MX2015002613A - Contacto de alta velocidad capaz de detectar, indicar y prevenir mal funcionamiento debido a falla interna. - Google Patents

Abstract

Un contacto híbrido que comprende un contacto metálico en paralelo con un par de transistores de energía detecta una falla en el estado ENCENDIDO corrige la falla si es posible, y notifica a un usuario a través de una alarma de falla.

Description

CONTACTO DE ALTA VELOCIDAD CAPAZ DE DETECTAR, INDICAR Y PREVENIR NAL FUNCIONAMIENTO DEBIDO A FALLA INTERNA Campo de la Invención La presente descripción se refiere a contactos de conmutación de energía de alta velocidad, y en particular a contactos de conmutación de energía de alta velocidad construidos de un contacto metálico en paralelo con uno o más transistores de energía, y más particularmente aún a sistemas y métodos para detectar una falla de uno de los transistores de energía, indicando una falla detectada, y previniendo operación inapropiada debido a una falla detectada.

Breve Descripción de las Figuras Aunque los aspectos característicos de esta descripción serán particularmente señalados en las reivindicaciones, la misma descripción, y la forma en la cual puede hacerse y utilizarse, puede entenderse mejor al hacer referencia a la siguiente descripción tomada en conexión con las figuras anexas que forman una parte de la misma, en donde números de referencia similares se refieren a partes similares a través de las varias vistas y en donde: la Figura 1 es un diagrama esquemático simplificado de un contacto híbrido de la téenica previa que utiliza un contacto metálico en paralelo con un transistor de energía; la Figura 2 es un diagrama esquemático simplificado Ref. 254530 del contacto híbrido descrito; las Figuras 3A y 3B son cuadros de flujo que ilustran la operación de creación e interrupción de contacto híbrido respectivamente; la Figura 4 es una diagrama esquemático de un aspecto del contacto híbrido .descrito.

Descripción Detallada de la Invención Los contactos metálicos son el estándar para conmutar grandes cantidades de energía eléctrica, y por buena razón; los contactos metálicos tienen propiedades casi ideales cuando son abiertos o cerrados. Cuando se abren, un contacto metálico apropiadamente diseñado puede resistir fácilmente miles de voltios sin dañarse. Mientras está cerrado, la resistencia de un contacto metálico es frecuentemente menos de un miliohmio. Sin embargo, los contactos metálicos generalmente se desempeñan de manera deficiente durante la transición entre el estado abierto y el estado cerrado, y viceversa, cuando se compara con transistores de energía. Cuando un contacto metálico rompe un flujo de corriente, es usual alguna cantidad de formación de arco, y en algunos casos, cuando el voltaje a través de las terminales y la cantidad de corriente para interrumpir son suficientes, el contacto puede realmente soldarse.

Similarmente, cuando se cierran los contactos metálicos; es decir, se hace una conexión, el proceso de cerrar los contactos puede llevar un tiempo comparativamente prolongado cuando se compara con transistores de energía.

En el caso de interrumpir flujo de corriente, los transistores de energía pueden cambiar del estado apagado al estado encendido muy rápidamente; en algunos casos en el orden de nanosegundos, y casi universalmente, dentro de 100 o aproximadamente algunos microsegundos. Por consiguiente, cuando se despliegan en un sistema AC, los transistores de energía pueden apagarse en un punto de corriente cero con bastante precisión, eliminando la posibilidad de un arco. Además, puede hacerse una conexión casi instantáneamente como sea necesario. Por consiguiente, los transistores de energía exhiben mucho mejor comportamiento cuando cambian del estado apagado al estado encendido y viceversa..

Sin embargo, transistores de energía no tienen las características casi ideales de contactos metálicos cuando están en los estados abiertos o cerrados. En particular, transistores de energía disipan energía significativa cuando están encendidos debido a una caída de voltaje sustancial sobre una trayectoria de conducción del transistor de energía, y pueden tolerar un voltaje inverso limitado cuando están apagados. Además, transistores de energía siempre conducen alguna cantidad de corriente, incluso cuando están en el estado pagado, y tienden a tener una vida útil limitada cuando se comparan con contactos metálicos.

Por ejemplo, la Figura 1 ilustra un contacto híbrido 10 de la téenica previa. Un transistor de energía 15 es dispuesto en paralelo a un contacto metálico 20, con respecto a una carga (no mostrada). Cuando se cierra el contacto híbrido 10, el controlador 12 activa simultáneamente el transistor de energía 16 y el contacto metálico 20. El transistor de energía 16 empieza a conducir justo después de algunos microsegundos, y transporta toda la corriente de carga hasta que el contacto metálico 20 se cierra. La resistencia efectiva del contacto metálico 20 es muy inferior a la resistencia efectiva del transistor de energía 16, así que sustancialmente toda la corriente fluye a través del contacto metálico 20, una vez que el contacto metálico se cierra.

Para proporcionar la capacidad de interrumpir flujos de corriente altos, la lógica de control 12 primero abre el contacto metálico 20, que típicamente lleva varios milisegundos para responder. A medida que el contacto metálico 20 se abre la corriente comienza a fluir a través del transistor de energía 16 hasta que el transistor de energía 16 transporta todo el flujo de corriente. MOV 24 se dispone para disipar cualquier potencia inductiva desde la carga a medida que el contacto metálico 20 se abre. El rectificador de puente 22 permite que se utilice el contacto híbrido con cargas y fuentes AC.

Como se explicó en más detalle a continuación, el controlador 12 está eléctricamente aislado del contacto metálico 20 por bobina de control 30. Además, el controlador está eléctricamente aislado del primer transistor 16 mediante el dispositivo de aislamiento 14.

Sin embargo, estas combinaciones sufren de ciertas desventajas. En particular, los dispositivos híbridos no tienen forma de detectar la falla del transistor de energía relativamente frágil, que puede fallar en el estado encendido, y con ello proporcionar energía a una carga que no se supone que sea alimentada.

Por consiguiente, existe una necesidad de un contacto híbrido mejorado que puede detectar la falla de un transistor de energía, advierte a usuarios de tal falla, y toma acción para prevenir la operación inapropiada del contacto híbrido cuando se detecta tal falla.

Al cambiar a la Figura 2, se ilustra un contacto híbrido 50 mejorado. El contacto híbrido 50 comprende un primer transistor de energía 16 dispuesto en serie con un segundo transistor de energía 40. La combinación en serie de los transistores de energía 16 y 40 se dispone eléctricamente en paralelo con un contacto metálico 20. Un controlador 12 opera los transistores de energía 16 y 40 y el contacto metálico 20 para venta osamente laborar e interrumpir flujo de energía a una carga (no mostrados). El controlador 12 está acoplado al contacto metálico 20 a través de una primera bobina de control 36. El controlador también está acoplado al primer transistor de energía 16, que puede ser, por ejemplo, un transistor bipolar de puerta aislado, a través de un segundo circuito de aislamiento 14, y el segundo transistor de energía 40, que puede ser un FET de detección, a través de un tercer circuito de aislamiento 42. Como con el contacto híbrido de la Figura 1, el contacto híbrido de la Figura 2 también incluye un rectificador 22 para interconectarse con fuentes y cargas AC, y un MOV 24 para absorber cualquier potencia inductiva desde la carga (no mostrada) que podría dañar los transistores de energía. El controlador 12 también opera la salida del arma 13 como se describió aquí.

El segundo transistor de energía 40 proporciona un punto de detección 46. Un ejemplo de un transistor de energía que proporciona un punto de detección 46 es un FET de detección (sEFT, por sus siglas en inglés), que es un transistor de efecto de campo con una terminal de detección que mantiene un flujo de corriente proporcional al flujo de corriente de drenaje a fuente. El punto de detección proporciona un voltaje que es proporcional al flujo de corriente a través del transistor de energía 40, es decir, en el caso de un FET de detección, el punto de detección 46 proporciona una señal indicativa de flujo de corriente de drenaje a fuente del sFET. Por ejemplo, si 10 amperios fluyen de drenaje a fuente, la terminal de detección puede originar 10 mA de corriente. Esta señal es amplificada por un circuito de amplificación 52 y entonces acoplada al controlador 12 a través de un cuarto circuito de aislamiento 44.

Se utilizan circuitos de aislamiento entre la lógica de control y etapa de energía para prevenir que grandes picos de magnitud, que pueden ocurrir en la porción de conmutación de energía del contacto híbrido 50, dañen componentes sensibles en el lado de control. Existen varias formas para lograr aislamiento. Dos métodos bien conocidos son transformadores de aislamiento y optoacopladores. Transformadores de aislamiento proporcionan aislamiento ya que los bobinados primarios y secundarios no tienen conexión física; toda la transferencia de energía opera a través de inducción. Optoacopladores también proporcionan una forma de transferir señales desde la etapa de energía a la lógica de control sin daño a riesgo a componentes de control sensibles. Optoacopladores operan a través del uso de un diodo emisor de luz en un lado y un fototransistor en el otro lado. Tanto transformadores de aislamiento como optoacopladores pueden representar señales de control de paso así como señales analógicas. Aunque transformadores de aislamiento y optoacopladores son los mejores métodos conocidos para proporcionar aislamiento eléctrico, esta descripción de ninguna forma debe estar limitada a estos métodos de proporcionar aislamiento eléctrico. Por ejemplo, el uso de acoplamiento capacitivo entre la lógica de control y la etapa energía de energía debe abarcarse por esta descripción.

La adición del segundo transistor de energía 40 y su punto de detección 46 permite que el contacto híbrido 50 mejorado detecte cuando el primer transistor de energía 16 de y IGBT ha fallado. En particular, el controlador 12 puede utilizar el punto de detección 46 para determinar si la corriente está fluyendo a través del segundo transistor 40 cuando no debe hacerlo. Por ejemplo, si el primer transistor de energía 16 falla en la posición de encendido, y debe estar en la posición de apagado, el punto de detección 46 indicará una caída de voltaje positiva a través del segundo transistor de energía 40. En la situación opuesta, el punto de detección 46 indicará una caída de voltaje nominal a través del segundo transistor de energía 40.

Al cambiar a la Figura 3A, se ilustra una secuencia simplificada de pasos ejecutados por el controlador para hacer una conexión con el contacto híbrido. En la operación de estado estable, el segundo transistor de energía 40 se enciende por razones discutidas a continuación con la explicación de la operación de interrupción del contacto híbrido. Por consiguiente, esta secuencia no activará el segundo transistor de energía. En el paso 202 el primer transistor de energía 16 y el contacto metálico 20 se activan. El controlador entonces espera un periodo TDon que puede ser, por ejemplo, 8 milisegundos, en el paso 204. Finalmente, en el paso 206, se desactiva el primer transistor de energía 16. En una modalidad, el primer filtro de energía es activado antes del contacto metálico de manera que pueda medirse una corriente de carga normal a través del punto de detección y almacenarse por el controlador para referencia cuando se interrumpe una conexión. En otra modalidad, el primer transistor de energía es activado simultáneamente con activación del contacto metálico.

La Figura 3B ilustra una secuencia simplificada de pasos ejecutados por el controlador para interrumpir una conexión con el contacto híbrido. En el paso 212 el contacto metálico 20 es abierto. El controlador entonces espera un periodo TDoffi, que puede ser, por ejemplo, 8 milisegundos, para permitir que el contacto metálico 20 se abra físicamente. Durante este período, el flujo de corriente cambiará del contacto metálico 20 al primer transistor de energía 16 y el segundo transistor de energía 40, previniendo con ello que ocurra un arco mientras se abre el contacto metálico 20. Después de esperar que el contacto metálico 20 abre el controlador se apagará el primer transistor de energía 16. Observar que el segundo transistor de energía 40 se deja encendido. El controlador entonces espera un periodo Tüoff2, que puede ser, por ejemplo, 1 milisegundo, y entonces son del punto de detección 46 en el paso 220 para determinar si la corriente aún está fluyendo a través del primer transistor de energía 16 y el segundo transistor de energía 40. Si la corriente aún está fluyendo a través del segundo transistor de energía 40, el primer transistor de energía 16 debe haber fallado en la posición de ENCENDIDO, y la ejecución transita al paso 228, en donde el segundo transistor de energía 40 es apagado, y al paso 230 en donde se activa una salida de alarma 13. Si el punto de detección 46 indica que la corriente ya no está fluyendo a través del segundo transistor de energía 40 entonces el contacto híbrido 40 funcionó apropiadamente y la ejecución transita al paso 224, fin.

En una modalidad, el contacto híbrido puede emplearse en un sistema en donde el contacto metálico 20 normalmente está abierto y el primer transistor de energía 16 está apagado. Por- ejemplo, un dispositivo electrónico inteligente (IED, por sus siglas en inglés) utilizado en el monitoreo, control, protección, y/o automatización de sistema de suministro de energía eléctrica, las salidas de contacto pueden estar en un esto normalmente abierto, y el primer transistor de energía 16 puede estar apagado. En tal modalidad, el sistema podría revisar periódicamente el estado del primer transistor de energía 16. Es decir, el sistema puede encender brevemente el segundo transistor de energía 40 (por ejemplo, por 1 milisegundo o menos), y sondear el punto de detección 46 para determinar si la corriente está fluyendo a través del primer transistor de energía 16. Si se detecta que la corriente está fluyendo a través del primer transistor de energía 16, el primer transistor de energía 16 debe haber fallado en la posición de ENCENDIDO, y el sistema puede activar una salida de alarma tal como salida 13, y también puede suspender revisiones adicionales. Si no se detecta ninguna corriente para estar fluyendo a través del primer transistor de energía 16, entonces no se detecta ninguna falla. Tales revisiones pueden realizarse periódicamente, en una base programada, después de cierto periodo de tiempo después que se abre el contacto, a la orden de un sistema de usuario o supervisor, o similares.

La Figura 4 ilustra un diagrama esquemático más detallado del contacto híbrido descrito. Un controlador está conectado a un optoacoplador 56, que proporciona efectivamente una señal de control digital aislada entre el controlador 12 y el primer transistor de energía 16. En particular, una línea de salida del controlador jala el cátodo del fotodiodo de optoacoplador hacia abajo, que opcionalmente activa el fototransistor en el lado de etapa de energía. La salida del fototransistor se jala hacia abajo por el resistor 64, que también sirve para limitar el flujo de corriente a través del fototransistor cuando se activa.

Cuando se activa, la salida del fototransistor se jala hacia arriba al nivel de voltaje V, que activa el primer transistor de energía 16.

Cuando se apaga el primer transistor de energía 16, el controlador 12 regresa el cátodo del fotodiodo del acoplador a alto, que desactiva ópticamente el fototransistor en el lado de etapa de energía. El diodo 60 fuerza la carga del primer transistor 16 para fluir a través del transistor 62, que jala la puerta del primer transistor de energía 16 hacia abajo, esto apagándolo.

La operación del segundo transistor de energía 40 se controla por el controlador 12 utilizando el oscilador 66 y transformador 68. Como se describe aquí, cuando se activa el oscilador 66, genera una forma de onda hacia una frecuencia fija, que alimenta los circuitos impulsores sobre aquel secundario del transformador 68. En una modalidad la frecuencia es aproximadamente 500kHz. En otras modalidades, la frecuencia puede ser superior o inferior, cuya selección puede depender de la especificación de transformador 68. En particular, se activa el oscilador 66 por una línea de salida del controlador 12. El oscilador genera una señal AC, que se acopla inductivamente a través del transformador 68. La señala AC generada en la salida del transformador 68 alimenta un circuito de energía DC compuesto de diodo rectificador 70, capacitor de filtro 74 y resistor 76. Cuando el nivel de energía de DC alcanza un nivel de umbral, el segundo transistor de energía 40 se encenderá.

Cuando se apaga el segundo transistor de energía 40, el controlador 12 desactiva el oscilador 66, lo que deja de generar la forma de onda AC. Por consciente, la señal ya no está acoplada inductivamente a través del transformador 68, y el circuito de energía DC ya no se alimenta con ello. El diodo 72 fuerza la carga del segundo transistor de energía 40 al fluir a través del transistor 78, que jala la puerta del segundo transistor de energía 40 hacia bajo, apagándolo.

La salida de detección 46 del segundo transistor de energía 40 pasa de regreso al controlador 12 a través de un amplificador 52 y un optoacoplador 54, tal como, por ejemplo, un Vishay IL300. El optoacoplador 54 tiene dos salidas sustancialmente iguales. Una salida es conectada de nuevo a la entrada de inversión del amplificador 52, mientras la otra salida es conectada al bloque de control. Se debe observar que el amplificador 52 puede ser uno o muchos medios diferentes para proporcionar amplificación, tal como, por ejemplo, amplificadores operativos, amplificadores de transistor, y amplificadores de instrumento, entre otras opciones bien conocidas.

La descripción anterior del contacto híbrido descrito se ha presentado para propósitos de ilustración y descripción, y no pretende ser exhaustiva o limitar la descripción a la forma precisa descrita. La descripción se seleccionó para explicar mejor los principios del contacto híbrido descrito y aplicación práctica de estos principios para permitir a aquellos téenicos en la materia utilizar mejor el contacto híbrido descrito en varias modalidades y varias modificaciones como son adecuadas para el uso particular contemplado. Se pretende que el alcance del contacto híbrido descrito no esté limitado por la especificación, sino que se defina por las reivindicaciones establecidas a continuación.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (9)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1.- Un contacto de alta velocidad para elaborar o interrumpir una conexión en un sistema de energía, caracterizado porque comprende: i) un dispositivo de conmutación de contacto metálico que tiene una primera terminal y una segunda terminal, el dispositivo de conmutación configurado para elaborar o interrumpir una conexión eléctrica entre la primera terminal y la segunda terminal en respuesta a una primera señal de control; ii) un primer transistor de energía que tiene una tercera terminal y una cuarta terminal, el transistor de energía configurado para transitar entre un estado encendido y un estado apagado en respuesta a una segunda señal de control, el estado encendido permite conducción eléctrica de la tercera terminal a la cuarta terminal, y el estado apagado bloquea conducción eléctrica de la tercera terminal a la cuarta terminal; iii) la tercera terminal eléctricamente acoplada a la primera terminal; iv) un segundo transistor de energía que tiene una quinta terminal y una sexta terminal, el segundo transistor de energía configurado para transitar entre un estado encendido y un estado apagado en respuesta a una tercerá señal de control, el estado encendido permite conducción eléctrica de la quinta terminada a la sexta terminal, y el estado apagado bloquea conducción eléctrica de la quinta terminal a la sexta terminal; v) el segundo transistor de energía adaptado para proporcionar un proporcional de señal de detección a un flujo de corriente entre la quinta terminal y la sexta terminal, vi) la quinta terminal acoplada eléctricamente a la cuarta terminal y la sexta terminal acoplada eléctricamente a la segunda terminal; y vii) un controlador.

2.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el controlador está acoplado al contacto metálico a través de un primer circuito de aislamiento, y en donde el controlador proporciona la primera señal de control utilizando el primer circuito de aislamiento.

3.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el controlador está acoplado al primer transistor de energía a través de un segundo circuito de aislamiento, y en donde el controlador proporciona la segunda señal de control utilizando el segundo circuito de aislamiento.

4.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el controlador está acoplado al segundo transistor de energía a través de un tercer circuito de aislamiento, y en donde el controlador proporciona la tercera señal de control utilizando el tercer circuito de aislamiento.

5.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo transistor de energía además comprende un punto de detección para proporcionar la señal de detección.

6.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el contacto de alta velocidad además comprende un cuarto circuito de aislamiento acoplado al punto de detección y al controlador.

7.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el cuarto circuito de aislamiento comprende un amplificador acoplado al punto de detección y un optoacoplador acoplado al amplificador y al controlador, el amplificador proporciona una señal de detección amplificada

8.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: vii) un oscilador acoplado al controlador; y ix) un transformador acoplado al oscilador y al segundo transistor de energía, x) en donde el oscilador proporciona la tercera señal de control a través del transformador.

9.- El contacto de alta velocidad de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el transformador está acoplado a un circuito de suministro de energía para generar energía DC.