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DETECTOR ACTIVO DE CORRIENTES DE FUGA
Matias Bulacio; Tomás A. González; Ramiro Alonso; Guido Marinelli; Hernán E. Tacca; Ariel Lutenberg; José Lipovetzky
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, Laboratorio de Control de Accionamientos, Tracción y Potencia
Congreso Argentino de Sistemas Embebidos (CASE) 2011
DESCRIPCIÓN
INTRODUCCIÓN
El circuito integrado genera una señal de alta frecuencia que es aplicada a un
transformador de pulsos, cuyo secundario es la línea de alimentación del equipo
a proteger. En caso de un desperfecto que genere un camino de baja impedancia
a tierra, el cual permite que la señal sea efectivamente inyectada en la línea, se
puede sensar la condición utilizando otro transformador de pulsos.
Los interruptores diferenciales o disyuntores presentan una velocidad
de respuesta baja ante fugas a tierra con límites bajos de corriente de
fuga (de 5 a 30 miliampers). Aunque dicha velocidad alcanza para
proteger la vida de las personas (con tiempos de 24 a 40 milisegundos),
no suele ser suficiente para evitar la destrucción de equipos industriales
en caso de fugas, como por ejemplo ante el deterioro de la aislación de
los motores.
Se ha diseñado un circuito integrado de aplicación específica, con la
tecnología XC06 de XFAB, que permite detectar fugas a tierra en
algunos microsegundos con gran flexibilidad en el ajuste de los
umbrales de detección.
Diagrama en bloques del circuito integrado
Ajuste de frecuencia
Oscilador
+Tiempo
muerto
Inversores
Transformador
de
inyección
Transistores
de
potencia
Circuito Integrado
Layout del circuito integrado
Fuga
Sección digital
del inyector
Comparadores
Amplificador
Transformador
de
detección
Rectificador
Ajuste del umbral de detección
L
Í
N
E
A
D
E
T
E
N
S
I
Ó
N
Se generan dos señales de alta frecuencia complementarias y con tiempo muerto para
excitar a dos transistores de alta tensión en configuración push-pull. Se utiliza un esquema
típico de oscilador RC con componentes externos ajustables. Un divisor de frecuencia y
unas compuertas se usaron para agregar el tiempo muerto. Para lograr la correcta
conmutación de los transistores de salida se integra una cadena de inversores.
Transistores
de salida
del inyector
En el detector, la señal rectificada con un puente implementado con diodos Schottky es
amplificada con un amplificador diferencial realimentado internamente. A continuación se
integran dos comparadores con entradas accesibles desde el exterior para ofrecer tanto la
posibilidad de proteger la vida del usuario y/o el equipamiento electrónico, como también
una mayor flexibilidad en los umbrales de detección.
Detector
MEDICIÓN
SIMULACIÓN
Se construye un prototipo con componentes discretos para validar el método
propuesto y se lo evalúa con un motor asincrónico trifásico. Se simula una
ruptura de aislación utilizando un circuito RC serie que se conecta a tierra por
medio de un interruptor.
Se realiza una simulación del circuito integrado utilizando los modelos de
XFAB. La falla, al igual que en el caso de la medición, se modela con un circuito
RC serie pero por simplicidad se realiza sobre una red monofásica con carga
resistiva.
R
Transformadores
diferenciales
15
Motor Asincrónico
Tensión en el
primario del
transformador de
inyección (V)
S
-15
0.0001
T
Medición de
componente
homopolar
Inyección
de señal
A
Tensión en el
secundario del
transformador de
detección (V)
C
Ruptura de
aislación
0.00012
0.00014
0.00016
0.00018
0.0002
0.00012
0.00014
0.00016
0.00018
0.0002
6
0
30
-6
20
0.0001
10
0
5
-10
-20
Tensión (V)
0
-30
-2e-05
1
-1e-05
0
1e-05
2e-05
3e-05
4e-05
Varias tensiones
en el circuito
detector (V)
Salida del comparador
Simulación de falla
Señal amplificada y filtrada
Umbral del comparador
0
B
0.0001
0.00012
0.00014
-1
Descripción:
A) La fuente inyecta una
señal periódica de alta
frecuencia sobre la tensión
de alimentación del motor
mediante el transformador
diferencial trifásico.
-1e-05
0
1e-05
Tiempo (s)
B) En ausencia de
fallas de aislación las
corrientes de fase no
tienen una componente
de modo común que se
derive por tierra.
2e-05
3e-05
4e-05
C) Un deterioro o eventual ruptura
de la aislación deriva parte de la
corriente de fase a tierra y se sensa la
componente homopolar. La amplitud
de la señal sensada cuantifica el nivel
de la falla.
REFERENCIAS
- Hernán Mediote, “Aplicaciones de circuitos integrados programables
al control de motores de inducción”, Tesis de ingeniería electrónica,
Facultad de Ingeniería de la U.B.A., Septiembre 2008.
- Fairchild Semiconductor, RV4145A "Low Power Groud Fault
Interrupter", Rev. 1.0.5, 12/07/04.
0.00018
0.0002
0.00016
0.00018
0.0002
Detalle
5
-2e-05
0.00016
~3μs
Tensión (V)
0
0.0001
0.00012
0.00014
Tiempo (s)
Se obtiene un tiempo de respuesta del orden de algunos microsegundos.
AGRADECIMIENTOS
CONTACTO
bulavacious@gmail.com
tgonzalez@fi.uba.ar
ralonso@fi.uba.ar
marinelliguido@gmail.com