ES2273250T3 - Procedimiento y dispositivo de seguridad para circuito de proteccion de falta a tierra. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la protección contra corrientes de fuga generadas en la alimentación de una carga (16) conectada a una red eléctrica (10), que comprende las fases siguientes: (i) obtener un valor de referencia cero adquiriendo una o más veces una señal (90u) proporcional a la corriente de fuga sin generar corrientes de fuga de prueba; (ii) generar una corriente de fuga de prueba y adquirir una correspondiente señal (90u) proporcional a la misma como valor de prueba; (iii) detectar las corrientes de fuga actuales y generar una señal proporcional a las mismas, (iv) adquirir una señal (90u) proporcional a las corrientes de fuga reales y desconectar la carga (16) de la red eléctrica (10) cuando se alcanza una condición peligrosa correspondiente a una señal adquirida de un valor superior a un valor límite.
Description
Procedimiento y dispositivo de seguridad para
circuito de protección de falta a tierra.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para proteger contra corrientes de fuga y a un
dispositivo para la materialización del mismo.
Se sabe que cuando se utilizan dispositivos
alimentados desde la red de potencia y que es probable que entren
en contacto directo con una persona, el riesgo de fulguración es
alto; esta es la razón por la que las normas de seguridad requieren
la utilización de interruptores automáticos diferenciales de
protección.
Normalmente, en un sistema monofásico, un
dispositivo eléctrico (es decir, hablando en general, una carga) se
alimenta desde la red de suministro público (asimismo denominada red
eléctrica) a través de dos hilos, uno denominado "conductor
activo" o "fase", y el otro "neutro". Normalmente la
compañía de suministro de fluido eléctrico pone a tierra el
conductor de neutro en la proximidad de la cabina de
distribución.
Un tipo común de lesiones que se producen en el
hogar se originan cuando las personas utilizan dispositivos
alimentados desde la red eléctrica mientras se están bañando o se
encuentran cerca de la piscina. El agua se convierte en una vía
para la circulación de la corriente, denominada corriente de fuga o
corriente de falta a tierra, que circula desde el conductor
"activo" a tierra; si esta corriente de fuga circula a través
de un cuerpo humano puede causar fulguración. Lo mismo sucede cuando
una persona entra en contacto con el conductor "activo" cuando
toca o está encima de una superficie conductora a tierra.
Los circuitos de protección comerciales para
este tipo de eventos peligrosos, denominados interruptores
diferenciales o GFCI, comprenden un transformador de corriente
diferencial cuyo arrollamiento primario está formado por el
conductor activo y el conductor de neutro, mientras que el
arrollamiento secundario está conectado a una etapa de
amplificación. Si la corriente del conductor activo llega a la carga
y vuelve a través del neutro sin fuga a tierra, no existe fuerza
magnetomotriz en el núcleo de dicho transformador para inducir una
corriente en el secundario.
Por el contrario, si la corriente fuga, se
genera una corriente proporcional a la diferencia entre las
corrientes de fase y de neutro en el arrollamiento secundario; la
señal se amplifica y a continuación se compara con umbrales de
seguridad adecuados y, si se rebasan, un relé (o interruptor)
dispara desconectando los conductores de fase y de neutro de la
carga.
Puesto que estos dispositivos protegen al
sistema eléctrico de una casa en su globalidad, su sensibilidad se
limita a 30 mA, para no tener en cuenta las pequeñas corrientes de
fuga parásitas que circulan de forma natural en un sistema.
Cuando se utilizan aparatos eléctricos o
herramientas manuales en ciertas condiciones, por ejemplo en
presencia de humedad o en caso de posible contacto con
instalaciones del suministro de agua tales como tuberías o aparatos
sanitarios, es recomendable por razones de seguridad confiar en
circuitos de protección más sensibles, que puedan insertarse en la
toma de corriente conectada con el suministro eléctrico de la red.
En este caso, pueden realizarse dispositivos sensibles a corrientes
de tan sólo 3 mA o incluso menores.
El nivel de corriente peligroso depende de
elementos varios y de las normas para aplicaciones electromédicas
en las que los electrodos están en contacto con un paciente que
requiere un umbral de 3 mA como máximo para el circuito de
protección; no obstante puede haber peligro para corrientes de tan
sólo 1 mA, si el tiempo de disparo del circuito de protección no
asegura la interrupción de la corriente antes de que puedan tener
lugar eventos peligrosos.
Con dicha alta sensibilidad el circuito de
protección puede asegurar la seguridad del usuario, pero sólo si
dicho circuito funciona correctamente. Para permitir una
comprobación de que el circuito funciona adecuadamente, los
aparatos convencionales utilizados actualmente están provistos de un
botón de prueba que, al ser apretado, permite que se simule una
corriente de fuga ligeramente superior a la de la sensibilidad del
circuito, disparando de este modo el circuito de protección. La
molestia de tener que realizar la comprobación corre a cargo, sin
embargo, del usuario, quien cada vez tiene que conectar el aparato a
la red, apretar el botón de prueba y volver a rearmar el circuito
después del disparo.
Un sistema de protección no debe basarse en la
intervención manual por parte del usuario, para asegurar la máxima
fiabilidad.
En el estado de la técnica se dan a conocer
varias soluciones.
La patente US nº 5.982.593 da a conocer un
interruptor que incorpora una protección contra falta a tierra:
dicha protección está provista, además, de un circuito de prueba
para probar el funcionamiento seguro del circuito de protección
propiamente dicho; dicho circuito de prueba se habilita, sin
embargo, con un botón de prueba.
La patente US nº 6.426.632 da a conocer un
sistema para generar formas de onda de corriente para probar una
protección contra falta con arco y describe brevemente la
utilización de un microprocesador para detectar la corriente del
secundario de un transformador diferencial y compararla con umbrales
almacenados en el propio microprocesador: si la corriente detectada
es superior a dichos umbrales, el microprocesador envía una señal
mediante la cual el relé dispara y se interrumpe la conexión con la
red eléctrica.
Sin embargo, no se proporcionan detalles sobre
cómo el microprocesador y los circuitos asociados realizan su
función, y no se hace referencia a otras funciones realizadas por el
microprocesador.
La patente US nº 5.875.087 se refiere a un
interruptor automático para controlar la circulación de la corriente
desde la red hasta la carga. Se utiliza un microprocesador para
comparar dicha circulación de corriente con los parámetros de las
prestaciones, almacenados y/o capaces de ser almacenados en el
interior de dicho microprocesador, y generar señales de control
para un interruptor automático. Dicho microprocesador realiza una
prueba del correcto funcionamiento sólo en los circuitos vecinos y
no en el sistema de protección en su globalidad; además no existe
una fase de calibración para el sistema.
La patente US nº 6.262.871 se refiere a un
circuito electrónico para probar automáticamente un interruptor
diferencial GFCI; una característica importante de esta invención es
que debe acoplarse con un interruptor diferencial GFCI ya realizado
o debe comprender los componentes esenciales del mismo.
Cíclicamente, se produce una corriente de fuga
artificial mediante de un microcontrolador y se investigan las
señales generadas por el interruptor diferencial GFCI: si estas
señales son normales, la prueba finaliza, de lo contrario, la carga
controlada por el interruptor diferencial GFCI se aisla de la red
disparando un segundo interruptor automático que necesariamente debe
incorporarse al sistema.
Los inconvenientes de esta solución son una
excesiva redundancia de circuitos, puesto que el interruptor
diferencial GFCI se ve complicado por funciones que ya debería
poseer, como por ejemplo una detección automática de no eficiencia;
además, para definir los nodos críticos de toma de muestras de la
tensión, a los que no siempre es fácil de acceder, causando por
otra parte un incremento de cableado y de costes del sistema, la
arquitectura de circuitos del interruptor diferencial GFCI a la que
se aplica esta invención se considera conocida a priori. En
caso de diferentes arquitecturas de circuitos, el sistema según la
presente invención debe rediseñarse completamente.
Por consiguiente, en el estado de la técnica no
existe ningún interruptor diferencial GFCI que al mismo tiempo:
- -
- no precise de una intervención manual, siendo totalmente automático;
- -
- sea altamente sensible a las corrientes de fuga;
- -
- tenga un tamaño pequeño y sea suficientemente compacto como para insertarse en cualquier clavija, hembrilla o elemento en derivación;
- -
- comprenda funciones de autocomprobación de su funcionamiento seguro, o bien durante una fase de inicialización al energizar el interruptor diferencial GFCI, o bien cíclicamente después de energizar la carga;
- -
- muestre al usuario el tipo de su mal funcionamiento;
- -
- permita restituir la alimentación eléctrica desde la red sólo después de una comprobación de que la protección está en buen estado y de que funciona eficientemente;
- -
- a través de una calibración del circuito de detección de la corriente de fuga, funcione independientemente de la implantación de dicho circuito de detección y sea capaz de compensar derivas y desplazamientos del cero del mismo; y
- -
- al detectar una corriente de fuga peligrosa desconecte la carga de la red y requiera una intervención manual del usuario para restablecer la alimentación eléctrica.
Un objetivo general de la presente invención es
proporcionar un interruptor diferencial GFCI que comprenda todas las
características descritas anteriormente. Dicho objetivo se alcanza
realizando un interruptor diferencial GFCI según las
reivindicaciones adjuntas.
Todas las ventajas del interruptor diferencial
GFCI según la presente invención se comprenderán, en cualquier caso,
con mayor facilidad y claridad a partir de la descripción de una
forma de realización preferida, aunque no exclusiva, que se
proporciona a continuación meramente a título de ejemplo no
limitativo haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los
que:
la figura 1 ilustra un esquema funcional de un
interruptor diferencial GFCI según la presente invención;
la figura 2 ilustra un esquema detallado del
interruptor diferencial GFCI de la figura 1;
la figura 3 ilustra un esquema de una variante
del circuito de la figura 2;
la figura 4 ilustra un esquema de otra variante
del circuito de la figura 2.
La presente invención se describe a continuación
para un aparato electrodoméstico, por ejemplo un secador del
cabello, pero resulta evidente para un experto en la materia que la
presente invención asimismo se refiere a otras eléctricas tales
como la de equipar con un interruptor diferencial GFCI fiable a una
herramienta, a una máquina en una fábrica o a cualquier otro aparato
eléctrico.
En una forma de realización particular, pero que
no debe considerarse como una limitación de la presente invención,
el interruptor diferencial GFCI está integrado en una clavija en un
extremo del cable de alimentación del secador de cabello. Sin
embargo, una solución ventajosamente equivalente puede obtenerse
integrando el interruptor diferencial GFCI de la presente invención
en una toma de corriente de la pared en la que la clavija del
secador de cabello, o de otro aparato electrodoméstico, se inserta
en la hembrilla de la toma de corriente.
Haciendo referencia a la figura 1, en la que
puede verse un esquema funcional de un interruptor diferencial GFCI
1 según la presente invención, la red eléctrica monofásica está
indicada con el número de referencia 10, un conductor activo o de
fase 12 y un conductor de neutro 14, puesto a tierra, conectan la
red 10 a los contactos separables 22a, 22b de un relé 20. Pueden
utilizarse otros tipos de interruptores controlados, (o
interruptores automáticos), por ejemplo dispositivos por
semiconductores. Cuando se energiza el relé 20, dichos contactos
22a, 22b, establecen contacto con dos terminales 24a, 24b, desde los
que se tienden dos conductores 12a, 12b y se conectan a los
terminales de un secador de cabello 16.
Los conductores 12, 14 están comprendidos en un
circuito de detección de la corriente de fuga en los propios
conductores 12, 14, en este caso un transformador de corriente
diferencial 30, realizado en un núcleo toroidal con técnicas
conocidas. El arrollamiento primario de dicho transformador se
obtiene con conductores 12, 14 mientras que mediante otro
arrollamiento en el mismo toroide, indicado esquemáticamente con 32,
se realiza un secundario. Para detectar corrientes de fuga directas
puede utilizarse un sensor de corriente, por ejemplo, o un producto
LEM.
Un circuito generador de prueba 40 conecta en
shunt dichos conductores 12, 14 mediante dos conductores 42, 44. La
función del circuito 40, como se explicará mejor más adelante, es
inducir artificialmente una corriente conocida con precisión que
circula por los conductores 42, 44, y por tanto, por los conductores
12, 14; puesto que dicha corriente es una componente diferencial
para el transformador 30, detectará dicha corriente generando una
señal secundaria con una amplitud proporcional a la misma.
Esta señal se adquiere (o se recoge en toma de
muestras) mediante una unidad de elaboración lógica 50, a la que se
enlaza el secundario 32 mediante una etapa de amplificación, como se
pondrá de manifiesto mas adelante; la unidad de elaboración lógica
50 se enlaza asimismo con el circuito generador de prueba 40 y con
el relé 20, al que envía señales de control y/o habilitación a
través de las conexiones 36 y 38, respectivamente. Asimismo, dicha
unidad 50 comprende por lo menos un módulo aritmético para realizar
operaciones binarias, una RAM, una ROM y un convertidor A/D (no todo
se representa).
Haciendo referencia a la figura 2, se describirá
el esquema de detalle del interruptor diferencial GFCI 1 según la
presente invención; se mantienen los mismos números de referencia
para los mismos componentes como en la figura 1.
Particularmente, la red de potencia monofásica
10 se conecta, a través de dos fusibles 11, a los conductores 12 y
14, que llegan a los contactos separables 22a y 22b del relé 20;
cuando se energiza la bobina 21 del relé 20, dichos contactos 22a,
22b establecen contacto con dos terminales 24a, 24b, desde los que
se tienden dos conductores 12a, 12b y se conectan a los terminales
del secador del cabello 16.
Los componentes de esta forma de realización de
la presente invención se alojan ventajosamente en el interior de una
clavija de alimentación 55 del secador del cabello 16, representado
esquemáticamente con líneas a trazos en la figura 2.
Como puede apreciarse en esta figura, los
conductores 41, 42, conectados al circuito generador de prueba 40
(representado en el interior de una línea a trazos) y un conductor
45 conectan en los conductores en derivación 12, 14 de la red
eléctrica 10.
Una red capacitiva-resistiva de
caída 46, representada en el interior de la línea a trazos, se
conecta al conductor 45 para llegar a un puente rectificador 47 que
está conectado directamente a la red de potencia 10 a través del
conductor 44. La salida de dicho puente 47 se filtra mediante un
condensador electrolítico 48 y se nivela mediante un zener 49, en
esta forma de realización a 30 V. Esta tensión es una primera fuente
de alimentación del interruptor diferencial GFCI 1. El terminal
positivo del condensador 48 se conecta, a través de un conductor
200, a los emisores de dos transistores PNP 60, 70, mientras que el
terminal negativo se conecta a un conductor 100 que constituye la
tierra para el circuito del interruptor diferencial GFCI 1, y con
este nombre -tierra 100- se hará referencia a él. Se dispone una
resistencia 61 entre el emisor y la base del transistor 60, cuya
base se conecta, a través de una resistencia limitadora 62, al
colector de un transistor NPN 80 teniendo el emisor conectado a
tierra 100 y la base conectada, a través de una resistencia de
polarización 63 y un conductor 38, a una patilla de salida de la
unidad lógica 50. Como dicha unidad puede utilizarse, por ejemplo,
un microcontrolador Motorola MC908Q2. Al colector del transistor 60
se conectan el cátodo de un diodo volante 64, cuyo ánodo se conecta
a la tierra 100, una resistencia de polarización 65 para la base del
transistor 70 y un terminal de la bobina 21 del relé 20. El otro
terminal de la bobina 21 se tiende hasta el paralelo de un zener de
regulación 92 y un condensador de filtrado 91, con terminales
negativos conectados a la tierra 100 y los positivos a un conductor
110 formando el positivo de una segunda tensión de alimentación (en
este caso 5,1 V) que alimenta a la unidad lógica 50 y a un
amplificador operacional 90 (por ejemplo un LPV321). A dicho
conductor 110 llega, a través de una resistencia limitadora 71, la
corriente de colector del transistor 70, al que se aplica un
condensador Miller 72.
La salida 90u del amplificador 90 se conecta a
la patilla de entrada de la unidad 50 y a los condensadores de
realimentación 74, 75, 76 conectados en estrella; la serie de las
primeras dos resistencias se conecta a la patilla de inversión del
amplificador 90, mientras que la tercera resistencia acopla el nodo
común de las resistencias 74, 75 a un divisor resistivo que conecta
en derivación la segunda tensión de alimentación de 5,1 V.
Este divisor está formado por la serie de dos
resistencias 76, 77 iguales, a cuyo nodo común se conecta un
terminal de la resistencia 76. Dos condensadores de derivación 78,
79 se ponen en paralelo, respectivamente, con las resistencia 76,
77.
A las entradas inversoras y no inversoras del
amplificador 90 están conectadas respectivamente, las series de una
resistencia 82 y de un condensador de desacoplamiento 83, y de una
resistencia 84. Estos grupos de componentes detectan la tensión en
una resistencia de carga 85, conectada en serie con dos conductores
32a, 32b procedentes del secundario 32 del transformador 30. Un
terminal de la resistencia de carga 85 se conecta asimismo a la
salida del divisor formado por las resistencias 76, 77.
Alojados en el interior de una línea a trazos se
agrupan los siguientes componentes del circuito generador de prueba
40. Una resistencia de prueba de alta precisión 86 conecta al
conductor 12 a través del conductor 42 el ánodo de un triac 88,
cuyo cátodo se conecta al conductor 14 a través del conductor 44. La
resistencia 86 pone en shunt el conductor 12 en un nodo corriente
abajo del transformador 30, de tal modo que la corriente que
circula por dicha resistencia 86 retorna a la red 10 a través del
conductor 44 y 14 pero sin circular a través del núcleo toroidal del
transformador 30. El conductor 44, de hecho, contacta con el
conductor 12 corriente arriba del transformador 30. Puesto que la
corriente que circula por la resistencia 86 se necesita solamente
para ser detectada por el transformador 30, asimismo son posibles
otras posiciones para los conductores. En paralelo con dicha
resistencia 86 existe otra resistencia de compensación 87 que, en
cambio, pone en shunt el conductor 12 a través del conductor 41
corriente arriba del transformador 30. Entre la puerta y el cátodo
de dicho triac 88 está dispuesta una resistencia 89. A dicha puerta
están conectadas la serie de una resistencia 101 y un diodo 104 y
la serie de una resistencia 103 y un diodo 102, con su ánodo girado
hacia dicha puerta. Dichos diodos 104 y 103 están en antiparalelo. A
la resistencia 103 está conectado el colector de un transistor NPN
105, con el emisor conectado a tierra 100, y la base polarizada por
una resistencia 106 alimentada a su vez por una patilla de salida
de la unidad 50. A esta patilla de salida asimismo está conectado el
ánodo del diodo 104, que está en serie con la resistencia 101.
Dos patillas de la unidad lógica 50 alimentan
dos series resistencia 111, 113 - diodo LED 112, 114,
respectivamente. A través del encendido de dichos diodos LED, la
unidad lógica 50 puede proporcionar avisos visuales o señales al
usuario del interruptor diferencial GFCI 1. Para poder destacar
estos avisos, el diodo LED 112 es verde y el diodo LED 114 es rojo.
Asimismo pueden considerarse los avisos acústicos tales como
zumbadores o similares.
La serie de dos resistencias 28, 29 forma un
divisor, con un extremo conectado a tierra 100 y el otro en serie
con la resistencia de caída 46, suministrando una tensión de onda
cuadrada con la frecuencia de la red 10 a una patilla de la unidad
50, que dicha unidad 50 utiliza para la temporización interna
contando los ciclos de línea (20 ms para la red de 50 Hz y 16,66 ms
para la red de 60 Hz). Otra fuente de temporización interna puede
ser una señal de onda cuadrada recuperada de un reloj de la unidad
50 y adecuadamente escalada hacia abajo por divisores.
Las fases del funcionamiento del interruptor
diferencial GFCI 1 se describen a continuación, desde la
inicialización, cuando el usuario conecta la clavija 55 en la
hembrilla, hasta el estado de régimen, cuando utiliza de forma
segura el secador de cabello 16. Dichas fases son:
I. El usuario inserta la clavija 55 en la
correspondiente hembrilla. El relé 20, normalmente abierto, no está
energizado con lo que el secador del cabello 16 no está conectado a
la red eléctrica 10 y por consiguiente no está funcionando. A través
del puente de diodos 47, el condensador 48 se carga y la tensión
entre sus terminales se estabiliza una vez se ha alcanzado la
tensión de ruptura del zener 49. El transistor 60 está en corte
porque no está polarizado por el transistor 80, asimismo en corte,
puesto que la unidad 50 no polariza la base del mismo a través de
la resistencia 63. El transistor 70, en cambio, está saturado debido
a una vía de paso de corriente para su corriente de base a través de
la resistencia 65, bobina 21 del relé 20 y zener 92. Esta corriente
de base es demasiado baja para energizar el relé 20. La saturación
del transistor 70 alimenta, a través de la resistencia 71, al zener
92, cuya tensión, filtrada por el condensador 91, alimenta al
amplificador operacional 90 y a la unidad lógica 50.
II. Puesto que no circula corriente por el
secador de cabello 16 y, por consiguiente, en el arrollamiento
primario del transformador 30, en su secundario no circula corriente
y, en consecuencia, no existe tensión en la resistencia 85. Por
consiguiente, la tensión de la salida 90u del amplificador 90
mantiene un valor permanente establecido por el divisor formado por
las resistencias 77a, 77b, a aproximadamente la mitad de su tensión
de alimentación. La unidad 50 realiza una adquisición (recogida de
muestras) secuencial, a través de su convertidor A/D interno (8
bits, en esta forma de realización), de la tensión de la salida 90u
del amplificador 90, promediando las muestras recogidas con su
módulo aritmético en 65.536 (2^{16}) adquisiciones; la realización
de esta operación requiere menos de un segundo. El valor promediado
debe ser 127, es decir la mitad de la escala completa, con una
desviación de tres bits más o menos para tener en cuenta las
tolerancias. Dicho valor se obtiene cuando el divisor formado por
las resistencias 76, 77 entrega una tensión nominal igual a la mitad
de la tensión de alimentación. Si el valor adquirido está fuera de
este valor, la fase II se repite desde el principio, y si está en el
interior se pasa a la siguiente fase III. En esta fase, los dos
diodos LED 122, 114 están encendidos.
III. La unidad 50 almacena el valor promediado
obtenido en la fase II y recoge muestras de la tensión de la salida
90u del amplificador 90 otras 65.536 veces, calculando el valor
medio de la misma como en la fase II. El valor promedio obtenido
debe ser igual al precedente con una diferencia máxima de 1 bit, de
lo contrario el sistema salta de nuevo a la fase II. Esto garantiza
que la segunda tensión de alimentación es estable y que el
convertidor A/D funciona adecuadamente. El valor promediado
calculado en esta fase se almacena en el interior de la unidad 50 y
asume el significado de valor de referencia cero para el convertidor
A/D. Los diodos LED 112, 114 permanecen encendidos.
IV. La unidad 50 entra en el modo normal de
adquisición de la tensión de salida 90u del amplificador 90; se
calcula el valor absoluto de la diferencia entre la tensión de
salida recogida 90u del amplificador 90 y el valor de referencia
cero almacenado en la fase III. De todos estos valores procesados,
se almacena el valor máximo y, transcurrido un retardo de unos 10
ciclos de la red, la unidad 50 verifica que dicho valor máximo es
inferior a 2, es decir que sólo se cambia el bit menos significativo
en la conversión A/D. Esto garantiza que el ruido del sistema es
suficientemente bajo como para no interferir con la operación del
interruptor diferencial GFCI 1. Si esta condición no se cumple, la
unidad 50 vuelve de nuevo a la fase I. Durante esta fase, los dos
diodos LED 112, 114 parpadean.
V. La unidad 50 polariza con un conductor de
tensión positiva 36, polarizando el transistor 105 con la
resistencia 106 y saturándolo. La puerta del triac 88, a través de
la serie diodo 104 y resistencia 101, se polariza positivamente
durante la semionda positiva de la tensión de la red 10 en el
conductor 12. Durante la semionda negativa, en cambio, la vía para
la corriente de polarización del triac 88 comprende el diodo 102, la
resistencia 103 y el transistor 105; en ambos casos circula una
corriente por la resistencia 89 y el triac 88 está encendido.
VI. El estado de encendido del triac 88 se
mantiene durante dos ciclos de la tensión de la red 10; cuando el
triac 88 está encendido, la resistencia de prueba 86, cuyo valor es
muy preciso, produce una circulación de corriente diferencial para
el transformador 30, que la detecta e induce una corriente en el
secundario 32, generando así una tensión en la resistencia 85. Esta
tensión de corriente alterna es amplificada por un amplificador
operacional 90 y se entrega en su salida 90u. La unidad 50 recoge
muestras de esta señal de tensión, como en las fases anteriores, y
la convierte en un valor digital mediante el convertidor A/D
interno, memorizando el valor más alto del mismo. Entonces, la
unidad 50 verifica que dicho valor máximo está comprendido entre un
umbral superior y uno inferior, ambos memorizados previamente en la
ROM de la unidad 50. Esto es para garantizar que el circuito para
detectar corrientes diferenciales en su globalidad está funcionando
y presenta una sensibilidad aceptable. Si dicho valor recogido
máximo es demasiado bajo, el diodo LED verde 112 parpadea durante un
tiempo corto y el sistema arranca de nuevo desde la fase II. Si
dicho valor recogido máximo es demasiado alto, el diodo rojo 114
parpadea y, de nuevo, el sistema rearranca desde la fase II. Si
dicho valor máximo recogido es aceptable, se almacena como valor de
prueba, impuesto por el interruptor diferencial GFCI 1, y se alcanza
la siguiente fase VII.
VII. La unidad 50 polariza a continuación con
tensión positiva el conductor 38, polarizando con la resistencia 63
el transistor 80, que se satura. Ahora una corriente puede circular
desde la primera alimentación de 30 voltios a tierra 100 a través
de las resistencias 61, 62, saturando el transistor 60 y alimentando
la bobina 21 del relé 20 desde la primera alimentación. Ahora en la
bobina 21 puede circular una corriente de suficiente magnitud para
energizar el relé 20, que permite que el secador de cabello 16 se
conecte a la red 10 permitiendo así su uso. Al mismo tiempo, la
unidad 50 enciende en permanencia el diodo verde 112 y desconecta el
diodo rojo 114.
VIII. Después de energizar el relé 20
alimentando así el secador de cabello 16 desde la red 10, la unidad
50 sigue monitorizando la tensión de salida 90u del amplificador
operacional 90, como en las fases previas. En particular, después
de convertir en un número digital dicha tensión de salida 90u con el
convertidor A/D, dicha unidad 50 sustrae su valor máximo al valor
de cero, calculando entonces el módulo (o valor absoluto) del mismo,
obteniendo el valor máximo de la corriente de fuga actual. Si este
máximo es superior a un valor límite, en este caso el valor
almacenado al final de la fase VI, es decir el valor de prueba, por
más de 10 veces consecutivas, es decir por 10 adquisiciones (hechas
en aproximadamente 0,1 ms), la unidad 50 retira la tensión de la
resistencia 38, disparando el relé 20 y desconectando el secador de
cabello 16 de la red 10. La unidad lógica 50 señaliza la condición
peligrosa parpadeando el diodo LED rojo 114. En esta condición de
peligro, el interruptor diferencial GFCI 1 permanece bloqueado,
impidiendo así cualquier energización adicional del relé 20, y
puede activarse de nuevo sólo desconectándolo y volviéndolo a
conectar. Esto significa, en este caso, que el usuario debe
desconectar la clavija 55 de la toma de corriente de la pared,
subsanar la avería que causa el disparo del interruptor diferencial
GFCI 1, y conectar de nuevo la clavija 55. En este punto, el
interruptor diferencial GFCI 1 empezará funcionando desde la fase I
descrita.
Durante la fase VIII, es decir cuando el secador
de cabello 16 recibe alimentación, se pueden realizar cíclicamente
mediciones de prueba como en las fases V y VI, para cerciorarse del
buen funcionamiento del interruptor diferencial GFCI 1. En este
caso durante la prueba, es decir cuando se realizan las operaciones
descritas en las fases V y VI, el valor máximo aceptable en el
operacional 90 salida 90u necesario para que el relé 20 no dispare,
es decir el valor límite, se dobla, para garantizar en cualquier
caso la seguridad del usuario.
Según lo que se ha descrito, se pone de
manifiesto que otra ventaja de la presente invención es la facilidad
con que puede establecerse el umbral de operación del interruptor
diferencial GFCI 1, es decir variando el valor de la resistencia de
prueba 86. Siendo ese umbral no un valor fijo para comparación
almacenado a priori en la unidad 50 sino el resultado de una
corriente preestablecida que realmente debe ser detectada por el
interruptor diferencial GFCI 1, en la fase de inicialización, el
interruptor diferencial GFCI 1 asegura una comprobación incluso
para un umbral de operación realmente demasiado bajo para el
interruptor diferencial GFCI 1. En este caso, efectivamente, la
carga que se debe alimentar permanecería aislada.
Otra ventaja de la presente invención es la
facilidad con la que se pueden añadir otros tipos de protección
activa, tales como la protección contra el cortocircuito o la
protección contra falta con arco, a la protección descrita.
Una situación de cortocircuito tiene lugar
cuando los conductores 12a y 12b de la figura 2 establecen contacto,
incluso temporalmente, o la carga alcanza valores de impedancia muy
bajos, por ejemplo si una persona toca los conductores 12a y 12b:
en este punto una corriente alta circularía a través de los
conductores 12a y 12b, siendo asimismo letal. Los fusibles 11 (véase
la figura 2) no garantizan una acción de disparo rápida.
Este inconveniente puede eludirse realizando una
variante de la presente invención, ilustrada en la figura 3, en la
que se incluyen los números relativos a los componentes adicionales,
siendo la parte restante del circuito igual a la descrita
previamente.
En esta variante se añade una protección contra
corrientes de cortocircuito insertando un transformador de corriente
300 en el conductor 14.
La inserción del transformador 300 puede
realizarse asimismo en el conductor 12, o corriente abajo del relé
20; el arrollamiento primario de dicho transformador 300 es el
propio conductor 14 mientras que el secundario, en su toma central,
está realizado mediante un segundo arrollamiento 330. La toma
central está conectada al terminal de una resistencia 111a de un
valor muy bajo (unos pocos ohmios) a la que, en el otro terminal,
están conectados los ánodos de dos diodos 310, 311 cuyos cátodos
están conectados a los terminales del arrollamiento secundario del
transformador 300.
La resistencia 111, que en la figura 2 se
representaba conectada directamente al diodo LED 112, ahora se
conecta al nodo en el que se unen los cátodos de los diodos 310,
312; un conductor 320 conecta la toma central del secundario 330
del transformador 300 al diodo LED 112, al que se añade en paralelo
un resistencia 111b que presenta un valor relativamente alto
(aproximadamente 10 k\Omega).
Por consiguiente, se apreciará que la tensión en
el arrollamiento secundario 330 del transformador de corriente 300
se rectifica mediante los diodos 310 y 311, proporcionándose así en
la resistencia 111a una señal pulsatoria proporcional a la corriente
que circula en el conductor 14. El funcionamiento del circuito es el
siguiente.
La patilla de la unidad 50 a la que está
conectada la resistencia 111 -que aquí se define como A0- se utiliza
durante la inicialización como patilla de salida y excita el diodo
LED rojo 112 a través de la resistencia 111 -como ya se ha
descrito- y la resistencia 111a, mientras que la resistencia 111b no
influye en la operación del diodo LED 112. Al final de las fases de
inicialización, el diodo LED rojo 112 se apaga y la patilla A0 de la
unidad 50 se convierte en una entrada analógica, gracias a las
instrucciones adecuadas del programa contenido en la unidad 50.
Dicha patilla A0, entonces, puede recoger la
tensión aplicada, a través del convertidor A/D, y consecuentemente
puede medir indirectamente la corriente alimentada a la carga
mediante el transformador de corriente 300; la unidad 50 asegura la
desconexión del interruptor (relé) 20, de un modo similar al ya
descrito, en caso de una corriente que circula por el conductor 14
que rebasa un umbral preestablecido, garantizando así una protección
contra el cortocir-
cuito.
cuito.
Una segunda variante al dispositivo según la
presente invención se representa en la figura 4 en la que, como gran
parte de la misma es como la primera variante, en aras de la
simplicidad se representan sólo los nuevos números, siendo el resto
del circuito igual al que se ha descrito anteriormente.
En el conductor 12b, conectado a la carga, se
inserta un transformador de corriente 3001, cuya inserción puede
realizarse en el conductor 12a o asimismo corriente arriba del
interruptor (relé) 20; el arrollamiento primario del transformador
3001 se realiza mediante el conductor 12b, mientras que el
secundario se realiza con un segundo arrollamiento 3301.
Una resistencia de valor muy bajo 1111a (unos
pocos ohmios) conecta los terminales del arrollamiento secundario
3301. La resistencia 111, que en la figura 2 se representaba
conectada al diodo LED 112, ahora está conectada a la resistencia
1111a, que alimenta al ánodo del diodo LED 112. Su cátodo está
conectado al colector de un transistor 370, estando su emisor
conectado a tierra 100 y la base polarizada por un divisor formado
por dos resistencias 346, 344 y alimentada por el colector del
transistor 70. En paralelo con dicho transistor 370 está dispuesto
un condensador 340, mientras que el colector del transistor 370 está
conectado a la salida 90u del amplificador operacional 90 a través
de una resistencia 342.
El conjunto compuesto por la resistencia 342 y
el condensador 340 forma un filtro de paso bajo para la tensión en
la salida 90u del amplificador 90, manteniendo así en el colector
del transistor 370 una tensión de corriente continua igual a la
mitad de la segunda tensión de alimentación.
El funcionamiento del circuito es el
siguiente.
Durante las fases de inicialización, la patilla
A0 de la unidad 50 se utiliza como patilla de salida y excita el
diodo LED rojo 112, como ya se ha descrito, a través de la
resistencia 111 y la resistencia 1111a, mientras que el transistor
370 está saturado (porque el transistor 70 está saturado asimismo y
el relé 20 no está energizado y permite el encendido del diodo LED
112). Al final de las fases de inicialización, el diodo LED rojo 112
se apaga y la patilla A0 de la unidad 50 se convierte en una
entrada analógica, gracias a las adecuadas instrucciones del
programa.
Al mismo tiempo, el transistor 370 interrumpe la
conducción y el relé 20 se energiza, debido a la desconexión del
transistor 70; entonces en el colector del transistor 370 habrá la
componente de corriente continua de la tensión de la salida 90u del
amplificador 90; esta tensión de corriente continua, añadida a la
señal generada por el transformador 3001 en la resistencia 1111a, se
recoge a través del convertidor A/D, y consecuentemente la unidad
50 puede medir indirectamente la corriente absorbida por la
carga.
La lectura de la tensión en la patilla A0 se
realiza del mismo modo que la lectura de la tensión de la salida 90u
del amplificador 90; el valor absoluto de la diferencia entre la
tensión en la patilla A0 y la tensión cero (almacenada como valor
de cero durante la fase IV anteriormente descrita) se compara con un
valor límite almacenado en la ROM de la unidad 50 y, si es mayor, el
relé 20 dispara desconectando así la carga 16.
Sin embargo, se entiende que desviaciones no
significativas del procedimiento de protección y del circuito
electrónico asociado, según se ha expresado en la descripción
anterior y en los dibujos adjuntos, están comprendidas en el alcance
de las reivindicaciones siguientes.
Claims (34)
1. Procedimiento para la protección
contra corrientes de fuga generadas en la alimentación de una carga
(16) conectada a una red eléctrica (10), que comprende las fases
siguientes:
- (i)
- obtener un valor de referencia cero adquiriendo una o más veces una señal (90u) proporcional a la corriente de fuga sin generar corrientes de fuga de prueba;
- (ii)
- generar una corriente de fuga de prueba y adquirir una correspondiente señal (90u) proporcional a la misma como valor de prueba;
- (iii)
- detectar las corrientes de fuga actuales y generar una señal proporcional a las mismas,
- (iv)
- adquirir una señal (90u) proporcional a las corrientes de fuga reales y desconectar la carga (16) de la red eléctrica (10) cuando se alcanza una condición peligrosa correspondiente a una señal adquirida de un valor superior a un valor límite.
2. Procedimiento según la reivindicación
1, en el que las fases (i) y/o (ii) se realizan antes de conectar la
carga (16) a la red (10).
3. Procedimiento según la reivindicación
1 ó 2, en el que las fases (i) y/o (ii) se llevan a cabo verificando
que dicha señal (90u) esté comprendida en un margen
preestablecido.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende asimismo la fase de
realización de las operaciones de promediado para obtener una
estimación más fiable del valor de referencia cero.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el valor límite se obtiene
tomando el valor absoluto de la diferencia entre el valor de
referencia de cero y el valor de prueba.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende, asimismo, la fase de
verificación cíclica, tras la conexión de la carga (16) a la red
(10), de la detección regular de las corrientes de fuga generando
por lo menos una corriente de prueba.
7. Procedimiento según la reivindicación
6, que comprende asimismo la fase de desconexión de la carga (16) de
la red (10) siempre que, durante la fase de verificación cíclica de
la detección regular de las corrientes de fuga, el valor máximo en
el módulo del valor de la señal proporcional adquirida (90u) sea
superior a la suma del valor límite y el valor de referencia de
cero.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la detección de las
corrientes de fuga se realiza con un transformador diferencial (30)
que comprende un arrollamiento primario formado por unos
conductores (12, 14) que alimentan a la carga (16) y un
arrollamiento secundario (32) para generar dicha señal proporcional
a las corrientes de fuga.
9. Procedimiento según la reivindicación
8, en el que la fase de desconexión de la carga (16) se realiza con
un interruptor (20) controlado eléctricamente, que desconecta la
carga (16) de la red (10) cuando se abre, y conecta la carga (16) a
la red (10) cuando se cierra.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
en el que durante una condición peligrosa el interruptor (20)
controlado eléctricamente se ve forzado a abrir hasta que el mismo
interruptor (20) se desconecta de la red (10).
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende asimismo la fase de
detección de la corriente en por lo menos un conductor conectado a
la carga (16) y desconectando la misma carga (16) siempre que dicha
corriente sea superior a un umbral preestablecido.
12. Procedimiento según la reivindicación
11, en el que la fase de detección de la corriente por lo menos en
un conductor conectado a la carga (16) se realiza antes y/o después
de la conexión de la carga (16) a la red (10).
13. Procedimiento según las reivindicaciones
11 ó 12, en el que la detección de la corriente por lo menos en un
conductor conectado a la carga (16) se realiza mediante un
transformador de corriente.
14. Procedimiento según las reivindicaciones
11 a 13, en el que la desconexión de la carga (16) se realiza
mediante dicho interruptor controlado eléctricamente (20).
15. Aparato (1) para realizar el
procedimiento según las reivindicaciones anteriores, que
comprende
- \bullet
- un interruptor controlado eléctricamente (20) dispuesto entre la red (10) y la carga (16), que desconecta la carga (16) de la red (10) cuando abre y la conecta cuando cierra;
- \bullet
- unos medios de detección (30) para corrientes de fuga que genera una señal proporcional a las mismas corrientes de fuga;
- \bullet
- un circuito generador (40) capaz de generar una corriente de fuga de prueba;
- \bullet
- una unidad de elaboración (50) conectada con los medios de detección (30) de corrientes de fuga para adquirir dicha señal proporcional, con el circuito generador (40) para el control de la misma, y con el interruptor (20) para activar su apertura con una señal de control (38) siempre que exista una condición peligrosa;
caracterizado porque la
unidad de elaboración (50) está adaptada para realizar en el
arranque una adquisición de un valor de referencia de cero leyendo
los medios de detección (30) sin generar corriente de fuga de
prueba, para generar una corriente de fuga de prueba excitando el
circuito generador (40) y para adquirir una señal (90u)
proporcional a la misma como valor de prueba correspondiente; a
continuación la unidad de elaboración (50) está adaptada además para
adquirir una señal (90u) proporcional a las corrientes de fuga
reales y para desconectar la carga (16) de la red eléctrica (10)
cuando se alcanza una condición peligrosa correspondiente a una
señal adquirida (90u) de una magnitud superior a un valor
límite.
16. Aparato según la reivindicación 15, en
el que el interruptor (20) es un relé con una bobina de energización
(21) controlada por una señal de control (38) procedente de la
unidad de elaboración (50).
17. Aparato según la reivindicación 15 ó 16,
en el que la unidad de elaboración (50) es un microcontrolador.
18. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 17, que comprende asimismo un circuito que
genera una alimentación de corriente estabilizada para dicha unidad
de elaboración (50), estando alimentado dicho circuito desde la red
eléctrica (10).
19. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 18, alimentado por una tensión de corriente
alterna monofásica.
20. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 19, en el que los medios de detección (30)
para corrientes de fuga comprenden un transformador diferencial
(30) provisto de un núcleo en el que existe un arrollamiento
primario constituido por unos conductores (12, 14) que alimenta a la
carga (16), y un arrollamiento secundario (32) que genera una señal
proporcional a la corriente que circula por el arrollamiento
primario.
21. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 20, en el que el circuito generador (40)
comprende una resistencia (86) en serie con un triac (88) cuya
conducción es controlada por una señal (36) generada por la unidad
de elaboración (50), poniendo en derivación dicha serie a los
conductores (12, 14) que alimentan a la carga (16) con un terminal
corriente abajo y un terminal corriente arriba de los medios de
detección (30).
22. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 21, en el que corriente debajo de los medios
de detección (30) para corrientes de fuga existe un amplificador
(90) para la señal proporcional a dichas corrientes.
23. Aparato según la reivindicación 22, que
comprende asimismo un circuito que genera una alimentación corriente
estabilizada (91, 92) para el amplificador (90), siendo alimentado
dicho circuito desde la red eléctrica (10).
24. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 23, en el que dicha unidad de elaboración (50)
activa unos avisos visuales (112, 114) y/o acústicos.
25. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 24, en el que dicha unidad de elaboración (50)
está provista de unos medios de temporización (28, 29) adaptados
para escanear el control cíclico del valor de la corriente de fuga
antes y/o después del cierre del interruptor (20).
26. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 25, en el que dicha unidad de elaboración (50)
está provista de un módulo aritmético adaptado para comparar el
valor adquirido por los medios de detección (30) para corrientes de
fuga, con valores preestablecidos o adquiridos en tiempo real.
27. Aparato según la reivindicación 26, en
el que dichos valores preestablecidos están memorizados en una ROM
en el interior de la unidad de elaboración (50).
28. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 27, caracterizado porque comprende
asimismo unos medios de detección (300, 3001) para corrientes por lo
menos en un conductor conectado a la carga (16), generando dichos
medios (300, 3001) una señal proporcional a dichas corrientes y
estando conectados a dicha unidad de elaboración (50) para controlar
el disparo del interruptor (20) cuando existe una condición
peligrosa.
29. Aparato según la reivindicación 28,
caracterizado porque dichos medios de detección (300, 3001)
para corrientes por lo menos en un conductor conectado a la carga
(16) comprenden un transformador de corriente.
30. Aparato según la reivindicación 28 ó 29,
caracterizado porque dicha unidad de elaboración (50) está
conectada o bien a dichos medios de detección (300, 3001) para
corrientes por lo menos en un conductor conectado a la carga (16) o
al interruptor (20), para controlar el disparo del interruptor (20)
con una señal de control (38) cuando existe una condición
peligrosa.
31. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 30, caracterizado porque al arrancar la
unidad (50) mantiene la carga (16) desconectada de la red (10).
32. Aparato eléctrico provisto de una
clavija de enchufe (55) para conectarse a una red eléctrica (10),
caracterizado porque comprende un aparato de protección (1)
según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 30.
33. Aparato según la reivindicación 32, que
puede ser un secador del cabello o cualquier otro aparato eléctrico
utilizado en el hogar.
34. Toma de corriente para alimentar a los
aparatos eléctricos, que comprende un aparato de protección (1)
según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 31.
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