ES2708858T3 - Procedimiento y dispositivo de corte de una corriente eléctrica con soplado magnético dinámico - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de corte de una corriente eléctrica que comprende dos contactos fijos (2a, 2b) y al menos un contacto móvil (6) que puede desplazarse entre una posición de cierre en la que se establece una continuidad eléctrica con los contactos fijos y una posición de apertura en la que se impide la circulación de corriente, y dos imanes permanentes (4a, 4b) colocados para generar un campo magnético que interfiera con una zona donde se produce un arco eléctrico entre los contactos fijos y el contacto móvil (6) para contribuir a la extinción de un arco eléctrico, caracterizado porque los imanes permanentes están montados conjuntamente con el contacto móvil (6), de modo que los imanes permanentes y el contacto móvil (6) puedan desplazarse a la vez, estando el contacto móvil (6) dispuesto para entrar en contacto con los contactos fijos (2a, 2b), por lo que los dos imanes permanentes (4a, 4b) están montados en el contacto móvil (6) de forma que el campo magnético de cada uno de los imanes permanentes (4a, 4b) interfiere respectivamente con una zona donde se produce un arco eléctrico entre cada uno de los contactos fijos (2a, 2b) y el contacto móvil (6), y en el que los imanes permanentes (4a, 4b) están posicionados en el contacto móvil (6), de manera que en la posición de cierre eléctrico, los imanes permanentes (4a, 4b) están próximos a un extremo de cada contacto fijo (2a, 2b) y el campo magnético pasa a través del espacio entre el contacto fijo (2a, 2b) y el contacto móvil (6), y en el que además comprende un soporte (5) hecho de un material eléctricamente aislante fijado al contacto móvil (6), y en el que los imanes permanentes (4a, 4b) están montados en dicho soporte (5) de forma que quedan aislados eléctricamente del contacto móvil (6).

Description

DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo de corte de una corriente electrica con soplado magnetico dinamico
Objeto de la invencion
La presente invencion se refiere en general a conmutadores y/o seccionadores electricos, especialmente adaptados para extinguir el arco electrico que se produce entre contactos en las operaciones de cierre y apertura.
De manera mas espedfica, la invencion se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para el corte de corriente electrica, que utiliza el soplado magnetico para la extincion del arco electrico y que tienen por objeto incrementar la capacidad de extincion del arco y al mismo tiempo reducir los costes de fabricacion.
El procedimiento y dispositivo de la invencion son aplicables a cualquier tipo de interruptor, conmutador o seccionador, ya sean con contactos moviles de desplazamiento lineal, giratorio o helicoidal, con configuracion monopolo o multipolo.
Antecedentes de la invencion
Los conmutadores mecanicos son dispositivos utilizados para conectar y desconectar una carga desde una fuente de alimentacion electrica y se basan en la aplicacion de una fuerza externa que mueve varios contactos moviles con respecto a otros contactos fijos, de manera que cuando el circuito se va a cerrar, los contactos moviles entran en contacto con los contactos fijos, conectando electricamente una carga y una fuente de energfa y permitiendo de esta manera la circulacion de corriente.
El proceso opuesto corresponde al movimiento de los contactos moviles con respecto a los contactos fijos, de manera que estos contactos moviles se alejan de los contactos fijos, haciendo que el circuito se abra y por lo tanto interrumpiendo la circulacion de corriente.
Se conocen conmutadores con distintos tipo de movimiento de sus partes moviles, ya sea con desplazamiento lineal, giratorio o helicoidal. La solicitud de patente europea EP-2.667.394 A1 describe un ejemplo de un conmutador con desplazamiento lineal de los contactos moviles. El modelo de utilidad espanol ES-1116655 U describe un conmutador giratorio y la solicitud de patente europea EP-2866244 A1 describe un conmutador helicoidal.
Durante las operaciones transitorias de apertura y cierre, se forman arcos electricos o arcos voltaicos en las zonas de contacto entre los contactos moviles y fijos. Los arcos electricos son conocidos por causar muchos problemas debido a que el calor generado durante la aparicion de un arco electrico es altamente destructivo. Algunos de estos problemas son: deterioro de los materiales del conmutador, avenas y/o destruccion total o parcial de las instalaciones electricas, incluyendo danos a personas causados por quemaduras u otro tipo de lesiones.
Los problemas para extinguir arcos electricos son particularmente pronunciados en la interrupcion de corriente continua, ya que, a diferencia de la corriente alterna, no hay cruce por cero, de manera que los arcos electricos deben eliminarse lo mas rapidamente posible mediante la deionizacion del medio y aumentando la resistencia dielectrica.
Una de las tecnicas conocidas para aumentar la eficacia en la extincion del arco electrico, concretamente en el caso de conmutadores de corriente continua, es la utilizacion de un soplado con campo magnetico generado por imanes permanentes.
La tecnica utilizada actualmente para producir el soplado magnetico, consiste en colocar varios imanes permanentes en una posicion fija de manera que impulsen el arco electrico lo mas rapidamente posible hasta una zona de extincion, como pueden ser las camaras deionizantes, tabiques de alargamiento, etc.
Puesto que los imanes permantes se colocan en una posicion fija, el campo magnetico generado siempre permanece estatico, por lo que para que el campo magnetico alcance toda la zona en la que se extiende el arco, es necesario emplear varios imanes o anadir expansiones polares para incrementar la superfice del campo magnetico en funcion de la longitud del recorrido entre contactos fijos y moviles.
El modelo de utilidad espanol ES-1116655U, muestra un ejemplo de estas tecnicas de soplado magnetico, que utilizan varios imanes permanentes instalados en una posicion fija del conmutador.
Puesto que son necesarios varios imanes y expansores polares, estas tecnicas convencionales implican un incremento del material utilizado, asf como un incremento del volumen del conmutador para alojar los imanes cerca de la zona de aparicion del arco electrico.
Generalmente en las tecnicas conocidas, los imanes se colocan en una posicion intermedia del recorrido maximo entre el contacto fijo y el contacto movil, por lo que el campo magnetico interfiere con el arco electrico una vez que el arco ya se ha generado, lo cual limita la capacidad de extincion del arco.
La publicacion de patente US 2013/222088 A1 describe un conmutador de corriente que incluye: un contacto movil de tipo cuchilla configurado para extenderse en una direccion radial a partir de un centro de pivotamiento, un contacto fijo que inclye unos elementos energizantes separados del contacto movil y dispuestos para quedar enfrentados y sustancialmente en paralelo entre sf a ambos lados transversales de una superficie pivotante del contacto movil, un contacto de arco movil provisto en el contacto movil, contactos de arco fijos provistos en el contacto fijo e imanes permanentes dipuestos en el interior del contacto fijo o del contacto movil para generar un campo magnetico que atraviesa un arco generado entre el contacto de arco movil y los contactos de arco fijos. Descripcion de la invencion
La invencion se define en las reivindicaciones independientes adjuntas de procedimiento y dispositivo.
Un aspecto de la invencion se refiere a un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1.
Un efecto tecnico que se obtiene con esta disposicion de elementos, es que de una manera muy sencilla, se logra que el campo magnetico generado por un iman sea dinamico, es decir que el campo magnetico se vaya desplazando a la vez que el contacto movil en el que estan instalados. De esta manera, se puede decir que el campo magnetico persigue al arco electrico, con lo que con un solo iman, en lugar de varios como ocurre en el estado de la tecnica, se aplica un campo magnetico en el mismo instante de la aparicion del arco y a lo largo de todo el espacio por el que se extiende el arco.
Una de las principales ventajas de la invencion, es que se reduce el numero de imanes necesarios en cada zona de corte y, por lo tanto, se reduce el material necessario para aplicar el campo a toda la zona donde se produce arco. Ademas, debido a que el iman permamente esta montado con el contacto movil segun propone la invencion, es posible colocar el iman muy proximo al espacio entre el contacto fijo y el contaxcto movil en la pocision de cierre electrico. Un efecto tecnico adicional y ventaja asociadas a dicha disposicion del iman permamente, es que se aplica el campo magnetico en la zona donde se produce arco incluso antes de la generacion de arco, por lo que en el mismo instante en el que empieza a producirse el arco en una operacion de apertura, el arco se encuentra con el campo magnetico lo que dificulta su flujo. De este modo se incrementa enormenente la capacidad de extincion del arco y se reduce el tiempo de extincion con respecto a las tecnicas conocidas en la actualidad, en las que el campo magnetico solo interfiere con el arco en un instante posterior a su generacion.
La invencion es aplicable a cualquier tipo de interruptor o conmutador de uno o varios polos, ya sean interruptores con contactos moviles de desplazamiento lineal, radial o helicoidal.
En una realizacion preferente de la invencion, el iman permanente y el contacto movil se mueven linealmente respecto a un eje longitudinal. En otra realizacion preferente, el iman permanente y el contacto movil se mueven de forma giratoria sobre un unico y mismo plano con respecto a un eje axial, y en otra realizacion preferente se mueven de manera helicoidal con respecto a un eje axial.
Los mismos efectos tecnicos y ventajas comentados anteriormente con respecto al dispositivo conmutador, se obtienen igualmente con el procedimiento de la invencion.
La referida zona donde se produce arco, se puede definir como el espacio que se forma entre el contacto fijo y el contacto movil en el que es de esperar que se formen arcos electricos, incluyendo la posicion de cierre electrico y posteriormente el espacio entre ambos a medida que estos dos contactos se mueven el uno con relacion al otro, ya sea en la operacion de apertura o de cierre del dispositivo interruptor.
Descripcion de los dibujos
Algunas realizaciones preferidas de la invencion, se describen a continuacion con referencia a los dibujos adjuntos, donde:
La figura 1.- muestra varias vistas en perspectiva de una realizacion de un interruptor lineal segun la invencion, donde el dibujo (A) corresponde a un interruptor monopolo; el dibujo (B) muestra el interruptor con varios polos; el dibujo (C) es una representacion similar a la del dibujo (B), pero incorporando una corredera; el dibujo (D) es un detalle ampliado en la posicion de cierre del interruptor; y el dibujo (E) es un detalle ampliado del proceso de soplado dinamico mediante campo magnetico en una posicion de apertura del contacto movil. En los dibujos (A, B, C) las flechas indican el movimiento lineal de los contactos moviles. En los dibujos (D, E) las multiples flechas que parten del iman representan el campo magnetico (B). Observando los dibujos (D; E) se puede apreciar el desplazamiento del campo magnetico “B” que acompana al iman.
La figura 2.- son dos vistas en perspectiva del conjunto de imanes permanentes. En el dibujo (A) estan separados del soporte aislante, y en el dibujo (B) estan acoplados en el soporte.
La figura 3.- muestra varias vistas en perspectiva de una realizacion de un interruptor giratorio segun la invencion, donde el dibujo (A) muestra el interruptor con el rotor; el dibujo (B) es la misma representacion que la anterior pero sin rotor para que se pueda apreciar la posicion de los imanes; el dibujo (C) es un detalle ampliado en la posicion de cierre del interruptor; y el dibujo (D) es un detalle ampliado del proceso de soplado dinamico mediante campo magnetico. En el dibujo (A) la flecha alrededor del eje “X” indica el movimiento giratorio del rotor. En los dibujos (C, D) las multiples flechas que parten del iman representan el campo magnetico (B).
La figura 4.- muestra una vista en perspectiva de otra realizacion similar al de la figura 3, pero en el que el rotor se mueve de manera helicoidal.
La figura 5.- representa el conocimiento general comun sobre el comportamiento de un arco electrico en un campo magnetico segun la ley de fuerza de Lorentz, y la regla de la mano izquierda.
Realizacion preferente de la invencion
La figura 1A muestra una realizacion de un interruptor lineal (1) monopolo segun la invencion, que esta formando por dos contactos fijos (2a, 2b) enfrentados y un contacto movil (6) dispuesto entre los contactos fijos (2a, 2b) que puede desplazarse linealmente y de forma redproca a lo largo de un eje “X”. El contacto movil (6) es el que puede desplazarse entre una posicion de cierre en la que establece una continuidad electrica con los contactos fijos (2a, 2b) y una posicion de apertura, como la mostrada en la figura 1A, en la que impide la circulacion de corriente.
El interruptor (1) dispone de dos imanes permanentes (4a, 4b) cilmdricos, los cuales estan montados conjuntamente con el contacto movil (6) en una de sus caras mediante un soporte (5) hecho de un material aislante. Este soporte (5) tiene forma de pinza en sus extremos, de modo que los imanes (4a, 4b) quedan retenidos por presion elastica en dichos extremos, segun se ha representado con mas detalle en la figura 2.
Los imanes permanentes (4a, 4b) tienen una polarizacion diametral, es decir, un semicilindro del iman tiene una polaridad y el otro semicilindro tiene la polaridad opuesta, tal y como se muestra en la figura 2. La posicion de los imanes en lo que respecta a su polaridad, se elige en funcion del sentido de circulacion de la corriente en el caso de corriente continua y de la direccion hacia la que se desea estirar el arco.
El soporte (5) esta fijado sobre el contacto movil (6), de tal manera que el campo magnetico generado por cado uno de los imanes (4a, 4b) interfiere respectivamente con cada zona donde se produce arco electrico (7a, 7b) entre cada uno de los contactos fijos y el contacto movil. Tanto el contacto movil (6) como los contactos fijos (2a, 2b) son pletinas metalicas de forma generalmente rectangular con unas caras superior e inferior. Como se aprecia en el dibujo, los imanes permanentes (4a, 4b) estan dispuestos en la cara superior del contacto movil (6) que es tambien la cara destinada a entrar en contacto con la cara inferior de los contactos fijos (2a, 2b).
En la realizacion de la figura 1B el interruptor (1) es multipolo, en el que cada uno de sus polos (1a, 1b, 1c, 1d) es un interruptor individual como el representado y descrito anteriormente con relacion a la figura 1A. Una particularidad de esta realizacion, es que la posicion relativa entre el contacto movil y los contactos fijos de cada polo, alternan de un polo a los polos adyacentes. Se puede apreciar en esta realizacion, como en el caso de los polos (1a, 1c) la cara superior de los contactos moviles (6) es la que dispone de imanes y es la destinada a entrar en contacto con la cara inferior de los contactos fijos correspondientes. En el caso de los polos (1b, 1d), la posicion de los imanes y de los contactos moviles, es la inversa con respecto a los polos (1 a, 1c).
Segun se muestra en la figura 1C, el interruptor (1) dispone de un actuador, en este caso una corredera (8) de desplazamiento lineal reciproco a lo largo del eje “X”. Los contactos moviles (2 a, 2b) con sus respectivos imanes (4a, 4b) estan montados en la corredera (8), de manera que los imanes quedan alojados dentro de la corredera (8), pero son visibles desde el exterior de la corredera (8) que dispone de ventanas laterales para esa finalidad.
En la figura 1D se ha representado el proceso de soplado magnetico que se obtiene con la disposicion de imanes de esta realizacion. Es conocido que el comportamiento de un arco electrico en un campo magnetico obedece a la ley de fuerza de Lorentz y forma un sistema ortogonal de tres vectores (figura 5B). Como procedimiento practico para determinar el sentido de la fuerza, se usa la regla de la mano izquierda (figura 5 A) donde: “B” es la direccion del campo magnetico generado por un iman, “I” es el sentido de la corriente electrica y “F” es la fuerza que impulsa al arco electrico por efecto del campo magnetico. Si cambia el sentido de B o I, el sentido del desplazamiento resultante F, cambiara sobre el mismo eje Z.
La figura 1E muestra un iman permanente (4a) colocado para generar un campo magnetico (B), que interfiere con el arco electrico que se produce entre el contacto fijo (2 a) y el contacto movil (6), de modo que teniendo en cuenta el sentido del campo (B) y la corriente (I), se genera una fuerza (F) en sentido ortogonal a un plano sobre el que se mueven los contactos moviles (2 a, 2b), con lo que esa fuerza (F) estira el arco hacia la parte superior de la figura hasta que se rompe. Puesto que el iman (4a) se desplaza a la vez que el contacto movil (6) y la corredera (8), el campo magnetico (B) se desplaza igualmente acompanando al contacto movil (6).
La realizacion de la figura 3 consiste en un interruptor giratorio en el que el actuador en lugar de ser una corredera, es un rotor (9) hecho de un material aislante que puede girar de manera redproca sobre un unico y mismo plano alrededor de su eje “X”. El contacto movil (6) y los imanes permanentes (4a, 4b), estan montados en el rotor (9) y por lo tanto se mueven conjuntamente con el rotor (9) entre las posiciones de cierre y apertura del interruptor.
La realizacion de la figura 4 es similar a la de la figura 3, pero el rotor (9) se mueve de forma helicoidal con respecto al eje axial “X” del rotor e igualmente de manera redproca entre las posiciones de cierre y apertura del interruptor. El proceso de soplado de las realizaciones de las figuras 3 y 4 es similar al de la figura 1, pero los imanes se desplazan de forma giratoria y helicoidal respectivamente.
Como alternativa al uso de un soporte (5) para montar los imanes (4a, 4b) con el contacto movil (6), los imanes se pueden fijar al actuador, es decir a la corredera (8) en la realizacion de la figura 1 o al rotor (9) en las realizaciones de las figuras 3 y 4, de modo que los imanes (4a, 4b) estan montados conjuntamente con el contacto movil (6) a traves de la corredera o del rotor.
El procedimiento de la invencion esta representado, por ejemplo, en las figuras 1D, 1E, 3C y 3D. En las figuras 1D y 3C se observa en particular como tanto en el dispositivo como en el procedimiento de la invencion, en todo momento incluso antes de iniciar el proceso de apertura del interruptor empezando a mover el contacto movil (6), ya se esta aplicando un campo magnetico (B) al espacio entre los contactos fijos y el contacto movil, con lo que en el mismo instante en el que empieza a producirse el arco electrico ya existe un campo magnetico aplicado en esa zona que dificulta su formacion, incrementando asf la capacidad de corte del interruptor y reduciendo el tiempo de extincion. En las figuras (1D, 1E, 3C, 3D) tambien se aprecia como al mismo tiempo que el contacto movil (6) se mueve con respecto a los contactos fijos (2 a, 2b) para abrir el interruptor e interrumpir una circulacion de corriente electrica, tambien se mueve el iman o imanes permanentes (4a, 4b) montados conjuntamente con el contacto movil (6), con lo que el campo magnetico (B) generado se desplaza igualmente, realizando el mismo movimiento que los contactos fijos y recorriendo la zona donde se produce arco entre el contacto fijo y el contacto movil, para contribuir a extinguir el arco electrico.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de corte de una corriente electrica que comprende dos contactos fijos (2a, 2b) y al menos un contacto movil (6) que puede desplazarse entre una posicion de cierre en la que se establece una continuidad electrica con los contactos fijos y una posicion de apertura en la que se impide la circulacion de corriente, y dos imanes permanentes (4a, 4b) colocados para generar un campo magnetico que interfiera con una zona donde se produce un arco electrico entre los contactos fijos y el contacto movil (6) para contribuir a la extincion de un arco electrico, caracterizado porque los imanes permanentes estan montados conjuntamente con el contacto movil (6), de modo que los imanes permanentes y el contacto movil (6) puedan desplazarse a la vez, estando el contacto movil (6) dispuesto para entrar en contacto con los contactos fijos (2a, 2b), por lo que los dos imanes permanentes (4a, 4b) estan montados en el contacto movil (6) de forma que el campo magnetico de cada uno de los imanes permanentes (4a, 4b) interfiere respectivamente con una zona donde se produce un arco electrico entre cada uno de los contactos fijos (2a, 2b) y el contacto movil (6),
y en el que los imanes permanentes (4a, 4b) estan posicionados en el contacto movil (6), de manera que en la posicion de cierre electrico, los imanes permanentes (4a, 4b) estan proximos a un extremo de cada contacto fijo (2a, 2b) y el campo magnetico pasa a traves del espacio entre el contacto fijo (2a, 2b) y el contacto movil (6), y en el que ademas comprende un soporte (5) hecho de un material electricamente aislante fijado al contacto movil (6), y en el que los imanes permanentes (4a, 4b) estan montados en dicho soporte (5) de forma que quedan aislados electricamente del contacto movil (6).
2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, donde dicho soporte (5) dispone de dos extremos con forma de pinza, y donde cada uno de los imanes permanentes (4a, 4b) esta alojado en uno de los extremos del soporte (5).
3. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que ademas comprende un actuador movil (8) hecho de un material aislante, donde el al menos un contacto movil (6) esta montado en el actuador y donde los imanes permanentes (4a, 4b) estan alojados al menos parcialmente dentro del actuador (8).
4. Dispositivo segun la reivindicacion 3, donde el actuador es una corredera lineal que puede deslizarse con respecto a un eje longitudinal (X).
5. Dispositivo segun la reivindicacion 3, donde el actuador es un rotor que puede girar sobre un unico y mismo plano con respecto a un eje axial (X).
6. Dispositivo segun la reivindicacion 3, donde el actuador es un rotor que puede moverse de manera helicoidal con respecto a un eje axial (X).
7. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los imanes permanentes (4a, 4b) son cilmdricos y tienen una polarizacion diametral.
8. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que dispone de dos o mas polos (1a, 1b, 1c, 1d), donde cada polo esta formado por una pareja de contactos fijos (2a, 2b), un contacto movil (6) y dos imanes permanentes (4a, 4b).
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