ES2945585T3 - Método y aparato para proteger una carga contra una sobrecorriente - Google Patents

Método y aparato para proteger una carga contra una sobrecorriente Download PDF

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Abstract

Se aplica directamente a una entrada del controlador (IN) en un lado de bajo voltaje de un primer circuito controlador (6A) asociado con la ruta de suministro de energía primaria (1A) para activar automáticamente un apagado del interruptor mecánico (5A) dentro de un primer período de desconexión (Δt1) para interrumpir la ruta de suministro de energía primaria (1A); y que comprende una ruta de suministro de energía secundaria (1B) proporcionada en paralelo a la ruta de suministro de energía primaria (1A) entre el terminal de entrada (2) y el terminal de salida (3) de dicho aparato de protección de carga híbrido (1) y que tiene una bobina adicional (4B) conectado en serie con un interruptor de potencia semiconductor (5B). en el que se proporciona un segundo circuito controlador (6B) asociado con la ruta de suministro de energía secundaria (1B) para detectar una corriente eléctrica creciente, I, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para proteger una carga contra una sobrecorriente
La invención se refiere a un método y a un aparato utilizados para proteger una carga eléctrica conectada contra una sobrecorriente mediante el uso de un conmutador mecánico en una trayectoria de alimentación primaria y un conmutador de potencia semiconductor en una trayectoria de alimentación secundaria en paralelo.
El documento WO 2011/108874 A2 describe un conmutador híbrido que tiene un conmutador mecánico y un conmutador semiconductor conectados en paralelo. Tras la transición del conmutador mecánico de un estado en corto a un estado abierto, una unidad de accionamiento de elementos semiconductores acciona el conmutador semiconductor y forma una trayectoria de corriente entre el electrodo fijo y el electrodo móvil. De ese modo se controla la generación de arco entre los electrodos de apertura del conmutador mecánico. En el proceso de apertura del conmutador mecánico, la unidad de control del elemento semiconductor recibe una señal para abrir el conmutador mecánico desde un dispositivo de control y una señal generada a partir de la tensión sobre el conmutador semiconductor para controlar el conmutador semiconductor.
El documento US 6 665 591 B1 describe un dispositivo de protección para redes de baja tensión. El dispositivo comprende una combinación en serie de conmutadores que incluyen un conmutador semiconductor y un conmutador mecánico. El conmutador semiconductor está controlado por un dispositivo de control que recibe una tensión que cae sobre un elemento reactivo conectado en serie con los conmutadores. El dispositivo de control puede proporcionar una señal de control de conmutación basada en el valor y el aumento de la corriente de carga.
El documento US 2009/310270 A1 describe un sistema de protección contra cortocircuitos de respuesta rápida con reinicio automático para su uso en un circuito alimentado por energía de CC. El dispositivo de protección contra cortocircuitos comprende un conmutador semiconductor conectado en serie con un inductor y comprende un controlador. El dispositivo de detección de tensión está adaptado para determinar la tensión sobre el conmutador y el inductor y proporciona una señal al controlador para activar respectivamente el conmutador.
Las cargas eléctricas conectadas a una red de alimentación PSN requieren protección contra sobrecorriente. Una sobrecorriente puede fluir a través de un conductor o componente eléctrico, lo que genera una generación excesiva de calor y daña la carga o el equipo eléctrico respectivo. Hay diferentes causas para generar una sobrecorriente, incluidos los cortocircuitos, un diseño de circuito incorrecto o fallos en la puesta a tierra. Existen diversos dispositivos de protección contra sobrecorriente convencionales, tales como fusibles, disyuntores electromecánicos o conmutadores de alimentación de estado sólido. Los fusibles se derriten cuando ocurre una sobrecorriente, lo que interrumpe por tanto la corriente eléctrica y protege la carga. Sin embargo, los fusibles se derriten solo a amplitudes de corriente relativamente altas, de modo que se puede transferir mucha energía eléctrica a la carga conectada antes de que el fusible respectivo se derrita, aumentando así el riesgo de dañar los componentes de la carga eléctrica conectada. Además, después de que se haya eliminado la causa de la sobrecorriente, es necesario reemplazar el fusible afectado.
Otros dispositivos de protección eléctrica convencionales emplean sensores de corriente para medir una corriente eléctrica que fluye hacia la carga conectada para detectar una situación crítica y activar automáticamente un conmutador electrónico o electromecánico para interrumpir el flujo de corriente en caso de que surja y se detecte una situación crítica. Un elemento de medición de corriente, tal como un sensor Hall, puede medir la corriente que fluye y suministrar valores de medición a un controlador o lógica de control que puede desconectar un componente de conmutación en caso de que la corriente medida supere un valor umbral predefinido. Los disyuntores y los dispositivos de protección más nuevos utilizan conmutadores semiconductores como MOSFET para proteger las cargas conectadas contra sobrecorrientes. Con una corriente eléctrica creciente que fluye a través de un conmutador semiconductor conectado, una caída de tensión a lo largo de este conmutador semiconductor puede aumentar también, de modo que se produce una mayor pérdida de alimentación en el conmutador semiconductor respectivo. Esta pérdida de potencia creciente puede provocar daños e incluso la destrucción del propio conmutador semiconductor y/o de los componentes electrónicos dentro de la carga eléctrica conectada. En consecuencia, los circuitos de protección convencionales evalúan una caída de tensión a lo largo de un conmutador semiconductor integrado y activan una desconexión del conmutador semiconductor tan pronto como la caída de tensión a lo largo del conmutador semiconductor supera un valor umbral predefinido. Sin embargo, en este enfoque convencional, el mecanismo de desconexión solo tiene lugar después de que la corriente eléctrica ya haya alcanzado una amplitud relativamente alta, es decir, implica un largo período de desconexión. Todos estos circuitos de protección funcionan comparativamente lentos y requieren un alto nivel de corriente para activar el componente de conmutación para realizar una desconexión de la trayectoria de alimentación.
Por consiguiente, un objetivo de la presente invención es proporcionar un aparato de protección y un método correspondiente que proteja una carga conectada de forma más eficaz y fiable contra una sobrecorriente y reduzca la pérdida de potencia durante el funcionamiento normal.
Este objetivo se consigue de acuerdo con un primer aspecto de la presente invención mediante un aparato de protección de carga híbrido que comprende las características de la reivindicación 1.
La invención proporciona de acuerdo con el primer aspecto un aparato de protección de carga híbrido que comprende una trayectoria de alimentación primaria proporcionada entre un terminal de entrada y un terminal de salida de dicho aparato de protección de carga híbrido y que tiene un conmutador mecánico controlable conectado en serie con una bobina primaria acoplada inductivamente a una bobina secundaria que proporciona una tensión, Ua, correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través de la trayectoria de alimentación primaria, en donde la tensión proporcionada, Ua, se aplica directamente a una entrada de accionamiento en un lado de baja tensión de un primer circuito de accionamiento asociado a la trayectoria de alimentación primaria para activar automáticamente una desconexión del conmutador mecánico dentro de un primer período de desconexión, At1, para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria y que comprende una trayectoria de alimentación secundaria dispuesta en paralelo a la trayectoria de alimentación primaria entre el terminal de entrada y el terminal de salida del aparato de protección de carga híbrido y que tiene una bobina adicional conectada en serie con un conmutador de potencia semiconductor, en donde se proporciona un segundo circuito de accionamiento asociado a la trayectoria de alimentación secundaria para detectar una corriente eléctrica creciente que fluye a través de la trayectoria de alimentación secundaria causada por la interrupción de la trayectoria de corriente primaria basándose en una caída de tensión generada por la bobina adicional y una caída de tensión no lineal a lo largo del conmutador de potencia semiconductor aplicado como una tensión de suma, Ub, directamente a una entrada de accionamiento en un lado de alta tensión del segundo circuito de accionamiento para activar automáticamente una desconexión del conmutador de potencia semiconductor proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria dentro de un segundo período de desconexión, At2, para interrumpir la trayectoria de alimentación secundaria de tal forma que se suprime la generación de un arco eléctrico durante la desconexión del conmutador mecánico (5A), y el terminal de entrada y el terminal de salida del aparato de protección de carga híbrido se separan entre sí.
Con el aparato de protección de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la trayectoria de alimentación secundaria está adaptada para suprimir la generación de un arco eléctrico de un contacto mecánico dentro del conmutador mecánico de la trayectoria de alimentación primaria que se desconecta bajo el control del primer circuito de accionamiento asociado a la trayectoria de alimentación primaria.
Por consiguiente, una ventaja del aparato de protección de carga híbrido de acuerdo con la presente invención es que la seguridad de funcionamiento aumenta durante el funcionamiento del aparato de protección de carga híbrido, en particular, si se activa una desconexión del conmutador mecánico dentro de la trayectoria de alimentación primaria. En una posible realización del aparato de protección de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el primer circuito de accionamiento proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria y el segundo circuito de accionamiento proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria están ambos adaptados para generar automáticamente una señal de activación en una salida de accionamiento OUT en un lado de alta tensión del circuito de accionamiento respectivo.
Si una señal aplicada en la entrada de accionamiento del primer circuito de accionamiento excede un nivel de baja tensión predefinido, el primer circuito de accionamiento genera automáticamente una señal de activación en la salida de accionamiento OUT en su lado de alta tensión para desconectar el conmutador mecánico dentro de la trayectoria de alimentación primaria asociada.
Si una tensión total aplicado a la entrada de accionamiento DESAT del segundo circuito de accionamiento excede una tensión de umbral configurable asociada, el segundo circuito de accionamiento se adapta para generar automáticamente una señal de activación en la salida de accionamiento OUT en su lado de alta tensión para desconectar el conmutador de potencia semiconductor dentro de la trayectoria de alimentación secundaria asociada. En una posible realización, el primer período de desconexión predefinido At1 para desconectar el conmutador mecánico previsto en la trayectoria de alimentación primaria es inferior a 1 ms, en particular, en un intervalo entre 10 |js y 1 ms.
En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el conmutador mecánico proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria comprende un conmutador Thomson.
En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el conmutador mecánico proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria comprende una unidad de aceleración de desconexión adaptada para acelerar la desconexión de un contacto mecánico del conmutador mecánico en respuesta a una señal de activación recibida desde la salida de accionamiento en el lado de alta tensión del primer circuito de accionamiento asociado a la trayectoria de alimentación primaria para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria.
En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria comprende una unidad de aceleración de desconexión pirotécnica que tiene una carga pirotécnica disparada en respuesta a la señal de activación recibida de la salida de accionamiento en el lado de alta tensión del primer circuito de accionamiento para generar un gas presurizado que acelera la desconexión del contacto mecánico del conmutador mecánico para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria. En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico proporcionada en la trayectoria de alimentación primaria comprende una unidad de accionamiento de elementos piezoeléctricos.
En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, en donde cuando el conmutador mecánico proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria se desconecta para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria, la corriente eléctrica fluye cada vez más hacia la trayectoria de alimentación secundaria detectada por la bobina en la trayectoria de alimentación secundaria y la energía de entrada magnética se transforma en calor por medio de una resistencia de baja impedancia provista en la trayectoria de alimentación secundaria. En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, en donde al menos una unidad de almacenamiento de energía, en particular, un condensador, se conecta al terminal de entrada para almacenar energía eléctrica utilizada por la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico para acelerar la desconexión del contacto mecánico del conmutador mecánico proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria o se usa como alimentación auxiliar.
En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el primer período de desconexión para desconectar el conmutador mecánico en la trayectoria de alimentación primaria y el segundo período de desconexión para desconectar posteriormente el conmutador de potencia semiconductor en la trayectoria de alimentación secundaria pueden ajustarse.
En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, el terminal de entrada está conectado a una red de alimentación para recibir una tensión de alimentación de CA o está conectado a una fuente de alimentación de CC para recibir una tensión de alimentación de CC, en donde una carga eléctrica protegida por el aparato de protección de carga híbrido está conectada al terminal de salida del aparato de protección de carga híbrido.
En una posible realización adicional del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, la trayectoria de alimentación primaria está adaptada para transportar durante el funcionamiento normal una corriente eléctrica que tiene una amplitud de corriente más alta que la corriente eléctrica que fluye a través de la trayectoria de alimentación secundaria.
En una posible realización adicional más del aparato de control de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, ambos circuitos de accionamiento comprenden dos partes galvánicamente separadas acopladas inductivamente por transformadores entre sí.
La invención proporciona además, de acuerdo con un segundo aspecto, un método para proteger una carga contra una sobrecorriente que comprende las características de la reivindicación 14.
En una posible realización del método de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención, el primer período de desconexión para desconectar el conmutador mecánico proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria es inferior a 1 ms y está definido por los retardos en la propagación de la señal a lo largo de una primera trayectoria de control que incluye el primer circuito de accionamiento y en donde el segundo período de desconexión para desconectar posteriormente el conmutador de potencia semiconductor proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria es inferior a 1 ms y está definido por los retardos en la propagación de la señal a lo largo de una segunda trayectoria de señal de control que incluye el segundo circuito de accionamiento.
A continuación, se describen en más detalle posibles realizaciones de los diferentes aspectos de la presente invención con referencia a las figuras adjuntas.
la Figura 1 muestra un diagrama de bloques para ilustrar una posible realización ilustrativa de un aparato de protección de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención; la Figura 2 muestra un diagrama de flujo para ilustrar una posible realización de ejemplo de un método para proteger una carga contra una sobrecorriente de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención;
la Figura 3 muestra un diagrama de circuito para ilustrar una circuitería que conecta un circuito de accionamiento a una trayectoria de alimentación secundaria asociada;
la Figura 4 muestra un diagrama de circuito para ilustrar una posible implementación de ejemplo de un circuito de accionamiento integrado en un aparato de protección de carga híbrido de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención;
las Figuras 5A-5D muestran diagramas de señales para ilustrar un funcionamiento normal del aparato de protección de carga híbrido 1;
las Figuras 6A-6B ilustran una protección contra sobrecorriente realizada por un aparato de protección de carga híbrido.
Como se puede ver a partir del diagrama de bloques de la Figura 1, un aparato de protección de carga híbrido 1 de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención comprende en la realización ilustrada un terminal de entrada 2 para su conexión a una red de alimentación PSN y un terminal de salida 3 al que se puede conectar una carga eléctrica 9.
El aparato de protección de carga híbrido 1, como se ilustra en la realización de la Figura 1, comprende una trayectoria de alimentación primaria 1A y una trayectoria de alimentación secundaria paralela 1B. La trayectoria de alimentación primaria 1A y la trayectoria de alimentación secundaria 1B están conectadas en paralelo entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 del aparato de protección de carga híbrido 1.
La trayectoria de alimentación primaria 1A proporcionada entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 del aparato de protección de carga híbrido 1 comprende un conmutador mecánico controlable 5A conectado en serie con una bobina primaria 4A-1 que tiene una inductividad L. La bobina primaria 4A-1 genera una caída de tensión que es proporcional a la velocidad de aumento de corriente (dI/dt) de la corriente eléctrica I que fluye a través de la trayectoria de alimentación primaria 1A (U ~ L dI/dt). La bobina primaria 4A-1 está acoplada inductivamente a una bobina secundaria 4A-2 proporcionando una caída de tensión a Ua aplicada directamente a una entrada de accionamiento del circuito de accionamiento 6A asociado a la trayectoria de alimentación primaria 1A para activar automáticamente una desconexión del conmutador mecánico 5A dentro de un primer período de desconexión para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria 1A. La tensión Ua corresponde a una velocidad de subida de corriente, dI/dt, de la corriente eléctrica I que fluye a través de la trayectoria de alimentación primaria 1A.
La trayectoria de alimentación secundaria 1B proporcionada en paralelo a la trayectoria de alimentación primaria 1A tiene una bobina adicional 4B conectada en serie con un conmutador de potencia semiconductor 5B como se muestra en la Figura 1. El segundo circuito de accionamiento 6B asociado a la trayectoria de alimentación secundaria 1B se proporciona para detectar una corriente eléctrica creciente I que fluye a través de la trayectoria de alimentación secundaria 1B causada por la interrupción de la trayectoria de corriente primaria 1A basándose en una caída de tensión AU4 generada por la bobina 4B y una caída de tensión no lineal AU5 a lo largo del conmutador de potencia semiconductor 5B. La caída de tensión AU4 generada por la bobina 4B y la caída de tensión no lineal AU5 a lo largo del conmutador de potencia semiconductor 5B se aplican como una tensión de suma Ub directamente a una entrada de accionamiento IN del segundo circuito de accionamiento 6B para activar automáticamente una desconexión del conmutador de potencia semiconductor 5B proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria 1B dentro de un segundo período de desconexión At2 para interrumpir la trayectoria de alimentación secundaria 1B. Después de que tanto la trayectoria de alimentación primaria 1A como posteriormente la trayectoria de alimentación secundaria 1B hayan sido interrumpidas, el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 del dispositivo de protección de carga híbrido 1 están completamente separados entre sí dentro de un período tota de desconexión (ti=At-i+At2) y la carga conectada 9 está aislada de la red de alimentación PSN.
El aparato de protección 1 es híbrido, lo que significa que implica conmutación tanto mecánica como electrónica. Ambas trayectorias de alimentación 1A, 1B comprenden un circuito de accionamiento analógico asociado 6A, 6B como se muestra en la Figura 1. En una realización preferida, el circuito de accionamiento 6A y el circuito de accionamiento 6B comprenden el mismo circuito y pueden implementarse mediante un circuito de accionamiento 6 que tenga un lado de baja tensión y un lado de alta tensión, como también se ilustra en la Figura 4. La circuitería interna de los circuitos de accionamiento 6A, 6B se ilustra en la Figura 4. La señal de tensión generada por la bobina secundaria 4A-2 se aplica directamente a una entrada de accionamiento IN en el lado de baja tensión del primer circuito de controlador analógico 6A. La señal se puede amplificar también electrónicamente.
En contraste, la tensión de suma Ub (Ub=T2=AU4+AU5) proporcionada por la bobina 4B y el conmutador de potencia semiconductor 5B se aplica a una entrada de accionamiento DESAT en el lado de alta tensión del segundo circuito de accionamiento analógico 6B. El retardo de propagación de la señal de las señales de control que viajan a través de los componentes, en particular, puertas y comparadores integrados en el circuito de accionamiento 6, es menos de 200 ns, es decir, 0,195 us.
El primer circuito de accionamiento analógico 6A proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria 1A y el segundo circuito de accionamiento analógico 6B proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria 1B están ambos adaptados para generar automáticamente una señal de activación en una salida de accionamiento OUT en un lado de alta tensión del circuito de accionamiento respectivo 6A, 6B. Dependiendo de la señal de tensión generada por la bobina 4A-2 y aplicada a la entrada de accionamiento IN en el lado de baja tensión del primer circuito de accionamiento 6A, el circuito de accionamiento 6A genera una señal de control de activación de desconexión y se puede aplicar en una posible realización a una fase de potencia 10 como se ilustra en la figura 1. La fase de potencia 10 puede comprender un almacenamiento de energía así como conmutadores semiconductores de potencia que generan inmediatamente una tensión muy alto que se activa en respuesta a la señal de control CRTLa recibida de la salida de accionamiento OUT en el lado de alta tensión del primer circuito de accionamiento 6A. En una posible realización, el conmutador mecánico 5A puede comprender un denominado conmutador Thomson. Se puede aplicar una tensión muy alta combinada con un fuerte impulso de corriente a una bobina del conmutador Thomson para proporcionar una apertura forzada inmediata de un contacto mecánico dentro del conmutador mecánico 5A para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria 1A. El retardo de señal de la señal desde la entrada de accionamiento IN en el lado de baja tensión del circuito de accionamiento 6A hasta la salida de accionamiento OUT en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6A es inferior a 200 ns. El retardo de la señal en la primera trayectoria de la señal de control entre la bobina 4A-2 y la entrada al conmutador mecánico 5A es menor de 1 ms en una realización preferida y varía en una realización preferida entre 1 ps y 1 ms. Esto se puede lograr debido al muy bajo retardo de propagación de la señal causado por el circuito de accionamiento 6A y la rápida apertura causada por la fase de potencia 10 de la trayectoria de alimentación primaria 1A.
En la trayectoria de alimentación secundaria 1B, la tensión de suma Ub a través de la bobina 4B y el conmutador de potencia semiconductor 5B no se aplica al lado de baja tensión del circuito excitador 6B sino a su lado de alta tensión. La tensión de suma Ub se aplica en una posible realización a la entrada de accionamiento DESAT en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6B para generar una señal de control CRTLb en la salida de accionamiento OUT que también está ubicada en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6B. La señal de activación del control de desconexión CRTLb se puede aplicar en una posible realización directamente a una puerta de control del conmutador de potencia semiconductor 5B como también se ilustra en la Figura 1. El primer periodo de desconexión predefinido At1 para desconectar el conmutador de potencia 5B es inferior a 1 ms y oscila en una realización preferida entre 1 ps y 1 ms. En una posible implementación, el período de desconexión At2 para desconectar el conmutador de potencia semiconductor 5B si la tensión de suma aplicada Ub excede una tensión de umbral configurable puede ser 1-10 us.
El conmutador mecánico 5A proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria 1A se puede conectar a una unidad de aceleración de desconexión como el conmutador de potencia 10 que se muestra en la Figura 1. La unidad de aceleración de desconexión está adaptada para acelerar la desconexión de un contacto mecánico dentro del conmutador mecánico 5A en respuesta a una señal de activación CRTLa recibida de la salida de accionamiento OUT en el lado de alta tensión del primer circuito de accionamiento analógico 6A para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria 1A automáticamente. En una posible realización, la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico 5A proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria 1A puede comprender también un conmutador pirotécnico de la unidad de aceleración que tiene una carga pirotécnica disparada en respuesta a la señal de activación recibida CRTLa para generar un gas presurizado que expande y acelera la desconexión del contacto mecánico del conmutador mecánico 5A para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria 1A. En otra posible realización, la unidad de aceleración de desconexión en el conmutador mecánico 5A puede comprender también una unidad de accionamiento de elementos piezoeléctricos.
Cuando el conmutador mecánico 5A proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria 1A, se desconecta para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria 1A, una corriente eléctrica fluye cada vez más hacia la trayectoria de alimentación secundaria 1B que es detectada por el componente sensor de velocidad de aumento de corriente 4B, es decir, la bobina 4B, proporcionada en la trayectoria de alimentación secundaria 1B. En una posible realización, la energía de entrada magnética se puede transformar en calor por medio de una resistencia 11 como se muestra en la Figura 1. La resistencia 11 puede comprender una resistencia de baja impedancia inferior a 0,5Q para transformar la energía magnética de entrada en calor.
El aparato de protección de carga híbrido 1 de acuerdo con la presente invención puede comprender componentes adicionales. En una posible realización, al menos una unidad de almacenamiento de energía se puede conectar al terminal de entrada 2 para almacenar energía eléctrica que puede ser utilizada por la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico 5A para acelerar la desconexión del contacto mecánico del conmutador mecánico 5A proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria 1A. La energía almacenada en la unidad de almacenamiento de energía se puede utilizar también como fuente de alimentación auxiliar u otros componentes dentro de la carcasa del aparato de protección de carga híbrido 1. La unidad de almacenamiento de energía puede comprender un condensador que tenga, por ejemplo, una capacitancia de más de 5mF.
En una posible realización, un componente de sensor de corriente de carga 7, como un sensor Hall, puede integrarse en el dispositivo de protección de carga híbrido 1 para medir continuamente una corriente de carga Il que fluye hacia la trayectoria de alimentación primaria y secundaria 1A, 1B a la carga eléctrica conectada 9. La corriente de carga medida Il puede ser notificado en una posible realización a una unidad de control 8 del aparato de protección de carga híbrido 1 para proporcionar un perfil de corriente de carga. El perfil de corriente de carga puede ser evaluado por un microprocesador de la unidad de control 8 para detectar en una posible implementación un estado de sobrecarga de la carga conectada 9. Esto puede proporcionar una desconexión relativamente lenta para pequeñas sobrecargas bajo el control del microprocesador de la unidad de control 8. En contraste, la desconexión realizada por el primer y segundo circuito de accionamiento 6A, 6B es mucho más rápida que la desconexión provocada por la unidad de control 8 debido a los retardos en la propagación de señal muy pequeños de la primera y la segunda trayectoria de control.
La unidad de control 8 puede recibir en una posible implementación también un comando de control CMD a través de una interfaz de usuario o desde un controlador de nivel superior remoto del sistema. La unidad de control 8 puede activar en una posible realización una desconexión del conmutador mecánico 5A en la trayectoria de alimentación primaria 1A y del conmutador de potencia semiconductor 5B en la trayectoria de alimentación secundaria 1B en respuesta a un comando de desconexión CMD a través del primer circuito de accionamiento 6A y del segundo circuito de accionamiento 6B, respectivamente.
En la realización ilustrada de la Figura 1, el terminal de entrada 2 está conectado a una red de alimentación PSN que recibe una tensión de alimentación de CA Uca. En una posible realización, el aparato de protección de carga híbrido 1 comprende tres terminales de entrada 2 y tres terminales de salida 3 para tres tensiones de alimentación de CA diferentes Uca. (fases de alimentación Li, L2, L3) recibida desde una red de alimentación PSN. La amplitud de la tensión de alimentación de CA Ua puede diferir para diferentes casos de uso. La frecuencia de la tensión de alimentación de CA Uca. puede ser por ejemplo 50 Hz o 60 Hz.
Durante el funcionamiento normal, la mayor parte de la corriente I que fluye desde el terminal de entrada 2 al terminal de salida 3 fluye a través de la trayectoria de alimentación primaria 1A. La trayectoria de alimentación primaria 1A está adaptada para transportar durante el funcionamiento normal una corriente eléctrica que tiene una amplitud de corriente más alta que la corriente eléctrica que fluye a través de la trayectoria de alimentación secundaria 1B, como también se ilustra en las Figuras 1A a 1D. La relación entre la amplitud de la corriente Ili transportada por la trayectoria de alimentación primaria 1A y la amplitud de la corriente Il2 transportada por la trayectoria de alimentación secundaria 1B en una operación normal depende del circuito y puede ser, por ejemplo, 10:1.
La Figura 2 muestra un diagrama de flujo para ilustrar una posible realización de ejemplo de un método para proteger una carga tal como la carga 9 que se muestra en la Figura 1 contra una sobrecorriente.
En la realización ilustrada de la Figura 2, el método comprende cuatro etapas principales.
En una primera etapa S1, se detecta una sobrecorriente que fluye en la trayectoria de alimentación primaria 1A a través del conmutador mecánico 5A a la carga eléctrica 9 para activar automáticamente una desconexión en la segunda etapa S2 del conmutador mecánico 5A por un primer circuito de accionamiento 6A asociado a la trayectoria de alimentación primaria 1A dentro de un primer período de desconexión At1 para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria 1A. Esto provoca una conmutación de la corriente eléctrica Il1 en la trayectoria de alimentación primaria que conduce a un fuerte aumento de la corriente eléctrica Il en la trayectoria de alimentación secundaria IB como también se muestra en las Figuras 6A, 6B. La conmutación actual puede tomar, por ejemplo, aproximadamente 250 |js.
Además, en la etapa S3, se detecta un aumento de una corriente eléctrica causada por la interrupción de la trayectoria de alimentación primaria 1A y que fluye a través del conmutador de potencia semiconductor 5B hacia la carga eléctrica 9, en donde la desconexión en la etapa S4 del conmutador de potencia semiconductor 5B se activa automáticamente al detectar el aumento de la corriente eléctrica en la trayectoria de alimentación secundaria IB para interrumpir también la trayectoria de alimentación secundaria IB dentro de un segundo período de desconexión At2 separando así el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 completamente para aislar la carga eléctrica 9 de la red de alimentación PSN.
El primer período de desconexión Atl para desconectar el conmutador mecánico 5A proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria 1A es menor a 1 ms y está definido por los retardos en la propagación de la señal a lo largo de una primera trayectoria de señal de control que incluye el primer circuito de accionamiento 6A. Los retardos de la señal de propagación del circuito de accionamiento 6A son inferiores a 0,2 js y el conmutador mecánico 5A se puede abrir, por ejemplo, después de 250 us.
El segundo período de desconexión At2 para desconectar el conmutador de potencia semiconductor 5B proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria IB es inferior a 1 ms y está definido por los retardos en la propagación de la señal a lo largo de una segunda trayectoria de señal de control que incluye el segundo circuito de accionamiento 6B.
Ambos periodos de desconexión, es decir, el primer período de desconexión Atl y el segundo período de desconexión At2, se pueden ajustar en una realización preferida.
El período total de desconexión Ati para interrumpir primero la trayectoria de alimentación primaria 1A y posteriormente la trayectoria de alimentación secundaria IB es, en una posible realización, menos de 2 ms. En una realización preferida, el tiempo total de desconexión Atioscila entre 1 js y 2 ms. (Ati=Ati+Ot2).
Las Figuras 6A, 6B ilustran las corrientes eléctricas Ili, Il2 que fluyen a través de las trayectorias de alimentación primaria y secundaria 1A, 1B, respectivamente, con el tiempo en caso de que se detecte una sobrecorriente en la trayectoria de alimentación primaria 1A que active primero una desconexión del conmutador mecánico 5A y una desconexión subsiguiente del conmutador de potencia 5B.
La Figura 3 muestra un diagrama de circuito de una posible implementación de ejemplo para el circuito de conexión proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria 1B. En la realización ilustrada, el terminal de entrada 2 está adaptado para recibir una corriente de fase (L) de una red de alimentación PSN que tiene, por ejemplo, una tensión de alimentación de CA Uca de 400 voltios o más. En la implementación ilustrada, la trayectoria de alimentación secundaria 1B comprende dos pares de conmutadores de potencia semiconductores 5-1, 5-2 asociados a las bobinas 4- 1, 4-2. El circuito ilustrado de la Figura 3 es simétrico para medias ondas de corriente positiva y para medias ondas de corriente negativa de una corriente que fluye a través de la trayectoria de alimentación 1B. Cada bobina 4-1, 4-2 comprende un conmutador de potencia semiconductor asociado 5-1, 5-2 como se puede ver en la Figura 3. En una posible implementación, ambas bobinas 4-1, 4-2 comprenden una inductividad L de alrededor de 2 Microhenry. Se puede proporcionar un varistor adicional VAR para eliminar las perturbaciones. Además, los diodos D se pueden conectar en paralelo a cada bobina 4-1, 4-2 para reducir la autoinducción. Ambos conmutadores de potencia semiconductores 5-1, 5-2 están conectados a un circuito puente rectificador que comprende, en la implementación ilustrada, dos pares de transistores complementarios Q1 a Q4. En el lado de salida del circuito puente rectificador, se puede proporcionar al menos un condensador C para ajustar un retardo mínimo predeterminado. Ambas resistencias R1, R2 que se muestran en la Figura 3 comprende una resistencia que se puede configurar para ajustar la sensibilidad del circuito de conexión ilustrado en la Figura 3. Como se puede ver en la Figura 3, el segundo circuito de accionamiento 6B está conectado a la salida del circuito puente rectificador para recibir una tensión de suma Ub en su entrada de accionamiento DESAT en el lado de alta tensión del segundo circuito de controlador 6B. El circuito de accionamiento 6B genera señales de control CRTL aplicadas a las puertas de control de los conmutadores de potencia 5- 1, 5-2. Dependiendo de las tensiones generadas directamente por las bobinas 4-1, 4-2, el circuito de excitación 6B genera una señal de control de activación/desactivación CRTL si la tensión de suma aplicada Ub supera un valor umbral configurable Uth.
La Figura 4 muestra un diagrama de bloques para ilustrar una posible realización de ejemplo de los circuitos de accionamiento 6A, 6B implementados en el aparato de protección de carga híbrido 1 de acuerdo con la presente invención. En la realización ilustrada, el circuito de accionamiento 6 puede comprender un solo controlador de IGBT IC1ED020/12-B2 fabricado por Infineon Technologies. El circuito de accionamiento 6 comprende dos mitades de circuito separadas galvánicamente por transformadores T1, T2. El lado izquierdo de baja tensión del circuito de accionamiento 6 ilustrado en la Figura 4 se puede conectar también a la unidad de control 8 del aparato de protección de carga híbrido 1, en particular, en respuesta a comandos de control CMD o dependiendo de los perfiles de corriente medidos.
En una realización alternativa, se puede usar un ASIC de diseño específico como circuito de accionamiento 6.
La salida de señal de baja tensión Ua de la bobina 4A-2 acoplada a la bobina 4A-1 en la trayectoria de alimentación primaria 1A se suministra en una posible implementación a la entrada de accionamiento de no inversión IN+ en el lado de baja tensión del circuito de accionamiento 6 como se muestra en la Figura 4.
En contraste, la tensión de suma Ub que comprende la caída de tensión AU4 a lo largo de la bobina 4B y a lo largo del conmutador de potencia semiconductor 5B se aplica en una posible implementación a la entrada de accionamiento DESAT en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6. La tensión de suma Ub (Ub=Ti=AU4+AU5) se compara mediante un comparador K3 con una tensión umbral configurable Uth de, por ejemplo, 9 voltios y viaja a lo largo de una puerta OR 0 R 1, una puerta AND AND1 y una puerta AND AND2 a un amplificador de operación en la fase de salida de la salida de accionamiento OUT en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6. Este bucle de control que viaja a lo largo de varias puertas y comparadores tiene un retardo de propagación muy bajo de menos de 200 ns.
La señal de baja tensión Ua generada por la bobina 4A-2 acoplada a la bobina 4A-1 en la trayectoria de alimentación primaria 1A se aplica en una posible implementación a la entrada de no inversión IN+ en el lado de baja tensión del circuito de accionamiento 6 y viaja a través de un AND puerta 3 como se muestra en la Figura 4. La señal es acoplada por el transformador T1 al lado de alta tensión y viaja a través de la puerta AND AND2 y la fase de salida de la salida de accionamiento OUT en el lado de alta tensión del circuito de accionamiento 6. También, el retardo de propagación de la señal entre la entrada de accionamiento IN+ y la salida de accionamiento OUT es inferior a 200 ns.
Como se puede ver a partir del diagrama de bloques de la Figura 1, los circuitos de accionamiento 6 pueden operar independientemente de la unidad de control 8 para desconectar un conmutador asociado dentro de un breve tiempo de reacción en caso de que se detecte una sobrecorriente. Ningún microprocesador de una unidad de control 8 está involucrado en la trayectoria de control de la señal, por lo que se puede lograr un período de desconexión muy corto. En caso de sobrecorriente, el conmutador mecánico 5A se puede desconectar rápidamente. Para suprimir un arco eléctrico causado por la desconexión rápido del contacto del conmutador mecánico del conmutador mecánico 5A, la trayectoria de alimentación secundaria 1B puede hacerse cargo de la corriente de carga eléctrica Il cuando se abre el conmutador mecánico 5A.
También, cuando el conmutador mecánico 5A es abierto por un microprocesador de la unidad de control 8 en respuesta a un comando de desconexión CMD, la trayectoria de alimentación secundaria 1B puede suprimir el arco eléctrico en el conmutador mecánico de apertura 5A redirigiendo la corriente eléctrica que fluye a través de la trayectoria de alimentación primaria 1A a la trayectoria de alimentación secundaria 1B. La supresión de arco aumenta la seguridad general del sistema. Además, la vida útil de funcionamiento del conmutador mecánico 5A se puede aumentar mediante la supresión de arco eficiente proporcionada por la trayectoria de alimentación secundaria 1B. En caso de que se detecte una sobrecorriente y el circuito de accionamiento 6A abra el conmutador mecánico 5A, la corriente eléctrica puede conmutar desde la trayectoria de alimentación primaria 1A a la trayectoria de alimentación secundaria 1B, en donde la energía magnética puede convertirse en calor eléctrico mediante la resistencia 11 que se muestra en el diagrama de circuito de la Figura 1. La resistencia R de la resistencia 11 es relativamente baja y puede estar en un rango entre 0,5 Om y 10 Om.
El aparato de protección de carga híbrido 1 puede proporcionarse para cada fase de alimentación (Li, L2, L3) de la red de alimentación de CA PSN. Esto proporciona la ventaja adicional de que cada fase eléctrica de la red de alimentación PSN puede monitorearse independientemente de las otras fases de alimentación.
El aparato de protección de carga híbrido 1, como se muestra en el diagrama de bloques de la Figura 1, puede integrarse en el alojamiento de un dispositivo. Este dispositivo puede comprender en cada terminal de entrada 2 un contacto eléctrico sobresaliente que está adaptado para insertarse en una ranura correspondiente de una barra colectora de alimentación híbrida. Por consiguiente, el dispositivo de protección de carga híbrido 1 se puede conectar como un dispositivo a un sistema de barras colectoras. También se puede conectar a un adaptador de sistema de barras colectoras o barras colectoras masivas convencionales o rieles HUT. El aparato de protección de carga híbrido 1 se puede integrar también en una caja de fusibles y adaptarse para reemplazar un fusible convencional (tal como un fusible NH).
El conmutador de potencia semiconductor 5B proporcionado dentro de la trayectoria de suministro de potencia secundaria 1B puede comprender un IGBT o un MOSFET de potencia, en particular un MOSFET SiC, un MOSFET GaN o un MOSFET ScAlN.
La caída de tensión AU5 a lo largo del conmutador de potencia semiconductor 5B puede comprender la tensión de fuente de drenaje Uds entre el terminal de origen y el terminal de drenaje del MOSFEt de potencia de semiconductor usado. La caída de tensión AU5 a lo largo del conmutador semiconductor 5B puede, por lo tanto, aumentar de forma no lineal cuando la corriente eléctrica I que fluye a través de la trayectoria de alimentación secundaria 1B está aumentando. Por consiguiente, la tensión de suma Ub aplicada a la entrada de accionamiento DESAT del circuito de accionamiento 6B fluye en respuesta al valor momentáneo de la corriente eléctrica I y al valor momentáneo de una tasa de cambio de la corriente eléctrica, dl/dt. En consecuencia, la detección de sobrecorriente provista en la trayectoria de alimentación secundaria 1B es muy robusta y requiere pocos componentes electrónicos para proporcionar una detección confiable de un aumento de corriente eléctrica I. Para la detección confiable, no se requieren recursos de cálculo de ningún tipo. La detección de la sobrecorriente se realiza independientemente de la unidad de control 8 completamente mediante componentes cableados sin implicar ninguna etapa de cálculo o procesamiento que consuma mucho tiempo. De esta forma, se pueden conseguir periodos de desconexión muy cortos. Asimismo, la detección de sobrecorriente cableada es muy confiable y robusta contra las influencias ambientales.
En una posible implementación del aparato de protección de carga híbrido 1 de acuerdo con la presente invención, el conmutador mecánico 5A comprende un conmutador Thomson que proporciona una funcionalidad de actuador ultrarrápida. Una bobina Thomson implementada en el conmutador Thomson puede contener dos bobinas concéntricas con direcciones de corriente opuestas. Cada bobina puede comprender varias vueltas de alambre conductor, generalmente hechas de cobre con un revestimiento aislante. El campo magnético producido por las bobinas provoca fuerzas electromagnéticas que obligan a las bobinas a separarse entre sí. Después de que el aparato de protección de carga híbrido 1 haya sido activado por una sobrecorriente y el conmutador mecánico 5A, así como el conmutador de potencia semiconductor 5B, se hayan abierto, es posible reactivar el aparato de protección de carga híbrido 1 mediante un comando de conexión aplicado a la unidad de control 8. Por consiguiente, el aparato de protección de carga híbrido 1 se puede reutilizar de nuevo. La potencia de disipación generada por el aparato de protección de carga híbrido 1 durante el funcionamiento normal es baja. La tensión de alimentación Uca aplicada a los terminales de entrada 2 puede variar según el caso de uso. La tensión de alimentación de CA aplicada Uca puede ser más de 400 voltios, por ejemplo, 690 voltioscA con una frecuencia de 50 Hz. El aparato de protección de carga híbrido 1 puede proporcionar protección contra una corriente de cortocircuito de hasta 500 kAmp. Después de que se haya detectado una sobrecorriente de cortocircuito y los conmutadores 5A, 5B se hayan abierto, el aparato de protección de carga híbrido 1 puede reactivarse después de un período de espera en respuesta a una señal de control CMD aplicada a la unidad de control 8. En consecuencia, el aparato de protección de carga híbrido 1 no se destruye por una sobrecorriente de cortocircuito y se puede reactivar para un uso posterior. El aparato de protección de carga híbrido 1 está diseñado para proteger la carga eléctrica 9 del daño causado por un exceso de corriente de una sobrecarga o un cortocircuito. A diferencia de un fusible que funciona una vez y debe ser reemplazado, el aparato de protección de carga híbrido 1 de acuerdo con la presente invención se puede restablecer de forma manual o automática para reanudar el funcionamiento normal. Puesto que la vida útil de los contactos mecánicos está limitada por la erosión del material de contacto debido a la formación de arcos al interrumpir la corriente, la vida útil de funcionamiento normal del aparato de protección de carga híbrido 1 aumenta significativamente mediante la provisión de la trayectoria de alimentación secundaria 1B proporcionada para suprimir la generación de un arco eléctrico durante la desconexión del conmutador mecánico 5A.
En una posible realización, los circuitos de accionamiento 6A, 6B pueden notificar a la unidad de control 8 sobre el estado de conmutación momentáneo del conmutador mecánico 5A y del conmutador de potencia semiconductor 5B a través de líneas de señal.
Una vez que se ha eliminado la condición de fallo, el contacto mecánico del conmutador semiconductor 5B se puede cerrar de nuevo automáticamente para restablecer el alimentación a la carga eléctrica 9. El aparato de protección de carga híbrido 1 se puede utilizar para una amplia variedad de cargas diferentes para diferentes casos de uso. El aparato de protección de carga híbrido 1 está adaptado para proteger las cargas resistivas, capacitivas e inductivas contra sobrecorriente. Incluso las cargas que consumen una cantidad muy alta de energía eléctrica pueden protegerse eficazmente mediante el aparato de protección de carga híbrido 1 de acuerdo con la presente invención.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato de protección de carga híbrido (1), que comprende:
- una trayectoria de alimentación primaria (1A) proporcionada entre un terminal de entrada (2) y un terminal de salida (3) de dicho aparato de protección de carga híbrido (1) y que tiene un conmutador mecánico controlable (5A) conectado en serie a una bobina primaria (4A-1) acoplada inductivamente a una bobina secundaria (4a-2) que proporciona una tensión, Ua, correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través de la trayectoria de alimentación primaria (1A), en donde la tensión proporcionada, Ua, se aplica directamente a una entrada de accionamiento (IN) en un lado de baja tensión de un primer circuito de accionamiento (6A) asociado a la trayectoria de alimentación primaria (1A) para activar automáticamente una desconexión del conmutador mecánico (5A) dentro de un primer período de desconexión (At1) para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria (1A); y que comprende
- una trayectoria de alimentación secundaria (1B) dispuesta en paralelo a la trayectoria de alimentación primaria (1A) entre el terminal de entrada (2) y el terminal de salida (3) de dicho aparato de protección de carga híbrido (1) y que tiene una bobina adicional ( 4B) conectada en serie a un conmutador de potencia semiconductor (5B), en donde se proporciona un segundo circuito de accionamiento (6B) asociado a la trayectoria de alimentación secundaria (1B) para detectar una corriente eléctrica creciente, I, que fluye a través de la trayectoria de alimentación secundaria (1B) causada por la interrupción de la trayectoria de corriente primaria (1A), basándose en una caída de tensión (AU4) generada por la otra bobina (4B) y una caída de tensión no lineal (AU5) a lo largo del conmutador de potencia semiconductor (5B) aplicada como una tensión de suma (Ub) directamente a una entrada de accionamiento (DESAT) en un lado de alta tensión del segundo circuito de accionamiento analógico (6B), para activar automáticamente una desconexión del conmutador de potencia semiconductor (5B) proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria (1B) dentro de un segundo período de desconexión (At2) para interrumpir la trayectoria de alimentación secundaria (1B), de tal forma que se suprime la generación de un arco eléctrico durante la desconexión del conmutador mecánico (5A) y el terminal de entrada (2) y el terminal de salida (3) del aparato de protección de carga híbrido (1) están separados entre sí.
2. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer circuito de accionamiento (6A), proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A), y el segundo circuito de accionamiento (6B), proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria (1B), están ambos adaptados para generar automáticamente una señal de activación en una salida de accionamiento (OUT) en un lado de alta tensión del circuito de accionamiento respectivo (6A; 6B).
3. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde el primer período de desconexión predefinido (At1) para desconectar el conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) es inferior a 1 ms, en particular, en un intervalo entre 1 ps y 1 ms.
4. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3, en donde el conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) comprende un conmutador Thomson.
5. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4, en donde el conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) comprende una unidad de aceleración de desconexión adaptada para acelerar una desconexión de un contacto mecánico del conmutador mecánico (5A) en respuesta a una señal de activación (CRTL) recibida desde la salida de accionamiento (OUT) en el lado de alta tensión del primer circuito de accionamiento (6A) asociado a la trayectoria de alimentación primaria (1A) para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria (1A).
6. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) comprende una unidad de aceleración de desconexión pirotécnica que tiene una carga pirotécnica disparada en respuesta a la señal de activación (CRTL) recibida de la salida de accionamiento (OUT) en el lado de alta tensión del primer circuito de accionamiento (6A) para generar un gas presurizado que acelera la desconexión del contacto mecánico del conmutador mecánico (5A) para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria (1A).
7. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) comprende una unidad de accionamiento de elemento piezoeléctrico.
8. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 7, en donde cuando el conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) se desconecta para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria (1A), la corriente eléctrica, I, fluye cada vez más hacia la trayectoria de alimentación secundaria (1B) detectada por la bobina (4B) en la trayectoria de alimentación secundaria (1B) y la energía de entrada magnética se transforma en calor por medio de una resistencia de baja impedancia (11) provista en la trayectoria de alimentación secundaria (1B).
9. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 8, en donde al menos una unidad de almacenamiento de energía, en particular, un condensador, se conecta al terminal de entrada (2) para almacenar energía eléctrica utilizada por la unidad de aceleración de desconexión del conmutador mecánico (5A) para acelerar la desconexión del contacto mecánico del conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) y/o se usa como alimentación auxiliar.
10. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer período de desconexión (At1) para desconectar el conmutador mecánico (5A) en la trayectoria de alimentación primaria (1A) y el segundo período de desconexión (At2) para desconectar posteriormente el conmutador de potencia semiconductor (5B) en la trayectoria de alimentación secundaria (5B) pueden ajustarse.
11. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 10, en donde el terminal de entrada (2) está conectado a una red de alimentación (PSN) para recibir una tensión de alimentación de CA, Uca, o está conectado a una fuente de alimentación de CC para recibir una tensión de alimentación de CC, Ucc, y en donde una carga eléctrica (9) protegida por el aparato de protección de carga híbrido (1) está conectada al terminal de salida (3) de dicho aparato de protección de carga híbrido (1).
12. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 11, en donde la trayectoria de alimentación primaria (1A) está adaptada para transportar durante el funcionamiento normal una corriente eléctrica que tiene una amplitud de corriente más alta que la corriente eléctrica que fluye a través de la trayectoria de alimentación secundaria (1B).
13. El aparato de protección de carga híbrido (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 12, en donde ambos circuitos de accionamiento (6A; 6B) comprenden dos partes galvánicamente separadas y acopladas inductivamente entre sí por transformadores (T1, T2).
14. Un método para proteger una carga contra una sobrecorriente, comprendiendo el método las etapas de:
- detectar (S1) una sobrecorriente que fluye en una trayectoria de alimentación primaria (1A) a través de un conmutador mecánico (5A) a una carga eléctrica (9) para activar automáticamente una desconexión (S4) del conmutador mecánico (5A) por un primer circuito de accionamiento (6A) asociado a la trayectoria de alimentación primaria (1A) dentro de un primer período de desconexión (At1) para interrumpir la trayectoria de alimentación primaria (1A) en respuesta a una tensión, Ua, correspondiente a la velocidad de aumento de la corriente eléctrica que fluye a través de la trayectoria de alimentación primaria (1A) aplicada directamente a una entrada de accionamiento (IN) en un lado de baja tensión del primer circuito de accionamiento (6A), en donde la tensión aplicada, Ua, es proporcionada por una bobina secundaria (4A-2) acoplada inductivamente a una bobina primaria (4A-1) conectada en serie al conmutador mecánico (5A); y
- detectar (S3) un aumento de una corriente eléctrica causada por la interrupción de la trayectoria de alimentación primaria (1A) y que fluye a través de un conmutador de potencia semiconductor (5B) de una trayectoria de alimentación secundaria (1B) a la carga eléctrica (9), en donde la trayectoria de alimentación secundaria (1B) está conectada en paralelo a la trayectoria de alimentación primaria (1A), en donde una desconexión (S4) del conmutador de potencia semiconductor (5B) se activa automáticamente mediante un segundo circuito de accionamiento (6B) tras la detección del aumento de la corriente eléctrica en la trayectoria de alimentación secundaria (1B) basándose en una caída de tensión (AU4) generada por otra bobina (4B) y una caída de tensión no lineal (AU5) a lo largo del conmutador de potencia semiconductor (5B) aplicada como una tensión de suma (Ub) directamente a una entrada de accionamiento (DESAT) en un lado de alta tensión del segundo circuito de accionamiento (6B) para interrumpir la trayectoria de alimentación secundaria (1B) dentro de un segundo período de desconexión (At2) y para suprimir la generación de un arco eléctrico durante la desconexión del conmutador mecánico (5A) en la trayectoria de alimentación primaria (1A).
15. El método para proteger una carga contra una sobrecorriente de acuerdo con la reivindicación 14, en donde el primer período de desconexión (At1) para desconectar el conmutador mecánico (5A) proporcionado en la trayectoria de alimentación primaria (1A) es inferior a 1 ms y está definido por retardos en la propagación de la señal a lo largo de una primera trayectoria de control que incluye el primer circuito de accionamiento (6a ) y
en donde el segundo período de desconexión (At2) para desconectar el conmutador de potencia semiconductor (5B) proporcionado en la trayectoria de alimentación secundaria (1B) es inferior a 1 ms y está definido por los retardos en la propagación de la señal a lo largo de una segunda trayectoria de señal de control que incluye el segundo circuito de accionamiento (6B),
en donde el período total de desconexión para interrumpir primero la trayectoria de alimentación primaria (1A) y posteriormente la trayectoria de alimentación secundaria (1B) es inferior a 2 ms, en particular, en un intervalo entre 1 |js y 2 ms.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3700038B1 (en) * 2019-02-22 2022-09-07 Future Systems Besitz GmbH An apparatus for switching and protection of a load
GB2616891A (en) * 2022-03-24 2023-09-27 Eaton Intelligent Power Ltd Low-voltage protective arrangement

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19839617A1 (de) * 1998-08-31 2000-03-09 Siemens Ag Schutzeinrichtung für Niederspannungsnetze
DE102004059455A1 (de) * 2004-12-09 2006-06-22 Puls Gmbh Schaltungsanordnung zur Überspannungserkennung und Verfahren zum Betrieb der Schaltungsanordnung
US7190124B2 (en) * 2005-05-16 2007-03-13 Lutron Electronics Co., Inc. Two-wire dimmer with power supply and load protection circuit in the event of switch failure
WO2007060941A1 (ja) * 2005-11-22 2007-05-31 Rohm Co., Ltd. インバータおよびその制御回路、ならびにそれらを用いた発光装置および液晶テレビ
US8031449B2 (en) * 2008-06-17 2011-10-04 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Fast-responding short circuit protection system with self-reset for use in circuit supplied by DC power
US8174801B2 (en) * 2009-04-01 2012-05-08 Honeywell International, Inc. Controlling arc energy in a hybrid high voltage DC contactor
WO2011108874A2 (ko) * 2010-03-05 2011-09-09 Hur Jeen 릴레이, 아크 제어 장치 및 아크 제어 방법
JP4913234B2 (ja) * 2010-07-12 2012-04-11 英男 河村 永久磁石式発電機の電圧一定化の制御装置
JP5920870B2 (ja) * 2011-11-02 2016-05-18 株式会社アマダミヤチ レーザ電源装置
EP2801994B1 (en) 2013-05-07 2019-02-20 ABB S.p.A. DC current switching apparatus, electronic device, and method for switching an associated DC circuit
EP3101678B1 (de) 2015-06-01 2017-09-13 Wöhner GmbH & Co. KG Elektrotechnische Systeme Stromunterbrecher
DE102016106414A1 (de) * 2016-04-07 2017-10-12 Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen
FR3051282B1 (fr) 2016-05-16 2021-05-21 Herakles Dispositif de coupure destine a etre relie a un circuit electrique
US10090770B2 (en) * 2016-06-16 2018-10-02 Nxp B.V. Isolated power converter with output voltage protection
FR3053540B1 (fr) 2016-06-30 2021-02-12 Mersen France Sb Sas Dispositif de coupure a semi-conducteurs
US10243551B1 (en) * 2017-09-06 2019-03-26 Alpha And Omega Semiconductor (Cayman) Ltd. Over voltage protection for cascode switching power device
FR3071660B1 (fr) 2017-09-26 2019-10-11 Arianegroup Sas Dispositif de coupure pyrotechnique
US20190310289A1 (en) * 2018-04-06 2019-10-10 Eaton Intelligent Power Limited Temperature stable rogowski coil
EP3881086A4 (en) * 2018-11-13 2022-07-20 Illinois Institute of Technology HYBRID CIRCUIT BREAKER WITH TRANSIENT COMMUTING CURRENT INJECTOR CIRCUIT
US11431160B2 (en) * 2019-06-19 2022-08-30 Eaton Intelligent Power Limited Hybrid circuit breaker assembly

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