronto como la unidad de control 8 reconoce un estado de sobrecarga, puede ordenar al circuito de accionamiento 6 que abra el conmutador de alimentación 5 y/o controlar el relé para abrir e interrumpir el flujo de corriente. El componente de sensor 7 puede comprender en una posible realización un sensor Hall 7 como se muestra en la Figura 2. Como alternativa también se puede utilizar un sensor GMR 7.
En otra realización adicional, se puede usar una resistencia de derivación o un transformador para proporcionar valores de medición de corriente al ADC 10. Un circuito de relé 25 se puede conectar en serie con el componente de sensor 7 como se muestra en la Figura 2.
La unidad de control 8 que tiene un procesador 8A está adaptada para controlar el fuente de alimentación eléctrica a la carga eléctrica conectada al terminal de salida 3 del aparato de control de carga 1 dependiendo de un tipo y/o modo de funcionamiento de la carga eléctrica y basándose en el perfil de corriente de carga medido por el componente de sensor 7 del circuito de protección contra sobrecarga 1B y basándose en el perfil de tensión de alimentación medido por un componente de sensor 9 del circuito de control de fuente de alimentación 1C en el terminal de entrada 2 del aparato de control de carga 1. En una posible realización, el componente de sensor 7 del circuito de protección contra sobrecarga 1B comprende un sensor Hall adaptado para medir continuamente la corriente de carga IL que fluye hacia el terminal de salida 3 del aparato de control de carga 1 para proporcionar el perfil de corriente de carga. El componente de sensor 7 también puede comprender un sensor GMR o un transformador.
En una posible realización, el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 está adaptado para calcular un factor de alimentación cosφ basándose en los datos del perfil de corriente de carga y los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos 8B de la unidad de control 8. Los datos de perfil pueden almacenarse durante una ventana de tiempo de movimiento predeterminada en la memoria de datos 8B.
La carga eléctrica conectada al terminal de salida 3 puede comprender diferentes modos de funcionamiento. Por ejemplo, un motor eléctrico M como carga inductiva puede comprender diferentes modos de funcionamiento. La Figura 3 muestra un diagrama de estado para ilustrar diferentes modos de funcionamiento posibles de un motor eléctrico conectado como carga al terminal de salida 3 del aparato de control de carga 1. En el ejemplo ilustrado, el motor eléctrico M conectado comprende un modo de funcionamiento inactivo, un modo de funcionamiento de arranque, un modo de funcionamiento de estado estable y un modo de funcionamiento de parada. En el modo de funcionamiento inactivo, el motor eléctrico M está desconexión y la velocidad de rotación del motor eléctrico M es cero. En respuesta a un comando de encendido, se realiza una transición desde el modo de funcionamiento inactivo al modo de funcionamiento de arranque. En el modo de funcionamiento de arranque, se arranca el motor eléctrico M y se aumenta la velocidad de rotación del motor eléctrico M. En el modo de funcionamiento de estado estable del motor M, la velocidad de rotación del motor eléctrico M se mantiene constante. Además, en un modo de funcionamiento de parada, se para el motor eléctrico M y se reduce la velocidad de rotación del motor eléctrico M. En respuesta a un de comando de desconexión, ya sea en el modo de funcionamiento de arranque o en el modo de funcionamiento de estado estable, la unidad de control 8 pasa a un modo de funcionamiento de parada hasta que la velocidad de rotación del motor eléctrico M llega a ser cero.
El procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 está adaptado para determinar el modo de funcionamiento y/o un estado de funcionamiento específico de la carga eléctrica conectada, tal como un motor, procesando los datos del perfil de corriente de carga y/o los datos de perfil de tensión de alimentación disponibles en la memoria de datos 8B de la unidad de control 8.
Como también se ilustra en el diagrama de estado de la Figura 3, la unidad de control 8 está adaptada para controlar el circuito de accionamiento 6 del aparato de protección y control de carga 1 al recibir un comando de control CMD de manera que el conmutador de alimentación 5 se conecta o desconecta de acuerdo con el comando de control recibido CMD. En una posible realización, en donde la unidad de control 8 del aparato de control de carga 1 está adaptada para recibir el comando de control CMD desde una interfaz de usuario o de datos 17 del aparato de protección y control de carga 1. En la realización ilustrativa ilustrada de la Figura 2, el aparato de protección y control de carga 1 comprende una interfaz de entrada 12 y una interfaz de salida 13 que forman la interfaz de usuario o de datos 17. En una realización alternativa, la unidad de control 8 del aparato de protección y control de carga 1 también puede recibir un comando de control desde un ordenador conectado al aparato de protección y control de carga 1 o desde un control de programa almacenado de un sistema de automatización, por ejemplo, a través de la interfaz de entrada 12 que forma parte de una interfaz de datos integrada en el alojamiento 15 y conectada a través de un cable de datos al ordenador.
En una posible realización, la unidad de control 8 del aparato de protección y control de carga 1 está adaptada para derivar basándose en al menos un parámetro de funcionamiento de la carga eléctrica conectada y los datos de perfil almacenados en la memoria de datos 8B un perfil de temperatura asociado de componentes de la carga eléctrica y/o de componentes del propio aparato de control de carga 1 y está además adaptado para controlar el circuito de accionamiento 6 para desconectar el conmutador de alimentación 5 si se ha detectado una desviación de un intervalo de temperatura predeterminado. El conmutador de alimentación 5 del aparato de control de carga 1, en una posible realización, también puede conectarse después de un período de espera configurable y/o después de eliminar con éxito una causa de desconexión y/o si se cumplen otras condiciones de conexión predeterminadas. El conmutador de alimentación 5 puede comprender diferentes tipos de dispositivos de estado sólido que incluyen un IGBT o un MOSFET de alimentación. El MOSFET de alimentación puede comprender un MOSFET SiC, un MOSFET GaN o un MOSFET ScAlN. La carga eléctrica conectada como se muestra en la Figura
2 puede comprender en una posible realización un motor multifásico que recibe a través del aparato de control de carga 1 varias fases de corriente eléctrica L como corrientes de carga de funcionamiento IL. En una posible implementación, el aparato de control de carga 1 comprende para cada fase de corriente eléctrica L un circuito de protección contra sobrecorriente 1A, un circuito de control de fuente de alimentación 1C y un circuito de protección contra sobrecarga 1B. En una posible realización, la carga eléctrica es un motor eléctrico M, en particular, un motor eléctrico trifásico M. El motor eléctrico trifásico M puede comprender un motor de inducción trifásico, es decir, un motor asíncrono. El motor de inducción utiliza corriente eléctrica entregada en tres fases L en secuencia a las bobinas de un estator para crear un campo magnético giratorio. Este campo magnético induce un campo eléctrico en una bobina o jaula de ardilla para accionar un rotor del motor de inducción M. La diferencia de velocidad entre el rotor, es decir, la velocidad sincrónica, y el campo magnético giratorio también se denomina deslizamiento. Un sistema de bobinado trifásico simétrico del estator del motor de inducción M está conectado a una red de fuente de alimentación trifásica PSN con la tensión y la frecuencia apropiadas. En cada una de las tres fases L del bobinado pueden fluir corrientes sinusoidales de la misma amplitud. Cada una de las corrientes eléctricas se compensa temporalmente entre sí en 120°. Dado que las fases L también están compensadas espacialmente en 120°, el estator del motor eléctrico M crea un campo magnético que gira con la frecuencia de la tensión aplicada. El campo magnético giratorio induce una tensión eléctrica en el bobinado del rotor o en las barras del rotor. Las corrientes de cortocircuito pueden fluir debido a que el bobinado está cortocircuitado por un anillo. Junto con el campo magnético giratorio, estas corrientes eléctricas crean fuerzas mecánicas y producen un par de torsión sobre el radio del rotor que puede acelerar la velocidad del rotor en la dirección del campo giratorio. En el motor de inducción, la frecuencia de la tensión generada en el rotor del motor eléctrico M cae a medida que aumenta la velocidad del rotor. Esto se debe a que la diferencia entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad del rotor se vuelve más pequeña. Si el rotor del motor eléctrico M girara a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, giraría sincrónicamente y no se induciría tensión y, como resultado, el motor eléctrico M no podría desarrollar ningún par de torsión. Sin embargo, el par de torsión de carga y los pares de torsión de fricción en los cojinetes conducen a una diferencia entre la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético giratorio y esto da como resultado un equilibrio entre el par de torsión de aceleración y el par de torsión de carga. Como consecuencia, el motor eléctrico de inducción funciona de forma asíncrona y también se denomina motor asíncrono. En una posible realización, el aparato de protección y control de carga 1 se proporciona para un motor de inducción asíncrono M conectado al terminal de salida 3 de la interfaz de carga 24 de al menos un aparato de control de carga 1.
El aparato de control de carga 1 de acuerdo con la presente invención como se ilustra en las Figuras 1, 2 también se pueden proporcionar para otros tipos de cargas eléctricas, en particular, también para un motor síncrono. En un motor síncrono, el campo magnético giratorio del estator está sincronizado con el campo magnético del rotor. El aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención también se puede usar para motores accionados por CC.
Como también se ilustra en la realización mostrada en la Figura 9, para cada fase de corriente eléctrica L o para cada dirección de corriente de CC, se proporciona un primer conmutador de alimentación 5-1 para una semionda de corriente positiva de una corriente de CA o para una corriente de CC positiva. Además, se puede proporcionar un segundo conmutador de alimentación 5-2 para una semionda de corriente negativa de una corriente de CA o para una corriente de CC negativa. Los conmutadores de alimentación 5 se pueden conectar a través de circuitos rectificadores de medio puente o de puente completo con circuitos de accionamiento asociados 6 del aparato de control de carga 1. Como se ilustra en la Figura 10, el circuito de accionamiento 6 de acuerdo con la invención comprende un lado de baja tensión conectado a la unidad de control 8 y un lado de alta tensión conectado al conmutador de alimentación 5. En una realización preferida, el lado de baja tensión y el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6 están separados galvánicamente entre sí.
En una posible realización del aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención, el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 está adaptado para realizar un control de ángulo de fase y/o para aplicar un patrón de conmutación predefinido al conmutador de alimentación 5 a través del circuito de accionamiento 6 en función del factor de alimentación calculado cosφ y un modo de funcionamiento de corriente de la carga eléctrica conectada al aparato de control de carga 1. Para este fin, el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 tiene acceso a al menos una característica de funcionamiento de carga de la carga eléctrica que indica para parámetros de funcionamiento al menos una zona de funcionamiento admisible, al menos una zona de funcionamiento crítica y/o al menos una zona de funcionamiento no admisible.
La Figura 5 muestra esquemáticamente una característica de funcionamiento de carga para una carga eléctrica para proporcionar protección. Las diferentes zonas de la característica de funcionamiento de carga pueden definirse por al menos dos parámetros de funcionamiento PA, PB como se muestra en la Figura 5.
Las Figuras 6, 7 muestran ejemplos de una característica de funcionamiento de carga que puede almacenarse en una memoria 8C de la unidad de control 8 y usarse por el procesador o FPGA 8A para proporcionar protección de una carga, en particular, protección contra sobrecarga. Como puede verse en las Figuras 6, 7, el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 está adaptado para evaluar los datos de perfil de corriente de carga y/o los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos 8B de la unidad de control 8 con respecto a las características de funcionamiento de carga de la carga eléctrica almacenada en la memoria de características de carga 8C para determinar si las combinaciones de parámetros de funcionamiento de diferentes parámetros de funcionamiento P están en una zona de funcionamiento crítica o no admisible de la respectiva característica de funcionamiento de carga. En el ejemplo mostrado en las Figuras 6, 7, se ilustra un parámetro PB dado por la relación entre la corriente de carga y la corriente nominal de un motor como carga en el tiempo t para mostrar dos escenarios diferentes. En el escenario ilustrado en la Figura 6, la relación calculada entre la corriente de carga muestreada y la corriente nominal predefinida proporciona valores que están todos en la zona admisible de la característica de funcionamiento de carga. En contraste, en el escenario mostrado en la Figura 7, los valores de la relación (primer parámetro PB) están inicialmente en la zona admisible y a continuación se mueven en el tiempo (segundo parámetro) a la zona crítica y, finalmente, a una zona no admisible como se muestra en la Figura 7. Cuando el parámetro PB alcanza la zona crítica, la unidad de control 8 puede activar una señal de advertencia. Tan pronto como el parámetro de funcionamiento PB alcanza la zona no admisible, el procesador 8A de la unidad de control 8 puede activar un modo de funcionamiento de desconexión donde el circuito de accionamiento 6 desconecta el conmutador de alimentación 5 en respuesta a un comando de control recibido de la unidad de control 8. Como alternativa, la unidad de control 8 puede controlar otro conmutador conectado en serie al conmutador de alimentación 5 para desconectar la carga en caso de que se alcance una zona de funcionamiento no admisible. En una posible realización, la unidad de control 8 puede emitir una señal de advertencia a través de una interfaz de salida 13 de una interfaz de datos 17 del aparato de control de carga 1 como se muestra en la Figura 2 si se determina que una combinación de parámetros de funcionamiento de los parámetros de funcionamiento se encuentra en una zona de funcionamiento crítica de una característica de funcionamiento de carga de la carga eléctrica respectiva. Además, la unidad de control 8 puede generar automáticamente una señal de control de desconexión aplicada al conmutador de alimentación 5 o a otro conmutador (por ejemplo, el circuito relé 25) para desconectar la corriente de carga IL si se determina que una combinación de parámetros de funcionamiento de parámetros de funcionamiento está en una zona de funcionamiento no admisible de una característica de funcionamiento de carga de la carga eléctrica respectiva. En una posible realización, en la memoria 8C de la unidad de control 8 se pueden almacenar diferentes características de funcionamiento de carga para diferentes combinaciones de parámetros de funcionamiento.
En una posible realización, la unidad de control 8 del aparato de control de carga 1 está adaptada para determinar si las tensiones de alimentación recibidas que se reciben desde diferentes barras colectoras 14 del sistema de barras colectoras en diferentes terminales de entrada 2 provistos para diferentes fases L indican una fuente de alimentación simétrica por la red de fuente de alimentación PSN conectada a los terminales de entrada 2 del aparato de control de carga 1 basándose en los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos 8B de la unidad de control 8. La unidad de control 8 está adaptada para desconectar automáticamente los conmutadores de alimentación 5 en las diferentes fases L si la unidad de control 8 reconoce una fuente de alimentación asimétrica de la red de fuente de alimentación PSN.
La Figura 4 muestra un diagrama de flujo para ilustrar una posible realización ilustrativa de la operación de un aparato de control de carga 1 de acuerdo con la presente invención. En respuesta a un comando de encendido, la carga eléctrica conectada es un motor M que arranca en la etapa SA y se realiza una transición desde el modo de funcionamiento inactivo al modo de funcionamiento de arranque.
En una primera etapa SB, las mediciones se realizan por los componentes de sensor. Para cada fase L, se puede medir la tensión respectiva U y una corriente de carga eléctrica IL en la etapa SB. La corriente de carga IL se mide por un componente de sensor 7 y la tensión de alimentación U puede medirse por el componente de sensor 9 del aparato de control de carga 1.
En una etapa adicional Sc, el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 realiza un cálculo del factor de alimentación. El procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 está adaptado para calcular el factor de alimentación cosφ basándose en los datos del perfil de corriente de carga y los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos 8B de la unidad de control 8. El factor de alimentación se define como una relación entre la alimentación real y la alimentación aparente. A medida que se transfiere alimentación a lo largo de una línea de transmisión, no consiste únicamente en alimentación real que puede realizar trabajo una vez transferida al motor eléctrico M, sino que consiste en una combinación de alimentación real y reactiva denominada alimentación aparente. El factor de alimentación describe la cantidad de alimentación real transmitida a lo largo de una línea de transmisión a la carga eléctrica conectada en relación con la alimentación aparente total que fluye en la línea de transmisión.
En una etapa adicional Sd, se observa el modo de funcionamiento actual del motor eléctrico M. Si el motor eléctrico M arrancado está en el modo de funcionamiento de arranque (modo 1), el procesador o FPGA 8A o controlador de la unidad de control 8 realiza un control de alimentación de alimentación de arranque en la etapa Se. Si el motor eléctrico M está en el modo de funcionamiento de estado estable (modo 2), el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 realiza un control de fuente de alimentación de estado estable en la etapa Sf. Si el motor eléctrico M conectado está en el modo de funcionamiento de parada (modo 3), el procesador o FPGA 8A o controlador de la unidad de control 8 realiza un control de fuente de alimentación de parada en la etapa SG como se ilustra en la Figura 4. En una posible implementación, el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 puede realizar en la etapa SE, SF, SG un control del ángulo de fase en función del factor de alimentación cosφ calculado en la etapa SC y del modo de funcionamiento actual observado del motor eléctrico M.
Se usa un control de ángulo de fase (también llamado PFC de control de fase activada) para limitar la alimentación de la tensión de CA aplicada. En una posible realización, la unidad de control 8 opera el conmutador de alimentación 5 para realizar el control de ángulo de fase. La unidad de control 8 puede variar la relación entre la corriente de carga IL y la tensión de alimentación controlando la conmutación del conmutador de alimentación 5 a través del circuito de accionamiento 6. En una posible realización, la unidad de control 8 puede realizar un procedimiento de arranque suave de carga para reducir temporalmente la carga mecánica y el par de torsión en el tren de potencia para minimizar un aumento de corriente eléctrica de una carga eléctrica durante un arranque. De esta manera, la unidad de control 8 puede reducir la tensión mecánica de la carga eléctrica.
La unidad de control 8 puede controlar, en una posible realización, el suministro de tensión trifásica de una carga durante una fase de arranque. De esta manera, el equipo de una carga eléctrica tal como un motor puede acelerarse suavemente. Esto alarga la vida útil de la carga eléctrica y mejora su comportamiento de funcionamiento. La unidad de control 8 puede usar el conmutador de alimentación de estado sólido 5 para controlar el flujo de corriente eléctrica y, en consecuencia, la tensión aplicada a la carga eléctrica en función del factor de alimentación calculado y el modo de funcionamiento y/o tipo de carga eléctrica.
La Figura 8 muestra un diagrama de flujo de una posible realización ilustrativa de un método para controlar una fuente de alimentación a una carga eléctrica de acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención.
En la realización ilustrada de la Figura 8, el método comprende tres etapas principales S1, S2, S3. En una primera etapa S1, se genera una caída de tensión ΔU4 en el componente de sensor 4 correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de una corriente de carga eléctrica IL que fluye a través del componente de sensor 4 y el conmutador de alimentación 5 a una carga eléctrica. En una posible implementación, se genera la caída de tensión ΔU4 por una bobina correspondiente a la velocidad de aumento de corriente de la corriente de carga eléctrica IL. En una etapa adicional S2, el conmutador de alimentación 5 se desconecta automáticamente mediante un circuito de accionamiento 6 dentro de un período de desconexión de menos de cinco microsegundos si la caída de tensión generada ΔU4 más una caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5 supera una tensión umbral para proporcionar protección contra una sobrecorriente, en particular, protección contra una corriente de cortocircuito. En una etapa adicional S3, la alimentación eléctrica aplicada a la carga eléctrica se controla por una unidad de control 8 basándose en un perfil de corriente de carga medido y un perfil de tensión de alimentación medido. La alimentación eléctrica aplicada a la carga eléctrica se puede controlar, en una posible realización, realizando un control de ángulo de fase. En una realización alternativa, el control de la fuente de alimentación se puede conseguir aplicando un patrón de conmutación predefinido al conmutador de alimentación 5.
Además, un estado de sobrecarga de la carga eléctrica se puede determinar basándose en el perfil de corriente de carga medido por la unidad de control 8 para activar una desconexión por el circuito de accionamiento 6. En una posible realización, un tipo de la carga conectada se determina por la unidad de control 8 basándose en los datos de perfil medidos.
Como se puede ver a partir de la Figura 2, el componente de sensor de hardware 4 está conectado en serie con el conmutador de alimentación 5. El componente de sensor de hardware 4, tal como una bobina, está adaptado para generar una tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través del componente de sensor 4 y el conmutador de alimentación 5 a la carga eléctrica conectada al terminal de salida 3 del aparato de control de carga 1. El circuito de accionamiento 6 está adaptado para detectar una sobrecorriente que se produce, en particular, una corriente de cortocircuito, dependiendo de la caída de tensión generada directamente por el componente de sensor 4 y para desconectar el conmutador de alimentación 5 automáticamente tras la detección de una sobrecorriente dentro de un período de tiempo muy corto para proteger la carga eléctrica conectada. El componente de sensor 4 comprende, en una posible implementación, 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 conmutador de alimentación 5 a la carga eléctrica conectada. La tensión de inducción UL generada por la bobina 4 corresponde a la velocidad de aumento de corriente dI/dt de una corriente eléctrica I que fluye a través del componente de sensor 4 y a través del conmutador de alimentación 5 a la carga eléctrica respectiva. La caída de tensión ΔU4 generada por el componente de sensor 4 y la caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5 se aplica como una tensión suma U∑ al circuito de accionamiento 6. En caso de que el conmutador de alimentación 5 se implemente por un MOSFET, la caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5 corresponde a la tensión de la fuente de drenaje UDS. El componente de sensor 4 no solo mide la velocidad de aumento de corriente dI/dt, sino que también proporciona protección al conmutador de alimentación 5 limitando la caída de tensión ΔU5, por ejemplo, la tensión de la fuente de drenaje UDS del MOSFET 5. El circuito de accionamiento 6 está adaptado para determinar basándose en tensión suma aplicada U∑ una corriente de cortocircuito que se produce y/o una sobrecarga del conmutador de alimentación 5 y/o una sobrecarga de la carga eléctrica y está adaptado para desconectar el conmutador de alimentación 5 tras la detección de una sobrecorriente y/o tras la detección de una sobrecarga para proteger tanto la carga eléctrica conectada y/o para proteger el conmutador de alimentación 5 del aparato de control de carga 1 dentro de un breve período de desconexión de menos de cinco microsegundos. En una realización preferida, el circuito de accionamiento 6 puede desconectar el conmutador de alimentación 5 dentro de un período de desconexión de menos de dos microsegundos si la tensión suma aplicada U∑ supera una tensión umbral predeterminada UTH. En una posible implementación, la tensión umbral UTH puede ser configurable. Si la tensión suma aplicada U∑ supera la tensión umbral configurada UTH, el circuito de accionamiento 6 del aparato de control de carga 1 desconecta automáticamente el conmutador de alimentación 5 dentro de un breve período de desconexión de menos de cinco microsegundos, preferentemente con un período de menos de dos microsegundos. La desconexión se realiza de manera predeterminada sin implicar la unidad de control 8. En una posible realización, el componente de sensor 4 comprende una bobina adaptada para medir la velocidad de aumento de corriente dl/dt de la corriente eléctrica I que fluye a través del componente de sensor 4. El componente de sensor 4 genera directamente una tensión de inducción UL proporcional al cambio de la corriente eléctrica (dl/dt) que fluye a través de la bobina 4. En una posible realización, si la corriente eléctrica I tiene una velocidad de aumento de corriente de aproximadamente cinco amperios por microsegundo, la tensión de inducción generada UL aplicada al circuito de accionamiento 6 es suficiente para activar una operación de desconexión del conmutador de alimentación 5 conectado en serie con el componente de sensor 4. La inductividad L de la bobina 4 se puede adaptar individualmente a las limitaciones físicas del conmutador de alimentación 5 usado. El componente de sensor de hardware 4 es muy robusto contra las influencias ambientales y no implica ningún circuito electrónico para generar la tensión de detección ΔU4. En consecuencia, la probabilidad de que el componente de sensor de hardware 4 falle durante la operación del aparato de control de carga 1 es muy baja. A diferencia de los circuitos electrónicos, tales como los diferenciadores, el uso de un componente de sensor de hardware, en particular, una bobina, hace que el aparato de control de carga 1 sea extremadamente robusto y aumenta su vida útil operativa. Las operaciones de desconexión se realizan por el circuito de accionamiento 6 sin implicar a la unidad de control de lentitud relativa 8. Por consiguiente, la operación de desconexión activada por la tensión eléctrica ΔU4 generada físicamente por el componente de sensor 4 se realiza exclusivamente por el hardware del circuito de accionamiento 6 como se ilustra también en el diagrama de circuito de la Figura 10. El componente de sensor 4 es muy sensible y genera una tensión de detección ΔU4 incluso antes de que la corriente de carga eléctrica IL que fluye hacia la carga eléctrica alcance un alto nivel de corriente que potencialmente puede dañar los componentes de la carga eléctrica conectada. Por consiguiente, el aparato de control de carga 1 comprende un mecanismo de protección que es más rápido al menos en un factor de aproximadamente 50 que los dispositivos de protección convencionales.
La operación de desconexión muy rápida proporcionada por el circuito de accionamiento de hardware 6 garantiza que únicamente se transfiere una pequeña protección de energía eléctrica a la carga eléctrica conectada en caso de un escenario de sobrecorriente o cortocircuito. Por consiguiente, incluso los componentes eléctricos sensibles de la carga eléctrica conectada están protegidos eficazmente por el mecanismo de protección del aparato de control de carga 1 de acuerdo con la presente invención. Los mecanismos de protección del aparato de control de carga 1, es decir, el circuito de protección contra sobrecorriente 1A y el circuito de protección contra sobrecarga 1B, no protegen únicamente los componentes eléctricos de la carga eléctrica conectada, sino también el conmutador de alimentación 5 integrado en el aparato de control de carga 1. Por consiguiente, el aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención tiene un mecanismo de autoprotección integrado para proporcionar autoprotección de los componentes integrados en el aparato de protección y control de carga 1. La alimentación eléctrica en el conmutador de alimentación 5 está limitada en una posible implementación a aproximadamente el 80 % de una alimentación de funcionamiento predeterminada.
Después de desconectar el conmutador de alimentación 5, es posible conectar de nuevo el conmutador de alimentación 5 en caso de que se hayan cumplido las condiciones de conexión predeterminadas. Después de eliminar con éxito la causa de desconexión, el conmutador de alimentación 5 se puede conectar de nuevo. En consecuencia, el aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención se puede usar de nuevo después de que se haya activado una desconexión. En una posible implementación, el conmutador de alimentación 5 se puede conectar de nuevo después de que haya expirado un período de espera configurable y/o después de que se haya eliminado con éxito una causa de desconexión.
En una posible implementación, el microprocesador o procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 puede calcular un estado de funcionamiento actual del conmutador de alimentación 5, en particular, una alimentación de disipación de corriente y/o temperatura de funcionamiento T del conmutador de alimentación 5. La unidad de control 8 puede emitir, en una posible implementación, una alarma preventiva en caso de que la alimentación monitorizada del conmutador de alimentación 5 o la temperatura T del conmutador de alimentación 5 supere los límites admisibles. La unidad de control 8 puede observar un cambio de la alimentación y temperatura del conmutador de alimentación 5 y puede activar una desconexión en caso de que se haya alcanzado un intervalo crítico.
La fase de corriente aplicada L puede comprender una frecuencia de, por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz. En una posible realización, el componente de sensor 4 puede comprender una bobina con una inductividad L de menos de 1 milihenrio.
En una posible realización, el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 es programable y puede hacer uso de un modelo de programa de componentes implementado en la carga eléctrica conectada y/o implementado en el propio aparato de control de carga 1. En una posible realización, se pueden configurar los parámetros de modelo del modelo empleado. Estos parámetros pueden comprender, por ejemplo, la corriente de funcionamiento normal de la carga eléctrica conectada, así como una clase de disparo de la carga eléctrica conectada. En una posible realización, la unidad de control 8 está adaptada para derivar, basándose en los perfiles de corriente medidos por el componente de medición de corriente 7 y basándose en al menos un parámetro de la carga eléctrica conectada, un perfil de temperatura de los componentes de la carga eléctrica conectada y/o de los componentes del aparato de control de carga 1 y puede controlar el circuito de accionamiento 6 para desconectar el conmutador de alimentación 5 si se detecta una desviación de un intervalo de temperatura predeterminado. Un parámetro puede comprender, por ejemplo, una corriente establecida o una clase de disparo de la carga eléctrica conectada. Además, la unidad de control 8 se puede programar con un período de espera configurable. Por ejemplo, en función del perfil de temperatura, tiene que expirar un período de espera correspondiente antes de que el conmutador de alimentación 5 pueda conectarse de nuevo. De acuerdo con la invención, el circuito de accionamiento 6 se dispone para operar independientemente de la unidad de control 8 para desconectar el conmutador de alimentación asociado 5 dentro de un breve tiempo de reacción en caso de que la tensión suma aplicada U∑ supere una tensión umbral configurable UTH. La caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5 corresponde a la amplitud o nivel de la corriente eléctrica que fluye. La caída de tensión ΔU4 a lo largo del componente de sensor 4 corresponde a la velocidad de aumento de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través del componente de sensor 4 y el conmutador de alimentación 5 a la carga eléctrica. En estados críticos de funcionamiento, ambas caídas de tensión ΔU4, ΔU5 se añaden y aplican como una tensión suma U∑ al circuito de accionamiento 6 para que un estado crítico de funcionamiento ya pueda detectarse en una fase inicial de su aparición. La aplicación de una tensión suma U∑ al chip de circuito de accionamiento integrado 6 se ilustra en el diagrama de circuito de las Figuras 9, 10 requiere solo una patilla de entrada de este chip, fomentando por lo tanto la miniaturización del aparato de control de carga 1.
El circuito de accionamiento 6 puede controlar un conmutador de alimentación asociado 5 que puede comprender, en una posible implementación, un MOSFET de nitruro de galio que tiene una resistencia de alta tensión de al menos 800 voltios en el estado de desconexión y que tiene una baja impedancia en su estado de conexión. En posibles implementaciones adicionales, el conmutador de alimentación 5 también puede comprender un MOSFET de alimentación SiC o un MOSFET de Si-AlN.
Como también se ilustra en la Figura 11, el aparato de protección y control de carga 1 puede comprender varios mecanismos de protección redundantes usando diferentes técnicas de medición.
El aparato de protección y control de carga 1 puede comprender varios mecanismos de protección, en particular, un primer mecanismo de protección proporcionado por la caída de tensión ΔU4 a lo largo del componente de sensor 4, un segundo mecanismo de protección proporcionado por la caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5 y un tercer mecanismo de protección provisto por el componente de medición de corriente 7. En caso de corriente de cortocircuito, el componente de sensor 4 y el conmutador de alimentación 5 activan el circuito de accionamiento 6 para realizar una operación de desconexión muy rápida. El componente de medición de corriente 7 proporciona además protección en caso de sobrecarga. Por consiguiente, el aparato de protección y control de carga 1 no solo proporciona el control de una fuente de alimentación para una carga eléctrica, sino también una protección contra sobrecarga y sobrecorriente electrónica que se puede usar de nuevo después de que el conmutador de alimentación 5 se haya desconectado, en particular, después de que se haya agotado un período de espera programable.
La Figura 9 muestra un diagrama de circuito para ilustrar una posible implementación ilustrativa de un aparato de protección y control de carga 1 que proporciona conmutación y/o protección de una carga eléctrica conectada al aparato de control de carga 1. En la implementación ilustrada, el aparato de protección y control de carga 1 comprende un terminal de entrada 2 para recibir una tensión de alimentación de fase U directamente desde una barra colectora 14 o a través de un adaptador de barras colectoras 18A desde una red de fuente de alimentación PSN que tiene, por ejemplo, una tensión de 400 voltios. En la realización ilustrativa ilustrada de la Figura 9, cada trayectoria de señal desde el terminal de entrada 2 al terminal de salida 3 comprende pares de conmutadores de alimentación 5 y componentes de sensores asociados 4. El circuito ilustrado de la Figura 9 es simétrico para semiondas de corriente positiva y semiondas de corriente negativa de una corriente de CA suministrada al aparato de control de carga 1. Entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 del aparato de protección y de control de carga 1, se proporciona una primera bobina 4-1 y una segunda bobina 4-2. Cada bobina 4-1, 4-2 comprende un conmutador de alimentación asociado 5-1, 5-2 como se ilustra en el diagrama de circuito de la Figura 9. En la implementación ilustrativa ilustrada, ambas bobinas 4-1, 4-2 tienen una inductividad L de 2,2 microhenrios. En la implementación ilustrada, los conmutadores de alimentación 5-1, 5-2 están implementados por MOSFET de alimentación. En una posible implementación, se puede proporcionar un varistor VAR para eliminar las perturbaciones. En la implementación ilustrada, los diodos D se pueden conectar en paralelo a cada bobina 4-1, 4-2 para reducir la autoinducción. Los conmutadores de alimentación 5-1, 5-2 están conectados a un circuito puente rectificador que comprende, en la implementación ilustrada, dos pares de transistores complementarios Q1 a Q4. En el lado de salida del circuito puente rectificador, se pueden proporcionar condensadores C para proporcionar un retardo mínimo predeterminado. Ambas resistencias R1, R2 comprenden una resistencia que se puede configurar para ajustar la sensibilidad del circuito ilustrado en la Figura 9. Como se puede ver en la Figura 9, el circuito de accionamiento 6 está conectado a la salida del circuito puente rectificador para recibir la tensión suma U∑ del conmutador de alimentación 5-1 o del conmutador de alimentación 5-2 y del componente de sensor 4-1 o del componente de sensor 4-2 y para aplicar en el control de retorno tensiones en las puertas de los dos conmutadores de alimentación ilustrados 5-1, 5-2. El circuito de accionamiento 6 está adaptado para detectar una sobrecorriente que se produce, 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 desconectar el conmutador de alimentación asociado 5-1 o el conmutador de alimentación 5-2 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 período de tiempo, en particular dentro de un período de desconexión de menos de cinco microsegundos, para proteger la carga eléctrica conectada al terminal de salida 3 del aparato de control de carga 1.
El período de desconexión está definido por la circuitería de conexión que conecta los componentes de sensor 4 con el circuito de accionamiento 6 como se muestra en la Figura 9 (en particular, la capacidad del capacitor C) y la circuitería interna del circuito de accionamiento 6 cableado, es decir, los retrasos en la propagación de la señal causados por el comparador y las puertas del circuito de accionamiento 6 como se muestra en la Figura 10. Con el circuito de accionamiento 6 que se muestra en la Figura 10, se puede lograr un período de desconexión de menos de cinco microsegundos.
En una posible realización, el período de desconexión puede ajustarse, por ejemplo, ajustando la capacidad del capacitor C que se muestra en la Figura 9.
La Figura 10 muestra un diagrama de bloques de una posible realización ilustrativa de un circuito de accionamiento 6 que puede usarse en el aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención. En la realización ilustrativa ilustrada, el circuito de accionamiento 6 comprende un solo controlador de IGBT ICIED020/12-B2 fabricado por Infineon Technologies. También se pueden usar otros circuitos de accionamiento, en parte un ASIC. Como se puede ver a partir del diagrama de bloques de la Figura 10, el circuito de accionamiento 6 comprende dos mitades de circuito separadas galvánicamente por transformadores T1, T2. El lado izquierdo del circuito de accionamiento 6 ilustrado en la Figura 10 está conectado a la unidad de control 8 para recibir señales de control de la unidad de control 8, en particular, en respuesta a comandos de control o dependiendo de los perfiles de corriente medidos. El lado de baja tensión en el lado izquierdo del circuito de accionamiento 6 del diagrama del circuito, como se muestra en la Figura 10, está conectado a través de transformadores al lado de alta tensión provisto en el lado derecho del circuito ilustrado en la Figura 10. La tensión suma U∑ que consiste en la caída de tensión ΔU4 a lo largo del componente de sensor 4 y la caída de tensión ΔU5 a lo largo del conmutador de alimentación 5 se aplica en la implementación ilustrada a la patilla de entrada DESAT del circuito de accionamiento 6 y se compara mediante un comparador K3 del circuito de accionamiento 6 con un umbral de tensión configurable UTH de, por ejemplo, 9 voltios como se ilustra en la Figura 10. Si se supera la tensión umbral configurable UTH, una señal binaria viaja a través de varias puertas para accionar un amplificador operacional y generar una salida de señal de desconexión de control a las puertas de los MOSFET de alimentación 5-1, 5-2 para desconectar ambos MOSFET de alimentación dentro de un tiempo de reacción muy corto de menos de cinco microsegundos. El circuito de accionamiento 6 ilustrado en la Figura 10 comprende dos partes separadas galvánicamente. El circuito de accionamiento 6 se puede conectar a un DSP de 5 voltios convencional o a un microcontrolador 8A que forma parte de la unidad de control 8 en donde las entradas/salidas de CMOS están conectadas al lado de baja tensión. Como se puede ver a partir del diagrama de circuito de la Figura 10, se proporciona un bucle de desconexión usado para desconectar los conmutadores de alimentación 5-1, 5-2 en respuesta a la tensión suma aplicada U. solo en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6 para que el tiempo de reacción sea muy corto debido a los pequeños tiempos de propagación de las señales lógicas que se propagan a través de las puertas lógicas de la parte de alta tensión del circuito de accionamiento 6. El bucle de protección de desconexión no incluye la unidad de control 8 que se usa en su mayoría para las operaciones normales de conexión y/o desconexión en respuesta a la recepción de comandos CMD de conexión/desconexión y también se usa para el control de fuente de alimentación de la alimentación eléctrica que fluye hacia la carga eléctrica conectada, en particular, durante un arranque suave. En una posible implementación, el componente de sensor 4 y el conmutador de alimentación 5, así como el circuito de accionamiento 6, se pueden proporcionar en una placa de circuito impreso común. En una posible realización, el circuito de accionamiento 6 se puede integrar en la unidad de control 8.
En una posible implementación, el componente de sensor 4 se puede implementar por otro componente distinto de una bobina, en particular, por una resistencia con un circuito de medición local correspondiente adaptado para generar directamente una tensión eléctrica U correspondiente a la velocidad de aumento de corriente de la corriente eléctrica I que fluye a través de la respectiva resistencia de detección. La resistencia puede ser una resistencia NTC o PTC. En una posible realización, la resistencia de la resistencia usada 4 puede depender de la temperatura. También, la resistencia dependiente de la temperatura se puede configurar individualmente de acuerdo con las limitaciones físicas del conmutador de alimentación asociado 5.
En una realización adicional, un modelo de datos de la carga eléctrica conectada puede almacenarse en una memoria y evaluarse mediante el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8 para proporcionar protección contra sobrecarga y/o sobrecorriente a la carga eléctrica conectada. El aparato de protección y control de carga 1 puede comprender una interfaz de salida 13 de una interfaz de usuario o de datos 17 adaptada para señalar un estado de funcionamiento actual del aparato de protección y control de carga 1, en particular, de sus conmutadores de alimentación integrados 5 a un usuario o a un controlador conectado, por ejemplo, un controlador de un sistema de automatización. En una posible implementación, la interfaz de usuario 13 también puede indicar qué mecanismo de seguridad o mecanismo de protección ha sido activado por la desconexión de los conmutadores de alimentación integrados 5. En esta implementación, un usuario u operador de un sistema de automatización puede ser informado de si la desconexión del conmutador de alimentación 5 fue causada por una alta velocidad de aumento de corriente detectada de la corriente eléctrica o debido a una sobrecarga determinada o detectada del conmutador de alimentación 5 o sobrecarga detectada de la carga eléctrica conectada o causada por una detección de sobrecarga en vista de los perfiles de corriente medidos por el componente de medición de corriente 7. En todavía otra posible realización adicional, la información acerca de la causa de la desconexión del conmutador de alimentación 5 también se puede emitir a través de una interfaz de datos del aparato de protección y control de carga 1, por ejemplo, a un controlador remoto de un sistema de automatización que incluye la carga eléctrica protegida conectada al terminal de salida 3 del aparato de protección y control de carga 1. En todavía otra posible implementación adicional, el aparato de control de carga 1 puede comprender una memoria de datos local para almacenar datos de registro. Los datos de registro pueden comprender datos acerca de operaciones de desconexión realizadas durante la operación del sistema de automatización o durante la operación de la carga eléctrica conectada. En una posible implementación, los datos de registro memorizados pueden evaluarse para analizar los estados de funcionamiento críticos que se han producido durante la operación del sistema de automatización.
En todavía otra posible realización adicional, como se muestra en la Figura 2, un circuito de relé 25 se puede conectar en serie con el conmutador de alimentación 5. Los circuitos de relé 25 para diferentes fases L pueden usar el cambio o secuencia de fases de fuente de alimentación y/o proporcionar una separación galvánica. Durante una operación de desconexión controlada por el circuito de accionamiento 6 o por la unidad de control 8, el conmutador de alimentación 5 se puede desconectar antes que el circuito de relé asociado 25, mientras que durante una operación de conexión bajo el control del circuito de accionamiento 6 o bajo el control de la unidad de control 8, el circuito de relé 25 se conecta antes que el conmutador de alimentación asociado 5. Esto minimiza el desgaste de los contactos del circuito de relé 25 y aumenta la seguridad contra fallos del conmutador de alimentación 5. Además, las secuencias de conexión y desconexión hacen posible detectar fallos del conmutador de alimentación 5.
En todavía otra posible realización adicional del aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, diferentes modelos y/o características de funcionamiento de carga para diferentes cargas eléctricas se pueden cargar en una memoria de configuración de la unidad de control 8 para proporcionar protección de carga de adaptación para la carga eléctrica respectiva dependiendo de los perfiles de corriente y/o perfiles de tensión medidos y dependiendo de al menos un parámetro de la carga eléctrica conectada. En una posible implementación, estos modelos de datos pueden descargarse desde una base de datos central conectada a la unidad de control 8 a través de una red de datos. Dependiendo del tipo de carga eléctrica conectada, diferentes modelos de datos correspondientes y/o características de funcionamiento de carga pueden cargarse en la memoria de características de funcionamiento 8C de la unidad de control 8 y pueden evaluarse en vista de los perfiles de corriente y/o tensión medidos proporcionados por los componentes de medición.
La Figura 11 muestra esquemáticamente la arquitectura de funcionamiento del aparato de protección y control de carga 1 que comprende mecanismos de protección redundantes y diferentes técnicas de medición para proporcionar protección contra sobrecarga y/o sobrecorriente del propio aparato de control de carga 1, en particular, sus conmutadores de alimentación 5, y también para la carga eléctrica conectada al aparato de control de carga 1. Los diferentes mecanismos de protección redundantes difieren en lo que detectan (dI/dt, /Imáx, Ilímite, Icontinua), sus respectivos tiempos de reacción y la precisión de la medición como también se ilustra en la Figura 11. Incluso si un mecanismo de protección puede fallar, todavía se puede aplicar otro mecanismo de protección del aparato de control de carga 1.
El aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención proporciona una operación de arranque y desconexión optimizadas de una carga eléctrica conectada. Además, el desgaste de la carga eléctrica conectada durante las diferentes fases o estados de funcionamiento se minimiza para maximizar la vida útil de funcionamiento de la carga eléctrica.
El aparato de protección y control de carga 1 se puede integrar también en un alojamiento de fusibles, tal como un alojamiento de fusibles NH. En esta realización, el aparato de control de carga 1 puede usarse para sustituir un elemento fusible convencional colocado en un portafusibles de un circuito electrónico. El aparato de protección y control de carga 1 se puede integrar también en un componente de zócalo o en un componente de enchufe. El aparato de protección y control de carga 1 se puede integrar también en un alojamiento de un dispositivo adaptador.
En las realizaciones ilustradas de las Figuras 12, 13, el aparato de protección y control de carga 1 de acuerdo con la presente invención está integrado en un alojamiento 15 que tiene contactos eléctricos 16 en un lado posterior o inferior (como se muestra en la Figura 13B) que se pueden enchufar en las ranuras de contacto de recepción 22-i de una barra colectora correspondiente 14-i o de otro dispositivo, en particular, un dispositivo adaptador de barras colectoras 18A como se muestra en la Figura 12A. Los contactos eléctricos salientes 16-i pueden también estar provistos de nervaduras de protección en ambos lados para la protección mecánica. En un lado del alojamiento 15 del aparato de protección y control de carga 1, se puede proporcionar una interfaz de datos opcional 17 como se muestra en la Figura 12B para generar un estado de funcionamiento de la carga conectada y/o del propio aparato de control de carga 1. La carga está conectada a la interfaz de carga 24, incluidos los terminales de salida 3. La interfaz de datos 17 se puede proporcionar para intercambiar datos y/o señales de control con un dispositivo conectado. El dispositivo conectado puede comprender un dispositivo de interfaz de usuario o un controlador de un sistema de automatización, la interfaz de datos 17 comprende una interfaz de entrada de datos 12 y una interfaz de salida de datos 13 como también se ilustra en el diagrama de bloques de la Figura 2. En una realización preferida, la interfaz 17 se proporciona en un lado superior del alojamiento 15 en un estado montado como se ilustra en la realización de la Figura 12B. En el lado posterior del alojamiento 15 como se muestra en la Figura 13B, los contactos eléctricos salientes 16 proporcionados en los terminales de entrada 2 del aparato de control de carga 1 se pueden enchufar en un dispositivo adaptador 18A que tiene en su lado posterior elementos de gancho 19 para montar el adaptador de barras colectoras 18A en varias barras colectoras paralelas 14-1, 14-2, 14-3 del sistema de barras colectoras (Figura 12A) o en un carril DIN con un adaptador de carril DIN 18B como se ilustra en la Figura 12C. El adaptador 18B se puede integrar también en el alojamiento 15 del aparato 1. El circuito de protección contra sobrecorriente 1A, el circuito de protección contra sobrecarga 1B y/o el circuito de control de fuente de alimentación 1C están integrados en el alojamiento 15 del aparato de control de carga 1 que se muestra en las Figuras 12, 13. En un lado del alojamiento 15 del aparato de control de carga 1 que se muestra en las Figuras 12, 13, la interfaz de carga eléctrica 24 se puede proporcionar incluyendo los terminales de salida 3 para la conexión de una carga eléctrica, en particular, un motor eléctrico M. En una realización preferida, las barras colectoras 14 pueden orientarse en paralelo en una dirección horizontal, como se muestra en la Figura 12B, una encima de la otra. Los pestillos 19 con ganchos enganchan la barra colectora 14 desde arriba para llevar el alojamiento 15. En esta realización, el conector de carga 24 está en el lado inferior (abajo) y la interfaz de datos 17 está en el lado superior (arriba). La ranura 23 para recibir un portador de datos puede estar en el lado inferior.
En una posible realización, los contactos eléctricos salientes 16-i proporcionados en el lado inferior del alojamiento 15 del aparato de control de carga 1 como se muestra en la Figura 13B pueden guiarse a través de las aberturas de guía 20-1, 20-2, 20-3 de una cubierta de protección segura contra contacto 21 como se muestra en las Figuras 13A, 14A. La cubierta de protección segura contra contacto 21 cubre en una posible realización las barras colectoras 14-i visibles en la Figura 14B. Las barras colectoras 14-i que se muestran en la Figura 14B son barras colectoras híbridas que tienen ranuras de contacto coincidentes 22-1, 22-2, 22-3 que se encuentran directamente debajo de las aberturas de contacto correspondientes 20-1, 20-2, 20-3 de la cubierta de protección 21 mostrada en la Figura 14A. Como se puede ver en la Figura 14A, hay tres filas de aberturas de guía 20-i para las tres diferentes fases de corriente L1, L2, L3 proporcionadas para recibir los contactos eléctricos 16-i de dispositivos tales como el aparato de protección y control de carga 1 mostrado en las Figuras 12, 13. Los contactos eléctricos salientes 16-i en el lado inferior del alojamiento 15 se guían a través de las aberturas de guía equidistantes 20-i y se insertan en las ranuras de contactos coincidentes de recepción 22-i de las barras colectoras híbridas 14-i cubiertas por la cubierta de protección segura contra contacto 21 para establecer una conexión eléctrica entre las barras colectoras híbridas 14-i del sistema de barras colectoras y el aparato de protección y control de carga 1. Los contactos eléctricos salientes 16-i del aparato de protección y control de carga 1 se pueden insertar también en un dispositivo adaptador de barras colectoras 18A como se ilustra en la Figura 12A para proporcionar conexión a las barras colectoras voluminosas convencionales 14-i que no comprenden ranuras eléctricas de recepción. La Figura 12A ilustra el dispositivo adaptador 18A para la conexión a tres barras colectoras paralelas 14-1, 14-2, 14-3 del sistema de barras colectoras, la Figura 12B, el dispositivo adaptador 18A está integrado en el alojamiento 15 del aparato 1.
La Figura 12C muestra un dispositivo adaptador de carril DIN 18B para montar el aparato de protección y control de carga 1 en un carril DIN o carril de sombrero de copa.
Puede haber diferentes variantes del aparato de protección y control de carga 1 como se ilustra en las Figuras 12, 13. La interfaz 17 puede incluir una interfaz de usuario que tenga una interfaz de entrada 12 con elementos de entrada y/o una interfaz de salida 13 con elementos de salida, en particular, elementos de salida óptica tales como LED. En una implementación adicional como se muestra en la Figura 12B, el alojamiento 15 del aparato de control de carga 1 puede comprender también al menos un elemento de interfaz de usuario 25 en el lado frontal. Una ranura 23 para insertar una memoria de datos portátil 8B y/o una memoria de características de carga portátil 8C, como una memoria USB o una tarjeta de memoria a la que accede el procesador o FPGA 8A de la unidad de control 8, puede proporcionarse en el lado inferior en el estado montado como se muestra en la Figura 12D. En la realización ilustrada de la Figura 12D, la ranura 23 se proporciona para insertar una memoria portátil en el alojamiento 15 del aparato de protección y control de carga 1 desde el lado inferior cuando el aparato 1 se ha montado en tres barras colectoras voluminosas 14 que se extienden en paralelo en la dirección horizontal o por medio de un dispositivo adaptador 18B hasta un carril DIN como se muestra en la Figura 12D. En la realización de las Figuras 12B, 12D se proporciona un elemento de clave de entrada 30 para realizar la entrada del usuario a través de la interfaz de entrada 12. El elemento de clave de entrada 30 puede ser presionado por un dedo del usuario. El elemento de entrada 30 puede también comprender un LED integrado que indica un estado de funcionamiento del aparato 1 o la carga conectada.
La forma del alojamiento 15 puede variar según el caso de uso. En una posible realización, el alojamiento 15 corresponde al alojamiento de un elemento fusible convencional tal como un fusible NH. En esta implementación, el alojamiento 15 se puede insertar en un portafusibles convencional ya previsto en un circuito electrónico o en los circuitos de una placa de circuito impreso PCB. En otra realización alternativa adicional, el alojamiento 15 se puede integrar también en un componente de enchufe o en un zócalo de otro dispositivo electrónico. El alojamiento 15 puede comprender además elementos de soporte mecánico o ganchos para proporcionar soporte mecánico cuando se conecta al sistema de barras colectoras. El alojamiento 15 puede tener también adaptadores integrados tal como el adaptador 18A, 18B mostrado en las Figuras 12A, 12C.
En la realización de la Figura 12D, se proporciona un elemento de entrada de selección 27 para seleccionar las funciones que se muestran en un menú que se muestra en un elemento de pantalla 28 de la interfaz de salida 13 de la interfaz de usuario 17. El adaptador de carril 18B tiene conectores 29 para los cables que transportan la corriente del receptor que proporcionan las tensiones de alimentación L1, L2, L3 suministradas por el adaptador de carril 18B a los terminales de entrada 2 del aparato 1.
Como se muestra en la Figura 12B, una interfaz de barras colectoras en el lado posterior del alojamiento 15 puede comprender también pestillos 19 que se acoplan a barras colectoras eléctricas voluminosas 14 desde atrás para proporcionar una conexión eléctrica y mecánica entre el aparato de protección y control de carga 1 y las barras colectoras respectivas 14. Como se ilustra en la realización de la Figura 1A, varios aparatos de control de carga 1 se pueden colocar en paralelo en el sistema de barras colectoras para proporcionar la fuente de alimentación a una carga multifásica tal como un motor eléctrico M. El alojamiento 15 puede comprender ranuras de refrigeración para proporcionar convección a los elementos de refrigeración integrados en el alojamiento 15, en particular, a los conmutadores de alimentación 5 del aparato de control de carga 1.
El aparato 1 puede comprender un dispositivo independiente integrado en un alojamiento 15. El aparato 1 se puede integrar también en el alojamiento de la carga, tal como en un alojamiento de motor. El aparato 1 puede también formar parte de dispositivos intermediarios tales como controladores de frecuencia. El aparato 1 puede también formar un componente integral con un adaptador.
El alojamiento 15 puede comprender un elemento 26 que puede operarse por una herramienta tal como un destornillador para acoplar o desacoplar un adaptador de barras colectoras 18A por el alojamiento 15 como se muestra en la Figura 12A o para acoplar o desacoplar un adaptador de carril DIN 18B como se muestra en Figura 12C. El número de pestillos 19 en el lado posterior del alojamiento 15 o en el lado inferior o posterior de un adaptador 18A puede variar en función del número de barras colectoras paralelas 14 del sistema de barras colectoras. La distancia entre los pestillos 19 o entre los contactos salientes 16 en el lado inferior del alojamiento 15 o en el lado inferior del adaptador 18A depende también de la distancia entre las barras colectoras 14 del sistema de barras colectoras respectivo. Además, el tamaño de los pestillos 19 y los contactos salientes 16 depende del tamaño y la forma de las barras colectoras 14 del sistema de barras colectoras. Para las barras colectoras voluminosas 14, como se muestra en la Figura 12A, la conexión mecánica se proporciona mediante pestillos 19 que se acoplan a las barras colectoras 14 desde atrás. Para la barra colectora híbrida 14 como se muestra en la Figura 14B (cubierta por una cubierta 21 o descubierta), los contactos eléctricos salientes 16 y las nervaduras de protección insertadas en las ranuras 22 proporcionan el soporte mecánico para el aparato 1.
El adaptador de carril DIN 18B que se muestra en la Figura 12D tiene conectores de entrada 29 adaptados para recibir cables eléctricos que alimentan las fases de tensión de alimentación L1, L2, L3 para el adaptador 18B en el que se pueden enchufar los contactos salientes 16 del aparato 1 para recibir las fases de tensión de alimentación a través de los terminales de entrada 2. El adaptador de carril 18B se puede integrar también en la alojamiento 15 del aparato 1. Además, el conector de carga 24 y la ranura de recepción de tarjeta de memoria 23 se proporcionan en el lado inferior cuando el aparato 1 se monta por medio del adaptador de carril DIN 18B en un carril DIN.

Claims (31)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato de protección y control de carga (1) para proteger y controlar una carga eléctrica conectada al aparato de protección y control de carga (1), que comprende: un circuito de protección contra sobrecorriente (1A) que tiene al menos un terminal de entrada (2) en donde cada terminal de entrada ( 2) está configurado para establecer una conexión eléctrica con una barra colectora (14) de un sistema de barras colectoras para recibir alimentación desde una red de fuente de alimentación (PSN) y que tiene un conmutador de alimentación (5) a través del cual la carga eléctrica conectada recibe una corriente de carga eléctrica (IL) y que tiene un componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) conectado en serie al conmutador de alimentación (5) y adaptado para generar directamente una caída de tensión (ΔU4) correspondiente a la velocidad de aumento de corriente de la corriente de carga eléctrica (IL) que fluye desde el terminal de entrada (2) del aparato de protección y control de carga (1) a través del componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) y el conmutador de alimentación (5) al terminal de salida (3) y que tiene un circuito de accionamiento (6) que está adaptado para detectar la ocurrencia de sobrecorriente en función de la caída de tensión (ΔU4) generada por el componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) y en función de una caída de tensión (ΔU5) a lo largo del conmutador de alimentación (5) y que está adaptado para desconectar dicho conmutador de alimentación (5) al detectar una sobrecorriente dentro de un período de desconexión de menos de un milisegundo, en donde el circuito de accionamiento (6) comprende un lado de baja tensión conectado a una unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) para recibir señales de control de la unidad de control (8) y un lado de alta tensión que comprende puertas lógicas proporcionadas para combinar una señal aplicada a una entrada (DESAT) en el lado de alta tensión con señales de control lógicas recibidas en el lado de baja tensión del circuito de accionamiento (6) desde la unidad de control (8), en donde el circuito de accionamiento (6) está adaptado para desconectar el conmutador de alimentación (5) si la caída de tensión generada (ΔU4) más la caída de tensión (ΔU5) a lo largo del conmutador de alimentación (5) aplicado como una tensión suma (U∑) a la entrada (DESAT) en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento (6) excede un umbral de tensión configurable (UTH) para proporcionar protección contra sobrecorriente, en donde la operación de desconexión es realizada por el circuito de accionamiento (6) sin involucrar a la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1), en donde el período de desconexión de menos de un milisegundo para desconectar dicho conmutador de alimentación (5) al detectar una sobrecorriente está predefinido por una circuitería de hardware que conecta el componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) a la entrada (DESAT) en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento (6) y por tiempos de propagación internos de señales lógicas que se propagan a través de las puertas lógicas del lado de alta tensión del circuito de accionamiento (6), comprendiendo además dicho aparato de protección y control de carga (1)
un circuito de control de fuente de alimentación (1C) que tiene un componente de sensor de tensión (9) adaptado para medir en el terminal de entrada (2) una tensión de alimentación notificada a la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) para proporcionar un perfil de tensión de alimentación,
en donde la unidad de control (8) está adaptada para controlar una energía eléctrica alimentada a la carga eléctrica conectada en función del perfil de tensión de alimentación y un perfil de corriente de carga medido.
2. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:
un circuito de protección contra sobrecarga (1B) que tiene un componente de sensor de corriente de carga (7) adaptado para medir continuamente la corriente de carga (IL) que fluye hacia el terminal de salida (3) notificada a la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) para proporcionar un perfil de corriente de carga, en donde la unidad de control (8) está adaptada para determinar un estado de sobrecarga o un tipo de carga eléctrica conectada basándose en el perfil de corriente de carga medido, en donde el tipo de carga eléctrica conectada comprende una carga eléctrica resistiva, capacitiva o inductiva.
3. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la unidad de control (8) está adaptada para controlar el circuito de accionamiento (6) para desconectar el conmutador de alimentación (5) si la unidad de control (8) determina un estado de sobrecarga de la carga eléctrica conectada o para controlar un relé electromecánico (14) conectado en serie al conmutador de alimentación (5) para interrumpir el flujo de corriente si la unidad de control (8) determina un estado de sobrecarga de la carga eléctrica conectada.
4. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3, en donde la unidad de control (8) está adaptada para controlar la energía eléctrica alimentada a la carga eléctrica conectada en función de un modo de funcionamiento de la carga eléctrica conectada basándose en el perfil de corriente de carga medido por el componente de sensor de corriente de carga (7) del circuito de protección contra sobrecarga (1B) y basándose en el perfil de tensión de alimentación medido por el componente de sensor de tensión (9) del circuito de control de fuente de alimentación (1C) en el terminal de entrada (2) del aparato de protección y control de carga (1).
5. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4, en donde el componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) del circuito de protección contra sobrecorriente (1A) comprende una bobina que está adaptada para generar una caída de tensión por inducción (ΔU4) dependiendo de la velocidad de aumento de corriente de la corriente de carga (IL) que fluye a través del componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) del circuito de protección contra sobrecorriente (1A).
6. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 5, en donde el componente de sensor de corriente de carga (7) del circuito de protección contra sobrecarga (1B) comprende un sensor Hall, un sensor GMR o un transformador adaptado para medir continuamente la corriente de carga (IL) que fluye hacia el terminal de salida (3) del aparato de protección y control de carga (1) para proporcionar el perfil de corriente de carga.
7. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 6, en donde el circuito de control de la fuente de alimentación (1C) tiene al menos un componente de sensor de tensión (9) formado por un divisor de tensión adaptado para suministrar una fracción de la tensión de alimentación en el terminal de entrada (2) a la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) para proporcionar el perfil de tensión de alimentación.
8. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 7, en donde el componente de sensor de corriente de carga (7) del circuito de protección contra sobrecarga (1B) y el al menos un componente de sensor de tensión (9) del circuito de control de fuente de alimentación (1C) están conectados a convertidores de analógico a digital asociados (10, 11) adaptados para convertir el perfil de corriente de carga analógico medido y el perfil de tensión de alimentación medido en valores de medición correspondientes almacenados en una memoria de datos (8B) de la unidad de control (8) como datos de perfil de corriente de carga y datos de perfil de tensión de alimentación, en donde un procesador o FPGA (8A) de la unidad de control (8) está adaptado para calcular un factor de alimentación (cosφ) basándose en los datos del perfil de corriente de carga y los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos (8B) de la unidad de control (8), en donde el procesador o FPGA (8A) de la unidad de control (8) está adaptado para determinar un modo de funcionamiento de la carga eléctrica conectada procesando los datos del perfil de corriente de carga y los datos del perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos (8B) de la unidad de control (8).
9. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 8, en donde la unidad de control (8) está adaptada para controlar el circuito de accionamiento (6) del aparato de protección y control de carga (1) en la recepción de un comando de control (CMD) de manera que el conmutador de alimentación (5) se conecta o desconecta de acuerdo con el comando de control recibido (CMD), en donde la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) está adaptada para recibir el comando de control (CMD) desde una interfaz de usuario (17) del aparato de protección y control de carga (1), desde un ordenador conectado a dicho aparato de protección y control de carga (1) o desde un control de programa almacenado de un sistema de automatización.
10. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 9, en donde el conmutador de alimentación (5) comprende un IGBT o un MOSFET de alimentación, en particular un MOSFET SiC, un MOSFET GaN o un MOSFET ScAlN.
11. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 8 a 10, en donde la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) está adaptada para derivar, basándose en al menos un parámetro de funcionamiento de la carga eléctrica conectada y en los datos de perfil almacenados en la memoria de datos (8B) de la unidad de control (8), un perfil de temperatura de los componentes de la carga eléctrica conectada y está adaptado para controlar el circuito de accionamiento (6) para desconectar el conmutador de alimentación (5) si se detecta una desviación del perfil de temperatura derivado con respecto a un intervalo de temperatura predeterminado.
12. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 11, en donde el conmutador de alimentación (5) se conecta después de un período de espera configurable o después de eliminar con éxito una causa de desconexión o si se cumplen otras condiciones de conexión predeterminadas.
13. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 12, en donde la carga eléctrica conectada recibe a través del aparato de protección y control de carga (1) varias fases de corriente eléctrica, L, como corrientes de carga de funcionamiento (IL).
14. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con la reivindicación 13 que comprende diferentes terminales de entrada (2) proporcionados para diferentes fases, L, recibidas de las barras colectoras (14) del sistema de barras colectoras, en donde cada terminal de entrada (2) está conectado a través de una trayectoria de señal a un terminal de salida (3), en donde cada trayectoria de señal comprende pares de conmutadores de alimentación (5) y componentes de sensor de velocidad de aumento de corriente asociados (4),
en donde el par de conmutadores de alimentación (5) proporcionados en la trayectoria de señal entre el terminal de entrada (2) y el terminal de salida (3) comprenden un primer conmutador de alimentación (5-1) proporcionado para una media onda de corriente positiva de una corriente CA, o proporcionado para una corriente CC positiva, y se proporciona un segundo conmutador de alimentación (5-2) para una media onda de corriente negativa de una corriente CA o para una corriente CC negativa, en donde se aplican tensiones de control en las puertas de los conmutadores de alimentación (5-1, 5-2) en respuesta a la tensión de suma (UΣ) del primer conmutador de alimentación (5-1) o del segundo conmutador de alimentación (5-2) y un primer componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4-1) o un segundo componente de sensor de velocidad del arroz de corriente (4-2) recibido a través del circuito puente rectificador.
15. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 14 que comprende una interfaz de usuario (17) adaptada para señalar un estado de funcionamiento de dicho aparato de protección y control de carga (1) y un estado de funcionamiento de la carga eléctrica conectada.
16. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 15, en donde el circuito de accionamiento (6) comprende el lado de baja tensión conectado a la unidad de control (8) y el lado de alta tensión conectado al conmutador de alimentación (5), en donde el lado de baja tensión y el lado de alta tensión del circuito de accionamiento (6) están separados galvánicamente entre sí.
17. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 8 a 16, en donde la unidad de control (8) está adaptada para realizar un control de ángulo de fase o para aplicar un patrón de conmutación predefinido al conmutador de alimentación (5) en función del factor de alimentación calculado (cosφ) y en función de un modo de funcionamiento de la carga eléctrica conectada.
18. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 8 a 17, en donde el procesador (8A) o el FPGA de la unidad de control (8) tiene acceso a al menos una característica de funcionamiento de carga de la carga eléctrica conectada, almacenada en una memoria de característica de carga (8C) de la unidad de control (8) que indica, para los parámetros de funcionamiento (PA, PB), al menos una zona de funcionamiento admisible, al menos una zona de funcionamiento crítica y al menos una zona de funcionamiento no admisible, en donde los parámetros de funcionamiento (PA, PB) comprenden como primer parámetro de funcionamiento una relación de corriente y como segundo parámetro el tiempo.
19. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con la reivindicación 18, en donde el procesador o FPGA (8A) de la unidad de control (8) está adaptado para evaluar los datos de perfil de corriente de carga y los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos (8B) de la unidad de control 8 con respecto a las características de funcionamiento de carga de la carga eléctrica almacenada en la memoria de características de funcionamiento (8C), para determinar si las combinaciones de parámetros de funcionamiento de diferentes parámetros de funcionamiento están en una zona de funcionamiento crítica o no admisible de la característica de funcionamiento de carga almacenada,
en donde la unidad de control (8) emite una señal de advertencia a través de una interfaz de salida (13) del aparato de protección y control de carga (1) si se determina que una combinación de parámetros de funcionamiento se encuentra en una zona de funcionamiento crítica de la característica de funcionamiento de carga almacenada de la carga eléctrica conectada y en donde la unidad de control (8) genera automáticamente una señal de control de desconexión aplicada al conmutador de alimentación (5) para desconectar la corriente de carga (IL) si se determina que una combinación de parámetros de funcionamiento se encuentra en una zona de funcionamiento no admisible de la característica de funcionamiento de carga almacenada de la carga eléctrica conectada.
20. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 14 a 19, en donde la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) está adaptada para determinar si las tensiones de alimentación recibidas en diferentes terminales de entrada (2) y las corrientes de carga (IL) proporcionadas para diferentes fases, L, en diferentes terminales de salida (3) indican una fuente de alimentación simétrica de la carga eléctrica conectada por la red de fuente de alimentación (PSN), conectada a través de barras colectoras (14) del sistema de barras colectoras a los terminales de entrada (2) del aparato de protección y control de carga (1), basándose en los datos de perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos (8B) de la unidad de control (8), y en donde la unidad de control (8) del aparato de protección y control de carga (1) está adaptada para determinar si una carga está conectada a los terminales de salida (3) basándose en los datos de perfil almacenados en la memoria de datos (8B) de la unidad de control (8), en donde la unidad de control (8) está adaptada para desconectar automáticamente los conmutadores de alimentación (5) si una fuente de alimentación asimétrica del aparato de protección y control de carga (1) por la red de fuente de alimentación (PSN) o una fuente de alimentación asimétrica de la carga eléctrica conectada por el aparato de protección y control de carga (1) son reconocidas por la unidad de control (8).
21. El aparato de protección y control de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 20, en donde cada terminal de entrada (2) comprende un contacto eléctrico saliente (16) configurado para ser insertado en las ranuras de contacto correspondientes (22) de las barras colectoras híbridas (14) del sistema de barras colectoras o en las ranuras del dispositivo adaptador de barras colectoras (18A).
22. El aparato de protección y control de carga (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 21, en donde el componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) comprende una inductividad de menos de 1 mili Henry.
23. Un sistema de automatización que comprende un aparato de protección y control de carga (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 22 y una carga eléctrica conectada a los terminales de salida (3) de una interfaz de carga (24) de dicho aparato de protección y control de carga (1).
24. Un método para controlar un fuente de alimentación para una carga eléctrica protegida, que comprende las etapas de:
- recibir energía eléctrica desde una red de fuente de alimentación (PSN) por al menos un terminal de entrada (2) desde una barra colectora (14) de un sistema de barras colectoras;
- generar (S1) una caída de tensión (ΔU4) en un componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de una corriente de carga eléctrica (IL) que fluye desde el terminal de entrada (2) a través del componente de sensor de velocidad de aumento de corriente (4) y un conmutador de alimentación (5) hasta un terminal de salida (3) al que se conecta la carga eléctrica;
- desconectar (S2) el conmutador de alimentación (5) automáticamente mediante un circuito de accionamiento (6) que tiene un lado de baja tensión conectado a una unidad de control (8) para recibir señales de control desde la unidad de control (8) y que tiene un lado de alta tensión que comprende puertas lógicas proporcionadas para combinar una señal aplicada a una entrada (DESAT) en el lado de alta tensión con señales lógicas de control recibidas en el lado de baja tensión del circuito de accionamiento (6) desde la unidad de control (8), en donde la conmutación se realiza dentro de un período de desconexión de menos de un milisegundo si la caída de tensión generada (ΔU4) más una caída de tensión (ΔU5) a lo largo del conmutador de alimentación (5) aplicada como una tensión suma (U∑) a la entrada (DESAT) en un lado de alta tensión del circuito de accionamiento (6) excede una tensión de umbral configurable (UTH) para proporcionar protección contra una sobrecorriente, en donde la operación de desconexión es realizada por el circuito de accionamiento (6) sin involucrar a la unidad de control (8), en donde el período de desconexión de menos de un milisegundo está predefinido por un circuito de hardware que conecta el componente del sensor de velocidad de aumento de corriente (4) a la entrada (DESAT) del circuito de accionamiento (6) y por tiempos de propagación interna de señales lógicas que se propagan a través de las puertas lógicas del lado de alta tensión del circuito de accionamiento (6); y
- controlar (S3) una energía eléctrica suministrada a la carga eléctrica conectada por la unidad de control (8) basándose en un perfil de corriente de carga medido y un perfil de tensión de alimentación medido, en donde una tensión de alimentación en el terminal de entrada (2) es medida por un componente de sensor de tensión (9) y notificada a la unidad de control (8) para proporcionar el perfil de tensión de alimentación.
25. El método de acuerdo con la reivindicación 24, que comprende además:
- determinar un estado de sobrecarga de la carga eléctrica conectada por la unidad de control (8) basándose en el perfil de corriente de carga medido y
- desconectar el conmutador de alimentación (5) mediante el circuito de accionamiento (6) bajo el control de la unidad de control (8) o mediante un relé electromecánico (25) si la unidad de control (8) determina un estado de sobrecarga de la carga eléctrica conectada.
26. El método de acuerdo con la reivindicación 25, en donde la unidad de control (8) determina un tipo de carga conectada basándose en el perfil de corriente de carga medido y el perfil de tensión de alimentación medido, en donde el tipo de carga eléctrica comprende una carga resistiva, capacitiva o inductiva, en donde la energía eléctrica suministrada a la carga eléctrica es controlada por la unidad de control (8) en función del tipo determinado de la carga eléctrica conectada.
27. Un sistema de barras colectoras que comprende una pluralidad de aparatos de protección y control de carga (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 22 y barras colectoras (14) a las que se conectan cargas eléctricas por medio de los aparatos de protección y control de carga.
28. El sistema de barras colectoras de acuerdo con la reivindicación 27, en donde los aparatos de protección y control de carga (1) están conectados a barras colectoras voluminosas (14) por medio de dispositivos adaptadores de barras colectoras (18A) que tienen pestillos (19) para enganchar barras colectoras voluminosas (14) desde atrás.
29. El sistema de barras colectoras de acuerdo con la reivindicación 27, en donde los aparatos de protección y control de carga (1) están conectados a barras colectoras híbridas (14) por medio de contactos eléctricos salientes (16) configurados para ser insertados en las ranuras coincidentes (22) de las barras colectoras híbridas (14).
30. Un sistema que comprende una pluralidad de aparatos de protección y control de carga (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 22 y perfiles de carril DIN que comprenden adaptadores de carril DIN (18B) que soportan los aparatos de protección y control de carga (1).
31. Un alojamiento de fusibles que comprende un aparato de protección y control de carga integrado (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 22.
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