ES2173282T5 - Metodo y dispositivo de control para un actuador de conmutador. - Google Patents
Metodo y dispositivo de control para un actuador de conmutador.Info
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Abstract
UN INTERRUPTOR DE CORRIENTE (4) QUE COMPRENDE UN DISPOSITIVO INTERRUPTOR DE LA CORRIENTE (4) QUE TIENE AL MENOS UN CONTACTO MOVIL (71); UN ACCIONADOR (8) ACOPLADO AL CONTACTO MOVIL (71) DEL INTERRUPTOR DE CORRIENTE (4); UN DETECTOR DE REACCION (14) PARA CONTROLAR EL MOVIMIENTO DEL ACCIONADOR (8); Y UN SISTEMA DE CONTROL (12) ACOPLADO AL DETECTOR DE REACCION (14) PARA RECIBIR LA INFORMACION PROCEDENTE DEL DETECTOR DE REACCION (14) RELATIVA AL MOVIMIENTO DEL ACCIONADOR (8) Y PARA CONTROLAR EL MOVIMIENTO DEL ACCIONADOR (8) EN BASE A LA INFORMACION. EL INTERRUPTOR (4) COMPRENDE ADEMAS UNA MEMORIA (202) PARA ALMACENAR UN PERFIL DE MOVIMIENTO DESEADO DEL ACCIONADOR (8); Y UN MICROPROCESADOR (202) PARA COMPARAR EL MOVIMIENTO DEL ACCIONADOR (8) CON EL PERFIL DE MOVIMIENTO DESEADO Y CONTROLAR EL MOVIMIENTO DEL ACCIONADOR (8) TAMBIEN EN BASE A LA COMPARACION DEL MOVIMIENTO DEL ACCIONADOR (8) CON EL PERFIL DE MOVIMIENTO DESEADO. EL INTERRUPTOR (4) COMPRENDE TAMBIEN UN DETECTOR (204) PARA DETECTAR UNAFORMA DE ONDA DE UNA TENSION EN UNA LINEA A INTERRUMPIR Y PROPORCIONAR INFORMACION RELATIVA A LA FORMA DE ONDA DE TENSION AL SISTEMA DE CONTROL (12); CONTROLANDO EL SISTEMA DE CONTROL (12) EL MOVIMIENTO DEL ACCIONADOR (8) TAMBIEN EN BASE A LA INFORMACION RELATIVA A LA FORMA DE ONDA DE TENSION.
Description
Método y dispositivo de control para un actuador
de conmutador.
La presente invención se refiere a un dispositivo
para controlar conmutadores eléctricos. Más en particular, la
invención se refiere a un dispositivo para controlar un conmutador
que utiliza un actuador de bobina móvil de altavoz para abrir y
cerrar rápidamente y con fiabilidad un interruptor de corriente.
En un sistema de distribución de energía, se
puede incorporar un conmutador dentro del sistema por un número de
razones, tales como para proporcionar protección automática en
respuesta a condiciones anormales de carga, o para permitir la
apertura y el cierre de secciones del sistema. Varios de tipos de
conmutadores incluyen un interruptor para abrir y cerrar
deliberadamente una línea de distribución de energía, tal como una
línea dirigida a una batería de condensadores; un interruptor de
corriente de cortocircuito, para abrir automáticamente la línea
cuando se detecta una corriente de cortocircuito, y un restablecedor
del circuito que, cuando se detecta una corriente de cortocircuito,
abre y cierra rápidamente un número predeterminado de veces hasta
que, o bien desaparece el cortocircuito, o bien se bloquea el
restablecedor en una posición que deja abierto el circuito.
Los interruptores de vacío se han empleado
ampliamente en la técnica porque ofrecen una interrupción rápida y
de arco de baja energía, con contactos de larga duración, baja
fatiga mecánica y un alto grado de seguridad de operación. En un
interruptor de vacío los contactos están herméticos en una cámara de
vacío. Uno de los contactos es un contacto móvil que tiene un
miembro operativo que se extiende a través de un cierre hermético de
vacío en la cámara.
Uno de los objetos de la presente invención es
proporcionar un mecanismo actuador de conmutador y controlar de esta
forma que se minimice la formación de arcos y corrientes de
sobrevoltaje durante la apertura y el cierre.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un mecanismo actuador y regulador de conmutador que por
tanto realice un correcto seguimiento del sistema.
Otro objeto de la presente invención es
suministrar un mecanismo actuador conmutador capaz de un amplio
rango de perfiles de desplazamiento, eliminando de esta forma, la
necesidad de muchos tipos de sistemas mecánicos.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un mecanismo actuador conmutador capaz de ser
controlado mediante cualquier circuitería de control motor
disponible comercialmente o circuitería dedicada al control de
desplazamientos.
Aún otro objeto adicional de la presente
invención es proporcionar un mecanismo actuador conmutador capaz de
proporcionar velocidades y fuerzas incapaces de ser alcanzadas
mediante los sistemas mecánicos de la técnica anterior.
Otro objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un mecanismo conmutador mejorado de operación síncrona,
que conduce a una reducción significativa de las corrientes de
sobrevoltaje generadas durante la operación de conmutación.
Generalmente, en los conmutadores que incorporan
interruptores de vacío, se han utilizado varios mecanismos
accionados por muelles que están conectados a un miembro operativo
para abrir o cerrar, de forma fiable, los contactos del interruptor.
Uno de dichos dispositivos que se utiliza comúnmente es la conexión
articulada simple. La función primaria de estos mecanismos es
minimizar la formación de arcos al accionar muy rápidamente sus
contactos hacia las posiciones de apertura o cierre. Varias
aplicaciones pueden requerir el uso de un número de mecanismos
accionados por muelles con enganches y mecanismos articulados
asociados.
Normalmente se proporciona un actuador con objeto
de cebar estos sistemas mecánicos, bien mediante la compresión o la
extensión del muelle impulsor. Estos actuadores pueden incluir,
aunque no están limitados a ellos: solenoides, motores o
dispositivos hidráulicos. En comparación con los requerimientos
inherentes de velocidad del interruptor para interrumpir
efectivamente la corriente, estos actuadores son relativamente
lentos con tiempos de respuesta pobres. Por esta razón no se emplean
normalmente para accionar directamente los contactos del interruptor
sino que se emplean para cebar los mecanismos de muelle de
accionamiento rápido. La principal desventaja de este sistema es que
la operación accionada por muelles no conduce, en si misma, a que
sea fácilmente controlable y el ajuste fino del funcionamiento del
mecanismo requiere un considerable esfuerzo de ingeniería.
En la práctica, esto significa que se deben
diseñar muchos mecanismos diferentes para que se acomoden a los
diferentes requerimientos de operación de conmutadores,
interruptores de cortocircuito y restablecedores de circuito y,
dentro de cada una de estas clases de conmutadores, existen
diferentes mecanismos que se requieren dependiendo de la aplicación,
incluyendo especificaciones de voltaje y de corriente.
Además de eso, en vista de los altos voltajes que
se utilizan típicamente en aplicaciones de distribución de energía,
es deseable un movimiento rápido y preciso de los contactos de
interruptor para minimizar la creación de arcos eléctricos entre los
contactos y la generación de corrientes de sobrevoltaje. Dependiendo
de la aplicación, tanto como si se trata de la conexión a una
batería de condensadores como de una interrupción de cortocircuito,
puede determinarse, por aquellas personas expertas en la técnica,
cuando tiene lugar el instante más ventajoso para la apertura o el
cierre del contacto del interruptor. Este instante óptimo guarda
relación con un punto preciso de la onda de voltaje o de corriente
para el que la interrupción de la corriente o del contacto
provocaría la mínima creación de arcos eléctricos y de corrientes de
sobrevoltaje. Puesto que los mecanismos accionados por muelles
convencionales no conducen por sí mismos a este grado de control
preciso, esta invención ofrece unos medios viables para conseguir
una conmutación sobre punto de onda o síncrona. Tal operación
síncrona del interruptor es beneficiosa, tanto en términos de la
reducción del desgaste sobre los contactos de interruptor, como en
la significativa reducción de las corrientes de sobrevoltaje
experimentadas en general por el sistema de distribución de energía
aguas abajo de la unidad conmutadora.
Un aspecto adicional de una unidad conmutadora
controlada, que opera de forma síncrona, es que se puede controlar
la velocidad con la que se cierran los contactos. En los sistemas
convencionales, los contactos son accionados entre sí de forma
incontrolada a una velocidad muy alta y es posible que los contactos
reboten un determinado número de veces antes de llegar al reposo.
Este fenómeno de rebote es indeseable porque la creación de los
correspondientes arcos voltaicos puede suavizar los contactos y
crear soldaduras fuertes cuando los contactos finalmente acoplen. El
documento DE-A-1.640.586 representa
la técnica anterior más cercana a la presente invención.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un interruptor de corriente según se define en la
reivindicación 1.
Las características y ventajas anteriores de la
presente invención quedarán claras a partir de la siguiente
descripción más detallada de la invención. Los dibujos adjuntos,
enumerados a continuación, son útiles en la explicación de la
invención.
El texto que sigue, explica la invención en
referencia a realizaciones ilustrativas, en las que:
La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un
conmutador que emplea un actuador de bobina móvil de altavoz;
La figura 2 muestra un corte transversal de una
realización de conmutador;
La figura 3 es un corte transversal del módulo de
vacío mostrado en la figura 2;
La figura 4 muestra una vista ampliada del
mecanismo de operación de la realización mostrada en la figura
2;
La figura 5 muestra una vista en despiece
ordenado de los componentes primarios del mecanismo operación;
La figura 6 muestra un gráfico que ilustra el
voltaje del sistema frente al tiempo y el descenso dieléctrico del
interruptor;
La figura 7 es una vista esquemática de un
circuito que se puede utilizar con la presente invención;
La figura 8 es un gráfico que ilustra un perfil
de desplazamiento que se puede utilizar con la presente
invención;
La figura 9 es una ilustración de un actuador de
bobina móvil de altavoz que se puede utilizar con la presente
invención;
La figura 10 es una vista de un mecanismo de
enganche que se puede utilizar en la presente invención;
La figura 11 es una vista del mecanismo de
muelles de contacto de presión que se puede utilizar con la presente
invención;
La figura 12 es un gráfico que ilustra el
instante síncrono de la operación de apertura de un interruptor de
condensador.
Para un mejor entendimiento de la invención, se
hará referencia a la siguiente descripción detallada tomada en
combinación con los dibujos adjuntos, en los que se ilustran y
describen ejemplos de las realizaciones preferidas de la presente
invención. Cada número de referencia se mantiene concordante a lo
largo de todos los dibujos.
En la figura 1, una línea 2 de distribución de
energía entrante se conecta en serie con un interruptor 4 de
corriente, permitiendo de esta forma que el interruptor 4 abra la
línea. La línea 2 puede abrirse mediante una orden predeterminada, o
en el caso de interruptor de corriente de cortocircuito, si una
corriente de cortocircuito excede un valor umbral predeterminado.
Uno de los contactos del interruptor 4 de corriente está conectado a
un extremo de un vástago 6 de operación. El otro extremo del vástago
6 de operación está conectado de forma operativa a un actuador 8 de
bobina móvil de altavoz. El actuador 8 de bobina móvil de altavoz
actúa directamente sobre el vástago 6 de operación con objeto de
abrir o cerrar los contactos del interruptor 4 de corriente.
El actuador 8 de bobina móvil de altavoz es un
dispositivo de accionamiento directo de movimiento limitado que
utiliza un campo magnético y un bobinado 10 de espiras, para
producir una fuerza proporcional a la corriente aplicada a la
bobina. La conversión electromecánica del actuador 8 de bobina móvil
de altavoz está gobernada por el Principio de la Fuerza de Lorentz,
que establece que si un conductor portador de corriente se sitúa
dentro de un campo magnético actuará sobre él una fuerza. La
magnitud de la fuerza se determina mediante la ecuación:
F =
kBLIN
Donde F equivale a la fuerza, k es una constante,
B es la densidad de flujo magnético, L es la longitud del conductor,
I es la intensidad de corriente del conductor Y N es el número de
espiras del conductor.
La corriente que atraviesa el bobinado 10 de la
bobina móvil de altavoz se controla mediante un mecanismo 12 de
control. Se puede emplear cualquier mecanismo 12 de control
disponible comercialmente. Por ejemplo, los mecanismos 12 de control
adecuados incluyen: controladores de circuitos eléctricos simples,
controladores lógicos programables, o sistemas de control
distribuidos. Los mecanismos 12 de control se pueden conectar a un
dispositivo 14 de retroalimentación, que suministra una señal de
entrada en referencia a la posición del vástago 6 de operación.
El mecanismo 12 de control también se puede
conectar a un dispositivo 16 de enganche. Cuando recibe la orden
proveniente del mecanismo 12 de control, de asegurar el vástago 6 de
operación, el mecanismo 16 de enganche deja fijo el vástago 6 de
operación en la posición en la que se encontraba. En un dispositivo
alternativo, el mecanismo 16 de enganche puede ser un imán
permanente o un enganche mecánico que no está acoplado al
dispositivo 12 de control.
En la figura 2 se muestra una vista del corte
transversal de una de las realizaciones de la invención; Una
encapsulación 18, de una sola pieza, alargada y sólidamente aislada,
encierra el vástago 6 de operación y el interruptor 4 de corriente.
La encapsulación 18 puede estar hecha a partir de cerámica,
porcelana, cualquier epoxia apropiada, o cualquier otro material
sólido aislante apropiado. Un terminal 22 eléctrico lateral de fase
de alto voltaje y un terminal 20 eléctrico lateral de carga de alto
voltaje sobresalen a través de la junta 18 sólidamente sellada, y se
conectan al interruptor 4 de corriente. Los terminales 20 y 22
eléctricos de alta tensión están dispuestos diametralmente separados
180º, y son paralelos uno con respecto al otro. La encapsulación 18
asegura, tanto el aislamiento de sólido entre los terminales 20 y 22
eléctricos de alta tensión, así como el aislamiento de sólido entre
cada uno de los terminales eléctricos de alta tensión y la tierra
eléctrica (no mostrada).
El interruptor 4 de corriente incluye un módulo
24 de vacío o botella, mostrado en corte transversal en la figura 3,
con un par de contactos 71, 72 de conmutador, dispuestos en el
interior del módulo 24 de vacío. El módulo 24 de vacío proporciona
un alojamiento y un entorno sobre el que se ha hecho vacío para la
operación del par de contactos de conmutador. El módulo 24 está
usualmente construido a partir de un recubrimiento 73 cerámico
alargado, generalmente tubular de vacío, formado preferiblemente a
partir de alúmina. Uno de los contactos 71 de conmutador es móvil y
el otro contacto 72 de conmutador es estacionario o fijo.
Un adaptador 76 especial se sujeta a la espiga
del contacto 72 estacionario, permitiendo que el terminal 22
eléctrico de alto voltaje asociado salga formando un ángulo de
90º.
El contacto 71 móvil de interruptor está sujeto
al extremo longitudinal más alto del vástago 6 de operación. Un
método de sujeción es usar de un perno 32 roscado sin cabeza sobre
una conexión 74 de rosca interior dentro de la espiga 75 móvil del
contacto 71 móvil. Cuando los contactos del interruptor se
encuentran en la posición de cierre tal y como se muestra, se crea
un circuito eléctrico de baja resistencia, o cortocircuito, entre
los terminales 20 y 22 eléctricos de alto voltaje. El interruptor 4
de corriente incluye además una unidad de intercambio de corriente y
una interfaz 26 entre el módulo 24 de vacío y la unidad de
intercambio de corriente. La unidad de intercambio de corriente
contiene un pistón 28 móvil y una carcasa 30 exterior fija. En este
modo de realización, el vástago 6 de operación está hecho a partir
de un material aislado eléctricamente.
El otro extremo del vástago 6 de operación se
asegura a una brida 34 sobre el actuador 8 de bobina móvil de
altavoz mediante un pasador 36 rígido. El pasador 36 que mantiene
fijos en su posición los componentes anteriormente mencionados,
puede estar asegurado mediante cualquier medio apropiado, como por
ejemplo un par de anillos de retención. Un cojinete 38 recirculador
lineal de bolas y unos collares 40 partidos, que sujetan el cojinete
de bolas, proporcionan un movimiento suave del vástago 6 de
operación. El arrollamiento 10 de la bobina móvil de altavoz está
dispuesto entre el cuerpo exterior del actuador 8 de bobina móvil de
altavoz y la brida 34. Las espigas 42 laterales están unidas al
cuerpo exterior del actuador 8 de la bobina móvil de altavoz y se
conectan con unas escuadras 44 laterales, para sujetar de manera
segura, el actuador 8 de bobina móvil de altavoz a una carcasa 46
protectora. La carcasa 46 protectora está unida a una tapa 50 para
la carcasa 46 protectora mediante espigas 48 de carcasa, y la tapa
50 de la carcasa protectora se conecta a la cámara 18 sólidamente
aislada mediante espigas 52 de cierre. Al igual que la encapsulación
18 sólidamente aislada, la carcasa 46 protectora también está hecha
a partir de cerámica, porcelana, cualquier epoxia adecuada o de
cualquier otro material sólidamente aislante apropiado.
En este modo de realización, el dispositivo 14 de
retroalimentación, es un sensor de posición, tal como un
potenciómetro 14 lineal. El potenciómetro 14 lineal puede estar
hecho a partir de un reostato de tres terminales o una resistencia
eléctrica con uno o más contactos deslizables, que funciona de esta
forma, como un divisor de voltaje ajustable. El potenciómetro 14
lineal, suministra información referente a la posición del vástago 6
de operación al mecanismo 12 de control que controla el actuador 8
de bobina móvil de altavoz. Alternativamente, el dispositivo 14 de
retroalimentación puede ser un codificador óptico.
El dispositivo 16 de enganche está destinado a
asegurar el vástago 6 de operación. El dispositivo de enganche puede
ser un dispositivo controlable, tal como un electroimán, o un
enganche mecánico simple o un enganche de imán permanente que
incluye: un imán 54 de enganche, un separador 56 hecho de un
material no férrico, un perno 58 que asegure el imán 54 de enganche
a la tapa 50 de la carcasa protectora, una chapa 60 de enganche
hecha de acero o hierro, y un pasador 62 de chapa de enganche que
asegure la chapa 60 de enganche al vástago 6 de operación.
Con objeto de obtener un mayor entendimiento de
la invención, puede hacerse referencia a las figuras 4 y 5. La
figura 4 muestra una vista ampliada del mecanismo de operación del
modo de realización preferido mostrado en la figura 2, y la figura 5
muestra una vista en despiece ordenado de los componentes primarios
del mecanismo de operación.
Ahora se describirán los detalles concernientes
al mecanismo de control de la presente invención.
La figura 6 ilustra una señal 100 de voltaje
dibujada sobre un gráfico que compara el nivel de voltaje
v(t) con el tiempo t. En una aplicación de 60 Hz, cada
semiciclo es, idealmente, de 8,33 ms. Sin embargo, los ciclos reales
pueden variar debido a armónicos o a condiciones asimétricas de modo
que un determinado semiciclo puede ser mayor o menor que 8,33
ms.
Con objeto de minimizar la formación de arcos
eléctricos y de corrientes de sobrevoltaje en una aplicación de
conmutadores de condensador, los contactos de interruptor se cierran
idealmente de forma inmediata en los puntos nulos en los que
v(t) es igual a cero. Véase el punto A en la figura 6. Sin
embrago, ya que los contactos no se pueden cerrar de forma
instantánea, la temporización de iniciación de las secuencias de
apertura y el cierre deben ser controladas cuidadosamente con objeto
de minimizar la formación de corrientes de sobrevoltaje y de arcos
eléctricos.
En la figura 7 se ilustra un modo de realización
preferido de un circuito 200 de control para utilizar con la
presente invención. En el núcleo del circuito 200 de control está un
microprocesador 202 que es apropiado para el uso dentro de un amplio
rango de temperaturas.
La forma de onda de voltaje de la línea de
distribución de energía que está controlada por el interruptor 4 es
analizada mediante un analizador 204 de formas de onda de voltaje,
un circuito 206 de bloqueo de fase y un circuito 208 de detección
cruzada V_{cero}. La información concerniente a la forma de onda
de voltaje de la línea que se va a interrumpir, que incluye la
temporización de los puntos nulos A en los que el voltaje
v(t) es cero, se introduce en el microprocesador 202.
Alternativamente, puede usarse un analizador 204 de formas de onda
de voltaje que mida la forma de onda de voltaje directamente de la
línea sin el circuito 206 de bloqueo de fase.
Las órdenes de apertura y cierre se introducen en
el microprocesador 202 a través de las entradas 210 y 212
respectivamente. Las órdenes de apertura y cierre se pueden crear
manualmente, se pueden iniciar en tiempos programados por un reloj,
se pueden iniciar mediante un control externo o pueden ser
disparadas por la detección de un cortocircuito, dependiendo de la
aplicación particular del interruptor 4.
Se puede introducir una orden 214 de reinicio en
el microprocesador 202 para reiniciar manualmente el microprocesador
202 cuando sea necesario. Por ejemplo, si el interruptor 4 se
manipula manualmente, el microprocesador 202 puede no ajustarse al
estado actual del interruptor 4. En tal situación, el
microprocesador 202 debe ser reiniciado.
Se pueden disponer indicadores de estado para
indicar varias condiciones del circuito 200 o del interruptor 4.
Tales indicadores pueden incluir una luz 216 de mantenimiento para
indicar cuando se necesita mantenimiento, una luz 218 de encendido,
un indicador 220 de interruptor abierto, un indicador 222 de
interruptor cerrado, y un contador 224 que se puede utilizar para
contar los ciclos u operaciones del sistema.
Un modo de realización preferido de la presente
invención puede incluir dos sistemas de control. Un primer sistema
de control es convencional, por lo que no se explicará aquí en
detalle, y determina cuando debe abrirse o cerrarse la línea
controlada por el interruptor 4. El primer sistema de control puede
incluir un detector de cortocircuitos o un temporizador para la
interrupción de la línea una vez que se haya detectado un
cortocircuito, o en un instante predeterminado.
Alternativamente, se puede introducir una orden
de apertura o cierre directamente en el sistema. Las órdenes de
apertura y cierre, tanto originadas desde el primer sistema de
control o manualmente, son introducidas en el microprocesador 202 a
través de las entradas 210 y 212 respectivamente.
El segundo sistema 200 de control, ilustrado en
la figura 7, analiza la forma de onda de voltaje de la línea y
determina el momento óptimo para iniciar la apertura y el cierre del
interruptor 4, con el fin de minimizar las corrientes de
sobrevoltaje y la formación de arcos eléctricos.
Cada interruptor 4 tiene una resistencia
dieléctrica que define la probabilidad de que un arco eléctrico
salte desde un contacto al otro. La resistencia dieléctrica depende
de un número de factores que incluyen el medio interno del
interruptor 4 y la distancia entre los contactos 71,72. La figura 6
ilustra la variación o disminución de la resistencia dieléctrica
entre los contactos 71, 72 frente al tiempo a medida que disminuye
la distancia entre los contactos. Véase la línea C en la figura 6.
Idealmente, la resistencia dieléctrica entre los contactos debería
ser infinita hasta el momento exacto de cierre de los contactos 71,
72. Véase la línea B en la figura 6. En realidad, la pendiente de la
resistencia dieléctrica tiende a bajar, reduciéndose rápidamente a
medida que los contactos se aproximan el uno al otro. Si la
pendiente del descenso dieléctrico es lo suficientemente alta, y la
resistencia dieléctrica permanece mayor que el voltaje de la forma
de onda, la generación de arcos eléctricos y de corrientes de
sobrevoltaje se elimina o se reduce significativamente.
Otro factor a ser considerado durante la
operación de un interruptor es la velocidad relativa entre los
contactos durante la apertura y el cierre. Si los contactos se
mueven lentamente, la pendiente del descenso dieléctrico será baja,
y la formación de arcos eléctricos será propensa a ocurrir. Al
contrario, sí los contactos se mueven demasiado deprisa,
especialmente durante el cierre, los contactos tenderán a rebotar el
uno sobre el otro, causando la formación de arcos eléctricos y
corrientes de sobrevoltaje innecesarios. De acuerdo a esto, sólo
puede existir un único esquema de desplazamiento para cada
aplicación de un interruptor. La figura 8 muestra un esquema de
desplazamiento, en el que la abcisa representa la posición del
contacto 71 móvil y la ordenada representa la velocidad a la que se
mueve el contacto 71. El punto 0 sobre la abcisa representa el punto
de partida o la posición de máxima apertura del contacto 71, y el
punto x representa la posición de cierre, en la que el contacto 71
está tocando al contacto 72 fijo. En el punto cero, cuando se inicia
la orden de cierre, la velocidad es cero. La velocidad se incrementa
lo más rápidamente posible hasta una velocidad máxima V_{max}. La
velocidad permanece igual a V_{max} el mayor tiempo posible, pero
se reduce entonces, a medida que se aproxima al punto de contacto x,
con el fin de minimizar el rebote.
Durante una secuencia de apertura, el perfil de
desplazamiento es también importante para prevenir el
restablecimiento o recebado de arcos eléctricos al poco tiempo del
inicio de la apertura. Si los contactos se separan a una velocidad
demasiado lenta, o en un instante en el que el voltaje sea demasiado
alto, puede producirse una excesiva formación de arcos eléctricos.
Se pueden determinar los perfiles ideales de desplazamiento para las
secuencias de apertura y cierre por aquellos expertos en la técnica
y preprogramarse en el circuito 200.
Volviendo la atención a la figura 12, puede
entenderse mejor la temporización de la operación de apertura en una
aplicación de conmutación de condensadores. La figura 12 se refiere
a la secuencia de apertura de un sistema que incluye una batería de
condensadores. La línea 4 indica el nivel de voltaje de los
condensadores totalmente cargados. El conmutador comienza a abrir en
el punto 2, y se forma el arco eléctrico. Sin embargo, en este
punto, la corriente va disminuyendo y el arco se extingue cuando la
corriente vale cero, en el punto 3. El voltaje del sistema se
encuentra, ahora, en su valor máximo, pero el voltaje entre los
contactos es pequeño debido a la carga de la batería de
condensadores, que se aproxima al valor máximo del voltaje del
sistema. A medida que el voltaje del sistema comienza a caer, el
voltaje en la batería de condensadores permanece alto, que resulta
en un incremento del voltaje entre los contactos. Los contactos
deben separarse con la aceleración suficiente para que el
dieléctrico se incremente más rápidamente que el voltaje creciente
entre los contactos, con el fin de evitar el restablecimiento o
recebado de arcos eléctricos.
La función de control del desplazamiento puede
conseguirse por medio de software cargado en el
microprocesador/microcontrolador o mediante la adición de chips
dedicados al control del desplazamiento que interfieran con el
microprocesador. Se programa un determinado perfil de desplazamiento
en una memoria, que puede ser un chip EEPROM separado en un circuito
226 externo de control, o sobre la memoria del microprocesador o del
microcontrolador. El circuito 226 de control del desplazamiento se
conecta al dispositivo 14 de retroalimentación (codificador) y a un
circuito 228 modulador de la anchura de pulso(MAP). El MAP
228 controla la corriente que se aplica sobre el actuador 8 de
bobina móvil de altavoz. Como la fuerza impulsora del operador 8 de
bobina móvil de altavoz es proporcional a la corriente aplicada
sobre el operador 8 de bobina móvil de altavoz, la velocidad del
actuador 6 (y del contacto 71 móvil) se controla mediante el MAP
228. Como resultado, el actuador 8 de bobina móvil de altavoz se
controla mediante un sistema de bucle cerrado de retroalimentación
que incluye el codificador 14 de posición que emite una señal de
posición del actuador 8 al circuito 226 de control del
desplazamiento. El circuito 226 de control del desplazamiento
compara la posición real del actuador 8 con el perfil ideal de
desplazamiento preprogramado en el circuito 226 de control del
desplazamiento. Basándose en la comparación de la posición real con
el perfil ideal de desplazamiento, se controla el actuador 8 de
bobina móvil de altavoz mediante el MAP, de modo que su movimiento
se aproxima grandemente al desplazamiento ideal que se
pretendía.
El control del actuador se modifica
adicionalmente mediante los circuitos 204, 206 y 208 que comprueban
la forma real de la onda de voltaje de la línea que se va a
interrumpir. Por ejemplo, para una aplicación particular, se puede
determinar que los contactos 71, 72 deben abrirse o cerrarse en un
instante 1 ms posterior al punto de valor cero A (figura 6) de la
señal de voltaje v(t). El perfil ideal de desplazamiento
preprogramado en el circuito 226 de control de desplazamiento
incluye el tiempo total de reacción y de movimiento del actuador 8,
desde el instante en el que se manda la señal de inicio, hasta
instante en el que se cierran los contactos 71, 72. Si el perfil
ideal de desplazamiento indica que el tiempo de reacción y de
movimiento para que los contactos se cierren después de la señal de
inicio es de 7ms, el microprocesador analiza la onda de voltaje real
de la línea que se va a interrumpir y determina un tiempo específico
entre los puntos nulos en el que se debe enviar la señal de inicio.
Los circuitos 204, 206 y 208 establecen primero el período real del
ciclo y la duración del intervalo de tiempo resultante entre los
puntos de valor cero. El circuito 200 de control inicia entonces la
operación del actuador 8 de bobina móvil de altavoz en el instante
posterior al punto de valor cero que es igual a la diferencia del
tiempo real entre los puntos de valor cero y el tiempo de reacción y
movimiento del actuador 8. Por consiguiente, si la forma de onda de
voltaje real indica que existen 8,3 ms entre los puntos de valor
cero y que el tiempo de reacción y de movimiento del actuador es de
7 ms, la secuencia de apertura se inicia 1,3 segundos después de un
punto de valor cero. En una realización alternativa, el sistema
puede asumir que el tiempo real entre puntos de valor cero es de
8,33 ms, y el inicio se calcula sobre la base de esa suposición.
En algunas realizaciones de la presente
invención, se puede programar una pluralidad de perfiles de
desplazamiento en el circuito 200, y se puede seleccionar el perfil
de desplazamiento adecuado mediante una señal de entrada del
operador.
Una vez que se ha iniciado la secuencia, el
desplazamiento real del operador 8 se controla mediante el
codificador 14 y se compara con el perfil ideal de desplazamiento.
La corriente aplicada sobre el actuador 8 se ajusta mediante el MAP
228, basándose en la comparación del movimiento real del actuador 8
con el perfil de desplazamiento ideal.
La figura 9 ilustra otra realización de un
actuador 308 de bobina móvil de altavoz que se puede usar con
cualquiera de las realizaciones de la presente invención. El
actuador 308 de bobina móvil de altavoz incluye un imán en forma de
anillo 310, que es preferiblemente un imán cerámico de 4 MGO. El
imán 310 está alojado entre una pieza 312 polar inferior y una pieza
314 polar superior. Estas piezas polares se forman a partir de
materiales ferromagnéticos, tales como hierro o acero. Las piezas
312 y 314 polares incluyen una abertura 316 central a través de la
cual se extiende un vástago 318 de operación. El vástago 318 de
operación se sujeta sobre las piezas polares 312 y 314, mediante
unos cojinetes 320 auto-lubricantes mediante
polímeros tales como cojinetes 320 IGUS®.
Se fija una chapa 328 de aluminio al vástago 318.
En el borde periférico de la chapa 328 se extiende una bobina 330
desde la chapa 328 hasta una ranura 332 para el paso de aire formada
entre la pieza 312 polar inferior y el imán 310. La bobina 330 puede
estar formada a partir de cable aplanado de modo que se maximice el
número de vueltas que quepan dentro de la ranura 332 para el paso de
aire.
El actuador 308 puede estar accionado por una
batería de 24 voltios o mediante cualquier otro método de suministro
de energía adecuado, incluyendo un convertidor de corriente alterna
a corriente continua de rango automático.
Con objeto de sujetar el dispositivo en una
posición particular, el vástago 318 de operación puede incluir una
ranura 320 en la que se introduce una esfera 322. Véase la figura
10. Un muelle 324 y una tapa 326 empujan la esfera 322 sobre la
ranura 320 para que mantenga el vástago 318 en una posición fija. El
vástago 318 puede liberarse de la esfera 322 mediante la aplicación
de una fuerza, cuyo nivel depende de la resistencia del muelle
324.
Con el fin de asegurar una buena conexión entre
los contactos 71, 72, se puede aplicar un muelle 340, u otra fuerza
sobre el vástago 6 (o 318) para empujar el contacto 71 contra el
contacto 72 con una fuerza predeterminada, tal como
27-45 kg. El muelle se puede comprimir mediante la
acción de un actuador. Volviendo la atención a la figura 11, el
vástago 6, 318, de operación puede incluir un reborde 342 que
proporcione una superficie sobre la que se presione el muelle 340.
Se puede disponer otra superficie de apoyo 344 para que sujete el
borde opuesto del muelle 340.
El muelle 340 aporta el beneficio adicional de
mantener una fuerza adecuada entre los dos contactos 71, 72. Por
ejemplo, después de repetidas operaciones, la formación de arcos
puede causar que los contactos se desgasten. Gracias a la fuerza del
muelle, los dos contactos son impulsados el uno contra el otro
aunque se hayan desgastado. Además, la aplicación de la fuerza causa
una reducción de la resistencia eléctrica entre los contactos en la
posición de cierre, reduciendo de esta forma las pérdidas por
calor.
Si los contactos se desgastan, el vástago 6, 318,
de operación se moverá una distancia mayor con objeto de acomodarse
al desgaste. Como el sensor de posición 14 detecta la distancia
recorrida por el vástago 6, 318, el sistema puede ser programado
para que encienda la señal 216 de mantenimiento o algún otro
indicador, para indicar que se ha producido un desgaste excesivo de
los contactos 71, 72. El sistema puede modificar también su perfil
de desplazamiento para permitir tal incremento en el empuje.
Aunque sólo se han ilustrado y descrito
específicamente en este documento las realizaciones preferidas, se
puede apreciar que son posibles muchas modificaciones y variaciones
de la presente invención en virtud de las enseñanzas anteriores así
como dentro de la competencia de las reivindicaciones anexas, sin
separarse del ámbito de la invención.
Claims (8)
1. Un interruptor (4) de corriente que
comprende:
un dispositivo interruptor de corriente que tiene
al menos un contacto (6) móvil; y un actuador (8) acoplado al
contacto móvil del interruptor de corriente;
un sensor (14) de retroalimentación para detectar
una posición del actuador durante un ciclo de actuación;
un sensor para percibir la forma de una onda de
voltaje en una línea a ser conmutada y suministrar información
concerniente a la forma de onda de voltaje; y
un sistema (12) de control acoplado al sensor de
retroalimentación de modo que reciba la información del sensor de
retroalimentación concerniente a la posición del actuador durante el
ciclo de actuación y acoplado al sensor de modo que reciba la
información del sensor concerniente a forma de onda de voltaje,
caracterizado porque el sistema de control controla el
movimiento del actuador durante el ciclo de actuación basándose en
la información del sensor de retroalimentación y del sensor de modo
que interrumpa o establezca la corriente en la línea que se va a
conectar en una localización deseada a la forma de onda de voltaje y
en el que el actuador es un actuador (8) de bobina móvil de
altavoz.
2. El interruptor (4) de corriente de la
reivindicación 1, que además comprende:
medios (200) para almacenar un perfil de
desplazamiento deseado del actuador (8); y
medios (200) para comparar el movimiento del
actuador con el perfil de desplazamiento deseado, así como para
controlar el movimiento del actuador, basado en la comparación del
movimiento del actuador con el perfil de desplazamiento deseado.
3. El interruptor (4) de corriente de la
reivindicación 1, en el que el sensor (14) de retroalimentación es
un potenciómetro lineal.
4. El interruptor (4) de corriente de la
reivindicación 1, en el que el dispositivo interruptor de corriente
es un interruptor de vacío.
5. El interruptor (4) de corriente de la
reivindicación 1, que además comprende un muelle que impulsa el
dispositivo de interrupción de la corriente hasta una posición
cerrada.
6. El interruptor (4) de corriente de la
reivindicación 1 que además comprende un enganche (16) para limitar
el movimiento del actuador.
7. El interruptor (4) de corriente de la
reivindicación 1, en el que el actuador (8) es un actuador (8) de
bobina móvil de altavoz; el sensor (14) de retroalimentación es un
potenciómetro (14) lineal; el dispositivo interruptor de la
corriente es un interruptor de vacío; y que además comprende un
muelle (340) que impulsa el dispositivo de interrupción de corriente
hasta una posición cerrada y un enganche (16) para limitar el
movimiento del actuador.
8. El interruptor de corriente de la
reivindicación 1, que además comprende:
un sensor para percibir una forma de onda de
corriente en una línea que a ser conmutada y que suministra
información al sistema de control concerniente a la forma de onda de
corriente;
en el que el sistema de control controla el
movimiento del actuador basándose también en la información
concerniente a la forma de la onda de corriente.
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