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jueves, 6 de agosto de 2020

Importancia de los actuadores magnéticos en interruptores de MT


El mecanismo de funcionamiento de un interruptor tiene la función, aparentemente ‘sencilla’, de mover los contactos desde la posición cerrada a la abierta o viceversa y, una vez que la posición requerida ha sido alcanzada, asegurar que los contactos permanezcan en esa posición hasta que se haya dado la orden precisa de que vuelvan a cambiar de posición. El mecanismo de funcionamiento es, por tanto, un actuador biestable típico. Esta función ha sido realizada de forma muy fiable y segura durante muchos años mediante dispositivos mecánicos de muelle y de retención. Sin embargo, las oportunidades que ofrecen hoy los avances en electrónica de potencia han derivado en la búsqueda de un dispositivo de funcionamiento más flexible y más fácil de controlar. Obviamente, un requisito esencial de cualquier nuevo sistema era garantizar un rendimiento igual o superior al del mecanismo tradicional basado en muelles, tanto en términos de fiabilidad como de seguridad y durabilidad.

Una solución apropiada se ha encontrado en el ‘actuador magnético’. Un sistema especialmente diseñado que combina electroimanes con imanes permanentes proporciona la energía de funcionamiento necesaria para el movimiento de los contactos, así como la esencial característica biestable. Los interruptores de SF6 y de vacío son mantenidos en posición abierta o cerrada por la fuerza de un imán permanente sin necesidad de energía externa alguna. El cambio de estado de los contactos móviles es originado por un cambio de dirección del campo magnético resultante de la excitación de los electroimanes, que son los elementos de control del actuador. La modulación de la corriente de alimentación de los electroimanes permite que la energía desarrollada por el sistema sea ajustada a las necesidades de los diferentes tipos y valores nominales de interruptores automáticos.

El mecanismo de funcionamiento resultante tiene una construcción considerablemente más sencilla que el sistema mecánico convencional.

La drástica reducción del número de piezas disminuye inherentemente las posibilidades de fallo, reduciéndose al mínimo el nivel de mantenimiento requerido. En la figura de cabecera se muestra la construcción de dicho actuador, con núcleo de hierro laminado fijo, imanes permanentes, inducido de acero y bobinas de apertura y cierre. Todas las funciones auxiliares, tales como interbloqueo, señalización, desconexión, cierre, etc., y las funciones de autodiagnóstico, son proporcionadas electrónicamente. Un condensador electrolítico suministra la sobretensión transitoria necesaria para la apertura y el cierre de las bobinas.

Construcción básica de los dispositivos de conmutación

Los nuevos interruptores automáticos de SF6 y de vacío accionados magnéticamente son totalmente intercambiables, tanto entre sí como con diseños anteriores. Esta intercambiabilidad es de gran importancia para los operadores de la instalación, dado que permite reequipar con mínimo coste el instrumental de conmutación.

En la figura siguiente puede verse claramente el número, tan pequeño, de componentes utilizados, lo cual reduce significativamente la posibilidad de fallo.

Interruptores automáticos de Media Tensión, VM1 de vacío (a la derecha) yHM1 de SF6  de ABB, donde se aprecia el pequeño número de componentes. 


La sencillez es también una de las características del polo de vacío incrustado y del interruptor de SF6 que utiliza la técnica del autotampón, especialmente idónea para las aplicaciones de Media Tensión.

Gracias a la tecnología de incrustaciones no se necesitan estructuras especiales de apoyo para el interruptor o sus terminales.

Conmutación rápida

Una propiedad importante del actuador magnético, ya mencionada, es la versatilidad de sus funciones de control. El aprovechamiento de su flexibilidad abre las puertas a nuevas soluciones para problemas importantes asociados a la distribución eléctrica, cuya resolución, cuando ha sido posible, ha supuesto siempre un alto coste. Uno de dichos problemas es la rápida conmutación de transferencia entre fuentes de energía en el caso de fallo en un sistema.

Este problema se ha puesto especialmente de manifiesto durante los últimos años por causa de la multiplicación de las cargas sensibles a la calidad de la energía, principalmente debida a la utilización de equipos electrónicos. La solución actual, basada en dispositivos de electrónica de potencia, es muy eficiente desde el punto de vista técnico, pero al mismo tiempo excesivamente cara. La introducción del actuador magnético ha permitido acelerar el funcionamiento de un interruptor automático de Media Tensión hasta el mínimo absoluto, es decir, al puro tiempo de extinción del arco. Mediante la utilización de interruptores automáticos de Media Tensión accionados magnéticamente y de una electrónica básica apropiada, ha sido posible reducir los tiempos de conmutación de transferencia de la fuente de potencia a menos de 40 ms. Este tiempo es tan corto que resuelve la mayor parte de los problemas provocados por las cargas sensibles a un coste muy competitivo comparado con el de las soluciones basadas en la electrónica de potencia.

Interruptor automático síncrono

La disponibilidad de estos nuevos interruptores automáticos con mecanismos de actuación magnética tiene otra ventaja importante, pues crea las bases para una conmutación síncrona.

Esta técnica de conmutación supone que los polos del interruptor funcionan independientemente, abriéndose o cerrándose cada uno de ellos en el momento más apropiado en función de las condiciones de corriente y/o tensión imperantes en la fase correspondiente. La conmutación síncrona minimiza los esfuerzos eléctrico y mecánico producidos tanto en el lado de alimentación como en el de carga del circuito conmutado, así como en el propio interruptor cuando se corta la corriente. Con la conmutación síncrona se minimiza la cantidad de energía que debe ser disipada en la cámara de interrupción y se reduce enormemente cualquier sobretensión derivada de la operación de conmutación. Todas estas ventajas son resultado de un preciso control del funcionamiento del interruptor, lo cual es posible gracias al actuador magnético. La precisión del control es tan grande que se puede sincronizar el término del desplazamiento del contacto móvil con el paso por cero de la corriente en cada fase.

Además, la conmutación síncrona minimiza, teóricamente incluso hasta el valor nulo, los picos de la corriente de entrada y las sobretensiones que se producen durante la energización de las cargas inductivas o capacitivas.

Dado el tipo de carga, estos resultados se obtienen controlando el cierre de los contactos de acuerdo con el máximo de corriente o de tensión. Las operaciones de cierre y apertura descritas se realizan con una tolerancia máxima de ±0,5 ms y ±1 ms respectivamente. Estos valores son una medida efectiva del avance tecnológico conseguido al combinar la electrónica digital con el actuador magnético.

Esta evolución dará lugar a un aumento de fiabilidad del sistema eléctrico en su conjunto, así como a una mayor seguridad para los operarios y a una reducción de costes asociada a la minimización del esfuerzo eléctrico y del desgaste del equipo eléctrico.

Integración con sensores y electrónica

El hardware y software disponibles hoy en día para ser utilizados con interruptores automáticos accionados magnéticamente permiten dar un nuevo paso adelante hacia la integración funcional completa. Con la programación informática adecuada y los sensores de corriente y de tensión necesarios, hoy es posible la integración directa de las funciones de protección en el sistema de control del interruptor.

Esto convierte al interruptor automático en un dispositivo totalmente automatizado en materia de funciones de protección y de conmutación, lográndose máxima fiabilidad como resultado de reducir al mínimo los interfaces de los componentes. Esta total integración de las funciones básicas del equipamiento de conmutación ha demostrado ser el camino correcto a seguir en aplicaciones de distribución secundaria de Media Tensión, confirmando que es una técnica puntera en el campo de equipamiento de Baja Tensión.

 

FUENTE:

Revista ABB 4/2000: En busca del interruptor idóneo de Media Tensión  (Guenter Leonhardt, Mauro Marchi, Giandomenico Rivetti).

 

 

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