ES3068110T3 - Aparato para conmutar y proteger una carga - Google Patents

Abstract

Un aparato para la conmutación y/o protección de una carga conectada a dicho aparato, dicho aparato (1) comprende: un interruptor de potencia (5) a través del cual la carga conectada recibe una corriente eléctrica; un componente sensor (4) conectado en serie con dicho interruptor de potencia (5) y adaptado para generar directamente una caída de tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de aumento de la corriente eléctrica que fluye a través del componente sensor (4) y a través del interruptor de potencia (5) hacia dicha carga; y un circuito controlador (6) adaptado para detectar una sobrecorriente que se produzca dependiendo de una caída de tensión generada por dicho componente sensor (4) con o sin una caída de tensión a lo largo del interruptor de potencia (5) y para apagar dicho interruptor de potencia (5) al detectar una sobrecorriente dentro de un período de apagado para proteger dicho interruptor de potencia (5) y dicha carga. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Aparato para conmutar y proteger una carga

[0004] La invención se refiere a un aparato utilizado para conmutar y/o proteger una carga conectada al aparato respectivo.

[0005] Las cargas conectadas a un sistema de suministro de energía requieren protección contra sobrecargas y sobrecorrientes. En un sistema eléctrico, puede darse la situación de que una sobrecorriente fluya a través de un conductor eléctrico, lo que provoca una generación excesiva de calor y daña el equipo eléctrico o la carga. Hay muchas causas diferentes que pueden provocar una sobrecorriente, entre ellas cortocircuitos, un diseño incorrecto del circuito o fallos de conexión a tierra. Existen diversos dispositivos convencionales de protección contra sobrecorrientes, como fusibles, disyuntores electromecánicos o interruptores de potencia de estado sólido. Los fusibles se funden cuando se produce una sobrecorriente, interrumpiendo así la corriente eléctrica y protegiendo la carga. Sin embargo, los fusibles sólo se funden a amplitudes de corriente relativamente altas, por lo que se puede transferir mucha energía eléctrica a la carga conectada antes de que el fusible se funda, lo que aumenta el riesgo de dañar los componentes de la carga respectiva. Además, una vez eliminada la causa de la sobrecorriente, es necesario sustituir el fusible afectado.

[0006] Otros dispositivos de protección eléctrica emplean sensores de corriente para medir la corriente eléctrica que fluye hacia la carga conectada, con el fin de detectar una situación crítica y activar automáticamente un interruptor electrónico o electromecánico en caso de que se produzca dicha situación crítica. Un elemento de medición de corriente, como un sensor Hall, puede medir la corriente eléctrica y suministrar los valores de medición a un controlador o a una lógica de control que puede apagar el componente de conmutación en caso de que la corriente medida supere un valor umbral predeterminado. Algunos circuitos de protección convencionales utilizan interruptores semiconductores, como MOSFET, para proteger las cargas conectadas contra sobrecorrientes. Dichos circuitos de protección contra sobrecorrientes se describen en UD 2009/310270 A1, DE 112014006358 T5 y DE 4242560 A1. A medida que aumenta la corriente eléctrica que fluye a través del interruptor semiconductor activado, la caída de tensión a lo largo de un interruptor semiconductor también aumenta, de modo que se produce una mayor pérdida de potencia en el interruptor semiconductor. El aumento de la pérdida de potencia puede causar daños e incluso la destrucción del interruptor semiconductor y/o de los componentes electrónicos de la carga conectada. Por lo tanto, los circuitos de protección convencionales evalúan la caída de tensión a lo largo de su interruptor semiconductor y lo desconectan tan pronto como la caída de tensión supera un valor umbral. Sin embargo, este mecanismo de desconexión convencional sólo se activa después de que la corriente eléctrica haya alcanzado una alta amplitud tras un largo periodo de desconexión. Estos circuitos de protección convencionales funcionan de forma relativamente lenta y requieren un alto nivel de corriente para activar el componente de conmutación correspondiente.

[0007] Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de protección que proteja una carga conectada de manera más eficiente.

[0008] Este objeto se logra mediante un aparato que comprende las características de la reivindicación 1.

[0009] La invención proporciona, según un primer aspecto, un aparato para conmutar y/o proteger una carga conectada al mismo, en donde dicho aparato comprende:

[0010] un interruptor de potencia a través del cual la carga conectada recibe una corriente eléctrica,

[0011] un componente sensor conectado en serie con dicho interruptor de potencia y adaptado para generar directamente una caída de tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de aumento de la corriente eléctrica que fluye a través del componente sensor y a través del interruptor de potencia hacia dicha carga y que comprende un circuito controlador adaptado para detectar una sobrecorriente que se produce en función de una caída de tensión generada por dicho componente sensor y/o una caída de tensión a lo largo del interruptor de potencia para desconectar dicho interruptor de potencia tras la detección de una sobrecorriente dentro de un periodo de desconexión para proteger dicho interruptor de potencia y dicha carga.

[0012] En una posible realización, el periodo de desconexión es inferior a 1 microsegundo.

[0013] El periodo de desconexión está predefinido por el retardo de propagación de la señal de los circuitos internos del circuito controlador. Se puede lograr un periodo de desconexión inferior a 5 microsegundos.

[0014] El componente sensor es un componente de hardware configurado individualmente para el interruptor de potencia asociado.

[0015] En una posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el componente sensor comprende una bobina que está adaptada para generar una tensión de inducción en función de la corriente eléctrica que fluye a través de dicho componente sensor y a través de dicho interruptor de potencia a la carga conectada.

[0016] Según el primer aspecto de la presente invención, la caída de tensión generada por el componente sensor y la caída de tensión a lo largo del interruptor de potencia se aplican como una tensión suma al circuito controlador. Según el primer aspecto de la presente invención, el circuito controlador está adaptado para determinar, basándose en la tensión suma aplicada, una sobrecorriente que se produce, en particular una corriente de cortocircuito, y/o una sobrecarga del interruptor de potencia, y está adaptado para desconectar el interruptor de potencia tras la detección de una sobrecorriente y/o tras la detección de una sobrecarga del interruptor de potencia para proteger la carga conectada y/o para proteger el interruptor de potencia en un periodo de desconexión inferior a 1 milisegundo.

[0017] En una posible realización, se puede lograr un periodo de desconexión inferior a 5 microsegundos.

[0018] El aparato según la presente invención proporciona preferiblemente mecanismos de protección redundantes que utilizan diferentes principios o técnicas de medición para proteger al interruptor de potencia contra sobrecargas y/o contra una corriente de cortocircuito.

[0019] Según el primer aspecto de la presente invención, el circuito controlador está adaptado para desconectar automáticamente el interruptor de potencia si la tensión suma aplicada supera un umbral de tensión configurable dentro del periodo de desconexión para proteger al propio aparato y a la carga conectada contra sobrecargas y/o contra una sobrecorriente de cortocircuito, en particular contra una corriente de cortocircuito.

[0020] Según el primer aspecto de la presente invención, el aparato comprende además una unidad de medición de corriente que mide continuamente la corriente eléctrica que fluye a la carga conectada y notifica a una unidad de control del aparato la corriente eléctrica medida.

[0021] La unidad de medición de corriente puede comprender un sensor Hall, un sensor GMR o un transformador. Según el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control está adaptada para determinar un estado de funcionamiento de la carga conectada sobre la base del perfil de corriente de la corriente eléctrica medida por la unidad de medición de corriente y/o un estado de funcionamiento del aparato, y está además adaptada para controlar el circuito controlador en caso de desviación de un rango de funcionamiento de carga predeterminado, de modo que desconecte automáticamente el interruptor de potencia dentro del periodo de desconexión.

[0022] Según el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control está además adaptada para controlar el circuito controlador del aparato al recibir una orden de control, de modo que el interruptor de potencia se conecte o se desconecte según la orden de control recibida.

[0023] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, la unidad de control de dicho aparato está adaptada para recibir la orden de control desde una interfaz de usuario de dicho aparato, desde un ordenador conectado a dicho aparato o desde un control de programa almacenado de un sistema de automatización.

[0024] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el interruptor de potencia comprende un IGBT o un MOSFET de potencia, en particular un MOSFET de SiC, un MOSFET de GaN o un MOSFET de ScAlN.

[0025] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el aparato está adaptado para derivar, basándose en al menos un parámetro de la carga conectada y en los perfiles de corriente medidos por la unidad de medición de corriente, un perfil de temperatura de los componentes de dicha carga y/o de los componentes de dicho aparato, y para controlar el circuito controlador para apagar el interruptor de potencia si se detecta una desviación de un rango de temperatura predeterminado.

[0026] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el interruptor de potencia se conecta después de un período de espera configurable y/o después de que se haya solucionado con éxito la causa de la desconexión y/o si se cumplen otras condiciones de conexión predeterminadas.

[0027] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, la carga comprende un motor multifásico que recibe a través del aparato varias fases de corriente eléctrica como corrientes de funcionamiento.

[0028] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, para cada fase de corriente eléctrica se proporciona y se controla al menos un componente sensor y un interruptor de potencia asociado conectado en serie con dicho componente sensor mediante un circuito controlador asociado de dicho aparato.

[0029] La carga puede comprender, en realizaciones alternativas, también una carga resistiva o una carga capacitiva. En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, para cada fase de corriente eléctrica o dirección de corriente continua se proporciona un primer interruptor de potencia para una semionda de corriente positiva de una corriente alterna y se proporciona un segundo interruptor de potencia para una semionda de corriente negativa de la corriente alterna.

[0030] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, se proporciona un primer interruptor de potencia para una corriente continua positiva y se proporciona un segundo interruptor de potencia para una corriente continua negativa.

[0031] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, los interruptores de potencia están conectados a través de circuitos rectificadores de puente con circuitos controladores asociados de dicho aparato.

[0032] La caída de tensión ΔU<4>en la bobina y/o la caída de tensión ΔU<5>pueden suministrarse al circuito controlador. La caída de tensión ΔU<4>, ΔU<5>puede suministrarse como una tensión suma al circuito controlador o por separado, es decir, en paralelo.

[0033] En otra posible realización del aparato según el primer aspecto de la presente invención, el aparato comprende una interfaz de usuario adaptada para señalar un estado de funcionamiento del aparato y/o un estado de funcionamiento de la carga.

[0034] En otra posible realización, el circuito controlador comprende un lado de baja tensión conectado a la unidad de control y un lado de alta tensión conectado al interruptor de potencia, en donde el lado de baja tensión y el lado de alta tensión del circuito controlador están separados galvánicamente entre sí.

[0035] La invención proporciona además, según un aspecto adicional, un método para conmutar y proteger una carga que comprende las características de la reivindicación 17.

[0036] El periodo de desconexión viene definido por los retardos de propagación de la señal dentro del circuito controlador cableado y comprende en cualquier caso menos de 1 milisegundo. Se puede lograr un periodo de desconexión inferior a 5 microsegundos.

[0037] A continuación, se describen con más detalle posibles realizaciones de los diferentes aspectos de la presente invención con referencia a las figuras adjuntas.

[0038] La fig.1 muestra un diagrama de bloques de una posible realización ejemplar de un aparato de protección según el primer aspecto de la presente invención;

[0039] la fig.2 muestra un diagrama de flujo de una posible realización ejemplar de un método para realizar la protección de carga según el segundo aspecto de la presente invención; la fig.3 muestra un diagrama de circuitos de una posible realización ejemplar de un aparato de protección según la presente invención;

[0040] la fig.4 muestra un diagrama de flujo de una posible realización ejemplar de un método para la protección de carga según un aspecto adicional de la presente invención;

[0041] la fig.5 muestra esquemáticamente los diferentes mecanismos redundantes de medición y protección empleados por el método y el aparato según la presente invención; las figs.6-8 muestran diagramas de bloques de otra realización ejemplar de un aparato de protección según el primer aspecto de la presente invención.

[0042] Como se puede ver en el diagrama de bloques de la figura 1, se puede proporcionar un aparato 1 según la presente invención para conmutar y/o proteger una carga conectada al aparato 1. En la realización ilustrada, el aparato 1 comprende un terminal de entrada 2 para recibir una fase de corriente eléctrica L (CA) de un sistema de suministro de energía PSN. En un posible caso de uso, el terminal de entrada 2 también puede recibir una corriente continua. El aparato 1 comprende, en la realización ilustrada, un terminal de salida 3 para conectar una carga externa al aparato 1 de protección. La carga puede ser, por ejemplo, una carga inductiva, como un motor eléctrico. La carga también puede comprender una carga resistiva o una carga capacitiva. El aparato 1 comprende un componente sensor 4 conectado en serie con un interruptor de potencia 5. El interruptor de potencia 5 comprende, en una realización preferida, un interruptor de potencia semiconductor controlado por un circuito controlador 6 asociado, como se ilustra en la figura 1. El interruptor de potencia 5 puede comprender, en una posible realización, un IGBT o un MOSFET de potencia, en particular un MOSFET de SiC, un MOSFET de GaN o un MOSFET de ScAlN. En el diagrama de bloques de la figura 4 se ilustra una posible realización de un circuito controlador 6. La corriente eléctrica I suministrada al terminal de entrada 2 del aparato 1 fluye a través del componente sensor 4 y el interruptor de potencia 5 hasta al menos una carga conectada al aparato 1. En la realización ejemplar ilustrada en la figura 1, el aparato 1 comprende además una unidad de medición de corriente 7 que está adaptada para medir la corriente eléctrica I que fluye a la carga conectada. La unidad de medición de corriente 7 notifica a una unidad de control 8 del aparato 1 la corriente eléctrica medida. La unidad de medición de corriente 7 puede comprender un sensor Hall, tal como se ilustra en la realización de la figura 6. También se puede utilizar un transformador como unidad de medición de corriente 7, tal como se muestra en la figura 7. Otra alternativa es el uso de un sensor GMR, tal como se muestra en la realización de la figura 8.

[0044] El componente sensor 4 de hardware conectado en serie con el interruptor de potencia 5 está adaptado para generar una tensión eléctrica correspondiente a una velocidad de aumento de la corriente eléctrica I que fluye a través del componente sensor 4 y a través del interruptor de potencia 5 hacia la carga conectada al terminal de salida 3 del aparato 1. El circuito controlador 6 está adaptado para detectar una sobrecorriente, en particular una corriente de cortocircuito, en función de la caída de tensión ΔU<4>generada directamente por el componente sensor 4 y para desconectar automáticamente el interruptor de potencia 5 tras la detección de una sobrecorriente en un periodo de tiempo muy breve para proteger la carga conectada. El componente sensor 4 comprende, en una posible realización, una bobina que está adaptada para generar directamente una tensión de inducción ΔU<4>en función de un cambio de la corriente eléctrica I que fluye a través del componente sensor 4 y a través del interruptor de potencia 5 hacia la carga conectada. La tensión de inducción ΔU<4>generada por la bobina 4 corresponde a la velocidad de aumento de la corriente dI/dt de una corriente eléctrica I que fluye a través del sensor 4 y a través del interruptor de potencia 5 hacia la carga respectiva. La caída de tensión ΔU<4>generada por el componente sensor 4 y la caída de tensión ΔU<5>a lo largo del interruptor de potencia 5 pueden aplicarse en la realización ilustrada como una tensión suma U<∑>al circuito controlador 6

[0045] (U<∑>= ΔU<4>+ ΔU<5>). En caso de que el interruptor de potencia 5 esté implementado por un MOSFET, la caída de tensión ΔU<5>a lo largo del interruptor de potencia 5 corresponde a la tensión drenaje-fuente U<DS>. El componente sensor 4 no sólo mide la velocidad de aumento de la corriente dI/dt, sino que también proporciona protección al interruptor de potencia 5 limitando la caída de tensión, por ejemplo la tensión drenaje-fuente de un MOSFET 5. El circuito controlador 6 está adaptado para determinar, basándose en la tensión suma U<∑>aplicada, una corriente de cortocircuito y/o una sobrecarga del interruptor de potencia 5, y está adaptado para desconectar el interruptor de potencia 5 tras detectar una sobrecorriente y/o tras detectar una sobrecarga del interruptor de potencia, con el fin de proteger tanto la carga conectada como el interruptor de potencia 5 del aparato 1 en un breve periodo de desconexión inferior a 1 milisegundo, preferiblemente inferior a 5 microsegundos. En una realización preferida, el circuito controlador 6 puede desconectar el interruptor de potencia 5 en un periodo de desconexión inferior a 2 microsegundos si la tensión suma aplicada supera una tensión umbral predeterminada U<TH>. El periodo de desconexión está predefinido por los circuitos de conexión, tal y como se ilustra en la figura 3, que conectan el circuito controlador 6 con los componentes del sensor 4-1, 4-2; en particular, está definido por la capacidad del condensador C y por los circuitos internos del circuito controlador 6, tal y como se ilustra en la figura 4, es decir, por los retrasos en la propagación de la señal causados por las puertas y los comparadores del circuito controlador 6. En una posible realización, la tensión umbral U<TH>puede ser configurable. Si ls tensión suma U<∑>aplicada excede la tensión umbral U<TH>configurada, el circuito controlador 6 apaga automáticamente el interruptor de potencia 5 en un breve periodo de apagado de menos de 5 microsegundos, preferiblemente en un periodo de menos de 2 microsegundos. En una posible realización, el componente sensor 4 comprende una bobina adaptada para medir la velocidad de aumento dI/dt de la corriente eléctrica que fluye a través del componente sensor 4. El componente sensor 4 genera directamente una tensión de inducción ΔU<4>proporcional a la variación de la corriente eléctrica (dI/dt) que fluye a través de la bobina 4. En una posible realización, si la corriente eléctrica I tiene una velocidad de aumento de corriente de aproximadamente 5 amperios por microsegundo, la tensión de inducción generada ΔU<4>aplicada al circuito controlador 6 es suficiente para activar una operación de desconexión del interruptor de potencia 5 conectado en serie al componente sensor 4. La inductancia L de la bobina 4 se adapta individualmente a las limitaciones físicas del interruptor de potencia 5 utilizado. En una posible realización, se puede utilizar una inductancia parásita del interruptor de potencia 5 para proporcionar una caída de tensión ΔU<4>suministrada al circuito controlador 6. El componente sensor 4 de hardware es muy robusto frente a las influencias ambientales y no implica ningún circuito electrónico para generar la tensión de detección U<L>. En consecuencia, la probabilidad de que el componente sensor 4 de hardware falle durante el funcionamiento del aparato 1 es muy baja. El componente sensor 4 puede conectarse delante del interruptor de potencia 5, como se muestra en la figura 1, o detrás del interruptor de potencia 5. A diferencia de los circuitos electrónicos, como los diferenciadores, el uso de un componente sensor de hardware, en particular una bobina, hace que el aparato 1 sea extremadamente robusto y aumenta su vida útil. La operación de desconexión es realizada por el circuito controlador 6 sin involucrar a la unidad de control 8, relativamente lenta. En consecuencia, la operación de desconexión activada por la tensión eléctrica generada físicamente por el componente sensor 4 es realizada por componentes de hardware del circuito controlador 6, como también se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 4. El componente sensor 4 es muy sensible y genera una tensión de detección incluso antes de que la corriente de carga eléctrica I<L>que fluye hacia la carga alcance un nivel de corriente alto que pueda dañar los componentes de la carga conectada. Por consiguiente, el aparato 1 de protección, tal y como se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 1, puede ser al menos 50 veces más rápido que los dispositivos de protección convencionales. Una operación de desconexión muy rápida proporcionada por el circuito controlador 6 de hardware garantiza que sólo una pequeña parte de la energía eléctrica se transfiera a la carga conectada en caso de sobrecorriente o cortocircuito. Por consiguiente, incluso componentes eléctricos sensibles de la carga conectada están protegidos de manera eficiente por el aparato 1 de protección según la presente invención. El aparato 1 según la presente invención no sólo protege los componentes eléctricos de la carga conectada, sino también el interruptor de potencia 5 integrado en el aparato 1. Por consiguiente, el aparato 1, tal y como se ilustra en la figura 1, también proporciona autoprotección. La potencia eléctrica en el interruptor de potencia se limita, en una posible realización, al 80 % de una potencia de funcionamiento predeterminada.

[0047] Después de que el interruptor de potencia 5 se haya apagado, es posible volver a encenderlo en caso de que se hayan cumplido las condiciones de encendido predeterminadas. Una vez eliminada con éxito la causa del apagado, el interruptor de potencia 5 puede volver a encenderse. En consecuencia, el aparato 1 según la presente invención puede volver a utilizarse después de que se haya activado un apagado. En una posible realización, el interruptor de potencia 5 puede volver a encenderse tras haber transcurrido un periodo de espera configurable y/o tras haber subsanado con éxito la causa del apagado.

[0049] Como se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 1, una unidad de control 8 está adaptada para controlar el circuito controlador 6 en respuesta a un comando de control CMD. La unidad de control 8 puede recibir un comando de control CMD desde una interfaz de usuario del aparato 1 o desde un dispositivo remoto, en particular desde un ordenador conectado al aparato 1 o desde una unidad de control de programa almacenado de un sistema de automatización. La unidad de medición de corriente 7 puede comprender, por ejemplo, un sensor Hall que está adaptado para medir continuamente la corriente eléctrica I que fluye a la carga conectada y suministra a la unidad de control 8 los valores de medición que indican la corriente eléctrica medida. En una posible realización, la unidad de control 8 está adaptada para determinar un estado de funcionamiento de la carga conectada sobre la base del perfil de corriente de la corriente eléctrica I medida por la unidad de medición de corriente 7. La unidad de control 8 puede controlar el circuito controlador 6 en caso de desviación de un rango de funcionamiento de carga predeterminado, de modo que apague automáticamente el interruptor de potencia 5. Además, la unidad de control 8 está adaptada para controlar el circuito controlador 6 del aparato 1 al recibir un comando de control CMD, de modo que el interruptor de potencia 5 se encienda o se apague según el comando CMD recibido. En consecuencia, la unidad de control 8 controla las operaciones normales de encendido/apagado en respuesta a un comando CMD recibido o en caso de que el perfil de corriente medido indique una sobrecarga de la carga conectada. Sin embargo, la operación de apagado activada por sobrecorriente realizada por el circuito controlador 6 en respuesta a la tensión suma U<∑>aplicada tiene la máxima prioridad y puede realizarse muy rápidamente, ya que no implica a la unidad de control 8.

[0051] La unidad de control 8 puede comprender un microprocesador que calcula el estado actual del interruptor de potencia 5, en particular la potencia de disipación de corriente y/o la temperatura de funcionamiento. La unidad de control 8 puede emitir una alarma preventiva en caso de que la potencia supervisada del interruptor de potencia 5 o la temperatura del interruptor de potencia 5 superen límites admisibles. La unidad de control 8 puede observar una tendencia de la potencia y la temperatura del interruptor de potencia 5 y activar una desconexión en caso de que se haya alcanzado un rango crítico.

[0053] En la realización ilustrada en la figura 1, el aparato 1 comprende una única entrada 2 y una única salida 3. En una posible realización, el aparato 1 puede utilizarse para una carga multifásica que recibe varias fases de corriente L1, L2, L3. Para cada fase de corriente L, se puede proporcionar un componente sensor 4 independiente y un interruptor de potencia 5 asociado conectados a un circuito controlador 6 asociado. En consecuencia, en una realización trifásica, el aparato 1 según la presente invención comprende un circuito controlador 6 asociado para cada fase de corriente, es decir, un total de tres circuitos controladores 6, cada uno conectado a un elemento sensor 4 correspondiente y a un interruptor de potencia 5 correspondiente. En una posible realización, para cada fase de corriente eléctrica L, se puede proporcionar un primer interruptor de potencia para una semionda de corriente positiva de la corriente alterna aplicada y se puede proporcionar un segundo interruptor de potencia para una semionda de corriente negativa de la corriente alterna. El primer y el segundo interruptor de potencia pueden conectarse a través de un circuito rectificador de puente con un circuito controlador 6 asociado.

[0054] La fase de corriente aplicada L puede comprender una frecuencia de, por ejemplo, 50 a 60 Hz. En una posible realización, el componente sensor 4 comprende una bobina con una inductancia inferior a 1 milihenrio.

[0055] En una posible realización, la unidad de control 8 es programable y puede utilizar un modelo programado de los componentes implementados en la carga conectada y/o implementados en el propio aparato 1. En una posible realización, se pueden configurar los parámetros del modelo empleado. Estos parámetros pueden comprender, por ejemplo, la corriente de funcionamiento normal de la carga conectada, así como la clase de disparo de la carga conectada. En una posible realización, la unidad de control 8 está adaptada para derivar, basándose en los perfiles de corriente medidos por la unidad de medición de corriente 7 y basándose en al menos un parámetro de la carga conectada, un perfil de temperatura de los componentes de la carga conectada y/o de los componentes del aparato 1, y puede controlar el circuito controlador 6 para apagar el interruptor de potencia 5 si se detecta una desviación de un rango de temperatura predeterminado. El parámetro puede comprender, por ejemplo, una corriente establecida o una clase de disparo de la carga. Además, la unidad de control 8 puede programarse con un periodo de espera configurable. Por ejemplo, dependiendo del perfil de temperatura derivado, debe transcurrir un periodo de espera correspondiente antes de que el interruptor de potencia 5 pueda volver a encenderse. El aparato 1, tal y como se ilustra en el diagrama de bloques de la figura 1, puede utilizarse para cualquier tipo de carga, es decir, cargas inductivas, cargas capacitivas o cargas óhmicas. La carga comprende uno o más parámetros de carga. La carga puede ser, por ejemplo, un motor con una potencia de 1,5 kW, una tensión de alimentación de 400 voltios, una corriente nominal de 3,6 amperios con una clase de disparo 10. La carga conectada se separa de la fuente de alimentación antes de que la corriente eléctrica I alcance un nivel o amplitud de corriente elevados. El circuito controlador 6 puede funcionar independientemente de la unidad de control 8 para desconectar un interruptor de potencia asociado 5 en un breve tiempo de reacción en caso de que la tensión suma aplicada supere un umbral de tensión configurable U<TH>. La caída de tensión ΔU<5>a lo largo del interruptor de potencia 5 corresponde a la amplitud o nivel de la corriente de carga eléctrica que fluye. La caída de tensión ΔU<4>a lo largo del componente sensor 4 corresponde a la velocidad de aumento de la corriente eléctrica que fluye a través del componente sensor 4 y a través del interruptor de potencia 5 hacia la carga respectiva. En estados de funcionamiento críticos, ambas caídas de tensión se suman y se aplican al circuito controlador 6, de modo que un estado de funcionamiento crítico ya puede detectarse en la fase inicial de su aparición. La aplicación de una tensión suma U<∑>a un chip de circuito controlador 6 integrado, como se muestra en la figura 4, sólo requiere un pin de entrada del chip, lo que favorece la miniaturización del aparato 1.

[0056] El circuito controlador 6 controla un interruptor de potencia asociado 5 que comprende, en una realización preferida, un MOSFET de nitruro de galio con una resistencia a alta tensión de al menos 800 voltios en estado de desconexión y con una baja impedancia en estado de conexión. En otra posible realización, el interruptor de potencia 5 también puede comprender un MOSFET de potencia SiC o un MOSFET ScAlN.

[0057] Como también se ilustra en la figura 5, el aparato 1 comprende varios mecanismos de protección redundantes que utilizan diferentes técnicas de medición.

[0058] El aparato 1, tal y como se ilustra en las figuras 1 y 5, comprende varios mecanismos de protección, en particular un primer mecanismo de protección proporcionado por el componente sensor 4, un segundo mecanismo de protección proporcionado por la caída de tensión a lo largo del interruptor de potencia 5 y un tercer mecanismo de protección proporcionado por la unidad de medición de corriente 7. En caso de una corriente de cortocircuito, el componente sensor 4 y el interruptor de potencia 5 activan el circuito controlador 6 para que realice una operación de desconexión muy rápida. La unidad de medición de corriente 7 proporciona además protección en caso de sobrecarga. En consecuencia, el aparato 1 de protección proporciona una protección electrónica contra sobrecargas y sobrecorrientes que puede volver a utilizarse después de que se haya desconectado el interruptor de potencia 5, en particular después de que haya expirado un período de espera programable.

[0059] La figura 2 muestra un diagrama de flujo de una posible realización ejemplar de un método para conmutar y proteger una carga según otro aspecto de la presente invención. En la realización ilustrada, el método comprende dos pasos principales.

[0060] En un primer paso S1, se genera directamente en un componente sensor 4 una caída de tensión correspondiente a una velocidad de aumento de la corriente eléctrica I que fluye a través de un interruptor de potencia 5 hacia una carga. En una posible implementación, la caída de tensión detectada puede ser generada por un componente sensor 4, en particular por una bobina. La caída de tensión detectada se genera física e instantáneamente mediante un componente sensor 4 de hardware, como una bobina. El componente sensor 4 se adapta físicamente a los requisitos físicos del interruptor de potencia 5 asociado conectado en serie con el componente sensor 4. Por ejemplo, la inductancia de una bobina utilizada como componente sensor se configura individualmente según el límite de potencia del interruptor de potencia 5 correspondiente.

[0061] En un paso adicional S2, el interruptor de potencia 5 se apaga automáticamente si la caída de tensión en el componente sensor 4 más una caída de tensión a lo largo del propio interruptor de potencia 5 supera un umbral de tensión preconfigurado U<TH>. El apagado en el paso S2 se realiza, en una realización preferida, muy rápidamente, en un periodo de tiempo inferior a 1 milisegundo. Con el circuito controlador 6 ilustrado en la figura 4, se puede lograr un periodo de desconexión inferior a 5 microsegundos y, en una realización preferida, inferior a 2 microsegundos.

[0063] La figura 3 muestra un diagrama de circuito de una posible realización ejemplar de un aparato 1 para la conmutación y/o protección de una carga conectada al aparato 1. En la realización ilustrada, el aparato 1 comprende un terminal de entrada 2 para recibir una corriente de fase L de una fuente de corriente que tiene, por ejemplo, una tensión de 400 voltios. En la realización ejemplar ilustrada, hay una ruta de señal desde el terminal de entrada 2 hasta el terminal de salida 3 que comprende dos pares de interruptores de potencia 5 y sendos componentes sensores 4 asociados. El circuito ilustrado en la figura 3 es simétrico para las semiondas de corriente positiva y las semiondas de corriente negativa de una corriente alterna suministrada al aparato 1. Entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 del aparato 1, se proporcionan una primera bobina 4-1 y una segunda bobina 4-2. Cada bobina 4-1, 4-2 comprende un interruptor de potencia 5-1, 5-2 asociado, tal y como se ilustra en el diagrama de circuito de la figura 3. En la implementación ejemplar ilustrada, ambas bobinas 4-1, 4-2 tienen una inductancia de 2,2 microhenrios. En la realización ilustrada, los interruptores de potencia 5-1, 5-2 se implementan mediante MOSFET de potencia. Se puede proporcionar un varistor VAR en una posible implementación para eliminar las perturbaciones. En la implementación ilustrada, los diodos D se pueden conectar en paralelo a cada bobina 4-1, 4-2 para reducir la autoinducción. Los interruptores de potencia 5-1, 5-2 están conectados a un circuito rectificador de puente que comprende, en la realización ilustrada, dos pares de transistores complementarios Q<1>a Q<4>. En el lado de salida del circuito rectificador de puente, se pueden proporcionar condensadores C para proporcionar un retardo mínimo predeterminado. Este retardo influye en el periodo de desconexión. En una posible realización, la capacidad del condensador C puede ser ajustable para adaptar el periodo de desconexión.

[0065] Ambas resistencias Rl, R2 comprenden una resistencia que puede configurarse para ajustar la sensibilidad del circuito ilustrado en la figura 3. Como se puede ver en la figura 3, el circuito controlador 6 está conectado a la salida del circuito rectificador de puente para recibir la tensión suma del interruptor de potencia 5-1 o 5-2 y del componente sensor 4-1 o 4-2 y para aplicar a su vez tensiones de control a las puertas de los dos interruptores de potencia 5-1, 5-2 ilustrados. El circuito controlador 6 está adaptado para detectar una sobrecorriente que tiene lugar, en particular una corriente de cortocircuito, en función de las tensiones generadas directamente por el componente sensor 4-1 o el componente sensor 4-2, y para desconectar el interruptor de potencia 5-1 o 5-2 asociado al detectar una corriente de cortocircuito que fluye a través de la ruta de corriente entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3 en un breve periodo de tiempo para proteger cualquier carga conectada al terminal de salida 3 del aparato 1.

[0067] La figura 4 muestra un diagrama de bloques de una posible realización ejemplar del circuito controlador 6 utilizado en el aparato 1 según la presente invención. En la realización ejemplar ilustrada, el circuito controlador 6 comprende un único circuito integrado controlador IGBT 1ED020/12-B2 fabricado por Infineon Technologies. Como se puede ver en el diagrama de bloques de la figura 4, el circuito controlador 6 comprende dos mitades de circuito separadas galvánicamente por los transformadores T1 y T2. El lado izquierdo del circuito controlador 6 ilustrado en la figura 4 está conectado a la unidad de control 8 para recibir señales de control de la unidad de control 8, en particular en respuesta a comandos de control CMD o en función de perfiles de corriente medidos. El lado de baja tensión del lado izquierdo del diagrama de circuito de la figura 4 está conectado a través de transformadores al lado de alta tensión situado en el lado derecho del circuito ilustrado en la figura 4. La tensión suma, que consiste en la caída de tensión a lo largo del componente sensor 4 y la caída de tensión a lo largo del interruptor de potencia 5, se aplica al pin de entrada DESAT del circuito controlador 6 y se compara mediante un comparador K3 con una tensión umbral configurable U<TH>de, por ejemplo, 9 voltios, como se ilustra en la figura 4. Si se supera la tensión umbral configurable, una señal binaria viaja a través de varias puertas para accionar un amplificador operacional y generar una señal de desconexión de control que se envía a las puertas de los MOSFET de potencia 5-1, 5-2 para desconectar ambos MOSFET de potencia en un tiempo de reacción muy breve, inferior a 5 microsegundos. El circuito controlador 6 ilustrado en la figura 4 comprende dos partes separadas galvánicamente. El circuito controlador 6 puede conectarse a un DSP o microcontrolador estándar de 5 voltios que forma parte de la unidad de control 8, en la que las entradas/salidas CMOS están conectadas a un lado de baja tensión. Como se puede ver en el diagrama de circuito de la figura 4, se proporciona un bucle de desconexión utilizado para desconectar los interruptores de potencia 5-1, 5-2 en respuesta a la tensión suma aplicada sólo en el lado de alta tensión del circuito controlador 6, de modo que el tiempo de reacción es muy corto debido a los pequeños tiempos de propagación de las señales lógicas a través de las puertas lógicas de la parte de alta tensión del circuito controlador 6. El bucle de protección de desconexión no incluye la unidad de control 8, utilizada principalmente para operaciones normales de conexión/desconexión en respuesta a los comandos de conexión/desconexión CMD recibidos.

[0069] En una posible realización, el componente sensor 4 y el interruptor de potencia 5, así como el circuito controlador 6, pueden estar dispuestos en una placa de circuito impreso común.

[0070] En una posible realización, el componente sensor 4 puede implementarse mediante otro componente distinto de una bobina, en particular mediante una resistencia R, como se muestra en la realización de la figura 8, con un circuito de medición local correspondiente adaptado para generar directamente una tensión eléctrica U correspondiente a una velocidad de aumento de la corriente eléctrica I que fluye a través de la resistencia de detección respectiva. La resistencia puede ser una resistencia NTC o PTC. La resistencia del resistor 4 utilizada puede depender de la temperatura. Además, la resistencia dependiente de la temperatura puede configurarse individualmente según las limitaciones físicas del interruptor de potencia 5 asociado.

[0072] En otra posible realización, se puede almacenar un modelo de datos de la carga conectada en una memoria y evaluarlo mediante un procesador de la unidad de control 8 para proporcionar protección contra sobrecargas de la carga conectada. En una posible realización, el aparato 1 puede comprender una interfaz de usuario adaptada para señalar un estado de funcionamiento actual del aparato 1, en particular de sus interruptores de potencia. En una posible implementación, la interfaz de usuario puede indicar qué mecanismo de seguridad ha activado la desconexión del interruptor de potencia 5 integrado. En esta implementación, se puede informar al usuario u operador del sistema de automatización si la desconexión del interruptor de potencia 5 se debió a la detección de una velocidad de aumento de corriente eléctrica elevada, a una sobrecarga determinada o detectada del interruptor de potencia 5, o a una detección de sobrecarga en vista de los perfiles de corriente medidos por la unidad de medición de corriente 7. En otra posible realización, la información sobre la causa de la desconexión del interruptor de potencia 5 también puede enviarse a través de una interfaz de datos del aparato 1, por ejemplo a un controlador remoto de un sistema de automatización que incluya la carga protegida conectada al aparato 1. En otra posible realización, el aparato 1 de protección puede comprender una memoria de datos local para almacenar datos de registro. Los datos de registro pueden comprender datos sobre operaciones de desconexión realizadas durante el funcionamiento de un sistema de automatización o durante el funcionamiento de una carga conectada. En una posible realización, los datos de registro memorizados pueden evaluarse para analizar estados de funcionamiento críticos que se hayan producido durante el funcionamiento del sistema de automatización.

[0074] En una posible realización, se puede conectar un circuito de relé 14 en serie con el interruptor de potencia 5. Los circuitos de relé se pueden utilizar para cambiar la secuencia de las fases de suministro de alimentación y para proporcionar una separación galvánica. Durante una operación de desconexión controlada por el circuito controlador 6 o por la unidad de control 8, el interruptor de potencia 5 se desconecta antes que el circuito de relé asociado, mientras que durante una operación de conexión bajo el control del circuito controlador 6 o de la unidad de control 8, el circuito de relé se conecta antes que el interruptor de potencia 5. Esto minimiza el desgaste de los contactos del circuito de relé 14 y aumenta la seguridad frente a fallos del interruptor de potencia 5. Además, esta secuencia de encendido y apagado permite detectar fallos del interruptor de potencia 5.

[0076] En otra posible realización, se pueden cargar diferentes modelos para diferentes cargas en una memoria de configuración de la unidad de control 8 para proporcionar una protección de carga adecuada para la carga respectiva en función de los perfiles de corriente medidos y en función de al menos un parámetro de carga de la carga conectada. En una posible realización, los modelos de datos pueden descargarse desde una base de datos central conectada a la unidad de control 8 a través de una red de datos. En función del tipo de carga conectada, pueden cargarse diferentes modelos de datos correspondientes en la memoria de configuración de la unidad de control 8 y evaluarse en función de los perfiles de corriente medidos proporcionados por la unidad de medición de corriente 7.

[0078] La figura 5 muestra esquemáticamente la arquitectura de funcionamiento del aparato 1 según la presente invención, que comprende mecanismos de protección redundantes y diferentes técnicas de medición para proporcionar protección contra sobrecargas y protección contra sobrecorrientes para el propio aparato 1, en particular su interruptor de potencia 5, y también para la carga conectada al aparato 1.

[0079] Los diferentes mecanismos de protección redundantes difieren en lo que detectan (dI/dt, I<max>, I<límit>, I<continuous>), sus respectivos tiempos de reacción y la precisión de medición, como también se ilustra en la figura 5. Incluso si un mecanismo de protección falla, se puede seguir aplicando otro mecanismo de protección.

[0081] La figura 6 muestra un diagrama de bloques de otra posible realización ejemplar de un aparato 1 según el primer aspecto de la presente invención. En la realización ilustrada en

[0082] La fig.6, el aparato 1 comprende en el terminal de entrada 2 un componente sensor 9 adicional formado por un divisor de tensión adaptado para suministrar una fracción de la tensión de alimentación U en el terminal de entrada 2 del aparato 1 a la unidad de control 8 del aparato 1a través de un convertidor analógico-digital 11 para proporcionar un perfil de tensión de alimentación a lo largo del tiempo. Además, en la realización de la figura 6, la unidad de medición de corriente 7 está formada por un sensor Hall. La corriente de carga medida I<I>que fluye a la carga conectada es notificada por el sensor Hall 7 a través de un convertidor analógico-digital 10 a la unidad de control 8 del aparato 1. La unidad de control 8 está adaptada para determinar un estado de sobrecarga de la carga conectada sobre la base del perfil de corriente de carga medido. La unidad de medición de corriente 7 también puede proporcionar mediciones al circuito controlador 6 para la detección de fallos. La unidad de control 8 del aparato 1 mostrado en la figura 6 está adaptada para controlar el circuito controlador 6 para apagar automáticamente el interruptor de potencia 5 si la unidad de control 8 ha determinado un estado de sobrecarga de la carga eléctrica. Como se puede ver en la figura 6, el sensor Hall 7 y el componente sensor 9 están conectados a los convertidores analógico-digitales 10, 11 asociados. Los convertidores analógico-digitales 10, 11 están adaptados para convertir el perfil de corriente de carga analógico medido recibido del sensor Hall 7 y el perfil de tensión de alimentación medido por el componente sensor 9 en valores de medición correspondientes (muestras). Los valores de medición proporcionados por los convertidores analógico-digitales 10, 11 se almacenan, en una posible realización, como muestras de datos en una memoria de datos 8B de la unidad de control 8 como datos de perfil de corriente de carga y como datos de perfil de tensión de alimentación. La frecuencia de muestreo puede variar en función del caso de uso. En una posible realización, la frecuencia de muestreo de los convertidores analógico-digitales (ADC) 10, 11 es de 4 kHz. La resolución también puede variar. En una posible implementación, los ADC 10, 11 comprenden una resolución de al menos 12 bits. Los ADC 10, 11 también pueden integrarse en un procesador del límite de control 8. En las realizaciones ilustradas en las figuras 6, 7 y 8, la unidad de control 8 comprende un procesador o FPGA 8A y una memoria de datos 8B adaptada para almacenar sobre la marcha, durante el funcionamiento, datos del perfil de corriente de carga y datos del perfil de tensión de alimentación. La unidad de control 8 puede comprender además una memoria 8C para almacenar diferentes características de funcionamiento, es decir, características de funcionamiento de diferentes parámetros de funcionamiento y/o para diferentes tipos de cargas. Dependiendo del tipo de carga, es decir, carga inductiva, carga resistiva o carga capacitiva, se pueden almacenar diferentes características de funcionamiento para diferentes casos de uso en la memoria de características 8C de la unidad de control 8 ilustrada en las figuras 6, 7 y 8. En una posible realización, la unidad de control 8 también puede realizar un control de la fuente de alimentación de la energía eléctrica suministrada a la carga conectada al terminal de salida 3 del aparato 1. En una posible implementación, el procesador 8A de la unidad de control 8 puede realizar el suministro de energía eléctrica de la carga eléctrica en función de un modo de funcionamiento y/o un tipo de carga eléctrica conectada, basándose en el perfil de corriente de carga medido por el sensor Hall 7 y en el perfil de tensión de alimentación medido por el componente sensor 9. En una posible implementación, el procesador 8A de la unidad de control 8 puede calcular un factor de potencia cos(φ) basándose en los datos del perfil de corriente de carga y los datos del perfil de tensión de alimentación almacenados en la memoria de datos 8B de la unidad de control 8. Los datos del perfil pueden almacenarse en la memoria de datos 8B durante un intervalo predeterminado de tiempo móvil. En una posible realización, el procesador 8A puede sustituirse por un circuito FPGA.

[0084] En una posible realización, el procesador 8A de la unidad de control 8 está adaptado para determinar un modo de funcionamiento y/o un estado de funcionamiento específico de la carga eléctrica conectada mediante el procesamiento de los datos del perfil de corriente de carga y/o los datos del perfil de tensión de alimentación disponibles en la memoria de datos 8B de la unidad de control 8.

[0086] En otra posible realización del aparato 1 ilustrado en la realización de la figura 6, el procesador 8A de la unidad de control 8 está adaptado para realizar un control del ángulo de fase y/o para aplicar un patrón de conmutación predefinido al interruptor de potencia 5 directamente o a través del circuito controlador 6, dependiendo del factor de potencia calculado cos(φ) y de un modo de funcionamiento actual y/o de un tipo de carga eléctrica conectada al terminal de salida 3 del aparato 1. Para ello, el procesador 8A de la unidad de control 8 puede tener acceso a las características de funcionamiento de la carga eléctrica respectiva, indicando al menos una zona de funcionamiento admisible, al menos una zona de funcionamiento crítica y/o al menos una zona de funcionamiento inadmisible para los parámetros de funcionamiento.

[0088] En las realizaciones ilustradas en las figuras 6, 7 y 8, el aparato 1 comprende además un circuito de relé 14 conectado también en serie con el interruptor de potencia 5. En la realización ilustrada en la figura 6, el circuito de relé 14 está dispuesto en el terminal de salida 3, entre el sensor Hall 7 y la carga conectada. Se pueden utilizar circuitos de relé para diferentes fases para cambiar una secuencia de fases de suministro de energía y/o para proporcionar una separación galvánica. El circuito de relé 14 está controlado por la unidad de control 8, como se muestra en la figura 6. En una posible implementación, durante una operación de desconexión controlada por el circuito controlador 6 o por la unidad de control 8, el interruptor de potencia 5 puede desconectarse antes que el circuito de relé 14 asociado, mientras que durante una operación de conexión bajo el control del circuito controlador 6 o bajo el control de la unidad de control 8, el circuito de relé 14 se conecta antes que el interruptor de potencia 5 asociado. Esto minimiza el desgaste de los contactos del circuito de relé 14 y aumenta la seguridad frente a fallos del interruptor de potencia 5. Además, las secuencias de encendido y apagado permiten determinar los fallos del interruptor de potencia 5.

[0090] Como se puede ver en la realización de la figura 6, el componente sensor 4, el interruptor de potencia 5, el sensor Hall 7 y el circuito de relé 14 están todos conectados en serie en una ruta de corriente entre el terminal de entrada 2 y el terminal de salida 3. La secuencia de elementos conectados en serie puede variar en diferentes realizaciones. Por ejemplo, la bobina 4 mostrada en la figura 6 puede estar situada entre el interruptor de potencia 5 y el sensor Hall 7. Además, varios componentes pueden estar dispuestos de forma redundante, en particular, los componentes pueden estar conectados en paralelo entre sí para proporcionar seguridad frente al fallo de un componente electrónico. Por ejemplo, en una posible implementación, más de dos bobinas 4 pueden conectarse en paralelo.

[0091] Asimismo, se pueden conectar dos o más interruptores de alimentación 5 en paralelo en una posible implementación del aparato 1. Lo mismo se aplica a la unidad de medición de corriente 7, es decir, se pueden conectar varias unidades de medición de corriente 7 en paralelo, en una posible realización del aparato 1 mostrado en la figura 6.

[0093] Otras realizaciones son asimismo posibles. En una posible realización, como se muestra en la figura 7, también se puede proporcionar un circuito divisor de tensión 9B, similar al circuito 9 ilustrado en la figura 6, en el terminal de salida 3 para proporcionar una fracción de la tensión de alimentación de salida a la unidad de control 8 del aparato 1 a través del ADC 11. La provisión de dicho divisor de tensión adicional 9B en el terminal de salida 3 puede ser necesaria si la carga conectada es una carga capacitiva conectada al terminal de salida 3 del aparato 1.

[0095] Un ejemplo de tal carga capacitiva es un equipo de compensación adaptado para compensar la potencia reactiva en una instalación. Si la carga conectada es una carga capacitiva, la unidad de control 8 debe comprobar si la tensión de entrada V<in>en el terminal de entrada 2 es igual a la tensión de salida V<out>en el terminal de salida 3 antes de conectar la carga capacitiva conectada. Por consiguiente, si la tensión de entrada medida recibida del componente sensor 9A corresponde a la tensión recibida del otro divisor de tensión 9B en el terminal de salida 3, se puede conectar la carga capacitiva. Por el contrario, si las dos tensiones medidas son diferentes, la unidad de control 8 puede suprimir la conexión de la carga capacitiva.

[0097] En la realización de la figura 7, se utiliza un transformador 7 para proporcionar mediciones de corriente al convertidor analógico-digital 10.

[0099] En otra posible realización, los divisores de tensión 9A, 9B pueden proporcionar valores de medición que pueden ser evaluados por el procesador 8A de la unidad de control 8 para proporcionar protección a la carga contra una tensión de alimentación demasiado baja o demasiado alta. Si la tensión medida por el divisor de tensión 9A notificada a la unidad de control 8 a través del convertidor analógico-digital 11 es inferior a un umbral de tensión bajo predefinido, la unidad de control 8 detecta una tensión de alimentación demasiado baja, lo que puede activar una operación de desconexión mediante el interruptor de potencia 5. Además, si la tensión de alimentación medida proporcionada por el componente sensor 9A y suministrada a la unidad de control 8 a través del convertidor analógico-digital 11 supera otro umbral de tensión alto, la unidad de control 8 puede determinar que la tensión de alimentación para la carga conectada es demasiado alta, de modo que se activa automáticamente la desconexión del interruptor de potencia 5 bajo el control de la unidad de control 8. Se puede realizar un control similar utilizando los valores de medición del otro divisor de tensión 9B.

[0101] El aparato 1, tal y como se muestra en la figura 6, conduce a una desconexión rápida de una carga o una instalación conectada al terminal de salida 3, de modo que, en cualquier caso, las corrientes eléctricas suministradas sean inferiores a 100 amperios. De este modo, la carga o instalación conectada siempre se trata con cuidado y se protege contra el desgaste o los daños.

[0103] Otras realizaciones del aparato 1 ilustrado en la figura 6 son posibles. En una posible implementación, el circuito controlador 6 puede integrarse en la unidad de control 8 del aparato 1. Además, algunos componentes eléctricos pueden proporcionarse fuera de la carcasa del aparato 1. Por ejemplo, el circuito de relé 14 puede conectarse entre el terminal de salida 3 y la carga conectada. Además, los componentes de sensor pueden integrarse en una carcasa del aparato 1 o implementarse mediante componentes sensores externos conectados a la carcasa del aparato 1.

[0105] Para diferentes casos de uso o aplicaciones, se pueden cargar diferentes características de funcionamiento en la memoria 8C. Estas características de funcionamiento pueden comprender, por ejemplo, características de funcionamiento de fusibles o disyuntores. Se puede disponer una interfaz de usuario 15 en la carcasa del aparato 1 o se puede conectar dicha interfaz de usuario 15 a la carcasa del aparato 1 a través de una conexión de interfaz de datos. Esta interfaz de usuario 15 puede comprender teclas o botones o palancas como elementos de entrada de la interfaz de entrada 12 o elementos de visualización ópticos de la interfaz de salida 13. En una posible realización, la interfaz de salida 13 puede indicar un estado de funcionamiento actual del aparato 1 y/o de la carga conectada al aparato 1. La interfaz de salida 13 también puede comprender elementos que indiquen qué tipo de características de funcionamiento se han activado actualmente para el funcionamiento. En consecuencia, en una posible realización, la memoria de características 8C puede adaptarse para almacenar diferentes tipos de características de funcionamiento para diferentes casos de uso y/o para diferentes tipos de cargas conectadas al aparato 1. Un usuario puede activar una característica de funcionamiento específica mediante los comandos de entrada correspondientes en la interfaz de entrada 12. Las características de funcionamiento seleccionadas pueden mostrarse al usuario mediante elementos ópticos de la interfaz de salida 13. En una posible implementación, en la carcasa del aparato 1 puede proporcionarse una ranura de recepción para recibir una tarjeta de memoria o una memoria USB que comprenda una memoria de características 8C con una o más características de funcionamiento para diferentes cargas y/o casos de uso. En consecuencia, en esta realización, la memoria de características 8C puede integrarse en un soporte de datos reemplazable.

[0106] El aparato 1 ilustrado en las realizaciones de las figuras 1 y 6 también puede integrarse, en una posible implementación, en una carga conectada a una red de suministro de energía PSN. El aparato 1 también puede integrarse en un dispositivo conectado entre la carga y la red de suministro de energía PSN. Este dispositivo puede ser, por ejemplo, un dispositivo de arranque de motor conectado entre una red de suministro de energía PSN y una carga inductiva, en particular un motor. El aparato 1 también puede integrarse, en otra realización, en un dispositivo controlador de frecuencia variable que está adaptado para cambiar la tensión de alimentación de corriente alterna recibida de la red de suministro de energía PSN en una tensión de corriente alterna que tiene una amplitud variable y/o una frecuencia variable.

[0107] El aparato 1 según la presente invención también puede integrarse en una fuente de alimentación, como una batería. El aparato 1 puede integrarse en cualquier tipo de dispositivo de almacenamiento de energía adaptado para almacenar energía eléctrica. Por ejemplo, el aparato 1 puede proporcionarse en la salida de una batería eléctrica a la que está conectada una carga eléctrica. El aparato 1 también puede proporcionarse en el lado de entrada de un almacenamiento de energía, en particular para proteger un proceso de carga del almacenamiento de energía de una red de suministro de energía PSN.

[0108] Otras realizaciones son posibles. En una posible realización, el aparato 1, tal y como se ilustra en el diagrama de bloques de las figuras 1, 6, 7 y 8, también puede integrarse en una carcasa correspondiente a la carcasa de un elemento fusible convencional. De este modo, el aparato de protección 1 según la presente invención puede utilizarse para sustituir un componente fusible existente alojado en un portafusibles de un circuito electrónico. El aparato 1 de protección según la presente invención, tal y como se ilustra en las figuras 1, 6, 7 y 8, puede conectarse a un sistema de barras colectoras de una red de suministro eléctrico PSN. Por ejemplo, el terminal de entrada 2 puede conectarse directa o indirectamente, a través de un adaptador, a una barra colectora de un sistema de barras colectoras para recibir suministro eléctrico. El aparato 1 también se puede utilizar para proporcionar protección contra rayos. Las características de funcionamiento correspondientes se pueden almacenar en la memoria de características 8C de la unidad de control 8. El aparato 1 también se puede montar directa o indirectamente a través de un adaptador en un carril DIN o un carril tophat.

[0109] Dado que en la memoria 8C se pueden almacenar diferentes tipos de características de funcionamiento, el aparato 1 según la presente invención es muy flexible y adaptable a diferentes tipos de casos de uso o escenarios, en particular a diferentes tipos de cargas e instalaciones. Por ejemplo, la memoria de características 8C de la unidad de control 8 puede proporcionar una característica de funcionamiento para una carga inductiva, una característica de funcionamiento para una carga resistiva y/o una característica de funcionamiento para una carga capacitiva. El usuario puede seleccionar el tipo de carga conectada a través de la interfaz de entrada 12 de la interfaz de usuario 15 y seleccionar qué tipo de carga está conectada al terminal de salida 3 del aparato 1. Si el usuario selecciona una carga inductiva, se activa la característica de funcionamiento almacenada para una carga inductiva y se pone a disposición del procesador 8A. Por el contrario, si el usuario selecciona una carga resistiva, se activa la característica de funcionamiento correspondiente a una carga resistiva y se pone a disposición del procesador 8A. Si el usuario selecciona una carga capacitiva, se carga una característica de funcionamiento capacitiva correspondiente desde la memoria 8C y se pone a disposición del procesador o FPGA 8A para el funcionamiento del aparato 1. La interfaz de salida 13 puede indicar qué tipo de característica de funcionamiento está activada momentáneamente e incluso puede mostrar al usuario la característica de funcionamiento en un elemento de visualización de la interfaz de salida 13.

[0110] La unidad de control 8 también puede determinar si las tensiones de alimentación recibidas para las diferentes fases son simétricas o no. Si, por ejemplo, falta una fase, es posible que un motor conectado no arranque. Si la asimetría es demasiado alta, la unidad de control 8 puede activar una advertencia y/o apagar el interruptor de potencia 5 y/o el circuito de relé 14.

[0111] El aparato 1 según la presente invención no se limita a las realizaciones ilustradas en las figuras 1 a 8. Como se desprende de la descripción anterior, se pueden combinar entre sí diferentes características de las diferentes realizaciones para proporcionar diferentes variantes del aparato 1 según la presente invención, que se define en las reivindicaciones independientes 1 y 17. El aparato 1 según la presente invención no sólo proporciona una protección muy eficaz de la carga conectada, en particular protección contra sobrecargas y/o protección contra sobrecorrientes, sino que también es muy flexible para diferentes tipos de cargas y/o casos de uso.

[0112] Las características de las diferentes realizaciones mostradas en las figuras 1 a 8 pueden combinarse entre sí.

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES

1. Un aparato para la protección de una carga conectada a dicho aparato,

en donde dicho aparato (1) comprende:

- un interruptor de potencia (5) a través del cual la carga conectada recibe corriente eléctrica;

- un componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente conectado en serie con dicho interruptor de potencia (5) y adaptado para generar directamente una caída de tensión eléctrica (ΔU<4>) correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de la corriente eléctrica que fluye a través del componente sensor de velocidad de aumento de corriente (4) y a través del interruptor de potencia (5) hacia la carga conectada; y

- un circuito controlador (6) que tiene un lado de baja tensión y un lado de alta tensión separados galvánicamente entre sí y que está adaptado para detectar una sobrecorriente que se produce en función de la caída de tensión (ΔU<4>) generada por dicho componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente y una caída de tensión (ΔU<5>) a lo largo del interruptor de potencia (5) y para apagar el interruptor de potencia (5) tras detectar una sobrecorriente en un periodo de apagado inferior a 1 milisegundo para proteger dicho interruptor de potencia (5) y la carga conectada contra la sobrecorriente,

en donde la caída de tensión (ΔU<4>) generada por el componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente más la caída de tensión (ΔU<5>) a lo largo del interruptor de potencia (5) se aplica como una tensión suma (U<∑>) a un pin de entrada (DESAT) del lado de alta tensión del circuito controlador (6),

en donde el circuito controlador (6) está además configurado para comparar la tensión suma aplicada al pin de entrada (DESAT) del lado de alta tensión del circuito controlador (6) mediante un comparador (K3) con una tensión umbral configurable (U<TH>),

en donde, si se supera la tensión umbral configurable (U<TH>), una señal binaria viaja a través de varias puertas lógicas del lado de alta tensión del circuito controlador (6) para generar una señal de desconexión de control que se envía a la puerta del interruptor de potencia (5), de modo que se proporciona un bucle de desconexión utilizado para desconectar el interruptor de potencia (5) sólo en el lado de alta tensión del circuito controlador (6), en donde el circuito controlador (6) está adaptado para funcionar de forma independiente de una unidad de control (8) de dicho aparato (1) para apagar el interruptor de potencia (5) dentro del periodo de apagado si la tensión suma (U<∑>) aplicada supera la tensión umbral (U<TH>) configurable,

en donde la unidad de control (8) está adaptada para controlar el lado de baja tensión del circuito controlador (6) del aparato (1) al recibir una orden de control (CMD), de modo que el interruptor de potencia (5) se conecte o se desconecte en respuesta a la orden de control recibida (CMD), y

en donde la unidad de control (8) está adaptada para controlar el lado de baja tensión del circuito controlador (6) para apagar el interruptor de potencia (5) si un perfil de corriente de la corriente eléctrica medida por una unidad de medición de corriente de carga (7) de dicho aparato (1) indica una sobrecarga de la carga conectada a dicho aparato (1).

2. El aparato según la reivindicación 1, en donde el periodo de desconexión es inferior a 1 milisegundo, en particular inferior a 5 microsegundos,

en donde el periodo de desconexión está predefinido por un circuito de conexión que conecta el componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente con el pin de entrada (DESAT) del lado de alta tensión del circuito controlador (6) y por el circuito interno del lado de alta tensión del circuito controlador (6).

3. El aparato según la reivindicación 1 ó 2, en donde el componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente comprende una bobina, que está adaptada para generar una tensión de inducción, U<L>, en función de la corriente eléctrica que fluye a través de dicho componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente y a través del interruptor de potencia (5) hacia la carga conectada.

4. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 anteriores, que comprende mecanismos de protección redundantes que utilizan diferentes técnicas de medición para proteger el interruptor de potencia (5) contra sobrecargas y sobrecorrientes.

5. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 6, en donde la unidad de medición de corriente de carga (7) está adaptada para medir continuamente la corriente de carga eléctrica (I<L>) que fluye a la carga conectada y está adaptada para notificar a la unidad de control (8) del aparato (1) sobre la corriente de carga eléctrica medida.

6. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5, en donde la unidad de control (8) de dicho aparato (1) está adaptada para recibir la orden de control (CMD) de un dispositivo remoto, en particular de un ordenador conectado a dicho aparato (1) o de un control de programa almacenado de un sistema de automatización.

7. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 6, en donde el interruptor de potencia (5) comprende un IGBT o un MOSFET de potencia, en particular un MOSFET de SiC, un MOSFET de GaN o un MOSFET de ScAlN.

8. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 7, en donde el interruptor de potencia (5) se activa tras un periodo de espera configurable o tras la eliminación satisfactoria de la causa de desconexión, o si se cumplen otras condiciones de activación predeterminadas.

9. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 8, en donde la carga conectada al aparato (1) comprende una carga inductiva, en particular un motor multifásico, una carga capacitiva o una carga resistiva, que recibe a través del aparato (1) varias fases de corriente eléctrica alterna, L, como corrientes de funcionamiento de un sistema de suministro de energía (PSN) conectado a un terminal de entrada (2) correspondiente de dicho aparato (1).

10. El aparato según la reivindicación 9, en donde el aparato (1) comprende, para cada fase de corriente eléctrica, L, al menos un componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente y un interruptor de potencia (5) asociado conectado en serie con dicho componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente y controlado por un circuito controlador asociado (6) de dicho aparato (1).

11. El aparato según las reivindicaciones 9 o 10, en donde

para cada fase de corriente eléctrica, L, se proporciona un primer interruptor de potencia (5-1) para una semionda positiva de una corriente alterna y en donde se proporciona un segundo interruptor de potencia (5-2) para una semionda negativa de la corriente alterna.

12. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 11, en donde una interfaz de usuario (15) del aparato (1) está adaptada para señalar un estado de funcionamiento de dicho aparato (1) y de la carga conectada a dicho aparato (1) y en donde el comando de control (CMD) se recibe desde la interfaz de usuario (15) del aparato (1) o desde un dispositivo remoto conectado al aparato (1).

13. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 12, que comprende además un circuito de relé (14) electromagnético conectado en serie al interruptor de potencia (5) y controlado por la unidad de control (8) de dicho aparato (1).

14. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 13, en donde la unidad de control (8) comprende

un procesador o circuito FPGA (8A),

una memoria de datos (8B) que almacena datos de perfil de corriente y almacena datos de perfil de tensión de alimentación, y

una memoria de características (8C) adaptada para almacenar características de funcionamiento para diferentes tipos de cargas eléctricas.

15. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 14, que comprende al menos un circuito divisor de tensión (9) como componente sensor de tensión en el terminal de entrada (2) o en el terminal de salida (3) del aparato (1).

16. El aparato según la reivindicación 15, en donde la unidad de medición de corriente de carga (7) y el circuito divisor de tensión (9) están conectados a través de convertidores analógico-digitales (10, 11) a la unidad de control (8) de dicho aparato (1).

17. Método para la protección de una carga, en donde el método comprende los pasos de:

generar (S1) una caída de tensión (ΔU<4>) directamente en un

componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente correspondiente a una velocidad de aumento de corriente de una corriente eléctrica que fluye a través del componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente y un interruptor de potencia (5) a la carga conectada;

detectar una sobrecorriente que tiene lugar en función de la caída de tensión (ΔU<4>) generada por dicho componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente y una caída de tensión (ΔU<5>) a lo largo del interruptor de potencia (5),

en donde el interruptor de potencia (5) se desconecta automáticamente (S2) mediante un circuito controlador (6) que tiene un lado de baja tensión y un lado de alta tensión separados galvánicamente entre sí y que funciona independientemente de una unidad de control (8) dentro de un periodo de desconexión inferior a 1 milisegundo si la caída de tensión generada (ΔU<4>) más una caída de tensión (ΔU<5>) a lo largo del interruptor de potencia (5)

aplicada como tensión suma (U<∑>) a un pin de entrada (DESAT) del lado de alta tensión del circuito controlador (6) supera una tensión umbral (U<TH>) configurable,

en donde, si se supera la tensión umbral (U<TH>) configurable, una señal binaria viaja a través de varias puertas lógicas del lado de alta tensión del circuito controlador (6) para generar una señal de desconexión de control que se envía a la puerta del interruptor de potencia (5), de modo que se proporciona un bucle de desconexión utilizado para desconectar el interruptor de potencia (5) sólo en el lado de alta tensión del circuito controlador (6), y en donde la unidad de control (8) controla el lado de baja tensión del circuito controlador (6) al recibir una orden de control (CMD), de modo que el interruptor de potencia (5) se conecta o se desconecta en respuesta a la orden de control recibida (CMD), y en donde la unidad de control (8) controla el lado de baja tensión del circuito controlador (6) para desconectar el interruptor de potencia (5) si un perfil de corriente de la corriente eléctrica medida por una unidad de medición de corriente de carga (7) indica un estado de sobrecarga de la carga conectada.

18. El método según la reivindicación 20, en donde el periodo de desconexión es inferior a 1 milisegundo, en particular inferior de 5 microsegundos,

en donde el periodo de desconexión está predefinido por un circuito de conexión que conecta el componente sensor (4) de velocidad de aumento de corriente con el pin de entrada (DESAT) del lado de alta tensión del circuito controlador (6) y por el circuito interno del lado de alta tensión del circuito controlador (6).