La supresión de arco es la reducción de la energía del arco eléctrico [1] [2] [3] [4] [5] que se produce cuando se abren y cierran los contactos que llevan corriente. Un arco eléctrico es una descarga de arco continua, creada por el hombre y que consiste en electrones e iones altamente energizados, sostenidos por una corriente eléctrica de al menos 100 mA; no debe confundirse con una chispa eléctrica . [6]
Cada vez que un dispositivo de energía eléctrica (por ejemplo: calentadores, lámparas, motores, transformadores o cargas de energía similares) se enciende o se apaga, su interruptor, relé o contactor pasa de un estado CERRADO a un estado ABIERTO (" BREAK ") o de un estado ABIERTO a un estado CERRADO (" MAKE "), bajo carga, se produce un arco eléctrico entre los dos puntos de contacto (electrodos) del interruptor.
La temperatura del arco eléctrico resultante es muy alta (decenas de miles de grados), lo que hace que el metal de las superficies de contacto se funda, se acumule y migre con la corriente. La alta temperatura del arco provoca la disociación de las moléculas de gas circundantes creando ozono , monóxido de carbono y otros compuestos. La energía del arco destruye lentamente el metal de contacto, lo que hace que parte del material se escape al aire en forma de partículas finas. Esta misma actividad hace que el material de los contactos se degrade rápidamente, lo que provoca una falla del dispositivo. [4] [7]
Para comprender la supresión de arcos eléctricos es necesario comprender tanto los mecanismos de formación de arcos eléctricos como los de iniciación de los mismos. Los arcos de contacto son arcos iniciados por emisión termoiónica (" arco T ") o arcos iniciados por emisión de campo (" arco F "), y se mantienen mediante un suministro continuo de energía (piense en una soldadora de arco o en una lámpara de arco de xenón).
Si bien la formación de arcos eléctricos ocurre durante las transiciones de INTERRUPCIÓN y CONEXIÓN , el arco de interrupción suele ser más enérgico y, por lo tanto, más destructivo. [8] [9] [10]
Durante el contacto MAKE , la iniciación del arco F se produce cuando el electrodo móvil se acerca al electrodo estacionario. Luego, el plasma MAKE F-Arc se enciende y se extingue rápidamente en el instante del impacto del contacto. Este impacto inicial da como resultado una serie de rebotes MAKE amplificados por la presión del plasma , y cada rebote produce un arco T. Estos rebotes continúan hasta que el contacto se microsuelda en la posición CERRADA. (Tenga en cuenta que "supresión del arco" no significa "eliminación del arco", ya que algunos arcos diminutos ("arclets") producen microsoldaduras beneficiosas. Estas microsoldaduras son una característica de contacto de potencia deseada e importante, ya que garantizan conexiones de electrodos resistentes a las vibraciones, de baja resistencia óhmica y no permanentes). [8] [9] [10]
El " arco BREAK" consiste en un arco T BREAK inicial que puede extenderse mediante una serie de arcos F BREAK . El arco T BREAK inicial se crea después de la explosión del puente de metal fundido sobrecalentado que había estado transportando corriente cuando el contacto comienza a abrirse. A medida que el plasma del arco T BREAK se extingue y se interrumpe la corriente, la inductancia en el bucle extiende la duración del " arco BREAK " iniciando una serie de arcos F BREAK que continúan hasta que la brecha de contacto se ensancha más allá de la capacidad termodinámica para soportar el plasma en llamas. [8] [9] [10]
Existen varias áreas posibles de uso de los métodos de supresión de arco, entre ellas la deposición de película metálica y pulverización catódica , procesos electrostáticos donde no se desean arcos eléctricos (como pintura en polvo , purificación de aire y supresión de arco de corriente de contacto. En el diseño industrial, militar y electrónico de consumo, el último método generalmente se aplica a dispositivos como interruptores de potencia electromecánicos, relés y contactores. En este contexto, la supresión de arco es protección de contacto .
Los métodos de protección de contactos están diseñados para mitigar el desgaste y la degradación que ocurren durante el uso previsto de los contactos dentro de un interruptor , relé o contactor electromecánico y así evitar un aumento excesivo en la resistencia del contacto o una falla prematura del interruptor.
La supresión de arcos es un área de interés en ingeniería debido a los efectos destructivos del arco eléctrico en los puntos de contacto de los interruptores de potencia electromecánicos, relés y contactores . [11] Existen muchas formas de "supresión de arcos" que brindan protección de contacto en aplicaciones que operan a menos de 1 amperio . Sin embargo, la mayoría de ellas se consideran con mayor precisión "supresión transitoria" y, por lo tanto, son ineficaces tanto para la supresión de arcos como para la protección de contacto. [12] [13]
La eficacia de una solución de supresión de arco para la protección de contacto se puede evaluar utilizando el factor de supresión de arco de contacto ("CASF") [14] [15] para comparar la energía de arco calculada del arco no suprimido con la del arco suprimido:
CASF = W (arco) / W (arcolet)
Donde W (arco) = Energía de arco no suprimido y W (arco) = Energía de arco suprimido. La energía de arco no suprimido y suprimido debe obtenerse gráficamente a partir de mediciones con osciloscopio. La energía de arco no suprimido y suprimido se expresa en vatios-segundo [Ws] o julios [J]. El factor de supresión de arco de contacto [CASF] resultante es adimensional.
W (arco) = V (arco) × I (arco) × T (arco)
Donde V (arco) : voltaje de quemado del arco, I (arco) : corriente de quemado del arco, es aproximadamente I (carga) , donde I (carga) puede estar en el rango de unos pocos amperios [A] a kiloamperios [kA]; y T (arco) : duración de quemado del arco, puede ser del orden de microsegundos [μs] a segundos [s].
W (arcolet) = V (arcolet) × I (arcolet) × T (arcolet)
Donde V (arclet) : voltaje de ignición del arco, dependiendo del metal de contacto. Por ejemplo, aproximadamente 12 V para óxido de plata, indio y estaño; I (arclet) : corriente de arco, es aproximadamente I (carga) y puede estar en el rango de unos pocos amperios [A] a kiloamperios [kA]; y T (arclet) : duración de la combustión del arco, es del orden de unos pocos microsegundos [μs].
El arco eléctrico a través de los contactos de un relé electromecánico se puede medir de manera efectiva utilizando un osciloscopio conectado a una sonda de voltaje diferencial a través de los contactos del relé y una sonda de corriente de alta velocidad para medir la corriente a través de los contactos durante el funcionamiento bajo carga. [14] [15]
Alternativamente, el arco eléctrico también se puede observar visualmente en un interruptor de potencia electromecánico, un relé y un contactor, con contactos visibles, mientras los contactos se abren y se cierran bajo carga.
Los dispositivos comunes que pueden ser supresores de arco razonablemente efectivos en aplicaciones que operan por debajo de 2 amperios incluyen capacitores , amortiguadores , diodos , diodos Zener , varistores y supresores de voltaje transitorio . [12] [16] [17] Las soluciones de supresión de arco de contacto que se consideran efectivas en aplicaciones que operan a más de 2 amperios incluyen:
El diagrama del circuito es parte de una patente emitida para un supresor de arco de contacto de potencia electrónico destinado a proteger los contactos de relés o contactores eléctricos . Suprime los arcos al proporcionar una ruta alternativa alrededor de los contactos cuando se abren o se cierran. [19] [20]
Algunos supresores de arco de contacto funcionan conectados únicamente a través del contacto protegido, mientras que otros supresores de arco de contacto también están conectados a la bobina del contactor para proporcionar al supresor información adicional sobre el funcionamiento del contacto.
Las técnicas de supresión de arco pueden producir una serie de beneficios: [20]