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 contactos portadores de corriente. Un arco eléctrico es una descarga de arco continua creada por el hombre que consta de electrones e iones altamente energizados sostenidos por una corriente eléctrica de al menos 100 mA; No confundir 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 apaga, su interruptor, relé o contactor pasa de un estado CERRADO a un estado ABIERTO (" BREAK ") o de un ABIERTO a un estado CERRADO (" HACER "), 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 derrita, 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 escape al aire en forma de partículas finas. Esta misma actividad hace que el material de los contactos se degrade rápidamente, lo que provoca fallos en el dispositivo. [4] [7]
Comprender la supresión del arco requiere comprender los mecanismos de formación y de iniciación del arco. Los arcos de contacto son un arco iniciado por emisión termoiónica (" T-Arc ") o un arco iniciado por emisiones de campo (" F-Arc "), y se mantienen mediante un suministro continuo de energía (piense en un arco soldador o una lámpara de arco de xenón):
Si bien se produce un arco durante las transiciones de DESCANSO y HACER , el arco de ruptura suele ser más enérgico y, por lo tanto, más destructivo. [8] [9] [10]
Durante el contacto HACER , la iniciación del arco F ocurre cuando el electrodo móvil se acerca al electrodo estacionario. Luego, el plasma MAKE F-Arc se enciende y se apaga rápidamente en el instante del impacto de contacto. Este impacto inicial da como resultado una serie de rebotes MAKE amplificados por la presión del plasma , y cada rebote produce un T-Arc . Estos rebotes continúan hasta que el contacto esté microsoldado en la posición CERRADO. (Tenga en cuenta que "supresión de arco" no significa "eliminación de arco", ya que algunos arcos pequeños ("arclets") producen microsoldaduras beneficiosas. Estas microsoldaduras son una característica de contacto de potencia importante y deseada, ya que garantizan resistencia a las vibraciones y baja conexiones de electrodos óhmicos y no permanentes). [8] [9] [10]
El "Arco BREAK " consiste en un Arco T BREAK inicial que puede ampliarse mediante una serie de arcos F BREAK . El BREAK T-Arc 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 BREAK T-Arc se extingue y la corriente se interrumpe, la inductancia en el bucle extiende la duración del " BREAK Arc" iniciando una serie de BREAK F-Arcs que continúan hasta que la brecha de contacto se amplía más allá de la capacidad termodinámica para soportar la combustión. plasma. [8] [9] [10]
Hay varias áreas posibles de uso de los métodos de supresión de arco, entre ellas la deposición de películas metálicas y la pulverización catódica , procesos electrostáticos en los que no se desean arcos eléctricos (como pintura en polvo , purificación de aire y supresión de arco de corriente de contacto). En la electrónica industrial, militar y de consumo. diseño, el último método generalmente se aplica a dispositivos como interruptores de potencia electromecánicos, relés y contactores. En este contexto, la supresión de arco es la 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 de los contactos o una falla prematura del interruptor.
La supresión de arco es un área de interés en ingeniería debido a los efectos destructivos del arco eléctrico en los puntos de contacto de interruptores, relés y contactores de potencia electromecánicos. [11] Existen muchas formas de "supresión de arco" que brindan protección de contacto en aplicaciones que operan a menos de 1 amperio . Sin embargo, la mayoría de estos se consideran con mayor precisión "supresión transitoria" y, por lo tanto, son ineficaces ni para la supresión de arco ni para la protección de contactos. [12] [13]
La eficacia de una solución de supresión de arco para la protección de contactos 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 (arco)
Donde W (arco) = Energía de arco no suprimida y W (arco) = Energía de arco suprimida. La energía del arco suprimida y no suprimida debe obtenerse gráficamente a partir de mediciones con osciloscopio. La energía del arco suprimida y no suprimida se expresa en vatios segundo [Ws] o julios [J]. El factor de supresión del arco de contacto [CASF] resultante no tiene dimensiones.
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 kilo amperios [kA]; y T (arco) : duración de la combustión del arco, que puede ser del orden de microsegundos [μs] a segundos [s].
W (arco) = V (arco) × I (arco) × T (arco)
Donde V (arclet) : Tensión de encendido del arco, dependiendo del metal de contacto. Por ejemplo, aproximadamente 12 V para óxido de plata, indio y estaño; I (arclet) : la corriente de Arclet es aproximadamente I (carga) y puede estar en el rango de unos pocos amperios [A] a kilo amperios [kA]; y T (arclet) : la duración de la combustión del Arclet es del orden de unos pocos microsegundos [μs].
El arco eléctrico a través de los contactos de un relé electromecánico se puede medir eficazmente 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, relé y contactor de potencia electromecánico, con contactos visibles, mientras los contactos se abren y cierran bajo carga.
Los dispositivos comunes que pueden ser supresores de arco razonablemente eficaces en aplicaciones que funcionan por debajo de 2 amperios incluyen condensadores , 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 proporcionando una ruta alternativa alrededor de los contactos cuando se abren o 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 la operación del contacto.
Las técnicas de supresión de arco pueden producir una serie de beneficios: [20]