MX2014010352A - Ancho y posicion de pulso de prueba controlable para interruptor de circuito de falla de tierra de auto-prueba. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de interrupción de circuito que tiene un circuito de auto-monitoreo para probar periódicamente varias funciones y estructuras del dispositivo. El circuito de auto-monitoreo inicia una rutina de auto-monitoreo que, entre otras cosas, genera una condición de falla de auto-prueba y determina si los mecanismos de detección dentro del dispositivo detectan de manera apropiada la falla de auto-prueba. Un circuito de falla de prueba está configurado para generar uno o más pulsos de prueba que causan la condición de falla de auto-prueba y los pulsos de prueba son generados para ocurrir fuera de una región activa del circuito de detección de falla.

Description

ANCHO Y POSICIÓN DE PULSO DE PRUEBA CONTROLABLE PARA INTERRUPTOR DE CIRCUITO DE FALLA DE TIERRA DE AUTO-PRUEBA Referencia cruzada a solicitudes relacionadas Esta solicitud reclama el beneficio la solicitud de patente provisional de E.U.A. con número 61/870,452, presentada el 27 de agosto de 2013. Esta solicitud también contiene materia relacionada con la materia contenida en la solicitud de patente de E.U.A. co-pendiente número 13/827,785, titulada "CIRCUITO DE MONITOR DE PRUEBA DE GFCI", de Stephen P. Simonin, cuyo contenido es incorporado aquí con referencia en su totalidad para todo lo que se describe.

Campo de la invención La presente invención se refiere generalmente a dispositivos eléctricos conmutados. Muy particularmente, varias modalidades de la presente invención están dirigidas a un dispositivo de interrupción de circuito de auto-prueba, tal como un interruptor de circuito de falla de tierra (GFCI) o un interruptor de circuito por falla de arco (AFCI), que periódicamente prueba en forma automática su capacidad para detectar una condición de falla. Un dispositivo consistente con modalidades de la invención descrita aquí tiene capacidades de auto-prueba robustas, de tal manera que los pulsos de prueba generados dentro del dispositivo para simular condiciones de falla reales son controlados de una manera que disminuyen al mínimo las probabilidades de las condiciones de auto-prueba automáticas haciendo que el dispositivo se detenga y/o las probabilidades de dichas condiciones de auto-prueba para pasar sin ser detectadas por el circuito de detección del dispositivo.

Antecedentes de la invención La función de los dispositivos de interrupción de circuito, tales como GFCIs y AFCIs, es detectar condiciones de falla que pueden ocasionar peligro de impacto o incendio y eliminen la condición de falla. Dichos dispositivos de interrupción de circuito primero detectan la condición de falla y después quitan la energía al circuito de carga en respuesta a esa detección. Los contactos de interrupción dentro del dispositivo se abren para romper la conexión eléctrica entre las terminales de energía de entrada, típicamente conectada a una fuente de AC y terminales de carga, habitualmente son conectadas directamente o indirectamente a un dispositivo eléctricamente energizado.

Para venderse comercialmente en los Estados Unidos, un dispositivo GFCI, por ejemplo, debe conformarse a las normas establecidas por el Underwriter's Laboratory (UL). Estas normas habitualmente son creadas junto con los fabricantes líderes en la industria así como otros miembros de la industria, tales como varios grupos de seguridad. Una norma de UL que cubre dispositivos GFCI es UL-943, titulada "Norma para Seguridad - Interruptores de Circuito de Falla de Tierra". UL-943 aplica a GFCIs de clase A, de una sola fase y de tres fases, destinada para protección del personal e incluye requerimientos mínimos para la función, construcción, rendimiento y marcas de dichos dispositivos de GFCI. UL-943 requiere, entre otras cosas, niveles de corriente de falla específicos y requerimientos de tiempo de respuesta en los cuales el dispositivo GFCI debe fallar. Típicamente, se requiere que los GFCIs se detengan cuando a una falla de tierra que tiene un nivel más alto que 5 miliamperios (mA) es detectada. Además, cuando una falla de tierra de alta resistencia es aplicada al dispositivo, la siguiente versión de UL-943 especifica que el dispositivo debe parar y evitar que la corriente sea suministrada a la carga de conformidad con la ecuación, T =(20/1)1.43, en donde T se refiere a tiempo y se expresa en segundos e I se refiere a corriente eléctrica y se expresa en miliamperios. Por lo tanto, en el caso de una falla de 5 mA, el dispositivo debe detectar la falla y detener en 7.26 segundos o menos.

Con dichas normas relacionadas con la seguridad en su lugar, y debido a que a los dispositivos de GFCI directamente se les acredita salvar muchas vidas desde su introducción en la década de 1970, se han vuelto ubicuos a través de la rejilla de energía eléctrica residencial y comercial. Como la mayoría de los dispositivos electro mecánicos, sin embargo, los dispositivos de GFCI son susceptibles a falla. Por ejemplo, uno o más de los componentes electrónicos que impulsan el dispositivo de interruptor de corriente mecánica pueden hacer un cortocircuito o de otra manera volverse defectuosos, como lo pueden hacer componentes en el circuito de detector de fallas o en otra parte dentro del dispositivo, haciendo al dispositivo incapaz de detectar apropiadamente la falla de tierra y/o interrumpir apropiadamente el flujo de corriente eléctrica. Por esta razón, desde hace mucho se ha reguerido que los dispositivos de GFCI sean provistos de un circuito supervisor que permita prueba manual de la capacidad del dispositivo para detener cuando se encuentre un falla. Dichos circuitos de supervisión típicamente incluyen un botón de prueba que, cuando es oprimido, actúa una falla de tierra simulada en los conductores caliente y neutro. Si el dispositivo está funcionando apropiadamente, la falla simulada es detectada y el dispositivo se detendrá, es decir, el interruptor mecánico es accionado para abrir la trayectoria de corriente que conecta el lado de línea del dispositivo, v.gr., cuando se suministra energía de AC, y el lado de carga, en donde el usuario conecta su aparato eléctrico, etc., y en donde los receptáculos corriente abajo o dispositivos de GFCI adicionales son conectados.

Un estudio realizado por grupos de seguridad industrial indicó gue muy frecuentemente el público regularmente no prueba sus dispositivos de GFCI para operación apropiada, es decir, al oprimir el botón de prueba. Este estudio además reveló que algunos dispositivos de GFCI que han estado en servicio durante un periodo prolongado se volvieron no funcionales y fueron incapaces de detectar apropiadamente una condición de falla, por lo tanto, haciendo el dispositivo inseguro. De manera especifica, se descubrió que después de uso prolongado, los dispositivos de GFCI fallan a detenerse cuando ocurre la falla, haciendo asi al dispositivo operable como un receptáculo eléctrico pero inseguro en presencia de una condición de falla. Debido a que los dispositivos no son probados regularmente, esta condición insegura es exacerbada. Es decir, las personas, inconscientemente creen que el dispositivo es operacional, porque suministran energía adecuadamente, cuando de hecho el dispositivo es un peligro potencialmente amenazador de la vida.

El descubrimiento de que los dispositivos de GFCI desplegados en el campo se están volviendo cada vez más inoperantes e inseguros en combinación con la modalidad de que la gente regularmente no prueba sus dispositivos de GFCI, independientemente de las instrucciones explícitas del fabricante para hacerlo, se iniciaron investigaciones hacia posibles cambios a la norma de UL-943 para requerir que los dispositivos de GFCI se auto-prueben (v.gr., "auto-monitoreo") sin la necesidad de intervención humana. Los cambios contemplados para UL-943 además incluyen un requerimiento, ya sea para una advertencia al consumidor de la pérdida de protección y/o el dispositivo automáticamente es quitado de servicio, v.gr., detenido de manera permanente. Más aún, estas operaciones de auto-prueba adicionales tendrían que realizarse sin interferir con la función principal del dispositivo, es decir, detenerse cuando se encuentra una falla real.

La funcionalidad de auto-prueba revisada mencionada anteriormente ya no es requerida para certificación de UL-943, pero se espera que pronto lo sea. En preparación para este cambio de norma de UL significativo, y en vista de la reducción aparentemente sin fin en el costo de los circuitos integrados, muchos fabricantes de GFCI han migrado a téenicas digitales (v.gr., microprocesadores y microcontroladores) en favor de diseños análogos previos para proveer tanto protección de falla de tierra como funcionalidad de auto-monitoreo. Las soluciones digitales ofrecidas hasta ahora, sin embargo, no son ideales. Por ejemplo, varios diseños de GFCI de la técnica relacionada, incluyendo aquellos dirigidos para proveer funcionalidad de auto-prueba, adolecen de detención molesta, una situación en donde el interruptor es accionado cuando ni una falla de tierra real, una falla de tierra simulada manualmente generada, ni una falla de auto-prueba automática están presentes. Esta condición desfavorable se empeora cuando, como en el caso con la mayoría de los dispositivos de auto-prueba de la téenica relacionada, corrientes inductivas adicionales son generadas dentro del dispositivo.

Por lo tanto, se desea proveer un dispositivo de interrupción de circuito que provea ciertas capacidades de auto-prueba, incluyendo aquellas propuestas para la siguiente revisión de la norma UL-943, y que reduzca al mínimo la detención molesta que resulta de la operación de auto-prueba y aumente al máximo las probabilidades de que un falla de auto-prueba sea detectada de manera apropiada.

Sumario de las modalidades ilustrativas La presente invención está dirigida a un dispositivo de interrupción de circuito de auto-prueba, tal como un interruptor de circuito de falla de tierra (GFCI) o un interruptor de circuito por falla de arco (AFCI), que periódicamente prueba en forma automática su capacidad para detectar una condición de falla.

Un aspecto de la invención es proveer un dispositivo de cableado eléctrico que tenga una capacidad de auto-prueba robusta de tal manera que el dispositivo auto-pruebe de manera exitosa su funcionalidad bajo varias condiciones no ideales que hagan a otros dispositivos de este tipo menos deseables debido a detección de falla falso-positivo dentro del dispositivo.

Un dispositivo de cableado consistente con una modalidad incluye un circuito de detección de falla configurado para detectar condiciones de falla reales, simuladas y de prueba, y un circuito de falla de prueba configurado para generar uno o más pulsos de prueba que generan la condición de falla de prueba, en donde uno o más pulsos de prueba son generados para que ocurran fuera de una región activa del circuito de detección de falla.

De conformidad con un aspecto adicional, uno o más pulsos de prueba tienen cada uno un ancho de pulso que es menor que un milisegundo.

De conformidad con un aspecto adicional, una corriente de fuga está presente en la región activa del circuito de falla. Esta condición es una de varias condiciones que causan que los dispositivos de auto-prueba convencionales fallen o provean de otra manera resultados de auto-prueba falsos y poco confiables.

De conformidad con un aspecto adicional de la invención, se provee un dispositivo de interrupción de circuito que incluye uno o más conductores de línea para conectar eléctricamente a un suministro de energía externo, uno o más conductores de carga para conectar eléctricamente a una carga externa, un dispositivo de interrupción conectado a los conductores de línea y los conductores de carga y que conectan eléctricamente los conductores de línea a los conductores de carga cuando el dispositivo de interrupción de circuito está en una condición de re-inicio y desconectando los conductores de línea de los conductores de carga cuando el dispositivo de interrupción de circuito está en una condición detenida, o un circuito de detección de falla que detecta una condición de falla en el dispositivo de interrupción de circuito y genera una señal de detección de falla cuando la condición de falla es detectada, en donde la señal de detección de falla se provee al dispositivo de interrupción para colocar el dispositivo de interrupción de circuito en la condición detenida, un circuito de auto-monitoreo eléctricamente acoplado al circuito de detección de falla y el dispositivo de interrupción y monitoreando continuamente una o más señales para determinar un estado de operación del dispositivo de interrupción de circuito y un circuito de falla de prueba configurado para generar uno o más pulsos de prueba que causen la condición de falla de prueba, en donde uno o más pulsos de prueba son generados para que ocurran fuera de una región activa del circuito de detección de falla.

De conformidad con otro aspecto, se provee un dispositivo de cableado eléctrico que incluye un circuito de detección de falla configurado para detectar condiciones de falla reales, simuladas y de prueba, un circuito de falla de prueba configurado para generar uno o más pulsos de prueba que causen la condición de falla de prueba, en donde el circuito de falla de prueba incluye un dispositivo programable programado para generar uno o más pulsos de prueba sólo dentro del último cuarto de una mitad de ciclo positiva de potencia de AC.

Estos y otros aspectos de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención que, junto con los dibujos anexos, describen varias modalidades de la invención.

Breve descripción de los dibujos La siguiente es una breve descripción de los dibujos en los cuales: Las figuras 1A-1D son esquemas que ilustran un dispositivo de interrupción de circuito de conformidad con por lo menos una modalidad de la invención; La figura 2 es un diagrama de señal que muestra varias señales en el circuito de la figura 1 y sus niveles relativos de conformidad con por lo menos una modalidad de la invención cuando no hay corriente de fuga presente; La figura 3 es un diagrama de señal que muestra varias señales en el circuito de la figura 1 y sus niveles relativos de conformidad con por lo menos una modalidad de la invención cuando está presente corriente de fuga; La figura 4 es un diagrama de señal que muestra varias señales en el circuito de la figura 1 y sus niveles relativos cuando un pulso de prueba ocurre al principio de la mitad de onda de AC positiva.

Descripción detallada de las modalidades ilustrativas Los inconvenientes anteriormente descritos son superados y las ventajas son llevadas a cabo por un circuito que provee un pulso de prueba de auto-prueba controlada para simular una condición de falla real. De conformidad con las modalidades de la invención, el pulso de auto-prueba es controlado para generar en un tiempo óptimo durante la operación de auto-prueba y/o para tener un ancho de pulso óptimo que permita suficiente prueba del circuito del detector y reduzca al mínimo las probabilidades del pulso de auto-prueba que coinciden con una corriente de fuga.

De conformidad con por lo menos una modalidad ilustrativa, se provee un circuito de auto-prueba que incluye un dispositivo de microcontrolador programado para generar uno o más pulsos de auto-prueba que producen una falla de tierra de prueba. Los pulsos de prueba son generados fuera del área de detección típica del circuito de detección que garantiza que los pulsos de prueba no añaden o sustraen a valores de fuga normales, una situación que de otra manera habría causado detenciones falsas o no detenciones, respectivamente.

Por ejemplo, haciendo referencia a las figuras 1A-1D, un microcontrolador 301 genera uno o más pulsos de prueba en un puerto de entrada/salida (I/O) GPI. Los pulsos de prueba colocan una señal sobre la base del transistor 304, encendiendo el transistor que, a su vez, jala corriente a través del transistor sobre el conductor 356. Cuando hay una corriente neta llevada a través del transformador de detección 334, v.gr., sobre el conductor 356, se genera un flujo que causa que se genere una señal sobre el conductor 333, que es detectada por el dispositivo GFCI IC 350. Es decir, cuando el flujo neto es generado por la señal sobre el conductor 356, una falla de tierra real es simulada.

De conformidad con la modalidad de la invención, la señal de detección pulsada resultante sobre el conductor 333 se provee a los puertos de entrada del dispositivo de GFCI IC 350 que, de conformidad con esta modalidad es un chip GFCI 4141 conocido. Sin embargo, los expertos en la téenica sabrán que otros dispositivos de GFCI, tales como un dispositivo 4145 o un dispositivo LM1851, también se pueden usar sin apartarse de la esencia y alcance de la invención. Cabe notar además que aunque la presente modalidad se describe usando una mitad de ciclo positivo como comprendiendo la región activa, un experto en la téenica entenderá que con alteraciones menores al circuito, la mitad de ciclo negativa también se podría usar.

Con referencia aún a las figuras 1A-1D, los pulsos de prueba periódicos activan todos los circuitos y componentes necesarios para confirmar la operación apropiada del sistema, excepto para el interruptor, que no sería activado durante una operación de auto-monitoreo (auto-prueba). El pulso de prueba activa todos los circuitos y bobinas portadoras, electrónica de entrada, chip de GFCI, y toda la electrónica que sigue. De manera específica, cuando la señal es generada en un conductor 333, el funcionamiento apropiado del circuito de detección entero, incluyendo el dispositivo GFCI IC 350, se prueba midiendo la señal en TP 2 con el microcontrolador 301 y confirmando que la señal de detección ocurrió en el tiempo apropiado y tuvo el nivel apropiado.

Como se muestra en la figura 2, el "pulso de prueba", que se mide en TP 5 de la figura 1, es generado aproximadamente 5 milisegundos (mseg) después del borde anterior del área de fuga activa y el ancho del pulso es controlado para ser relativamente estrecho en comparación con el pulso de mitad de onda principal. Muy particularmente, el ancho de pulso del pulso de prueba que genera la señal de falla de tierra de prueba automática es controlada por el microcontrolador 301 en incrementos de 1 pseg y la ubicación del pulso dentro del pulso principal de AC de la mitad de onda es también es controlada. Por ejemplo, de conformidad con esta modalidad, el ancho de pulso es controlado para ser de aproximadamente 180 microsegundos (pseg) y su tiempo es controlado de tal manera el borde anterior está ubicado por lo menos 5 mseg después del borde anterior del medio ciclo positivo de la señal de potencia de AC rectificada, es decir, como se mide en TP 3 de la figura 1. Se indica de manera expresa aqui que la presente invención se contempla que opera cuando ya sea una fuente de AC o una fuente de DC se usa. Al colocar el pulso de prueba hacia la última porción de la media la onda de AC, la señal de falla de prueba es aún detectada por el chip IC GFCI, como se describe con detalle adicional más adelante, pero la señal de falla de prueba no se añade, o sustrae, de cualquier señal de corriente de fuga situada en la porción de fuga activa de la señal de prueba de mitad de onda.

Haciendo referencia a la figura 2, la falla de prueba es detectada por el dispositivo de GFCI IC 350 como se indica por la señal positiva medida en TP 2 de la figura 1. En este caso particular, no está presente corriente de fuga durante la región activa de la señal de mitad de onda positiva de AC. La señal en TP 2 representa la salida de un capacitor de retraso dentro del dispositivo de GFCI IC que carga cuando una señal que excede el umbral predeterminado está presente en los puertos de entrada del dispositivo de GFCI IC, v.gr., en el conductor 333, como resultado del flujo generado en el transformador de detección 334. La señal en TP 2 se mide por un convertidor de análogo a digital (A/D) dentro del microcontrolador 301 y es contado como un falla de prueba de auto-monitoreo válida si el valor medido excede un umbral predeterminado indicativo de un falla.

Haciendo referencia a la figura 3, una corriente de fuga es generada aproximadamente en el centro de la mitad de onda positiva de la señal de potencia de AC y dentro de la región activa, v.gr., 2-3 mseg del borde anterior. Debido a que el pulso de prueba es generado cerca del extremo de la mitad de onda positiva, similar a la figura 2, la detección del pulso de prueba ocurre de manera limpia, v.gr., sin ningún ruido o timbre adicional observado en la salida del capacitor de retraso (TP 2 en la figura 1). Es decir, la señal de detección que sigue inmediatamente el pulso de prueba cuando el pulso de prueba está cerca del fin de la mitad de onda positiva de AC y ocurre fuga en la región activa (figura 3), parece idéntica a la señal de detección cuando no está presente fuga (figura 2). También, debido a la posición del pulso de prueba, la SCR no puede provocar incendio. Es decir, como se muestra en esta modalidad, la SCR no puede causar incendio en el periodo de tiempo de 6 a 7 mseg, ya que la potencia principal cae a nivel cero, v.gr., si se utiliza un pulso positivo.

Como se muestra en la figura 4, un pulso de prueba al principio de la mitad de onda de AC positiva, incluso un pulso de prueba que tiene un ancho de pulso corto, v.gr., aproximadamente 180 mseg como se muestra, causa ondulaciones u oscilaciones, sobre la señal de detección durante la región activa de la señal de mitad de onda. Es decir, en lugar del convertidor de A/D en el microcontrolador que mide una señal de detección limpia posterior al pulso de prueba, como en las figuras 2 y 3, cuando el pulso de prueba ocurre cerca del borde anterior de mitad de onda de AC positiva, no se puede obtener una lectura verdadera del circuito de detección, v.gr., el dispositivo de GFCI IC.

Más aún, si el pulso, o pulsos, ocurren durante la región activa, por ejemplo, menos de 5 mseg del borde anterior de la mitad de onda de AC, los pulsos de prueba se añadirán, o sustraerán, de cualquier corriente de fuga. Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 3, si el pulso de prueba ha ocurrido al mismo tiempo que la corriente de fuga, es decir, dentro de la región activa, la señal de detección se añadirla a la señal de corriente de fuga y el voltaje resultante en TP 2 de la figura 1 seria suficientemente alto para detener el. dispositivo de alta, aun cuando el valor de la corriente de fuga no fuera suficientemente alta para detener el dispositivo por si misma. En este escenario, ocurriría una detención molesta o falsa.

De manera similar, si el pulso de prueba ocurriera al mismo tiempo que una señal de fuga y el pulso de prueba diera por resultado una señal de detección negativa, la señal de detección seria sustraída de la señal de fuga cuando se sumen. Esta situación, por lo tanto, podría dar por resultado una señal de fuga que de otra manera causara que el dispositivo se detuviera para ser disminuido a un nivel que no ocasione una condición de detención. Ambas situaciones descritas anteriormente, es decir, en donde la señal de detección causa que una señal de fuga sea incrementada o disminuida, es desfavorable ya que interfiere con la operación normal del dispositivo.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de cableado eléctrico que comprende: un circuito de detección de falla configurado para detectar condiciones de falla reales, simuladas y de prueba; y un circuito de falla de prueba configurado para generar uno o más pulsos de prueba que ocasionan dicha condición de falla de prueba, en donde uno o más pulsos de prueba son generados para ocurrir fuera de una región activa de dicho circuito de detección de fallas.

2. El dispositivo de cableado eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, en donde uno o más pulsos de prueba tienen cada uno un ancho de pulso que es menor que 1 seg.

3. El dispositivo de cableado eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, en donde una corriente de fuga está presente en la región activa.

4. Un dispositivo de interrupción de circuito que comprende: uno o más conductores de línea para conectar eléctricamente a un suministro de energía externo; uno o más conductores de carga para conectar eléctricamente a una carga externa; un dispositivo de interrupción conectado a dichos conductores de linea y dichos conductores de carga y que conecta eléctricamente los conductores de linea a los conductores de carga cuando el dispositivo de interrupción de circuito está en una condición de reinicio y desconectando los conductores de linea de los conductores de carga cuando el dispositivo de interrupción de circuito está en una condición detenida; un circuito de detección de falla que detecta una condición de falla en dicho dispositivo de interrupción de circuito y genera una señal de detección de falla cuando dicha condición de falla es detectada, en donde la señal de detección de falla se provee al dispositivo de interrupción para colocar el dispositivo de interrupción de circuito en la condición de detención; un circuito de auto-monitoreo eléctricamente acoplado a dicho circuito de detección de falla y dicho dispositivo de interrupción y que monitorea continuamente una o más señales para determinar un estado de operación de dicho dispositivo de interrupción de circuito; y un circuito de falla de prueba configurado para generar uno o más pulsos de prueba que causan dicha condición de falla de prueba, en donde uno o más pulsos de prueba son generados para ocurrir fuera de la región activa del circuito de detección de fallas.

5. El dispositivo de interrupción de circuito de conformidad con la reivindicación 4, en donde dicho circuito de detección incluye un transformador de detección a través del cual están dispuestos los conductores de linea, el transformador de detección generando una señal de detección de falla inducida cuando la corriente neta excede el umbral predeterminado.

6. El dispositivo de interrupción de circuito de conformidad con la reivindicación 5, en donde el circuito de auto-prueba incluye un conductor de auto-prueba dispuesto a través del transformador de detección y separado de los conductores de linea y dicha corriente neta es colocada sobre el conductor de auto-prueba cuando el circuito de auto-prueba es controlado para generar dicha señal de auto-prueba.

7. Un dispositivo de cableado eléctrico que comprende: un circuito de detección de falla configurado para condiciones de falla reales, simuladas y de prueba; un circuito de falla de prueba configurado para generar uno o más pulsos .de prueba que ocasionan dicha condición de falla de prueba, en donde uno o más pulsos de prueba son generados para ocurrir fuera de la región activa del circuito de detección de fallas, en donde dicho circuito de falla de prueba incluye un dispositivo programable, programado para generar uno o más pulsos de prueba sólo dentro del último cuarto de una mitad de ciclo positivo de potencia de AC.