ES2212499T3 - Dispositivo de control de un electroiman con un circuito de alimentacion alimentado por la corriente de mantenimiento de electroiman. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de control y electroimán, comprendiendo el conjunto al menos una bobina de mantenimiento (1) conectada en serie con un interruptor electrónico (T4) a los bornes de la tensión (Va) de alimentación de la bobina, medios de medición de la corriente de mantenimiento que circula por la bobina de mantenimiento (1), medios de control del electroimán, que comprenden medios de regulación de la corriente de mantenimiento, conectados a los medios de medición de la corriente de mantenimiento y a un electrodo de control del interruptor electrónico (T4), y medios (8) de alimentación de los medios de control, caracterizado por que los medios de alimentación (8) de los medios de control están conectados en serie con la bobina de mantenimiento (1) y el interruptor electrónico (T4) de manera que son alimentados por la corriente de mantenimiento, comprendiendo los medios de medición de la corriente de mantenimiento un circuito de medición conectado en paralelo con los medios (8) de alimentación delos medios de control y comprendiendo, en serie, un interruptor electrónico adicional (T5) y una resistencia de medición (R4), estando los medios de control (9, 10) conectados a los bornes de la resistencia y a un electrodo de control del interruptor electrónico adicional (T5), de manera que se convierte periódicamente en conductor al interruptor electrónico adicional.

Description

Dispositivo de control de un electroimán con un circuito de alimentación alimentado por la corriente de mantenimiento del electroimán.

La presente invención se refiere a un dispositivo de control y un electroimán, comprendiendo el conjunto al menos una bobina de mantenimiento conectada en serie con un interruptor electrónico a los bornes de la tensión de alimentación de la bobina, medios de medición de la corriente de mantenimiento que circula por la bobina de mantenimiento, medios de control del electroimán, que comprenden medios de regulación de la corriente de mantenimiento, conectados a los medios de medición de la corriente de mantenimiento y a un electrodo de control del interruptor electrónico, y medios de alimentación de los medios de control.

Los disyuntores comprenden por lo general un determinado número de auxiliares eléctricos y, más en concreto, electroimanes de cierre (XF) o apertura. Por lo general, están previstos dos tipos de electroimanes de apertura o disparadores voltimétricos. Éstos comprenden un electroimán que debe ser accionado cuando se reúnen ciertas condiciones que han de provocar la apertura del disyuntor. Un disparador de tensión mínima (MN) provoca la apertura del disyuntor cuando la tensión de la red que se ha de proteger desciende por debajo de un cierto nivel, y un disparador de emisión de corriente (MX) provoca la apertura del disyuntor cuando la tensión de la red sobrepasa otro nivel.

Para el control de un electroimán, se suele (documento FR-A-2133652) proporcionar temporalmente una corriente de llamada, relativamente alta, seguida de una corriente de mantenimiento más débil. Esto también puede llevarse a cabo tanto con un dispositivo que comprende una sola bobina, dentro de la cual la corriente se corta para constituir la corriente de mantenimiento, como con un doble bobinado, constituido por una bobina de llamada y una bobina de mantenimiento. También se suele someter las corrientes de llamada y de mantenimiento a niveles de referencia predeterminados (ver el documento FR-A-2568715, que muestra un conjunto según el preámbulo de la reivindicación 1). Este dispositivo está alimentado por un circuito de alimentación que disipa una potencia nada desdeñable y, a consecuencia de ello, es al mismo tiempo costoso y molesto.

La alimentación de tensión a los circuitos de un dispositivo de control de un electroimán puede necesitar la producción de una tensión de alimentación auxiliar. El documento EP-A-353533 propone para ello la utilización de tensiones inducidas en una bobina de control del electroimán en el momento del bloqueo de los transistores conectados en serie con la bobina. Este modo de realización no permite regular la corriente que circula por la bobina, ya que una parte de esa corriente se deriva hacia el circuito de alimentación.

El objetivo de la invención es un dispositivo que permita regular de forma simple la corriente de mantenimiento, proporcionando de forma económica y en un volumen reducido las tensiones de alimentación que necesita el dispositivo.

Según la invención, este objetivo se alcanza porque los medios de alimentación de los medios de control están conectados en serie con la bobina de mantenimiento y el interruptor electrónico de manera que son alimentados por la corriente de mantenimiento, comprendiendo los medios de medición de la corriente de mantenimiento un circuito de medición conectado en paralelo con los medios de alimentación y comprendiendo, en serie, un interruptor electrónico adicional y una resistencia de medición, estando conectados los medios de control a los bornes de la resistencia y a un electrodo de control del interruptor electrónico adicional, de manera que se convierte periódicamente en conductor al interruptor electrónico adicional.

Otras ventajas y características se resaltarán con mayor claridad en la descripción siguiente de modos de realización concretos, puestos a modo de ejemplos no limitativos y representados en los dibujos adjuntos, en los cuales:

Las figuras 1 y 2 representan dos dispositivos de control según la técnica anterior.

La figura 3 ilustra un primer modo de realización de un dispositivo según la invención.

La figura 4 ilustra los elementos adicionales del dispositivo según la figura 3 en un segundo modo de realización que comprende una bobina de llamada.

La figura 5 ilustra un modo de realización concreto del adaptador de tensión del dispositivo según la figura 3.

La figura 6 representa una variante de realización del circuito de alimentación del dispositivo según la figura 3.

El dispositivo según la figura 1, que es del tipo descrito en el documento FR-A-2568715, comprende una bobina 1 conectada en serie con un transistor T1 y una resistencia de medición R1 a los bornes de la tensión de alimentación Va. Normalmente, un diodo de rueda libre está conectado en paralelo con la bobina 1. Un circuito 2 de control y regulación está conectado a un electrodo de control del transistor T1. Una entrada del circuito 2 recibe señales A de control del electroimán. El circuito 2 también está conectado a los bornes de la resistencia R1 de manera que recibe señales lb que representan la corriente que circula dentro de la bobina 1 en el momento en que el transistor T1 es conductor. El circuito 2 permite así al mismo tiempo controlar el dispositivo y someter la corriente de la bobina a valores predeterminados, independientes de la tensión de alimentación Va. Un circuito 3 de alimentación, conectado a los bornes de la tensión Va proporciona al circuito 2 una tensión de alimentación auxiliar Vb1 estabilizada.

En el dispositivo según la figura 1, el circuito de alimentación 3 disipa una potencia nada desdeñable. A modo de ejemplo, si la corriente de alimentación que debe proporcionar es del orden de 4mA y si la tensión Va alcanza los 500V, la potencia disipada por el circuito de alimentación puede alcanzar los 2W. Al disipar normalmente la bobina del electroimán una potencia del orden de varios vatios, el volumen relativo del circuito de alimentación es desproporcionado. La utilización de un circuito de alimentación 3 conmutado podría eventualmente permitir la limitación de su consumo, pero no resolvería ni el problema del coste ni el del volumen.

El dispositivo según la figura 2, que es del tipo descrito en el documento EP-A-353533 comprende una bobina 1 conectada en serie con dos transistores T2 y T3 a los bornes de la tensión de alimentación Va. Un circuito 4 de control, de tipo de modulación de impulsos en anchura (MIA), está conectado a los electrodos de control de los transistores T2 y T3. Un circuito de alimentación 5 permite derivar de la tensión Va una tensión de alimentación auxiliar Vb2, que es negativa en el modo de realización representado en la figura 2. El punto común de la bobina 1 y el colector del transistor T3, de tipo NPN, está conectado a la tensión Va por medio de un diodo D2, mientras que el punto común de la bobina 1 y el transistor T2, de tipo PNP, está conectado a la tierra por medio de un tiristor TH. El tiristor TH se utiliza para regular la tensión de alimentación auxiliar Vb2 que aparece en los bornes de un condensador C1 conectado, en serie con un diodo D3, a los bornes de un tiristor TH. Un circuito 6 de regulación de la tensión Vb2 está conectado en paralelo con el condensador C1 y proporciona al gatillo del tiristor TH señales de control del tiristor. Cuando el transistor T2 pasa del estado conductor al estado bloqueado, bajo el control del circuito 4, se induce una tensión en la bobina 1. Ésta se transmite por una tensión negativa al cátodo del diodo D3, que carga así de forma negativa al condensador C1. Cuando se obtiene la tensión deseada en los bornes del condensador C1, el circuito 6 de regulación de la tensión Vb2 mantiene esta tensión en el valor deseado por medio del tiristor TH.

En el circuito según la figura 2, no es posible someter la corriente que circula en la bobina a un valor predeterminado utilizando una medición de la corriente por una resistencia dispuesta en serie con la misma como en el dispositivo según la figura 1. De hecho, una parte de la corriente que circula en la bobina se desvía hacia el circuito de alimentación 5.

En el modo de realización de la invención según la figura 3, el dispositivo de control está conectado por un puente rectificador de doble alternancia 7 a una tensión alternativa. El puente rectificador proporciona la tensión de alimentación Va de al menos una bobina 1. En un modo de realización preferente, el dispositivo es un dispositivo de doble bobinado con una bobina de llamada (no representada en la figura 3) y una bobina de mantenimiento constituida por la bobina 1 de la figura 3.

La bobina 1 está conectada en serie con un transistor T4, de tipo MOS en la figura, y un circuito de alimentación 8 que proporciona dos tensiones de alimentación auxiliares Vb y Vc.

El control del electroimán se efectúa mediante un circuito con microprocesador 9. En la figura 3, comprende una entrada E1 conectada en el punto medio de un divisor de tensión, constituido por dos resistencias R2 y R3 conectadas en serie a los bornes de la tensión de alimentación Va. El dispositivo puede así ser utilizado para el control del electroimán de un disparador voltimétrico, pudiendo la tensión de los bornes de R3, que representa la tensión aplicada en la entrada del puente rectificador 7, ser comparada por el microprocesador a niveles predeterminados, mínimos para un disparador de tensión mínima o máximos para un disparador de emisión de corriente.

Una salida S1 del circuito con microprocesador 9 está conectada al electrodo de control del transistor T4 por medio de un adaptador de tensión 10, a su vez alimentado por la tensión Va. El circuito con microprocesador 9 controla el estado del transistor T4, por una parte en función del valor de la tensión de los bornes de resistencia R3 y, por otra parte, de manera que somete la corriente de mantenimiento de la bobina 1 a un valor predeterminado. Para ejecutar dicho sometimiento, o la regulación de la corriente de mantenimiento, el circuito con microprocesador 9 necesita una medición de esta corriente. Para ello, el dispositivo comprende un circuito de medición conectado en paralelo con el circuito de alimentación 8. El circuito de medición comprende una resistencia de medición R4 conectada en serie con un transistor T5, de tipo MOS en la figura. El electrodo de control del transistor T5 está conectado a una salida S2 del circuito 9, mientras que la tensión de los bornes de resistencia de medición R4 se aplica a una entrada E2 del circuito 9.

En el modo de realización concreto de la figura 3, el circuito de alimentación 8 comprende un diodo Zener Z1 conectado en serie con la bobina 1 y el transistor T4 a los bornes de la tensión de alimentación Va. Un diodo D4 está conectado, en serie con un condensador C2, a los bornes del diodo Zener Z1. Un circuito 11 de regulación de la tensión de alimentación auxiliar Vb está conectado en paralelo con el condensador C2.

En la figura 3, la tensión de alimentación auxiliar Vb está aplicada a una entrada de alimentación del circuito con microprocesador 9. La tensión auxiliar de alimentación Vc, no regulada, es la tensión de los bornes del condensador C2. Ésta puede utilizarse para el control de una bobina de llamada como se pondrá de manifiesto con mayor detalle haciendo referencia a la figura 4. En un modo de realización preferente, la Vb está próxima a los 5V mientras que la Vc es del orden de 10V.

El dispositivo según la figura 3 funciona de la manera siguiente. El paso de una corriente de mantenimiento regulada en la bobina 1 está controlado por el circuito con microprocesador 9. Cuando el transistor T4 es conductor, la corriente de mantenimiento desarrolla en los bornes del diodo Zener Z1 una tensión predeterminada, del orden de 10V por ejemplo, que carga el condensador C2 por medio del diodo D4. Se obtiene así la tensión de alimentación auxiliar Vc, no regulada, en los bornes del condensador C2. Esta tensión se aplica al circuito 11 de regulación de Vb, que puede ser de cualquiera de los tipos conocidos, por ejemplo un regulador lineal, de manera que se proporciona la tensión de alimentación auxiliar Vb.

De forma periódica, preferentemente cada 312 \mus, el circuito con microprocesador 9 aplica simultáneamente sobre las salidas S1 y S2 señales de control de la conducción de los transistores T4 y T5 durante el tiempo necesario para la medición de la tensión de los bornes de resistencia R4. Al ser el transistor T5 conductor, la tensión aplicada a los bornes del diodo Zener Z1, es decir, a la entrada del circuito de alimentación 8, disminuye, por ejemplo a un valor cercano a varios voltios (3V, por ejemplo). La corriente de mantenimiento ya no alimenta el circuito de alimentación, sino que el diodo D4 polarizado a la inversa impide la descarga del condensador C2 a través del transistor T5. La corriente de mantenimiento que circula por la bobina pasa entonces íntegramente, por medio del transistor T5, a través de la resistencia de medición R4. El circuito con microprocesador 9 obtiene así periódicamente en su entrada E2 una medición representativa de la corriente de mantenimiento. Esta medición es utilizada por el circuito con microprocesador 9 para regular la corriente de mantenimiento. Si la corriente de mantenimiento es inferior o igual a un valor de referencia predefinida, el circuito 9 mantiene al transistor T4 como conductor hasta la medición siguiente. Por el contrario, si la corriente de mantenimiento es superior al valor de referencia, el transistor T4 se bloquea hasta la medición siguiente.

El circuito de alimentación 8 de la figura 3 sólo disipa una potencia muy débil, del orden de 20mW para una corriente de alimentación de 4mA bajo una tensión Vb de 5V, independientemente del nivel de la tensión Va.

El dispositivo según la figura 3 puede ser completado por los elementos adicionales representados en la figura 4. En ese modo de realización, el dispositivo comprende además una bobina de llamada 12 conectada en serie con un transistor T6 y una resistencia de medición R5 a los bornes de la tensión de alimentación Va. Un diodo de rueda libre D5 está conectado en paralelo con la bobina 12. El circuito con microprocesador 9 comprende una salida S3 de control destinada a controlar el paso de una corriente de mantenimiento por la bobina de llamada 12. En las figuras 3 y 4, esta corriente puede regularse normalmente por el circuito con microprocesador 9 que recibe sobre una entrada E3 señales representativas de la tensión de los bornes de resistencia de medición R5, es decir, señales representativas de la corriente de llamada que circula por la bobina de llamada 12.

Las señales de control provenientes del circuito con microprocesador 9 son señales de tensión muy baja, por ejemplo del orden de 5V, mientras que la tensión de alimentación Va de las bobinas 1 y 12 puede alcanzar los 220V o incluso los 500V. Para ello es necesario interponer adaptadores de tensión entre las salidas S1 y S2 y los electrodos de control de los transistores T4 y T6.

En la figura 5 se representa un modo concreto de realización, de tipo conocido, del adaptador de tensión 10 de la figura 3. Éste comprende una resistencia de alta tensión R6 conectada en serie con un diodo Zener Z2 a los bornes de la tensión de alimentación Va. Una resistencia R7 está conectada en serie con un transistor T7, en paralelo con el diodo Zener Z2. El electrodo de control del transistor T7 está conectado a la salida S1 del circuito con microprocesador 9. El punto común de las resistencias R6 y R7 y el diodo Zener Z2 forma la salida del adaptador de tensión, conectada al electrodo de control del transistor T4. Cuando el nivel de señales lógicas aplicadas en la S1 es bajo (por ejemplo, 0V), el transistor T8 está bloqueado y el electrodo de control del transistor T8 está a un nivel alto, correspondiente a la tensión de limitación del diodo Zener Z2, superior a la tensión Vc. A modo de ejemplo, la tensión de limitación del diodo Zener Z2 puede ser del orden de 18V. El transistor T4 es conductor en ese momento. Por el contrario, si el nivel de las señales lógicas aplicadas en la S1 es alto, (por ejemplo 5V), el transistor T7 conduce y cortocircuita el diodo Zener Z2, devolviendo el electrodo de control del transistor T4 a un nivel bajo y bloqueando por tanto el transistor T4.

Un circuito del mismo tipo podría utilizarse entre la salida S3 y el electrodo de control del transistor T6. No obstante, ese tipo de circuito, que necesita la utilización de una resistencia de alta tensión R6 y de un diodo Zener Z2, es molesto. El modo de realización concreto de la figura 4 permite descartar este inconveniente utilizando como tensión de alimentación del adaptador de tensión la tensión auxiliar Vc alimentada por el circuito de alimentación 8. Hay que resaltar que la tensión de alimentación auxiliar Vb, del orden de 5V, no sería suficiente para hacer conmutar el transistor T6. Por el contrario, la tensión Vc, del orden de 10V, es del todo apropiada. El adaptador de tensión de la figura 4 comprende dos resistencias R8 y R9 conectadas en serie entre la tensión de alimentación auxiliar Vc y el electrodo de control del transistor T6. Un transistor T8, de tipo MOS, está conectado entre el punto común de las resistencias R8 y R9 y la tierra. El electrodo de control del transistor T8 está conectado a la salida S3 y a la tensión de alimentación auxiliar Vb por medio de una resistencia R10. Cuando las señales lógicas aplicadas en la S3 están a un nivel bajo, el transistor T8 se bloquea y el transistor T6 se convierte en conductor. Por el contrario, cuando las señales lógicas aplicadas en la S3 están a un nivel alto, el transistor T8 es conductor y bloquea el transistor T6.

El circuito 11 de regulación de la tensión de alimentación auxiliar puede también comprender (fig 3) una salida conectada a una entrada R de inicio ("reset") del circuito con microprocesador 9, de manera que se reinicia el microprocesador cuando su tensión de alimentación Vb desciende por debajo de un cierto nivel.

Al poner en funcionamiento el dispositivo, el circuito con microprocesador 9 se inicia automáticamente. Sus puertos de entrada/salida están a una impedancia alta. En la figura 4, una resistencia R11, conectada entre el electrodo de control del transistor T7 y la tierra, fija el potencial de este electrodo en 0V bloqueando el transistor T7, lo que convierte en conductor al transistor T4. En consecuencia, automáticamente se produce la carga del condensador C2, lo que garantiza el arranque del dispositivo.

Los microprocesadores recientes integran a menudo la función de reinicio en caso de valores bajos de alimentación. En ese caso, la salida del circuito 11 conectada a la entrada R del circuito 9 ya no es indispensable y la tensión Vb ya no tiene que ser tan precisa. Entonces es posible simplificar el circuito de alimentación 8. En la figura 6 se ilustra una variante simple.

En la figura 6, el circuito de regulación 11 está suprimido y el diodo Zener Z1, sustituido por un circuito que comprende en serie un diodo D6, normalmente conductor, y un diodo Zener Z3 cuyo nivel umbral de tensión es igual a la tensión de alimentación auxiliar Vb deseada, por ejemplo del orden de 5V. El diodo D6 permite compensar el efecto de las variaciones de temperatura sobre la tensión del diodo D4.

Si el dispositivo de control comprende el circuito de alimentación 8 simplificado de la figura 6, la tensión de alimentación auxiliar Vc ya no está disponible para la alimentación del adaptador de tensión de la figura 4. La tensión de los bornes del diodo Zener Z2 del adaptador de tensión 10 (figura 5) puede utilizarse en sustitución de la tensión de alimentación auxiliar Vc.

Para desactivar el electroimán, es necesario interrumpir la corriente de las bobinas de llamada y de mantenimiento durante al menos 15 ms. La supresión de la corriente de mantenimiento que proporciona la tensión de alimentación Vb del circuito con microprocesador 9 plantea el problema del mantenimiento de esta alimentación durante este periodo. A modo de ejemplo, si el circuito con microprocesador 9 consume 4mA, el mantenimiento de su alimentación durante 15ms implica la utilización de un condensador C2 (figura 3) de tamaño considerable y, por tanto, molesto. Según un perfeccionamiento de la invención, para permitir que se reduzca el tamaño del condensador C2, el dispositivo de control provoca, a partir del envío de una orden de desactivación que controla el bloqueo del transistor T4, el paso del microprocesador a un modo concreto de espera, llamado modo STOP. En modo STOP, el circuito con microprocesador tiene un consumo muy reducido, por ejemplo del orden de varios microamperios (de 1 a 10 \muA). Al no ser ya cargado el condensador C2 por la corriente de mantenimiento, éste se descarga lentamente. Cuando la tensión Vb desciende por debajo de un nivel predeterminado, el microprocesador se reinicia automáticamente, bien por el circuito 11 de regulación, bien por sí mismo o bien por cualquier circuito de comparación adecuado. Este reinicio provoca automáticamente, como en la fase de puesta en funcionamiento, el paso de los puertos de entrada/salida del microprocesador a alta impedancia y, por lo tanto, la entrada en conducción del transistor T4, la carga del condensador C2 y la subida de la tensión auxiliar Vb. No obstante, el condensador C2 está dimensionado para que el reinicio del microprocesador se haga siempre después de los 15 ms necesarios para la desactivación del electroimán. Al desactivar éste, el paso de la corriente de mantenimiento por la bobina 1 en el momento del reinicio es insuficiente para provocar su activación, que necesita una corriente de llamada de mayor nivel.

En la descripción anterior, la bobina 1 es una bobina de mantenimiento y la bobina 12 (figura 4) una bobina de llamada. La invención se aplica también en los casos en los que el dispositivo comprende sólo una bobina (1) que hace al mismo tiempo el papel de bobina de llamada y el de bobina de mantenimiento en función de la corriente que circula por la bobina, regulando el circuito 9 con microprocesador la corriente de mantenimiento a un nivel predeterminado inferior a la corriente de llamada.

El dispositivo según la figura 3, en el cual las señales aplicadas a la entrada E1 del circuito con microprocesador 9 representan la tensión de red que se ha de proteger, está adaptado de forma más concreta al control de los disparadores voltimétricos (MN o MX). La invención se aplica a todo tipo de electroimanes y, en concreto, también a los electroimanes de cierre de un disyuntor, al aplicarse en ese caso una señal de control adecuada sobre la entrada E1.

Claims (7)

1. Dispositivo de control y electroimán, comprendiendo el conjunto al menos una bobina de mantenimiento (1) conectada en serie con un interruptor electrónico (T4) a los bornes de la tensión (Va) de alimentación de la bobina, medios de medición de la corriente de mantenimiento que circula por la bobina de mantenimiento (1), medios de control del electroimán, que comprenden medios de regulación de la corriente de mantenimiento, conectados a los medios de medición de la corriente de mantenimiento y a un electrodo de control del interruptor electrónico (T4), y medios (8) de alimentación de los medios de control, caracterizado porque los medios de alimentación (8) de los medios de control están conectados en serie con la bobina de mantenimiento (1) y el interruptor electrónico (T4) de manera que son alimentados por la corriente de mantenimiento, comprendiendo los medios de medición de la corriente de mantenimiento un circuito de medición conectado en paralelo con los medios (8) de alimentación de los medios de control y comprendiendo, en serie, un interruptor electrónico adicional (T5) y una resistencia de medición (R4), estando los medios de control (9, 10) conectados a los bornes de la resistencia y a un electrodo de control del interruptor electrónico adicional (T5), de manera que se convierte periódicamente en conductor al interruptor electrónico adicional.

2. Conjunto según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios (8) de alimentación comprenden un diodo Zener (Z1, Z3) en serie con la bobina de mantenimiento (1) y el interruptor electrónico (T4), y un diodo (D4) conectado en serie con un condensador (C2) a los bornes del diodo Zener.

3. Conjunto según la reivindicación 2, caracterizado porque los medios de alimentación comprenden un diodo (D6) en serie con el diodo Zener (Z3).

4. Conjunto según la reivindicación 2, caracterizado porque los medios de alimentación comprenden un circuito (11) de regulación de la tensión en paralelo con el condensador (C2).

5. Conjunto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los medios de control comprenden un circuito (9) con microprocesador.

6. Conjunto según la reivindicación 5, caracterizado porque los medios de control comprenden un circuito adaptador de tensión (10) conectado entre una salida (S1) del circuito (9) con microprocesador y el electrodo de control del interruptor electrónico (T4).

7. Conjunto según una de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque el circuito (9) con microprocesador pasa a un modo de espera cuando proporciona al electroimán una orden de desactivación.