Disyuntor de circuito para proteger un sistema eléctrico.

Disyuntor de circuito (100) para proteger un sistema eléctrico (10) que comprende una línea de alimentación de red (LIN) de corriente alterna,

por lo menos uno carga eléctrica (LD) y el disyuntor de circuito (100), comprendiendo dicho disyuntor:

- un elemento de conmutación de semiconductor (T1) que tiene un terminal eléctrico primero (1) y uno segundo (2) conectados a la línea de alimentación de red (LIN) y un terminal de control (3), estando controlado dicho elemento de conmutación (T1) mediante la activación/desactivación de una señal de control (S) aplicada al terminal de control (3) para conmutar entre un estado abierto/cerrado y un estado cerrado/abierto para conectar/desconectar por lo menos una carga (LD) a/de dicha línea de alimentación (LIN),

- un excitador (DV) adaptado para activar/desactivar dichas señales de control (S),

- un circuito de limitación de corriente (200) asociado operativamente con la línea de alimentación de red (LIN) configurado para enviar una primera señal (S1) a dicho excitador (DV) para desactivar dicha señal de control (S) conmutando el elemento de conmutación (T1) del estado cerrado al estado abierto subsiguientemente a la detección de un valor de corriente (Icc) indicativo de un fallo en el sistema,

- un circuito regulador de tensión (300, 400) conectado a dicho terminal eléctrico primero (1) y segundo (2) del elemento de conmutación (T1);

caracterizado porque el circuito regulador de tensión (300, 400) comprende:

medios de disipación (300) de una energía eléctrica residual almacenada en la línea de alimentación de red (LIN) subsiguientemente a la conmutación del elemento de conmutación (T1) del estado cerrado al estado abierto debido a la detección de dicha corriente de fallo (Icc),

medios (400) para detectar una tensión de fallo entre dicho terminal primero (1) y segundo (2) generada por valores de pico de la corriente de fallo (Icc) en dicha conmutación del elemento de conmutación (T1) del estado cerrado al estado abierto, en donde dichos medios de detección (400) se configuran para enviar una segunda señal (S6) a dicho excitador (DV) para mantener dicha señal de control (S) desactivada.

Disyuntor de circuito para proteger un sistema eléctrico Campo de aplicación

La presente invención se refiere a dispositivos para proteger circuitos de sistemas eléctricos para uso industrial. En concreto, la invención se refiere a un disyuntor de circuito para proteger un sistema de fallos que puedan ocurrir en una línea de alimentación de red, en una carga eléctrica o en el propio disyuntor.

Técnica anterior

Como es conocido, en los sistemas eléctricos modernos diseñados para uso industrial se proporcionan dispositivos de seguridad frente a fallos o fenómenos anómalos que puedan deteriorar el funcionamiento correcto del sistema. De hecho, sin tales dispositivos de seguridad, cualquier anomalía y fallo puede dañar tanto el equipo de red o "cargas" presentes en el sistema como los propios disyuntores, que conectan/desconectan tales cargas del sistema. Además, pueden ocurrir condiciones de riesgo para las personas que utilizan tal equipo de la red.

Un ejemplo de dispositivo de seguridad para sistemas eléctricos industriales comprende generalmente un fusible asociado con un disyuntor térmico. El disyuntor térmico es capaz de desconectar la carga de una línea de alimentación de red del sistema en caso de sobrecorriente debida a sobrecarga, mientras el fusible se dispara para proteger el sistema eléctrico de corrientes de cortocircuito.

Un inconveniente de tal dispositivo de seguridad conocido que utiliza el fusible se refiere a la necesidad de restablecer la seguridad tras la ocurrencia del cortocircuito en el sistema, en concreto retirando el fusible defectuoso para sustituirlo con uno nuevo. Tal operación de sustituir el fusible es a menudo una actividad manual dificultosa que requiere la asistencia de un operario especializado.

Además, el disyuntor del circuito de seguridad con fusible no está exento de daños que pueden ser causados por fenómenos transitorios que tienen lugar con cortocircuitos. Tal disyuntor de circuito es conocido, por ejemplo, del documento FR 2807580 A1.

Sumario de la invención

El objeto de la presente invención es diseñar y proporcionar un disyuntor de circuito para proteger un sistema eléctrico, en concreto para proteger un sistema para uso industrial de fallos tales como, por ejemplo, corrientes de cortocircuito, que tiene características que permiten superar, al menos parcialmente, las limitaciones y/o los inconvenientes de los dispositivos de seguridad conocidos mencionados anteriormente.

Tal objeto se consigue mediante un disyuntor de circuito de acuerdo con la reivindicación 1. Modos de realización preferidos de tal disyuntor de circuito se definen por las reivindicaciones dependientes 2-13.

Breve descripción de los dibujos

Características y ventajas adicionales del disyuntor de circuito anterior para proteger un sistema eléctrico aparecerán más claramente de la siguiente descripción de un modo de realización preferido de la misma, ofrecida a modo de ejemplo no limitativo con referencia a las figuras adjuntas, en las cuales:

- la figura 1 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de un disyuntor de circuito para proteger un sistema eléctrico de acuerdo con la presente invención;

- la figura 2 es un diagrama de cableado ejemplar de una porción del disyuntor de circuito de la figura 1.

Descripción detallada

Con referencia a dichas figuras 1-2, el número de referencia 100 indica globalmente un disyuntor de circuito para proteger un sistema eléctrico 10 de fallos de acuerdo con la presente invención. En dichas figuras 1-2, elementos y componentes que son equivalentes o similares se indican mediante los mismos números de referencia.

El disyuntor de circuito 100 se puede utilizar para conectar una línea de alimentación de red LIN con uno o más equipos de la red o "cargas" presentes en el sistema 10. Se debe tener en cuenta que tal sistema 10 es preferiblemente un sistema industrial que comprende, en el ejemplo de la figura 1, una única carga LD alimentada por la línea de red LIN.

Tal carga LD representa cualquier carga industrial eléctrica, por ejemplo una resistencia calefactora para hornos para el tratamiento de metales, cerámicas, vidrios o una resistencia de una lámpara de infrarrojos.

Además, el disyuntor de circuito 100 de la invención puede adaptarse para su conexión a una línea de alimentación de red de corriente alterna, ya sea del tipo monofásico o una línea trifásica. Con referencia al ejemplo de la figura 1, la línea de alimentación de red LIN, denominada en lo que sigue como línea de red o simplemente línea, es una línea monofásica que comprende dos conductores o cables eléctricos, esto es, un cable de fase eléctrica L (o primera fase L) y un cable neutro eléctrico N (o segunda fase L"). Por ejemplo, tal línea de red LIN se configura para funcionar en tensiones de corriente alterna CA en el intervalo entre 480 Vac y 600 Vac y con corrientes nominales en el Intervalo de 25 A-250 A.

Además, se debe tener en cuenta que la línea de alimentación de red LIN se caracteriza por efectos inductivos esquematizados en la figura 1 anterior por una primera inductancia L1 y una segunda inductancia L2. Por ejemplo, un valor de inductancia máximo de la línea LIN es de alrededor de (L1 + L2)max = 1000 pH y un valor de inductancia mínimo de la línea LIN es, por ejemplo, (L1 + L2)max < 100 pH.

En la siguiente descripción, el término sistema eléctrico se refiere a un sistema 10 que comprende la carga eléctrica LD, la línea de alimentación de red LIN y el propio disyuntor de circuito 100. Por ejemplo, entre los fallos que pueden deteriorar el funcionamiento correcto del sistema eléctrico 10, en la siguiente descripción se hará referencia a los cortocircuitos que pueden afectar a la carga LD, la línea de red LIN o el propio disyuntor 100.

El disyuntor de circuito 100 de la invención comprende un elemento de conmutación T1, en concreto un dispositivo semiconductor de potencia, que tiene un terminal eléctrico primero 1 y uno segundo 2 conectados a la línea de alimentación de red LIN y a un terminal de control 3 respectivo.

Tal elemento de conmutación T1 se puede controlar mediante una señal de control S aplicada al terminal de control

3. En más detalle, el elemento de conmutación T1 puede ser controlado para conmutar entre un estado abierto y un estado cerrado para conectar la carga LD a la línea de red LIN subsiguientemente a activar tal señal de control S. Por el contrario, el elemento de conmutación T1 se puede controlar para conmutar de un estado cerrado a un estado abierto para desconectar la carga LD de la línea de red LIN subsiguientemente a desactivar tal señal de control S.

Con referencia al ejemplo de la figura 2, el elemento de conmutación T1 comprende, por ejemplo, un transistor bipolar de puerta aislada o IGBT primero Q1 y uno segundo Q2 sustancialmente ¡guales entre sí. Tales transistores IGBT primero Q1 y segundo Q2 tienen terminales de emisor respectivos conectados entre sí y a un terminal de referencia M, y terminales de puerta conectados al terminal de control 3 anterior. Además, un terminal colector del primer transistor IGBT Q1 se conecta al primer terminal eléctrico 1 del elemento de conmutación T1 y un terminal colector del segundo transistor IGBT Q2 se conecta al segundo terminal eléctrico 2.

Se debe tener en cuenta que tales transistores IGBT primero Q1 y segundo Q2 están provistos, en paralelo, con un primer diodo Dqi y un segundo diodo Dq2 para recircular la corriente inversa, respectivamente.

El disyuntor de circuito 100 comprende además un circuito de pilotaje o excitador DV adaptado para activar/desactivar la generación de la señal de control S aplicada al terminal de control 3 para controlar el elemento de conmutación T1. En concreto, tal excitador DV se configura para activar dicha señal de control S basándose en una señal de activación lógica Sa generada por una unidad de control central del disyuntor de circuito 100, por ejemplo un microprocesador, no mostrado en la figura 1. Se debe tener en cuenta que el excitador DV es de tipo convencional y no se describirá en mayor detalle en lo que sigue.

La unidad de control central anterior del disyuntor de circuito 100 está adaptada para controlar el excitador DV mediante un puerto lógico AND 202 de dos entradas, en el que una primera de tales entradas está adaptada para recibir la señal de activación lógica Sa anterior.

Además, el disyuntor de circuito 100 de la invención comprende un circuito de limitación de corriente 200 asociado funcionalmente a la línea de alimentación de red LIN, configurado para detectar variaciones de corriente en tal línea.

En un modo de realización,... [Seguir leyendo]

1. Disyuntor de circuito (100) para proteger un sistema eléctrico (10) que comprende una línea de alimentación de red (LIN) de corriente alterna, por lo menos uno carga eléctrica (LD) y el disyuntor de circuito (100), comprendiendo dicho disyuntor:

- un elemento de conmutación de semiconductor (T1) que tiene un terminal eléctrico primero (1) y uno segundo (2) conectados a la línea de alimentación de red (LIN) y un terminal de control (3), estando controlado dicho elemento de conmutación (T1) mediante la activación/desactivación de una señal de control (S) aplicada al terminal de control (3) para conmutar entre un estado abierto/cerrado y un estado cerrado/abierto para conectar/desconectar por lo menos una carga (LD) a/de dicha línea de alimentación (LIN),

- un excitador (DV) adaptado para activar/desactivar dichas señales de control (S),

- un circuito de limitación de corriente (200) asociado operativamente con la línea de alimentación de red (LIN) configurado para enviar una primera señal (S1) a dicho excitador (DV) para desactivar dicha señal de control (S) conmutando el elemento de conmutación (T1) del estado cerrado al estado abierto subsiguientemente a la detección de un valor de corriente (lee) indicativo de un fallo en el sistema,

- un circuito regulador de tensión (300, 400) conectado a dicho terminal eléctrico primero (1) y segundo (2) del elemento de conmutación (T1);

caracterizado porque el circuito regulador de tensión (300, 400) comprende:

medios de disipación (300) de una energía eléctrica residual almacenada en la línea de alimentación de red (LIN) subsiguientemente a la conmutación del elemento de conmutación (T1) del estado cerrado al estado abierto debido a la detección de dicha corriente de fallo (lee),

medios (400) para detectar una tensión de fallo entre dicho terminal primero (1) y segundo (2) generada por valores de pico de la corriente de fallo (Ice) en dicha conmutación del elemento de conmutación (T1) del estado cerrado al estado abierto, en donde dichos medios de detección (400) se configuran para enviar una segunda señal (S6) a dicho excitador (DV) para mantener dicha señal de control (S) desactivada.

2. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos medios de disipación de energía eléctrica (300) comprenden unos circuitos de disipación de energía primero (DS1) y segundo (DS2) iguales entre sí y conectados en serie entre sí entre el terminal eléctrico primero (1) y segundo (2).

3. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 2, en el que cada uno de dichos circuitos de disipación primero (DS1) y segundo (DS2) comprende por lo menos un diodo de supresión de transitorios de tensión.

4. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos medios (400) para detectar una tensión de fallo comprenden un circuito electrónico de detección primero (401) y uno segundo (402) iguales entre sí, conectados respectivamente entre el primer terminal eléctrico (1) y un terminal eléctrico intermedio (5) del disyuntor de circuito y entre el segundo terminal eléctrico (2) y el mismo terminal eléctrico intermedio (5), estando asociado operativamente dicho terminal intermedio (5) con el terminal de control (3).

5. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicho primer circuito electrónico de detección (401) comprende:

- una primera porción de circuito próxima al primer terminal eléctrico (1) que comprende por lo menos un primer diodo (D1);

- una segunda porción de circuito próxima al terminal eléctrico intermedio (5) que comprende una primera resistencia

(R1);

- una porción intermedia entre dicha primera y segunda porción que comprende un diodo Zener (Dz) conectado en paralelo con una segunda resistencia (R2).

6. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho primer circuito electrónico de detección (401) comprende un segundo diodo (Dx) conectado entre un cátodo de dicho diodo Zener (Dz) y un terminal de salida (6) común de dicho circuito de detección primero (401) y segundo (402).

7. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicho terminal eléctrico intermedio (5) está conectado a ambos de dicho excitador (DV) y a una red de control eléctrica (403) dispuesta entre el terminal eléctrico intermedio (5) y el terminal de control (3) del elemento de conmutación de semiconductor (T1).

8. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dicha red de control eléctrica (403) comprende una tercera resistencia (R3) conectada en paralelo a un tercer diodo (Dx1) y a una cuarta resistencia (R4), estando dicho tercer diodo (Dx1) y cuarta resistencia (R4) en serie entre sí.

9. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho circuito de limitación de corriente (200) comprende un sensor de corriente (201) de efecto Hall.

10. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho elemento de conmutación de semiconductor (T1) comprende un primer (Q1) y un segundo (Q2) transistor bipolar de puerta aislada o IGBT, que tienen los respectivos terminales de emisor conectados entre sí y los terminales de puerta conectados a dicho terminal de control (3), estando conectado el terminal colector del primer transistor IGBT (Q1) al primer terminal eléctrico (1) y estando conectado el terminal colector del segundo transistor IGBT (Q2) al segundo terminal eléctrico (2).

11. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un puerto lógico AND (202) adaptado para recibir en la entrada dicha primera señal (S1) y dicha señal de activación (Sa) para suministrar una tercera señal (S2) al excitador (DV).

12. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un circuito de seguridad de sobrecalentamiento de dicho terminal eléctrico primero (1) y segundo (2) que comprende:

- un sensor de temperatura (500) asociado operativamente con por lo menos uno entre dicho terminal eléctrico primero (1) y segundo (2) del elemento de conmutación (T1) para detectar una temperatura de dicho por lo menos un terminal y generar una señal de tensión (St) correspondiente;

- un comparador electrónico (600) adaptado para recibir dicha señal de tensión (St) indicativa del valor de temperatura detectado para compararlo con una tensión umbral preestablecida (Vref);

- un puerto lógico OR (205) adaptado para recibir una señal (S4) respectiva del comparador (600) para desactivar la señal de control (S) a través del excitador (DV) si la temperatura detectada por el sensor (500) corresponde a una tensión superior al valor umbral (Vref).

13. Disyuntor de circuito (100) de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende un circuito de memoria (203) que tiene una primera entrada (SET) para recibir dicha primera señal negada (S1), y una segunda entrada (RES) para recibir una derivada de un borde positivo de dicha señal de activación (Sa), estando conectada una salida del circuito de memoria a una segunda entrada de dicho puerto lógico OR (205).