ES2848651T3

ES2848651T3 - Disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido

Info

Publication number: ES2848651T3
Application number: ES17760556T
Authority: ES
Inventors: Ryan Kennedy; Denis Kouroussis
Original assignee: Atom Power Inc
Current assignee: Atom Power Inc
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: US20200083699A1; WO2017151521A1; EP3770936C0; CN112366104A; EP3770936A1; EP3770936B1; US20170256934A1; US10811867B2; EP3424066A4; CN108885951B; CN108885951A; US10541530B2; EP3424066A1; EP3424066B1

Abstract

Un disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido, que comprende: un dispositivo de estado sólido (306); una unidad de desconexión de entrehierro (308) conectada en serie con el dispositivo de estado sólido, incluyendo la unidad de desconexión de entrehierro: una funda (711) que tiene un primer contacto eléctrico; un resorte de retracción de funda (706) conectado a la funda; un solenoide (712) que incluye un émbolo (715); un miembro de sujeción (703) unido al émbolo; y un segundo contacto eléctrico (718); y un circuito de control (302) configurado para controlar si el dispositivo de estado sólido está encendido o apagado, en donde: durante condiciones normales de funcionamiento, el miembro de sujeción está configurado para mantener el primer contacto eléctrico en contacto con el segundo contacto eléctrico, y para evitar que los resortes de retracción de funda dejen el primer contacto eléctrico y el segundo contacto eléctrico sin contacto, y al detectar que una condición de falla o de sobrecarga está presente o desarrollándose en un circuito de carga, un circuito de control está configurado para transmitir un pulso eléctrico al solenoide, para hacer que reposicione el émbolo, haciendo que el miembro de sujeción se desenganche de la funda, permitiendo así que los resortes de retracción de funda retraigan la funda de modo que el primer contacto eléctrico se separe del segundo contacto eléctrico, formando un entrehierro entre medias.

Description

DESCRIPCIÓN

Disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido

Referencia cruzada con solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional de EE. UU. n.° 62/301.948, presentada el 1 de marzo de 2016.

Antecedentes de la invención

Los disyuntores eléctricos se utilizan en sistemas de distribución eléctrica para proteger las cargas eléctricas y los conductores de la exposición a condiciones de sobrecorriente. En general, hay dos tipos de condiciones de sobrecorriente: una sobrecarga y una falla. El Código Eléctrico Nacional (NEC) define una sobrecarga como: "funcionamiento del equipo por encima de lo normal, capacidad de carga completa, o conductor en exceso de la ampacidad nominal que, cuando persiste durante un período de tiempo suficiente, causaría daños o un sobrecalentamiento peligroso". Las fallas suelen producir sobrecorrientes mucho más altas que las sobrecargas, dependiendo de la impedancia de falla. Una falla sin impedancia se denomina "cortocircuito" o "falla franca".

Los disyuntores convencionales son de naturaleza mecánica. Estos tienen contactos eléctricos que están físicamente separados cuando ocurre una falla o una condición de sobrecorriente prolongada. La apertura de los contactos se realiza normalmente de forma electromagnética, usando un mecanismo de resorte, aire comprimido, o una combinación de un mecanismo de resorte y aire comprimido.

Un problema importante de los disyuntores convencionales es que reaccionan con lentitud a las fallas. Debido a su construcción electromecánica, Los disyuntores convencionales normalmente requerirán al menos varios milisegundos para aislar una falla. El tiempo de reacción lento no es deseable ya que aumenta el riesgo de incendios, daños a equipos eléctricos, e incluso arcos eléctricos, que pueden ocurrir cuando un cortocircuito o una falla franca no se aíslan lo suficientemente rápido. Un arco eléctrico es una explosión eléctrica de los conductores eléctricos que crea la condición de cortocircuito. La energía liberada en un arco eléctrico puede producir temperaturas superiores a 35000 °F (o 20 000 °C) en las terminales del arco, resultando en conductores metálicos que se vaporizan rápidamente, voladura de metal fundido, así como plasma en expansión que se expulsa hacia afuera desde el punto incidente con una fuerza extrema. Por lo tanto, los arcos eléctricos son claramente extremadamente peligrosos para la vida, propiedad y equipo eléctrico.

Además de ser lento para aislar fallas, los disyuntores convencionales son muy variables. Debido a las limitaciones en el diseño magnético y mecánico involucrados, el tiempo que lleva y el límite actual en el que un disyuntor mecánico se desconecta en respuesta a una falla o una condición de sobrecorriente prolongada puede haber variación en un solo disyuntor dado y también variar de un disyuntor a otro, incluso para disyuntores que son del mismo tipo y la misma clasificación, e incluso del mismo tipo y clasificación del mismo fabricante.

Debido a la falta de precisión y al alto grado de variabilidad de los disyuntores convencionales, los fabricantes normalmente proporcionarán datos de características de tiempo-corriente para cada tipo y clasificación de disyuntor que fabrican y venden. Los datos característicos de tiempo-corriente para un tipo y clasificación en particular a menudo se muestran en una gráfica logarítmica bidimensional, tal como se ilustra en la figura 1, con corriente en el eje horizontal, tiempo en el eje vertical, regiones de tiempo-corriente en las que se garantiza que el disyuntor se desconectará y no desconectará, y bandas de incertidumbre dentro de las cuales el estado de desconexión del disyuntor es incierto.

La falta de precisión y el alto grado de variabilidad de los disyuntores convencionales dificultan la realización de estudios de coordinación. Un estudio de coordinación es un estudio realizado por un electricista o ingeniero durante el diseño de un sistema de distribución eléctrica. El estudio de coordinación implica la selección de disyuntores, a menudo de diferentes clasificaciones, y averiguar la mejor manera de organizar los diversos disyuntores seleccionados en el sistema de distribución eléctrica. Una tarea importante involucrada en el estudio de coordinación consiste en configurar los diversos disyuntores de tal manera que solo el disyuntor más cercano aguas arriba de una falla inminente se desconecte para aislar eléctricamente la falla inminente. Si esta tarea se realiza correctamente, las bandas de incertidumbre tiempo-corriente de los distintos disyuntores no se superpondrán. Por desgracia, debido a la falta de precisión y las bandas de incertidumbre resultantes en las características de tiempo-corriente, el estudio de coordinación no siempre se puede completar como se requiere o se desea, y las bandas de incertidumbre de los distintos disyuntores terminan superponiéndose en cierta medida, como se ilustra en la figura 2. La superposición de las bandas de incertidumbre es problemática ya que da lugar a la posibilidad de que los disyuntores aguas arriba se desconecten prematura o innecesariamente en respuesta a una falla inminente, en lugar de por un disyuntor ubicado más aguas abajo que está más cerca de la falla inminente. La desconexión prematura o innecesario del disyuntor aguas arriba no es deseable ya que puede resultar en que una sección más grande del sistema de distribución se desactive más allá de lo necesario.

Los disyuntores convencionales proporcionan una alta capacidad de aislamiento, una vez que se han desconectado. No obstante, sus lentos tiempos de reacción, la falta de precisión y el alto grado de variabilidad son características indeseables. Los tiempos de reacción lentos no solo dan como resultado una protección inadecuada contra la posibilidad de arcos eléctricos, sino que el alto grado de variabilidad y la falta de precisión dificultan, y en algunos casos incluso imposibilitan, realizar los estudios de coordinación. Sería deseable, por lo tanto, tener un disyuntor que tenga la alta capacidad de aislamiento que ofrecen los disyuntores electromecánicos convencionales, pero que también tenga la capacidad de reaccionar y aislar fallas y otras condiciones de sobrecorriente mucho más rápidamente que los disyuntores electromecánicos convencionales. También sería deseable tener un disyuntor de reacción rápida que tenga características de tiempo-corriente que sean precisas y que se puedan programar, incluso de forma dinámica y en tiempo real, con un alto grado de precisión. El documento US5132865 divulga un disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido, que comprende un dispositivo de estado sólido; una unidad de desconexión de entrehierro conectada en serie con el dispositivo de estado sólido; y un circuito de control configurado para controlar si el dispositivo de estado sólido está encendido o apagado.

Breve sumario de la invención

Se divulga un dispositivo de protección (DP) de dispositivo híbrido de entrehierro/estado sólido para su uso en un sistema de distribución de potencia eléctrica. El DP híbrido de entrehierro/estado sólido incluye una unidad de desconexión de entrehierro conectada en serie con un dispositivo de estado sólido, un circuito de detección y accionamiento, y un microcontrolador. Cuando el circuito de detección y accionamiento detecta una falla inminente o una condición de sobretensión excesivamente alta e inaceptable en el circuito de carga del DP, el circuito de detección y accionamiento genera una señal de conmutación que apaga rápidamente el dispositivo de estado sólido. Por otra parte, el microcontrolador genera un pulso de desconexión para la unidad de desconexión de entrehierro, que responde formando un entrehierro en el circuito de carga. Juntos, el dispositivo de estado sólido apagado y el entrehierro protegen la carga y el circuito de carga asociado contra daños y también sirven para aislar eléctrica y físicamente la fuente de la condición de falla o sobrecarga del resto del sistema de distribución de potencia eléctrica. La ventaja de emplear el dispositivo de estado sólido es que se puede reaccionar ante fallas inminentes en cuestión de microsegundos. El entrehierro formado por la unidad de desconexión de entrehierro aísla la falla incluso si el dispositivo de estado sólido no se apaga o funciona mal, asegurando que el DP cumple con los códigos eléctricos, regulaciones y requisitos de certificación.

Otras características y ventajas de la invención, incluyendo una descripción detallada de las realizaciones ilustrativas de la invención resumidas anteriormente y otras, ahora se describirán en detalle con respecto a los dibujos adjuntos, en los que se utilizan números de referencia similares para indicar elementos idénticos o funcionalmente similares.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un gráfico de una banda de incertidumbre de tiempo-corriente asociada con un disyuntor electromecánico convencional;

la figura 2 es un gráfico de las bandas de incertidumbre de tiempo-corriente asociadas con tres disyuntores electromecánicos convencionales diferentes, destacando la dificultad que se encuentra al completar un estudio de coordinación debido a las bandas superpuestas;

la figura 3 es un diagrama de bloques que destaca los componentes destacados de un disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido (es decir, dispositivo de protección o "DP"), de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 4 es un dibujo que muestra una forma en que el circuito de detección y accionamiento del disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido representado en la figura 3 se puede implementar;

la figura 5 es un gráfico que muestra las características de tiempo-corriente del DP representado en la figura 3, destacando las características de tiempo-corriente de una sola línea del DP;

la figura 6 es una vista en perspectiva del DP representado en la figura 3, cuando se aloja en un recinto;

la figura 7 es una vista en despiece del DP representado en la figura 3, sin la electrónica del DP, destacando los atributos físicos de la unidad de desconexión de entrehierro del DP;

la figura 8 es un gráfico que muestra las características de tiempo-corriente del DP representado en la figura 3, destacando el hecho de que en una realización de la invención los parámetros operativos del DP, incluida la velocidad máxima de cambio en la corriente di/dt_max, corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, corriente de umbral de desconexión instantánea Imax, y umbrales superior e inferior de tiempo de desconexión de corta duración tSUPERIOR y tINFERIOR, son programables por el usuario;

las figuras 9A-9C son dibujos de un conmutador de pulsador manual/mecánico que puede incorporarse en el DP representado en la figura 3 y que una persona puede presionar para apagar la potencia del dispositivo de estado sólido y forzar a la unidad de desconexión de entrehierro del DP a formar un entrehierro;

la figura 10 es un diagrama de flujo que representa un método que el microcontrolador en el DP representado en la figura 3 puede estar programado para seguir a fin de evitar que el dispositivo de estado sólido del DP exceda su área de funcionamiento segura (SOA) durante un evento de influjo;

la figura 11 es un dibujo de un modelo de circuito térmico en el que se basa el método representado en la figura 10, de acuerdo con una realización de la invención;

la figura 12 es un diagrama de bloques que ilustra una forma en que el dispositivo de estado sólido del DP representado en la figura 3 puede construirse y configurarse cuando funciona como DP para un motor de inducción trifásico;

las figuras 13A y 13B son dibujos que ilustran cómo se controlan dos pares de conmutación asociados con una fase del motor de inducción trifásico para evitar o inhibir la formación de transitorios de tensión durante un arranque suave del motor de inducción;

la figura 14 es un dibujo de un circuito de detección y accionamiento que se puede emplear en el DP representado en la figura 3 y que está equipado con la capacidad de detectar la aparición de sobretensiones eléctricas y distinguir entre las sobretensiones de corriente debidas a rayos y las sobretensiones de corriente debidas a condiciones de cortocircuito; y

la figura 15 es un diagrama de flujo que representa un método de verificación de fallas que el microcontrolador en el DP representado en la figura 3 está programado para seguir, de acuerdo con una realización de la invención.

Descripción detallada

Haciendo referencia a la figura 3, se muestra un dibujo que representa un disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido 300 (también denominado "dispositivo de protección" o "DP" en la descripción detallada a continuación), de acuerdo con una realización de la presente invención. El DP 300 comprende un microcontrolador 302; un circuito de detección y accionamiento 304; un dispositivo de estado sólido 306; y una unidad de desconexión de entrehierro 308. El microcontrolador 302, el circuito de detección y accionamiento 304, y otros componentes del DP 300 son alimentados por una potencia de corriente continua (CC) suministrada por una o más fuentes de alimentación de CC locales independientes del sistema de distribución eléctrica en el que está configurado el DP 300 o desde un convertidor de corriente alterna (CA) a potencia de CC que produce potencia de CC a partir de una fuente de alimentación de CA en el sistema de distribución eléctrica. El dispositivo de estado sólido 306 comprende un dispositivo (o dispositivo(s)) de estado sólido controlado(s) eléctricamente, como un transistor de unión bipolar de puerta aislada (IGBT), transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico de potencia (MOSFET), tiristor, rectificador controlado por silicio (SCR), triodo para corriente alterna (TRIAC), o cualquier otro dispositivo de estado sólido controlado y adecuado de alta potencia. El dispositivo de estado sólido 306 está conectado en serie con la unidad de desconexión de entrehierro 308, de modo que cuando el DP 300 se despliega en un sistema de distribución eléctrica, el dispositivo de estado sólido 306 y la unidad de desconexión de entrehierro 308 están conectados en serie entre un terminal de entrada de línea (Línea-DENTRO) y un terminal de salida de línea (Línea-FUERA), al que está conectada una carga.

El circuito de detección y accionamiento 304 está configurado para monitorear continuamente una corriente de detección Idetección representativa de la corriente que se extrae a través del terminal Línea-DENTRO, y produce una señal de conmutación que controla si el dispositivo de estado sólido 306 está encendido, en cuyo caso se permite que la corriente del terminal Línea-DENTRO de línea fluya hacia una carga que el DP 300 está funcionando para proteger, o se apaga para aislar eléctricamente la carga del terminal Línea-DENTRO. La figura 4 es un dibujo que ilustra una forma en que se puede implementar la parte de detección de cortocircuito del circuito de detección y accionamiento 304. Como quedará claro de la descripción que sigue, el circuito de detección y accionamiento 304 tiene la capacidad de determinar si un aumento repentino en la corriente que se extrae del terminal Línea-DENTRO se debe a una carga que se pone en línea o se debe a una falla inminente. También es capaz de distinguir entre cargas resistivas e inductivas y determinar si un aumento repentino de la corriente corresponde a una corriente de influjo extraída por una carga inductiva cuando se pone en línea o es el resultado de una falla inminente.

Como se muestra en la figura 4, el circuito de detección y accionamiento 304 ilustrativo incluye un diferenciador 402; primeros, segundos y terceros comparadores alto/bajo 404, 406, 408; una puerta lógica AND 410; y una puerta OR 412. El diferenciador 402 funciona para diferenciar la corriente de detección Idetección y producir una corriente de detección diferenciada diDETEccióN/dt indicativa de la velocidad de cambio de la corriente de detección Idetección. Ya que la corriente de detección Idetección es CA, con semiciclos positivos y negativos, y un aumento repentino en la corriente que se extrae del terminal Línea-DENTRO puede ocurrir durante los semiciclos positivos o negativos de la corriente de detección Idetección, la corriente de detección diferenciada diDETEccióN/dt producida por el diferenciador 402 proporciona una indicación de la velocidad de cambio de la corriente de detección Idetección durante los semiciclos positivos y negativos.

El primer y segundo comparadores alto/bajo 404 y 406 y la puerta lógica AND 410 sirven para determinar si un aumento repentino en la corriente extraída del terminal Línea-DENTRO se debe a una falla inminente o se debe a una carga resistiva que se pone en línea (o que se "enciende"). Esta capacidad para distinguir entre una falla inminente y una carga resistiva en línea es importante, ya que evita que el DP 300 se desconecte de manera innecesaria o prematura en el caso de que el aumento repentino de la corriente se deba a que una carga resistiva está en línea y no a una falla inminente. Para realizar esta tarea, el primer comparador alto/bajo 404 compara la corriente de detección diferenciada diDETEccióN/dt con una velocidad máxima predeterminada de cambio en la corriente di/dt_max. En el caso de que la corriente de detección diferenciada diDETEccióN/dt exceda la velocidad máxima de cambio en la corriente di/dt_max, el primer comparador alto/bajo 404 produce una salida ALTA lógica. La salida ALTA lógica proporciona una indicación de que se puede estar desarrollando una falla en el circuito de carga. Por otro lado, siempre que la corriente de detección diferenciada diDETEccióN/dt permanece por debajo de la velocidad máxima de cambio en corriente di/dt_max, el primer comparador alto/bajo 404 produce una salida BAJA lógica.

Cuando una carga resistiva se pone en línea, la corriente que extrae del terminal Línea-DENTRO será escalonada. No obstante, una falla inminente también producirá un cambio escalonado en la corriente. Dado que diDETECCIÓN/dt es alto en ambos casos, un diDETECCIÓN/dt que excede di/dt_max no es por sí mismo suficiente para concluir con absoluta certeza que se está desarrollando una falla en el circuito de carga. No obstante, una diferencia significativa entre la falla en desarrollo y el transitorio de encendido de una carga resistiva es que una vez que se ha completado el transitorio de encendido de la carga resistiva, lo que sucederá muy rápido, la magnitud de la corriente que extrae la carga resistiva se nivelará a algún valor finito (el valor específico depende de la resistencia de la carga). Por otro lado, cuando se desarrolla una falla, la magnitud de la corriente que se extrae de la línea aumentará a una magnitud mucho mayor, limitado solo por la capacidad de la línea para suministrar corriente a la falla. El circuito de detección y accionamiento 304 aprovecha esta diferencia para detectar y determinar si se está poniendo en línea una carga resistiva o si se está desarrollando una falla. Específicamente, el segundo comparador alto/bajo 406 compara la magnitud de la corriente de detección Idetección con la magnitud de una "corriente de umbral de desconexión de larga duración" Ilt. Si la corriente se extrae de la línea, representada por la corriente de detección Idetección, se eleva a un valor mayor que la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, el segundo comparador alto/bajo 406 produce una salida ALTA lógica. Por consiguiente, en una situación donde diDETEccióN/ dt excede di/dt_max AND la corriente que se extrae de la línea, representada por la corriente de detección Idetección, excede la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, la puerta lógica AND 410 generará una salida ALTA lógica. La salida ALTA lógica indica que se está desarrollando una falla en el circuito de carga o que una condición de sobrecarga excesivamente alta e inaceptable está presente o en desarrollo. Por consiguiente, una vez que la puerta lógica AND 410 produce la salida ALTA lógica, y la salida ALTA lógica pasa a través de la puerta OR 412, se produce una lógica de desactivación de conmutación en la salida, ordenando a los circuitos restantes del circuito de detección y accionamiento 304 que apaguen el dispositivo de estado sólido 306 para aislar eléctricamente la carga de la condición de falla inminente o sobrecarga. Por otro lado, si diDETEccióN/dt permanece por debajo de di/dt_max o la corriente que se extrae de la línea, representada por la corriente de detección Idetección, permanece por debajo de la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, la puerta lógica AND 410 produce una salida BAJA lógica y el dispositivo de estado sólido 306 permanece encendido. De esta manera, incluso si diDETEccióN/ dt excede di/dt_max cuando la carga resistiva se pone en línea, la carga resistiva aún podrá ponerse en línea siempre que la corriente máxima que extrae no dé como resultado la corriente de detección Idetección superando la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt.

El tercer comparador alto/bajo 408 sirve para comparar continuamente la corriente de detección entrante Idetección con una "corriente de umbral de desconexión instantánea" Imax. La corriente de umbral de desconexión instantánea Imax es la corriente máxima absoluta que el DP 300 permitirá que fluya a la carga bajo cualquier circunstancia. Si la corriente extraída por la carga, representada por la corriente de detección Idetección, excede la corriente de umbral de desconexión instantánea Imax, el tercer comparador alto/bajo 408 producirá una salida ALTA lógica, que después de propagarse a través de la puerta lógica OR 412 ordenará instantáneamente el apagado del dispositivo de estado sólido 306. El tiempo que tarda el dispositivo de estado sólido 306 en apagarse está limitado solo por el tiempo (retardo de propagación) que necesita la lógica del circuito de detección y accionamiento para generar la salida ALTA lógica, el tiempo de desactivación del circuito de accionamiento de puerta y el tiempo de reacción que tarda el dispositivo de estado sólido 306 en cambiar de estado. La palabra "instantáneo" se utiliza aquí para indicar que este tiempo será del orden de unos pocos microsegundos o incluso menos.

El circuito de detección y accionamiento 304 es además capaz de distinguir entre cargas resistivas e inductivas y proteger contra corrientes de influjo excesivamente altas, que ocurren cuando una carga inductiva, tal como un motor de inducción, se está poniendo en línea. Una carga inductiva resultará en un diDETEccióN/dt más pequeño cuando se pone en línea que el diDETEccióN/dt casi escalonado que resulta cuando una carga resistiva que se pone en línea y en condiciones normales de funcionamiento permanece por debajo de di/dt_max. Por consiguiente, siempre y cuando diDETEccióN/ dt permanece menor que di/dt_max y la corriente de detección Idetección permanece por debajo de la corriente de umbral de desconexión instantánea Imax durante un evento de influjo, la salida de la puerta lógica OR 412 permanecerá en un nivel lógico BAJO mientras la carga inductiva se pone en línea. No obstante, si la corriente de influjo alguna vez excede la corriente de umbral de desconexión instantánea Imax durante el evento de influjo, el tercer comparador alto/bajo 408 producirá una salida ALTA lógica, que después de propagarse a través de la puerta lógica OR 412 ordenará al dispositivo de estado sólido 306 que se apague.

En una realización preferida de la invención, las diversas funciones realizadas por el circuito de detección y accionamiento 304 se implementan en hardware (como se muestra y describe anteriormente con referencia a la figura 4). Se prefiere una implementación de hardware ya que proporciona la forma más rápida de detectar y responder a fallas inminentes. En el circuito de detección y accionamiento 304 descrito anteriormente, la detección y respuesta a una falla inminente se puede completar en cuestión de microsegundos o incluso menos. Si bien se prefiere un enfoque de hardware debido a su capacidad de reacción rápida, en su lugar podría utilizarse un enfoque de "software", o algunas de las diversas funciones realizadas por el circuito de detección y accionamiento 304 podrían controlarse mediante software. En una implementación controlada por software, el microcontrolador 302 estaría programado y configurado para detectar y responder a fallas inminentes, distinguir entre cargas que se ponen en línea y fallas inminentes, y generar la señal de conmutación que indica al dispositivo de estado sólido 306 que se apague cuando las condiciones lo justifiquen. De manera alternativa, estas diversas funciones podrían realizarse en parte por el hardware del circuito de detección y accionamiento 304 y en parte por el microcontrolador 302.

En una realización de la invención, la corriente de detección Idetección no solo se dirige al circuito de detección y accionamiento 304, sino también al microcontrolador 302 en el DP 300 (véase la figura 3). Las tensiones de entrada y salida Vdentro y Vfuera en la entrada y salida del dispositivo de estado sólido 306 también pueden dirigirse al microcontrolador 302, después de reducirse a tensiones más bajas (por ejemplo, utilizando divisores de tensión). Usando la información de tensión y corriente de línea recibida, el microcontrolador 302 puede generar datos operativos en tiempo real, que se pueden mostrar en una pantalla 310, tal como, por ejemplo, la cantidad de corriente en tiempo real consumida por la carga. Usando la información de corriente y tensión en tiempo real, el microcontrolador 302 también puede realizar comprobaciones de diagnóstico relativas al estado operativo y rendimiento del dispositivo de estado sólido 306 y/o dirigir el circuito de detección y accionamiento 304 para apagar el dispositivo de estado sólido 306 cuando las condiciones lo justifiquen. Cabe señalar que la información de corriente en tiempo real (y, posiblemente, información de tensión de línea en tiempo real) se envía al microcontrolador 302, independientemente del estado operativo del dispositivo de estado sólido 306. Por consiguiente, si el dispositivo de estado sólido 306 fallara alguna vez, la unidad de desconexión de entrehierro 308 todavía puede activarse en caso de avería, en cuyo caso la unidad de desconexión de entrehierro 308, que se describirá con más detalle más adelante, funciona como "a prueba de fallas".

En una realización de la invención, el microcontrolador 302 en el DP 300 incluye uno o más puertos de entrada/salida para conectarse a un bus de comunicaciones/control (com/control). Proporcionar la capacidad del microcontrolador 302 para comunicarse a través del bus de com/control permite al microcontrolador 302 reportar información, tal como, por ejemplo, estado operativo, información de diagnóstico, datos de corriente, información de carga, información de identificación de DP, etc. asociada con el DP 300 a otro dispositivo informático que también está conectado al bus de com/control.

Emplear el dispositivo de estado sólido 306 y controlarlo usando el circuito de detección y accionamiento 304 de respuesta rápida permite que el DP 300 detecte y responda a fallas inminentes y otros peligros eléctricos mucho más rápidamente de lo que es posible usando un disyuntor electromecánico convencional. Los dispositivos de estado sólido diseñados para aplicaciones de potencia eléctrica tienen la capacidad de cambiar de estado (es decir, se puede encender y apagar) en cuestión de microsegundos y, en algunos casos, incluso en cuestión de nanosegundos. Por consiguiente, empleando el dispositivo de estado sólido 306 y controlándolo usando el circuito de detección y accionamiento 304 de respuesta rápida, el DP 300 es capaz de aislar una falla mil veces más rápido de lo que es posible usando un disyuntor electromecánico convencional, que, como se explica en los antecedentes de la invención anterior, normalmente tarda varios milisegundos en responder y aislar una falla.

Además de tener la capacidad de aislar una falla casi instantáneamente, otro beneficio significativo proporcionado por el DP 300 es que sus características de tiempo-corriente son mucho más precisas que las características de tiempocorriente de los disyuntores convencionales. Los dispositivos de estado sólido se pueden fabricar repetidamente para tener características operativas casi idénticas. La repetibilidad en la fabricación reduce significativamente la variabilidad de un dispositivo de estado sólido a otro y, en consecuencia, la variabilidad de un DP 300 a otro. Por el contrario, los disyuntores electromecánicos convencionales del mismo tipo y clasificación, e incluso del mismo tipo y clasificación del mismo fabricante, tienen características de tiempo y corriente que tienden a variar con un alto grado de variabilidad, resultando en un perfil característico de tiempo-corriente que tiene amplias bandas de incertidumbre, como se discutió anteriormente con referencia a las figuras 1 y 2. En este caso, ya que el DP 300 emplea un dispositivo de estado sólido 306, no hay bandas de incertidumbre presentes en las características de tiempo-corriente del DP 300. La corriente conducida por dispositivos de estado sólido también se puede controlar rápidamente y con un grado de precisión mucho mayor que el que es posible en los disyuntores electromecánicos convencionales. Estos atributos dan como resultado que el DP 300 tenga un perfil característico de tiempo-corriente representado por una sola línea, tal y como se ilustra en la figura 5, es decir, sin bandas de incertidumbre para indicar que las características operativas del DP 300 pueden variar de un DP a otro. (Comparar aquí la figura 5 con la figura 1 anterior).

Todos los dispositivos de estado sólido pierden cierta cantidad de corriente de fuga después de apagarse. La cantidad de corriente que se pierde depende del tipo particular de dispositivo semiconductor que se utilice. Si la corriente de fuga tiene alguna posibilidad de presentar un problema de seguridad dependerá de la cantidad real de corriente que se filtre y de las tensiones que estén presentes en la sección del sistema donde fluye la corriente filtrada. En la mayoría de las circunstancias, la corriente de fuga no representará un peligro para la seguridad. No obstante, para evitar completamente cualquier posibilidad de que pudiera hacerlo, y para asegurar el cumplimiento de los códigos eléctricos, regulaciones y/o estándares de certificación, el DP 300 incorpora además la unidad de desconexión de entrehierro 308. Cuando el DP 300 determina que existe una falla u otra condición de sobrecorriente excesivamente alta e inaceptable en el circuito de carga, el microcontrolador 302 transmite un pulso eléctrico a un solenoide en la unidad de desconexión de entrehierro 308, que, como se explicará con mayor detalle más adelante, responde al pulso eléctrico formando un entrehierro entre los terminales Línea-DENTRO y Línea-FUERA del DP 300. Con el entrehierro formado, absolutamente ninguna corriente puede fluir en el circuito de carga.

La figura 6 es una vista en perspectiva del DP 300 representado en la figura 3, cuando se aloja en un recinto. El recinto incluye una cara frontal 602 con recortes para los botones de encendido y apagado 312; un recorte para una pantalla 310; y un recorte para un botón de reinicio de desconexión de entrehierro 707, que se puede utilizar para evitar que el disyuntor se reinicie durante los trabajos de mantenimiento o reparación. Bajo la dirección del microcontrolador 302, la pantalla 310 se puede controlar para mostrar diversa información que incluye, por ejemplo, clasificación de amperaje, información de tensión y corriente de línea en tiempo real, nombre del DP y otra información de identificación del DP, información de carga, información de identificación del tablero y cualquier otra información en tiempo real o no en tiempo real. En una realización de la invención, la pantalla 310 comprende una pantalla de tinta electrónica, que es una tecnología de visualización que permite que la información que se está visualizando continúe mostrándose incluso después de que se haya desconectado la potencia de la pantalla 310.

La figura 7 es una vista despiezada del DP 300 sin mostrar la electrónica (microcontrolador 302, circuito de detección y accionamiento 304 y dispositivo de estado sólido 306). Esta vista en despiece del DP 300 destaca los atributos físicos de la unidad de desconexión de entrehierro 308 del DP y los diversos componentes involucrados en su funcionamiento. Como se muestra en el dibujo, el DP 300 está alojado en un recinto que incluye: la placa frontal 602; miembro de recinto medio 701; y miembro de recinto trasero 709. Un solenoide 712, que funciona como accionador para la unidad de desconexión de entrehierro 308, y el miembro de sujeción 703 asociado están montados uno al lado del otro en una placa de montaje 705, con el miembro de sujeción 703 diseñado para encajar debajo de soportes en forma de L 713 y el solenoide 712 montado al lado en monturas de solenoide 714. El solenoide 712 incluye un émbolo 715, que en condiciones normales de funcionamiento (por ejemplo, en ausencia de una condición de falla o sobrecarga) permanece retraído en el alojamiento del solenoide. El miembro de sujeción 703 está configurado para deslizarse en una dirección paralela a la dirección en la que se desplaza el émbolo 715 e incluye una lengüeta 716 en un extremo. La lengüeta 716 tiene un tamaño y dimensiones que le permiten encajar dentro de una ranura 717 formada a través de una sección central de una funda 711 de paleta de conector. Durante condiciones normales de funcionamiento, cuando la potencia se distribuye a la carga conectada y no hay falla u otra condición de sobrecarga no deseada presente o desarrollándose en el circuito de carga, la lengüeta 716 del miembro de sujeción 703 permanece en la ranura 717. Con la pestaña 716 colocada en la ranura 717, el miembro de sujeción 703 sostiene las paletas 702 de conector macho eléctricamente conductoras en los receptáculos 718 conductores eléctricos correspondientes de un conector 708 de línea a carga hembra y evita que los resortes de retracción 706 de la funda tiren de la funda 711 de paleta de conector y las paletas 702 de conector macho unidas fuera de los receptáculos 718. Sosteniendo las paletas 702 de conector macho eléctricamente conductoras en los receptáculos 718 eléctricamente conductores, se permite que la corriente de línea fluya hacia la carga (siempre que el dispositivo de estado sólido 306 también esté encendido). No obstante, cuando el circuito de detección y accionamiento 304 detecta e informa al microcontrolador 302 de que una falla o una condición de sobrecarga excesivamente alta e inaceptable está presente o se está desarrollando en el circuito de carga, el microcontrolador 302 responde transmitiendo un pulso eléctrico al solenoide 712. El pulso eléctrico hace que el solenoide 712 expulse su émbolo 715. El miembro de sujeción 703 está unido al émbolo 715. Por consiguiente, cuando el émbolo 715 es expulsado del alojamiento de solenoide, la lengüeta 716 del miembro de sujeción 703 se fuerza a retirarse de la ranura 717 en la funda 711 de paleta de conector. Una vez que la lengüeta 716 ha sido forzada a salir de la ranura 717, los resortes de retracción 706 pueden levantar la funda 711 de paleta de conector, tirando de las paletas 702 de conector macho eléctricamente conductoras unidas fuera de los receptáculos 718 eléctricamente conductores del conector 708 de línea a carga hembra. Sacar las paletas 702 de conector macho de los receptáculos 718 da como resultado la formación de un entrehierro, que sirve para aislar completamente la carga de cualquier falla u otro peligro potencial que se esté desarrollando o esté presente. Como se ha explicado anteriormente, ya que el entrehierro está en serie con el dispositivo de estado sólido 306, también se evita cualquier fuga de corriente que de otro modo podría fluir a través del dispositivo de estado sólido 306 y al circuito de carga.

Debe señalarse que el DP 300 representado en la figura 7 es un ejemplo de un DP trifásico. Por consiguiente, hay tres paletas 702 de conector macho unidas a la parte inferior de la funda 711 de paleta de conector y tres receptáculos 718 correspondientes formados en el conector 708 de línea a carga hembra. En un DP monofásico, solo se necesitaría una única paleta 702 de conector macho y el correspondiente receptáculo 718 hembra único para crear el entrehierro. También debe señalarse que el circuito de detección y accionamiento 304 descrito anteriormente con referencia a la figura 4 es un ejemplo de un circuito de detección y accionamiento 304 diseñado para su uso en un DP monofásico. En el caso de un DP trifásico, el circuito de detección y accionamiento 304 podría modificarse para su uso en un DP trifásico, permitiendo así que el circuito 304 de detección y accionamiento modificado reaccione a cualquier tipo de falla o condición de sobrecarga no deseada, incluyendo fallas a tierra trifásicas y de una sola línea.

Durante el proceso de desconexión de entrehierro, un resorte de compresión 710 fuerza al botón de reinicio de desconexión de entrehierro 707 a expulsar (es decir, a 'salir') de la placa frontal 602 del miembro de recinto frontal 704. El botón de reinicio de desconexión de entrehierro 707 tiene un orificio 719, a través del cual un trabajador de mantenimiento o reparación puede insertar un candado u otro dispositivo de bloqueo para completar un procedimiento de seguridad de bloqueo y etiquetado (LOTO). Completar el procedimiento de seguridad de LOTO asegura que el DP 300 no será reiniciado accidentalmente por el trabajador de mantenimiento o reparación y no será reiniciado involuntariamente por otras personas que desconocen el peligro o peligro potencial. Una vez que el trabajador de mantenimiento o reparación haya resuelto el peligro o peligro potencial, el candado u otro dispositivo de bloqueo se puede retirar y el DP 300 se puede reiniciar presionando el botón de reinicio de desconexión de entrehierro 707 de vuelta al recinto. Al presionar el botón de reinicio de desconexión de entrehierro 707 hacia el interior del recinto, se fuerza a las paletas 702 de conector macho eléctricamente conductoras a reinsertarse en los receptáculos 718 eléctricamente conductores del conector 708 de línea a carga hembra y permite que la lengüeta 716 en el extremo del miembro de sujeción 703 se reinserte en la ranura 717 en la funda 711 de paleta de conector. Nótese que el solenoide 712 tiene un resorte interno que tira del émbolo 715 de regreso al interior del alojamiento del solenoide poco después de que se haya expulsado y se haya formado el entrehierro. Dado que el miembro de sujeción 703 también está unido al émbolo 715, cuando el émbolo 715 se lleva hacia atrás en el solenoide, el miembro de sujeción 703 también se lleva hacia atrás de nuevo a su posición de condición operativa normal y la lengüeta 716 en el extremo del miembro de sujeción 703 se reinserta en la ranura 717. Con la lengüeta 716 reinsertada en la ranura 717, el miembro de sujeción 703 es capaz de sujetar una vez más las paletas 702 de conector macho en los receptáculos 718 del conector 708 de línea a carga hembra sin que los resortes de retracción 706 tiren de la funda 711 de paleta de conector y las paletas 702 de conector macho unidas fuera de los receptáculos 718. El miembro de sujeción 703 continuará sujetando entonces las paletas 702 de conector macho en los receptáculos 718 hasta que se active de nuevo el proceso de desconexión de entrehierro.

Durante el reinicio de la unidad de desconexión de entrehierro 308, y cuando se realiza una conexión de alta tensión en el DP 300, el rebote de señal puede dirigirse de forma indeseable a la fuente de alimentación de baja tensión utilizada para alimentar la electrónica del DP 300. Este fenómeno de rebote de señal no deseado se debe a la capacitancia intrínseca del sistema y la aplicación repentina de alto voltaje a través de los terminales de entrada y salida de línea del DP. Para evitar el rebote de señal no deseado, en una realización de la invención, las puntas de las paletas 702 de conector macho están diseñadas para tener una alta resistencia, de modo que cuando se insertan por primera vez en los receptáculos 718 del conector 708 de línea a carga hembra, la capacitancia intrínseca del sistema se ve forzada a cargarse mucho más lentamente. Empleando las puntas resistivas, un proceso de reconexión de dos etapas da así como resultado: una primera etapa durante la cual las puntas resistivas simplemente entran en contacto con los receptáculos 718 para amortiguar el rebote de señal y una segunda etapa durante la cual las paletas 702 de conector macho se insertan completamente en los receptáculos 718 para completar el contacto eléctrico y desenganchar el entrehierro.

En la descripción anterior, el proceso de desconexión de entrehierro se activa automáticamente cuando el circuito de detección y accionamiento 304 determina que está presente o se está desarrollando una falla u otra condición de sobrecarga potencialmente dañina en el circuito de carga. El DP 300 también proporciona un botón de apagado (véanse los botones de encendido y apagado en la figura 6), que una persona puede presionar para activar manualmente el proceso de desconexión de entrehierro. Cuando la persona presiona el botón de apagado, el microcontrolador 302 responde enviando un pulso eléctrico al solenoide 712 para activar el proceso de desconexión de entrehierro.

El enfoque manual para formar el entrehierro descrito en el párrafo anterior es suficiente y eficaz en muchas circunstancias. No obstante, algunos códigos/reglamentos eléctricos locales y/o empresas de certificación nacionales o multinacionales, como UL (Underwriters Laboratory), por ejemplo, exigen que un disyuntor proporcione a una persona la capacidad de desconectar el disyuntor por completo mediante manipulación mecánica, es decir, sin asistencia eléctrica. Para cumplir con este requisito, en una realización de la invención se incluye el botón de apagado (o algún otro botón además del botón de apagado) que permite que el entrehierro se forme puramente mediante manipulación mecánica. Las figuras 9A-C ilustran este aspecto de la presente invención, en forma de pulsador manual/mecánico 902. Como puede verse en la secuencia de dibujos, que están ordenados cronológicamente, cuando una persona presiona el pulsador 902 dentro de la placa frontal 602, un miembro de accionamiento 908 se extiende y empuja el miembro de sujeción 703 en la unidad de desconexión de entrehierro de modo que la lengüeta 716 se desengancha de la ranura 717 en la funda 711 de paleta de conector. (Véase la figura 7 y la descripción adjunta anterior). Con la lengüeta 716 retirada de la ranura 717, los resortes de retracción 706 pueden levantar la funda 711 de paleta de conector y las paletas 702 de conector macho unidas fuera de los receptáculos 718 hembra y así formar el entrehierro. Téngase en cuenta que, en comparación con el enfoque de desconexión manual descrito en el párrafo anterior, el entrehierro se forma completamente mediante manipulación mecánica y sin ninguna ayuda del solenoide 712 controlado eléctricamente.

El pulsador manual/mecánico 902 representado en las figuras 9A-9C también está equipado con un interruptor de lengüeta 906, que está configurado para cerrarse cuando el pulsador 902 se presiona parcialmente y un imán permanente 904 se acerca. Como se ilustra en la figura 9B (botón parcialmente presionado pero no completamente), cuando el interruptor de lengüeta 902 está cerrado, se permite que pase una tensión de control a través del interruptor. Esta tensión de control sirve como una señal de control para apagar la electrónica de potencia en el DP 300. Posteriormente, cuando el pulsador 902 se presiona más y completamente (como en la figura 9C), el miembro de accionamiento 908 se extiende completamente y empuja el miembro de sujeción 703 en la unidad de desconexión de entrehierro 308 de modo que la lengüeta 716 en el extremo del miembro de sujeción 703 se desengancha de la ranura 717 y los resortes de retracción 706 levantan las paletas 702 de conector macho fuera de los receptáculos 718 hembra y forman el entrehierro. Desconectando la potencia de la electrónica en el DP 300 (figura 9B) antes de formar el entrehierro (figura 9C) se evita que se produzca un arco eléctrico en el conjunto de desconexión de entrehierro durante el tiempo en que se está formando el entrehierro.

Debería mencionarse que la manera en que el miembro de sujeción 703 se manipula mecánicamente para desengancharlo de la funda 711 de paleta de conector no tiene que realizarse necesariamente de la manera representada en las figuras 9A-9C. El enfoque representado en las figuras 9A-9C (usando el miembro de accionamiento 908) es simplemente un ejemplo. Los puntos más importantes que se desprenden de los dibujos de las figuras 9A-9C son que: 1) la formación del entrehierro se realiza en respuesta al comando físico de una persona y completamente mediante manipulación mecánica (es decir, sin necesidad de asistencia eléctrica; y 2) la potencia eléctrica a la electrónica en el DP 300 se elimina antes de formar el entrehierro, evitando así que se produzcan arcos eléctricos en el conjunto de desconexión de entrehierro. También debe mencionarse que no existe ningún requisito de que se utilice un interruptor de lengüeta para apagar la potencia de los componentes electrónicos del DP. Se puede utilizar cualquier tipo de interruptor adecuado, siempre que el interruptor pueda funcionar en cooperación con el conjunto de entrehierro manual/mecánico y sirva para retirar potencia a la electrónica del DP antes de formar el entrehierro.

Tal y como se ilustra en la figura 3, el DP 300 incluye además un medio legible por computadora (CRM) 316 no transitorio, por ejemplo, memoria flash, memoria de solo lectura (ROM), memoria de acceso aleatorio (RAM), disco duro magnético, etc. El CRM 316 no transitorio puede ser externo al microcontrolador 302 (como se muestra en la figura 3), incrustado en el microcontrolador 302, o puede comprender un CRM no transitorio que está parcialmente incrustado en el microcontrolador 302 y parcialmente externo al microcontrolador 302. El CRM 316 está configurado para almacenar instrucciones de programas informáticos que dirigen cómo funciona en general el DP 300; instrucciones y protocolo que dirigen cómo y cuándo el microcontrolador 302 se comunica con otros dispositivos informáticos conectados al bus de com/control; y/o instrucciones que determinan cómo y cuándo el DP 300 recopila información (por ejemplo, Información de corriente y tensión de línea) y cómo y cuándo esa información se transmite a los otros dispositivos informáticos en las comunicaciones eléctricas con el bus de com/control.

En una realización de la invención, las instrucciones de programa informático almacenadas en el CRM 316 incluyen además instrucciones de programa informático que proporcionan al microcontrolador 302 la capacidad de establecer y variar los parámetros operativos del DP 300, tal como, por ejemplo, la velocidad máxima de cambio en la corriente di/dt_max, corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, corriente umbral de desconexión instantánea Imax utilizada por el circuito de detección y control 304; y/o los umbrales superior e inferior de tiempo de desconexión de corta duración tSUPERIOR y tINFERIOR para el DP 300. Como se ilustra en las características ilustrativas de tiempo-corriente del DP 300 en la figura 8, el umbral de tiempo de desconexión de corta duración "superior" tSUPERIOR establece cuánto tiempo tolerará el DP 300 una corriente de carga superior a la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt. El umbral de tiempo de desconexión de corta duración "inferior" tINFERIOR establece cuánto tiempo tolerará el DP 300 una corriente de carga justo por debajo de la corriente de umbral de desconexión instantánea Imax. La capacidad del microcontrolador 302 para ajustar la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, la corriente de umbral de desconexión instantánea Imax, y/o los umbrales superior e inferior de tiempo de desconexión de corta duración tSUPERIOR y tINFERIOR proporciona al usuario una gran flexibilidad para configurar el DP 300 para cualquier aplicación en particular. Esta flexibilidad, junto con el hecho de que las características de tiempo-corriente son precisas, es decir, no tienen amplias bandas de incertidumbre, como están presentes en las características de tiempo-corriente de los disyuntores electromecánicos convencionales (véanse las figuras 1 y 2 anteriores) y el hecho de que las características de tiempo-corriente del DP 300 se pueden controlar con un alto grado de precisión, simplifica enormemente cualquier estudio de coordinación que se pueda realizar utilizando una pluralidad de los DP 300. Además, incluso después de que los DP 300 se hayan instalado en un sistema de distribución eléctrica mapeado de acuerdo con un estudio de coordinación completo, uno cualquiera o más de la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, la corriente de umbral de desconexión instantánea Imax, utilizada para variar la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt, y los umbrales superior e inferior de tiempo de desconexión de corta duración tSUPERIOR y tINFERIOR de uno cualquiera o más de los DP 300 en el sistema de distribución se puede reajustar, según sea necesario o deseado, por ejemplo, para adaptarse a las condiciones de carga cambiantes en el sistema de distribución.

Como se discutió con referencia a la figura 4 antes, el circuito de detección di/dt en el circuito de detección y accionamiento 304 proporciona al DP 300 la capacidad de distinguir entre una condición de cortocircuito y una gran corriente de influjo que ocurre cuando una carga inductiva (por ejemplo, un motor de inducción) se está poniendo en línea. Un arranque fuera de línea de un motor de inducción con carga completa puede generar una corriente de entrada de 10-12 veces la corriente de carga completa del motor. Para asegurarse de que el DP 300 es capaz de soportar estas grandes corrientes de influjo pero sin exponer el dispositivo de estado sólido 306 del DP a corrientes de influjo excesivamente altas y prolongadas que posiblemente podrían dañar el dispositivo de estado sólido 306, en una realización de la invención, el microcontrolador 302 del DP 300 está programado además para monitorear eventos de influjo de modo que el dispositivo de estado sólido 306 en el DP 300 nunca pueda funcionar fuera de su "área de funcionamiento segura" (SOA) durante cualquier evento de influjo. Un fabricante de dispositivos de estado sólido normalmente especificará la potencia máxima que su dispositivo de estado sólido puede disipar durante un período de tiempo determinado sin dañarse. Esta especificación es equivalente a la energía máxima Emax que el dispositivo de estado sólido puede absorber (y no disipar a través de un disipador de calor) sin fallar. La energía total ETotal absorbida por el dispositivo de estado sólido 306 durante el tiempo que se pone en línea una carga inductiva aumenta a medida que aumenta la corriente de influjo. Por consiguiente, para evitar que el dispositivo de estado sólido 306 en el DP 300 se dañe durante un evento de influjo, nunca se debe permitir que la energía total absorbida ETotal exceda la especificación de energía máxima Emax.

La figura 10 es un diagrama de flujo que representa un método 1000 que el microcontrolador 302 del DP 300 está programado para seguir con el fin de evitar que el dispositivo de estado sólido 306 en el DP 300 supere su SOA durante la progresión de un evento de influjo. Téngase en cuenta que las distintas etapas del método 1000 no se realizan necesariamente en el orden que se muestra en el diagrama de flujo. Además, algunas etapas en el método 1000, por ejemplo la decisión 1006, se realizan de forma continua, en lugar de como etapas discretas y secuenciales en el proceso general. Las dos primeras etapas 1002 y 1004 en el método 1000 implican determinar la temperatura de unión Tj del dispositivo de estado sólido 306 y reducir el régimen de la especificación Emax proporcionada por el fabricante basada en la temperatura de unión determinada Tj. Los fabricantes de dispositivos de estado sólido normalmente solo especificarán una Emax para una temperatura específica (p. ej., 25C). No obstante, en la práctica, la temperatura de unión Tj del dispositivo de estado sólido probablemente será diferente y, a menudo, más alta que la temperatura de unión correspondiente a la especificación Emax del fabricante. Por consiguiente, de acuerdo con esta realización de la invención, determinando la temperatura de unión Tj poco antes de la aparición de un evento de influjo, se puede reducir el régimen de la especificación Emax para proporcionar un límite superior más seguro y preciso para Emax.

En una realización de la invención, la temperatura de unión Tj se determina midiendo la temperatura de la carcasa (Tcarcasa) dentro de la cual está alojado el dispositivo de estado sólido 306 (usando un termopar, por ejemplo), y luego usando un modelo térmico (véase la figura 11) para extrapolar cuál es la temperatura de unión Tj. Basado en este modelo térmico, la potencia de estado estacionario Pdev disipada por el dispositivo de estado sólido 306 puede mostrarse como:

Pdev = (Tj - Tcarcasa) RqJC + (Tcarcasa - Tamb) (RqCH + RqHa),

donde Tcarcasa es la temperatura de la carcasa en la que se aloja el dispositivo de estado sólido 306, Tamb es la temperatura ambiente, Rjc es la resistencia térmica de la unión a la carcasa, Rsch es la resistencia térmica de la carcasa al disipador de calor, y Rsha es la resistencia térmica del disipador de calor al ambiente. De esta ecuación la temperatura de unión Tj se puede determinar:

donde Rconst = Rsch + Rsha es una constante conocida en condiciones de estado estacionario, Tj y Pdev son cantidades mensurables, y Tamb se puede suponer que está en un máximo (por ejemplo, 40C, que para la mayoría de las aplicaciones es suficiente).

Después de que la temperatura de unión Tj se determina en la etapa 1002, en la etapa 1004 la especificación de energía máxima Emax proporcionada por el fabricante del dispositivo de estado sólido se reduce en su régimen para proporcionar el límite superior más seguro y preciso para Emax. De manera alternativa, si el interruptor de estado sólido ha estado en un estado apagado durante más tiempo que el retardo de propagación térmica de la unión al ambiente (generalmente de 20 a 30 segundos), la temperatura de la carcasa Tcarcasa, que se habrá igualado a la misma temperatura que la unión (es decir, Tj = Tcarcasa) se puede utilizar como base para la reducción de régimen de Emax ) Este proceso de determinar la temperatura de unión Tj y reducción de régimen de Emax se realiza muy a menudo antes, de modo que la temperatura de unión más actualizada Tj y reducción de régimen Emax están disponibles justo antes del inicio de un evento de influjo.

La decisión 1006 en el método 1000 es la decisión que determina el inicio de un evento de influjo. Esta decisión 1006 la realiza continuamente el circuito de detección y accionamiento 304, similar a lo explicado anteriormente con referencia a la figura 4. Tras la decisión 1006 que determina el inicio de un evento de influjo en la decisión 1006, en la etapa 1008, el microcontrolador 302 comienza inmediatamente a calcular y rastrear la energía acumulada Ejotal que absorbe el dispositivo de estado sólido 306 a medida que aumenta la corriente de influjo. La energía acumulada Ejotal absorbida por el dispositivo de estado sólido 306 se calcula, muestra por muestra, sumando el producto de las muestras de tensión y corriente digitalizadas Vx e Ix con el paso del tiempo, es decir, Ejotal = ZVx'Ix'tperiodomuestreo, donde Vx e Ix representan las muestras de tensión y corriente digitalizadas y tperiodomuestreo es el período de muestreo.

Después de cada período de muestra tperiodomuestreo (o después de cada pocos períodos de muestreo), en la etapa 1010, el microcontrolador 302 calcula la cantidad de energía Eapg = Vúltimo lúltimo tapagar'Smargen que sería necesaria para apagar el dispositivo de estado sólido 306. En este caso, Vúltimo e lúltimo son las últimas muestras de tensión y corriente muestreadas Vx e Ix, tapagar es la cantidad de tiempo necesaria para que el circuito de accionamiento del DP responda y apague el dispositivo de estado sólido 306, y 5margen es un factor de margen que evita la subestimación de la energía y/o el tiempo realmente necesarios para apagar el dispositivo de estado sólido 306.

A continuación, en la decisión 1012, el microcontrolador 302 resta Eapg calculado en la etapa 1010 a partir de Emax con reducción de régimen determinado en la etapa 1004 y luego compara el resultado con Ejotal determinado en la etapa 1008. Si el microcontrolador 302 determina que Fjotal ^ Emax(con reducción de régimen) - Eapg, esa determinación es una indicación de que el dispositivo de estado sólido 306 está o está a punto de comenzar a funcionar fuera de su SOA. Para evitar que el dispositivo de estado sólido 306 sea dañado o destruido, en la etapa 1014, el microcontrolador 302 envía inmediatamente una señal de conmutación al dispositivo de estado sólido 306, ordenándole que se apague. Si, por otro lado, ETotal < Emax(con reducción de régimen) - Eapg en la decisión 1012, el método pasa a la decisión 1016, que consulta si el evento de influjo ha finalizado. Si la respuesta es "SÍ", se permite que el dispositivo de estado sólido 306 permanezca encendido (etapa 1018), se permite que la carga inductiva esté completamente en línea y el método 1000 finaliza. Si, por otro lado, se determina que el evento de influjo aún está en curso en la decisión 1016 (por ejemplo, si I último > Ilt), el método vuelve a la etapa 1008. A continuación, se repiten las etapas 1008 y 1010 y la decisión 1012 hasta que el dispositivo de estado sólido 306 se apaga debido a que se excede el SOA o hasta que finaliza el evento de influjo.

Durante un arranque fuera de línea de un motor de inducción, el motor de inducción puede generar grandes pares de torsión. Estos pares de torsión grandes son indeseables ya que pueden tensionar mecánicamente y dañar el motor y/o el equipo (por ejemplo, correas, poleas, engranajes, etc.) que el motor está utilizando para funcionar. Para evitar que se generen pares de torsión elevados, en una realización de la invención, las instrucciones de programa informático almacenadas en el CRM 316 incluyen además instrucciones de programa informático que proporcionan al microcontrolador 302 la capacidad de facilitar el arranque suave de la carga de un motor de inducción. En esta realización de la invención, el dispositivo de estado sólido 306 en el DP 300 comprende dos o más, dependiendo de si el motor de inducción es un motor de inducción monofásico o un motor de inducción trifásico, pares de conmutación MOSFET. La figura 12 es un dibujo que ilustra cómo está configurado el dispositivo de estado sólido 306 en el DP 300 en el caso de una carga de motor de inducción trifásico. Como puede verse, la conmutación de los tres pares de conmutación S1/S2, S3/S4 y S5/S6 que componen el dispositivo de estado sólido 306 está controlada por el microcontrolador 302 del DP 300, a través de excitadores 1204. Las figuras 13A y 13B ilustran cómo los dos pares de conmutación S1/S2 y S3/S4 dispuestos en líneas La y Lb son controlados por el microcontrolador 302 para facilitar el arranque suave del motor de inducción trifásico 1202. Tras un arranque fuera de línea del motor de inducción 1202, el microcontrolador 302 controla las señales de accionamiento aplicadas a los pares de conmutación MOSFET S1/S2 y S3/S4 de modo que el coeficiente de utilización de la tensión Vab de línea-línea (L-L) aumenta progresivamente. Este proceso se repite para las otras dos fases del motor de inducción 1202. Aumentando progresivamente los coeficientes de utilización de las tensiones Vab, Vbc, Vac de las líneas La - Lb, Lb - Lc y La - Lc aplicadas a las tres fases del motor de inducción, el motor de inducción 1202 se ve obligado a aumentar gradualmente su velocidad de rotación a medida que se pone en línea. Dado que el par de torsión generado por el motor es proporcional al cuadrado de las tensiones de línea aplicadas, por lo tanto, se evitan pares de torsión de motor elevados durante el proceso de arranque suave.

En una realización de la invención, el microcontrolador 302 del DP 300 está además programado para controlar la conmutación de los pares de conmutación MOSFET S1/S2, S3/S4 y S5/S6 durante el proceso de arranque suave de una manera que evite que se produzcan transitorios de tensión excesivamente altos cuando los pares de conmutación MOSFET S1/S2, S3/S4 y S5/S6 se conmutan entre semiciclos positivos y negativos. Centrándose de nuevo en La - Lb, durante el arranque suave cuando Vab es positiva, los interruptores MOSFET S1 y S4 se encienden y los MOSFET S2 y S3 se apagan. Como se ilustra en la figura 13A, esto da como resultado que la corriente de fase Iab fluya a través de la ruta de la fuente de drenaje del interruptor MOSFET S1 y el diodo de cuerpo del interruptor MOSFET S2, luego a través del enrollamiento del estator a-b (representado por Lab y resistencia Rab en el dibujo), y finalmente regresando a través de la ruta de la fuente de drenaje del interruptor MOSFET S4 y el diodo de cuerpo del interruptor MOSFET S3. Cuando la tensión Vab de La - Lb disminuye hacia el final de su semiciclo positivo y cruza por cero (es decir, entra en su semiciclo negativo), la corriente de fase correspondiente Iab continuará fluyendo en la dirección que se muestra en la figura 13A, y continuará fluyendo en esa dirección hasta que la energía magnética en el inductor Lab se disipa. Usando información de corriente de fase detectada/medida por los sensores de tensión y corriente de línea 1206, el microcontrolador 302 monitorea Iab y dirige los interruptores MOSFET S1 y S4 para apagarse y los interruptores MOSFET S2 y S3 para encenderse (como se muestra en la figura 13B) pero solo después de que determina que la corriente de fase Iab se ha reducido (o está a punto de reducirse) a cero. Durante el tiempo en que la energía magnética en el inductor Lab se está disipando, los diodos de cuerpo D3 y D2 de interruptores MOSFET S3 y S2 bloquean la corriente para que no se invierta, por lo que no se permite que ocurra un cambio repentino en la corriente de fase Iab, a pesar de que Vab entre en su semiciclo negativo. Por consiguiente, retrasando el encendido de los interruptores MOSFET S2 y S3 y el apagado de los interruptores MOSFET S1 y S4 hasta después de que la corriente de fase Iab se reduce a cero, se evitan grandes transitorios de tensión de conmutación. Este mismo enfoque se aplica a las otras dos fases durante el proceso de arranque suave, obviando así cualquier necesidad de filtros o sistemas de supresión de transitorios de tensión adicionales.

Algunos organismos de certificación (p. ej., UL) requieren que un disyuntor sea capaz de funcionar a través de un rayo, es decir, sin desconexión innecesaria. Un rayo es de corta duración, aproximadamente 30 ps, y puede alcanzar niveles de corriente en el intervalo de 1-2 kA. En una realización de la invención, el circuito de detección y accionamiento 304 del DP 300 descrito anteriormente con referencia a la figura 4 se modifica para incluir un circuito que detecta la aparición de un rayo y distingue entre la condición de rayo de alta corriente y una condición de cortocircuito. La capacidad de distinguir entre una condición de rayo y una de cortocircuito es beneficiosa, ya que si se determina que un aumento repentino y grande de la corriente es atribuible a un rayo, se puede evitar que el DP 300 se apague innecesariamente. La figura 14 es un dibujo de un circuito de detección y accionamiento 1400 que incluye un circuito capaz tanto de detectar la aparición de un rayo como de diferenciar entre una condición de rayo y una de cortocircuito. El circuito de detección y accionamiento 1400 es similar al circuito de detección y accionamiento 304 analizado anteriormente (véase la figura 4 y la descripción adjunta), excepto que incluye además un cuarto comparador alto/bajo 1402 y una puerta lógica AND adicional 1404. El circuito de detección y accionamiento 1400 funciona basándose en el hecho de que un aumento repentino de la corriente atribuible a un rayo es mayor que el aumento repentino de la corriente causado por un cortocircuito, es decir, di/dt_rayo > di/dt_corto. El comparador alto/bajo 1402 está configurado para comparar dioETECCióN/dt con una velocidad actual de referencia de cambio di/dt_max,2, que es mayor que la velocidad actual de referencia de cambio di/dt_max,1 utilizada por el comparador 404 para detectar una condición de cortocircuito. Durante la aparición de un rayo, dioETEccióN/ dt será mayor que di/dt_max,2, por lo que el comparador alto/bajo 1402 producirá una lógica BAJA en su salida. Esta lógica BAJA se propaga a la entrada de la puerta OR 412, a través de las puertas AND 1404 y 410. Por consiguiente, durante una sobretensión de rayo, la salida de la puerta OR 412 permanecerá en una lógica BAJA y el DP 300 continuará funcionando durante el rayo, es decir, no se desconectará ni se apagará. Si, por otro lado, di/dt_max,2 > dioETECCióN/ dt > di/dt_max,1, el circuito de detección y accionamiento 1400 funcionará de manera similar al circuito de detección y accionamiento 304 descrito anteriormente en la figura 4, para determinar si el aumento repentino en la corriente de línea podría deberse a una falla inminente o una condición de sobrecarga excesivamente alta. Específicamente, si dioETECCióN/dt excede di/dt_max,1 AND la corriente que se extrae de la línea (representada por la corriente de detección Idetección) supera la corriente de umbral de desconexión de larga duración Ilt (junto con una indicación de que se está desarrollando un cortocircuito), las puertas lógicas AND 1404 y 410 generarán ambas una salida ALTA lógica, y la puerta OR final 412 también producirá una salida lógica de desactivación de conmutación ALTA para apagar el dispositivo de estado sólido 306.

En otra realización de la invención, la tensión que cae a través del dispositivo de estado sólido 306 se usa para detectar la aparición de un rayo y distinguir entre un rayo y una condición de cortocircuito. Tras la llegada de una sobretensión de rayo, la tensión de línea aumentará significativamente y solo puede atribuirse a un rayo. No obstante, cuando se desarrolla una condición de cortocircuito, la tensión de línea Vlmea permanece igual (o cae a un valor más bajo). Dado que durante un rayo la tensión de línea excederá la tensión de línea aplicada Vlmea, el límite de corriente superior Isuperior de la corriente de línea (que puede ser integrando di/dt = Vlmea/L, donde L es la inductancia del sistema) aumentará a un valor mucho más alto durante una sobretensión de luz que durante el desarrollo de un cortocircuito. Por consiguiente, monitoreando la caída de tensión a través del dispositivo de estado sólido 306 y comparándola con Isuperior x Ros(ENC), donde Ros(ENC) es la resistencia ENC del dispositivo de estado sólido 306, la aparición de un rayo se puede detectar y distinguir de una condición de cortocircuito.

En las realizaciones ilustrativas de la invención descritas anteriormente, los circuitos de detección y accionamiento 304 generan una señal de conmutación (véase la figura 4 y la descripción adjunta) para apagar rápidamente el dispositivo de estado sólido 306 en el DP 300, al detectar una falla. Hay situaciones en las que una falla desaparece naturalmente por sí sola. Por ejemplo, un árbol que cae puede causar momentáneamente una falla, pero luego la falla puede desaparecer cuando el árbol completa su caída al suelo. En estas y otras situaciones similares, sería ventajoso que el DP 300 pudiera reiniciarse rápida y automáticamente (es decir, volver a encenderse) por sí solo, sin necesidad de intervención humana. Para asegurarse de que la falla haya desaparecido antes de volver a encender el dispositivo de estado sólido 306 durante un período prolongado de tiempo, no obstante, en una realización de la invención, el microcontrolador 302 del DP 300 está programado para realizar un método de "verificación de fallas". La figura 15 es un dibujo que muestra las etapas destacadas en el método de verificación de fallas 1500. El método 1500 comienza inmediatamente después de que el circuito de detección y accionamiento 304 haya enviado una desactivación de conmutación para apagar el dispositivo de estado sólido 306. Específicamente, tan pronto como se envíe la señal de desactivación de conmutación, en la etapa 1502 en el método 1500, el microcontrolador 302 espera durante un breve período de tiempo At (por ejemplo, At = 100 js). Después de que At haya expirado, en la etapa 1504, el microcontrolador 302 ordena entonces al dispositivo de estado sólido 306 que se vuelva a encender. Si en la decisión 1506 la falla aún está presente, el circuito de detección y accionamiento 304 anulará el comando del microcontrolador y el interruptor 1508 apagará el dispositivo de estado sólido 306. Se avisará a un electricista o ingeniero de línea en esta etapa para que investigue la causa de la falla. Por otro lado, si la falla se ha solucionado por sí sola, en la etapa 1510, se permite que el dispositivo de estado sólido 306 permanezca encendido y el sistema reanuda las operaciones normales.

El método de verificación de fallos 1500 que se acaba de describir también se puede adaptar de forma beneficiosa para hacer frente a las sobretensiones de rayo. En lugar de emplear el circuito de detección y accionamiento 1400 modificado representado en la figura 14, que permite que el dispositivo de estado sólido 306 en el DP 300 continúe funcionando a través de una sobretensión de rayo, el circuito de detección y accionamiento 304 representado en la figura 4 se utiliza para apagar rápidamente el dispositivo de estado sólido 306 cuando se produce una sobretensión de rayo. Por lo general, una sobretensión de rayo durará solo de 30 a 100 js , así que volviendo a encender el dispositivo de estado sólido 306, digamos después de 100 js (similar al algoritmo que se acaba de describir en referencia a la figura 15), el DP 300 es capaz de reiniciar y reanudar el funcionamiento normal de forma rápida y automática una vez que ha pasado la sobretensión de rayo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido, que comprende:

un dispositivo de estado sólido (306);

una unidad de desconexión de entrehierro (308) conectada en serie con el dispositivo de estado sólido, incluyendo la unidad de desconexión de entrehierro:

una funda (711) que tiene un primer contacto eléctrico;

un resorte de retracción de funda (706) conectado a la funda;

un solenoide (712) que incluye un émbolo (715);

un miembro de sujeción (703) unido al émbolo; y

un segundo contacto eléctrico (718); y

un circuito de control (302) configurado para controlar si el dispositivo de estado sólido está encendido o apagado, en donde:

durante condiciones normales de funcionamiento, el miembro de sujeción está configurado para mantener el primer contacto eléctrico en contacto con el segundo contacto eléctrico, y para evitar que los resortes de retracción de funda dejen el primer contacto eléctrico y el segundo contacto eléctrico sin contacto, y

al detectar que una condición de falla o de sobrecarga está presente o desarrollándose en un circuito de carga, un circuito de control está configurado para transmitir un pulso eléctrico al solenoide, para hacer que reposicione el émbolo, haciendo que el miembro de sujeción se desenganche de la funda, permitiendo así que los resortes de retracción de funda retraigan la funda de modo que el primer contacto eléctrico se separe del segundo contacto eléctrico, formando un entrehierro entre medias.

2. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, en donde el circuito de control incluye comparadores primero y segundo configurados para determinar si un aumento repentino en la corriente de carga se debe a una carga resistiva que se pone en línea o se debe a una falla inminente.

3. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, en donde el circuito de control incluye comparadores primero y segundo configurados para distinguir entre una carga resistiva que se pone en línea y una carga inductiva que se pone en línea.

4. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 2, en donde el circuito de control comprende además un tercer comparador configurado para comparar continuamente una primera señal eléctrica que representa una corriente de línea que fluye a través del dispositivo de estado sólido con una corriente máxima permitida Imax y generar una señal de conmutación que apaga el dispositivo de estado sólido si una magnitud de la primera señal eléctrica que representa la corriente de línea excede alguna vez la corriente máxima permitida.

5. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, en donde el circuito de control comprende:

un diferenciador configurado para diferenciar una corriente recibida Idetección recibida en el circuito de control, para producir una corriente de detección diferenciada;

un primer comparador configurado para comparar la corriente de detección diferenciada con una primera velocidad máxima predeterminada de cambio en la corriente de detección di/dt_max,1;

un segundo comparador configurado para comparar la corriente de detección diferenciada con una segunda velocidad máxima predeterminada de cambio en la corriente de detección di/dt_max,2, que es mayor que la primera velocidad máxima predeterminada de cambio en la corriente di/dt_max,1;

en donde:

el circuito de control está configurado para mantener el dispositivo de estado sólido en un estado encendido durante un rayo, cuando la corriente de detección diferenciada es mayor que di/dt_max,2, y

el circuito de control está configurado para apagar el dispositivo de estado sólido si la corriente de detección diferenciada excede di/dt_max,1 y la corriente de detección excede una corriente de umbral de desconexión de larga duración.

6. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, en donde el circuito de control comprende un circuito de detección y accionamiento que apaga el dispositivo de estado sólido al detectar un cortocircuito o una sobrecarga de duración inaceptablemente larga y un microcontrolador separado del circuito de detección y accionamiento configurado para generar el pulso eléctrico que activa el solenoide y causa que la unidad de desconexión del entrehierro forme el entrehierro entre el primer contacto eléctrico y el segundo contacto eléctrico.

7. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 6, en donde el microcontrolador está configurado además para controlar un coeficiente de utilización del dispositivo de estado sólido y facilitar un arranque suave de la carga de un motor de inducción.

8. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 7, en donde el microcontrolador está configurado además para controlar la conmutación del dispositivo de estado sólido e inhibir el desarrollo de transitorios de tensión durante el arranque suave.

9. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 6, en donde el microcontrolador está configurado además para permitir que fluya una corriente de influjo durante un evento de influjo pero para apagar el dispositivo de estado sólido si el dispositivo de estado sólido comienza a funcionar fuera de un área de funcionamiento segura durante el evento de influjo.

10. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, que comprende además un interruptor de apagado que un usuario puede activar para abrir una ruta de circuito de carga.

11. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, en donde la unidad de desconexión del entrehierro incluye un circuito que evita o amortigua el rebote de la señal durante los momentos en que la unidad de desconexión de entrehierro se está reiniciando.

12. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, que comprende además una pantalla electrónica configurada para mostrar información en tiempo real y no en tiempo real, incluyendo una clasificación de amperaje del disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido e información de tensión y/o de corriente de línea en tiempo real.

13. El disyuntor híbrido de entrehierro/estado sólido de la reivindicación 1, en donde las características de tiempocorriente del disyuntor, incluyendo corrientes de umbral de desconexión de larga duración e instantánea Imax e Ilt y tiempos de desconexión correspondientes, son programables por el usuario.