ES2223072T3 - Disparador electronico que consta de, en serie, filtros de respuesta por impulsos finita e infinita. - Google Patents
Disparador electronico que consta de, en serie, filtros de respuesta por impulsos finita e infinita.Info
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Abstract
ESTE DISYUNTOR ELECTRONICO INCORPORA EN SERIE PARA CADA UNA DE LAS FASES DE UNA RED UN MUESTREADOR (6), UN CIRCUITO (8) DE ELEVACION AL CUADRADO Y UN FILTRO (9) DE RESPUESTA IMPULSIONAL FINITA (FIR). UN CIRCUITO (14) DE MAXIMA ESTA CONECTADO A LA SALIDA DE LOS FILTROS FIR (9) Y A LA ENTRADA DE UN FILTRO (5) DE RESPUESTA IMPULSIONAL INFINITA (IIR). UN CIRCUITO DE COMPARACION (7) CON UMBRALES DE COMPARACION ESTA CONECTADO A LA SALIDA DEL FILTRO IIR (5). DE ESTE MODO ES POSIBLE OBTENER AL MISMO TIEMPO BUENA PRECISION, BUEN FILTRADO DE LOS ARMONICOS DE LAS FRECUENCIAS DE RED CLASICAS (50 HZ, 60 HZ Y 400 HZ) Y REDUCIR LA POTENCIA DE CALCULO NECESARIA Y, POR TANTO, EL COSTE DEL DISYUNTOR.
Description
Disparador electrónico que consta de, en serie,
filtros de respuesta por impulsos finita e infinita.
La invención se refiere a un disparador
electrónico conectado a unos medios de medición de la corriente que
circula en una red eléctrica polifásica que debe protegerse y que
consta de unos medios de muestreo de señales de corriente provistas
por los medios de medición, unos medios de cálculo, conectados a los
medios de muestreo y que calculan una magnitud representativa del
estado térmico de la red, y unos medios de comparación de dicha
magnitud con unos umbrales de disparo predeterminados, los medios
de cálculo comprendiendo unos primeros medios de filtración, del
tipo filtro de respuesta por impulsos finita, que reciben las
muestras de señales de corriente y proveen unas señales
representativas del valor eficaz de la corriente.
En algunos disparadores electrónicos conocidos,
con microprocesador, determinadas funciones de disparo,
especialmente las de temporización larga, se realizan mediante un
filtro numérico de respuesta por impulsos finita (FIR). Tal filtro
permite realizar la suma de un número predeterminado de muestras.
Si las muestras de entrada del filtro están constituidas por los
cuadrados de las muestras representativas de la corriente medida, se
obtienen de salida unas señales representativas del valor eficaz de
la corriente medida. Sin embargo, este tipo de filtro no siempre
permite obtener la respuesta con la frecuencia deseada en la medida
en que los armónicos no están suficientemente atenuados y no
permite tener una representación del estado térmico de la
instalación.
En otros disparadores electrónicos conocidos, se
utiliza un filtro numérico de respuesta por impulsos infinita (IIR)
con el fin de establecer un modelo del estado térmico de la
instalación. Si la frecuencia de muestreo es suficientemente
elevada, los resultados obtenidos son satisfactorios. A título de
ejemplo, un filtro de este tipo resulta satisfactorio para una
frecuencia de muestreo de 1600 Hz para las redes clásicas de 50 Hz,
60 Hz ó 400 Hz. Por el contrario, si se desea utilizar un
microprocesador barato, lo que obliga a limitar la frecuencia de
muestreo, los resultados obtenidos no son satisfactorios en lo que
respecta a la precisión de la medición.
La invención tiene como objetivo un disparador
barato que permita obtener unos resultados satisfactorios tanto en
lo que se refiere a la filtración como al establecimiento de un
modelo del estado térmico.
Según la invención, este objetivo se cumple
gracias a un disparador según la reivindicación 1.
Otras ventajas se desprenderán de una manera más
clara de la siguiente descripción de los modos de realización
particulares de la invención, aportados a título de ejemplos no
limitativos y representados en los dibujos adjuntos en los que:
- la figura 1 ilustra, en forma de diagrama
esquemático, un disparador de tipo conocido,
- las figuras 2 y 3 representan,
esquemáticamente, unos modos de realización particulares del
circuito de tratamiento del disparador según la figura 1,
respectivamente, con un filtro de respuesta por impulsos infinita
(fig. 2) y con un filtro de respuesta por impulsos finita (fig.
3).
- las figuras 4 y 5 ilustran respectivamente las
respuestas en frecuencia de las funciones de transferencia K1 y K2
de los filtros según las figuras 2 y 3, respectivamente, para unas
frecuencias de muestreo de 1600 Hz y de 800 Hz.
- la figura 6 representa la respuesta en
frecuencia de la función de transferencia K3 de un filtro según la
figura 2 para una frecuencia de muestreo de 800 Hz.
- la figura 7 ilustra un modo de realización
particular del circuito de tratamiento correspondiente a una fase
de un disparador según la invención.
- la figura 8 ilustra la sucesión de muestras
aplicadas en la entrada del filtro de respuesta por impulsos finita
(FIR) del circuito según la figura 7.
- la figura 9 ilustra, de una forma más
detallada, un modo de realización particular del filtro de
respuesta por impulsos infinita del circuito según la figura 7.
- la figura 10 representa la respuesta en
frecuencia de las funciones de transferencia K'1, K'2 y K4,
respectivamente, del filtro de respuesta por impulsos infinita, del
filtro de respuesta por impulsos finita y del conjunto de los dos
filtros del circuito según la figura 7, para una frecuencia de
muestreo de 900Hz.
- la figura 11 representa un modo particular de
realización de la invención para el caso de una red polifásica.
En la figura 1, el disparador consta de un
circuito de tratamiento 1, con microprocesador, que recibe de
entrada unas señales representativas de la corriente I que circula
en una red eléctrica que debe protegerse. Para simplificar las
explicaciones, en la figura 1, la red eléctrica está representada
esquemáticamente en forma de red monofásica, y un sensor de
corriente 2 provee al disparador las señales I. En caso de fallo en
la red, el circuito de tratamiento 1 provee, eventualmente tras una
temporización apropiada, unas señales Sd de disparo a un relé 3 que
provoca la abertura de un disyuntor 4 y la interrupción de la
circulación de la corriente en la red.
El modo de realización particular del circuito de
tratamiento según la técnica anterior ilustrado en la figura 2,
consta de un filtro numérico 5 de respuesta por impulsos infinita,
o filtro IIR. Las señales de corriente I se aplican en la entrada de
un circuito de muestreo 6 que provee de salida unas muestras de
corriente Ik. La entrada del filtro IIR está conectada a la salida
del circuito de muestreo 6 por medio de un circuito 8 de elevación
al cuadrado. Las señales \theta de salida del filtro IIR son
representativas del estado térmico de la red y se aplican en la
entrada de un circuito 7 de comparación con unos umbrales de
disparo. El circuito 7 consta, eventualmente, de unas
temporizaciones y provee una señal de disparo Sd si la magnitud
\theta es superior a un umbral predeterminado durante la
temporización correspondiente.
En el modo de realización del circuito de
tratamiento de la figura 3, la salida del circuito de muestreo 6
está conectada a la entrada de un circuito 8 de elevación al
cuadrado, cuya salida está conectada a la entrada de un filtro
numérico 9 de respuesta por impulsos finita, o filtro FIR. Las
señales de salida del filtro FIR 9 son representativas del cuadrado
Ieff^{2} del valor eficaz de la corriente que circula en la red.
El circuito de comparación 7 provee una señal de disparo si el
cuadrado del valor eficaz de la corriente es superior a un umbral
predeterminado durante la temporización correspondiente.
La respuesta en frecuencia de la función de
transferencia K1 del filtro IIR 5 de la figura 2 está ilustrada en
la figura 4 para una frecuencia de muestreo de 1600 Hz. La función
de transferencia K1 es la siguiente:
K1 =
\left|\alpha1/\left[1 + (\alpha1 - 1)e^{-j2\pi
F.Te}\right]\right|
en la que F es la frecuencia,
\alpha1 una constante tal que: \alpha1 = Te/\tau, siendo
\tau la constante de tiempo de filtro 5 y Te el periodo de
muestreo.
El filtro IIR 5 rehace el cálculo de un nuevo
valor \thetak de \theta en cada muestra Ik a partir del valor
de \thetak-1 calculado precedentemente y de la
nueva muestra Ik.
La respuesta en frecuencia K1 es aceptable pues
atenúa correctamente tanto los armónicos de 50 Hz, como los de 60
Hz y los de 400 Hz.
La figura 5 representa la respuesta en frecuencia
de la función de transferencia K2 del filtro FIR 9 de la figura 3,
para una frecuencia de muestreo de 800 Hz y un cálculo de valor
eficaz utilizando 16 muestras. Además, de manera conocida, un
periodo de desfase td, de algunos milisegundos, 1,9 ms en el modo de
realización representado, se añade al periodo de muestreo Te tras
cada grupo de 8 muestras. Tal desfase permite filtrar eficazmente a
la vez los armónicos de 50 Hz y los de 60 Hz. La función de
transferencia es la siguiente:
K2
=\left|\sum\limits_{k = 0}^{7}e^{-j2\pi FkTe} + \sum\limits_{k =
0}^{7}e^{-j2\pi F(Te(k + 8)+td)}
\right|/16
La atenuación de los armónicos puede considerarse
satisfactoria con la frecuencia de muestreo escogida, 800 Hz,
inferior a la frecuencia de muestreo asociada a K1. Sin embargo, el
circuito según la figura 3 no permite tener en cuenta el
calentamiento real de los conductores de la red. De hecho, cuando se
utiliza el circuito según la figura 2, los resultados son
diferentes a los que se obtienen cuando se utiliza el circuito
según la figura 3.
Por otro lado, si se disminuye la frecuencia de
muestreo en un circuito con filtro IIR según la figura 2, la
respuesta en frecuencia se vuelve insatisfactoria. Tal respuesta
viene ilustrada, por ejemplo, en la figura 6, con una frecuencia de
muestreo de 800 Hz. Está claro que los armónicos de 400 Hz,
principalmente, no están nada atenuados.
Según la invención, es posible obtener una
respuesta en frecuencia totalmente satisfactoria con una frecuencia
de muestreo muy inferior a la utilizada hasta ahora con un filtro
de tipo IIR (1600 Hz), por ejemplo, con una frecuencia de muestreo
de aproximadamente 900 Hz.
El circuito de tratamiento según la figura 7,
consta de un filtro FIR 9 y un filtro IIR 5 en serie entre el
circuito 8 de elevación al cuadrado y el circuito de comparación
7.
Como se representa en la figura 8, el muestreador
6 provee muestras Ik, k = 1 a 9 con un periodo Te correspondiente a
una frecuencia de muestreo Fe de 900 Hz. Entonces se añade un
periodo de desfase td = 2,4 ms al periodo de muestreo y se produce
un nuevo grupo de 9 muestras Ik, k = 10 a 18 antes de un nuevo
desfase.
La función de transferencia K'2 del filtro 9 es
la siguiente:
K'2
=\left|\sum\limits_{k = 1}^{9}e^{-j2\pi F.kTe} + \sum\limits_{k =
1}^{9}e^{-j2\pi F(Te(k + 9)+td)}
\right|/18
con Te = 1/Fe =
1/900
td = 2,4 ms
El filtro FIR 9 calcula un nuevo valor
Ieff^{2}i del cuadrado Ieff^{2} del valor eficaz de la
corriente después de cada grupo de 9 muestras sucesivas, utilizando
las 18 últimas muestras, es decir, un número de muestras que dobla
el comprendido entre dos desfases sucesivos. El periodo Te1 de
cálculo de Ieff^{2} viene dado por:
Te = 9Te+td = 12,4 ms
Este periodo Te1 corresponde a una frecuencia de
muestreo Fe 1 < < Fe en la entrada del filtro IIR 5. Este
calcula un nuevo valor \thetai de \theta por cada nuevo cálculo
de Ieff^{2}, es decir, con la frecuencia Fe1, cercana a 80
Hz.
La función de transferencia K'1 del filtro IIR 5
de la figura 7 es la siguiente:
K'1 =
\left|\alpha 2/\left[1 + (\alpha2 - 1)e^{-j2\pi
F.Te1}\right]\right|
Una función de transferencia como esta puede
realizarse, como se ilustra en la figura 9. El valor Ieff^{2}i se
aplica en una entrada "+" de un operador 10 que recibe en una
entrada "-" el valor \thetai-1 calculado
anteriormente y memorizado en un circuito 11. La diferencia
Ieff^{2}i - \thetai-1 se aplica en la entrada
de un operador 12 que la multiplica por la constante \alpha2. El
producto \alpha2 (Ieff^{2}i - \thetai-1) se
aplica en una entrada "+" de un operador 13 que recibe en otra
entrada "+" el valor \thetai-1. Entonces, la
salida \thetai del operador 13 es la siguiente:
\theta
i=\theta i-1+\alpha2(leff^{2}i-\theta
i-1)
Las respuestas en frecuencia K'1 del filtro IIR
5, K'2 del filtro FIR 9, y K4 del conjunto de ambos filtros en
serie de la figura 7 están ilustrados en la figura 10. La figura 10
deja claro que la respuesta en frecuencia de la función de
transferencia K4 atenúa de manera satisfactoria a la vez los
armónicos de 50 Hz, de 60 Hz y de 400 Hz.
El muestreo y el cálculo deben realizarse en
intervalos precisos de tiempo. Por eso, estas funciones se realizan
por el microprocesador del circuito de tratamiento bajo
interrupción.
Siendo la red polifásica, por ejemplo trifásica,
con o sin neutro, se asocia un filtro FIR a cada fase y
eventualmente al neutro. Sin embargo, si se asocia también un
filtro IIR a cada fase, la potencia de cálculo necesaria vuelve a
ser importante. En el modo de realización particular de la figura
11, el circuito de tratamiento de un disparador asociado a una red
trifásica con neutro consta de un muestreador 6, un circuito 8 de
elevación al cuadrado y un filtro FIR 9 asociados a cada fase
\diameter1, \diameter2, \diameter3 y al neutro N. Un circuito
14 de máximos se conecta a la salida de los filtros FIR 9. Provee de
salida unas señales representativas del cuadrado del valor eficaz
de la corriente más elevada tomada entre las corrientes de fase
I\diameter1, I\diameter2, I\diameter3 y de neutro IN. El
disparador consta de un único filtro IIR 5, conectado a la salida
del circuito 14 y un circuito de comparación 7 conectado a la
salida del filtro 5. Se obtiene así un buen equilibrio
coste/precisión.
Si no se desea la protección del conductor neutro
N, el filtro FIR 9 asociado a este conductor puede omitirse.
Claims (8)
1. Disparador electrónico conectado a unos medios
(2) de medición de la corriente que circula en una red eléctrica
polifásica que debe protegerse y que consta de unos medios (6) de
muestreo de señales de corriente (I, I\diameter1, I\diameter2,
I\diameter3, IN) provistas por los medios de medición, unos
medios de cálculo, conectados a los medios de muestreo y que
calculan una magnitud representativa del estado térmico de la red,
y unos medios (7) de comparación de dicha magnitud con unos
umbrales de disparo predeterminados, comprendiendo los medios de
cálculo unos primeros medios de filtración (9), del tipo filtro de
respuesta por impulsos finita (FIR), que reciben las muestras de
señales de corriente y proveen unas señales representativas del
valor eficaz de la corriente, disparador caracterizado
porque los medios de cálculo constan de un primer filtro de
respuesta por impulsos finita (9) asociado a cada fase
(\diameter1, \diameter2, \diameter3) de la red, un circuito
(14) de máximos, conectado a la salida de los primeros filtros, y un
segundo filtro (5), del tipo de respuesta por impulsos infinita
(IIR), único, que tiene una entrada conectada a la salida del
circuito (14) de máximos y una salida conectada a los medios (7) de
comparación.
2. Disparador según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de cálculo constan de un
primer filtro de respuesta por impulsos finita (9) asociado a un
conductor neutro (N) de la red y conectado al circuito (14) de
máximos.
3. Disparador según una de las reivindicaciones 1
y 2, caracterizado porque los medios de muestreo (6) añaden
un periodo de desfase (td) entre dos muestras sucesivas tras un
primer número predeterminado de muestras de corriente.
4. Disparador según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los primeros
medios de filtración (9) calculan periódicamente (Te1) un nuevo
valor eficaz (Ieff^{2}i) de la corriente tras un primer número
predeterminado de muestras de corriente, realizándose el cálculo a
partir de un segundo número de muestras igual al doble del primer
número.
5. Disparador según la reivindicación 4,
caracterizado porque el segundo filtro (5) calcula un nuevo
valor (\thetai) de la magnitud térmica (\theta) a partir de
cada nuevo valor eficaz de la corriente (Ieff^{2}i) provisto por
los primeros medios de filtración (9).
6. Disparador según una de las reivindicaciones 4
y 5, caracterizado porque el primer número predeterminado de
muestras de corriente es 9.
7. Disparador según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los medios (6)
de muestreo funcionan en una frecuencia de muestreo de
aproximadamente 900 Hz.
8. Disparador según la reivindicación 3,
caracterizado porque el periodo de desfase (td) es de
aproximadamente algunos milisegundos.
Applications Claiming Priority (2)
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