Nota técnica | Protección del relé de estado sólido (SSR) contra los fenómenos transitorios | Por: Ing. Rubén Torres | De: Electro Ohm

Debemos tener en cuenta que todo componente eléctrico y/o electrónico está expuesto a perturbaciones y transitorios eléctricos, así como a las sobrecargas en tensión y en corriente.

Respecto de los fenómenos transitorios, éstos pueden tener dos orígenes:

Un origen electromagnético irradiado, cuyas perturbaciones actúan esencialmente a nivel de la estructura de baja potencia del SSR, tal como el circuito de entrada constituido por el opto-acoplador.
Un origen eléctrico conducido por los hilos de la red de alimentación. El acoplamiento capacitivo entrada/salida, aún siendo débil, hace que estos transitorios interactúen, principalmente, sobre el circuito de salida de potencia.

Sin embargo, cualquiera sea el fenómeno, a menudo, es generado por los arcos eléctricos, las conmutaciones en cargas inductivas (motores...), equipos de distribución dispuestos en la red eléctrica (microcortes...). Estos fenómenos están presentes en toda red eléctrica industrial, y el conocimiento de éstos, así como la puesta en marcha de precauciones elementales, permite limitar en numerosos casos sus incidencias.
La precaución esencial y elemental contra el conjunto de estos fenómenos es, en primer lugar, el dimensionamiento correcto del SSR con relación a su aplicación para explotar, así, el conjunto de las características del SSR con un margen de seguridad suficiente.

1. Fenómenos transitorios en la entrada / protecciones
Los principales problemas encontrados en la entrada de un SSR provienen de las sobretensiones irradiadas o conducidas. Si tal sobretensión sobrepasa la tensión mínima de disparo (1 a 3 voltios), el circuito de salida del SSR se hará pasante, por lo menos hasta el próximo paso por cero de la corriente de salida. Una sobretensión demasiado fuerte podrá destruir el opto-acoplador, si éste último no está suficientemente protegido.

Modo de protección en la entrada
La protección del SSR en la entrada contra las sobretensiones eventuales se puede hacer añadiendo una red RC o un diodo zener montado en paralelo con la entrada. Estos componentes, a menudo integrados directamente en el SSR, retardan algunos microsegundos la conmutación del relé (lo que no tiene consecuencias importantes en particular en AC) y limitan los efectos de un impulso parásito radiado o conducido.
Por otro lado, un relé síncrono está protegido “intrínsecamente” contra los efectos de un impulso parásito en la entrada, a partir del momento que el impulso parásito se produce fuera del intervalo válido de conmutación.

2. Fenómenos transitorios de tensión en la salida
Sobretensión en la salida
Si la tensión en los bornes de salida de un SSR de corriente alterna sobrepasa, a consecuencia de una sobretensión, la tensión máxima directa admisible o tensión de ruptura directa, el tiristor o el triac se disparará hasta el próximo paso por cero de la corriente.
Debido a las velocidades de conmutación elevadas de los tiristores o triacs, la conmutación podrá ser provocada por un impulso de muy corta duración, de solamente algunos µs.

Incremento de la tensión directa dV/dt
Esta característica está ligada a la estructura física del elemento de salida y, en particular, a las capacidades de acoplamiento entre ánodo y cátodo de un tiristor o triac. Una variación demasiado rápida de la tensión en los bornes del relé puede conducir a un disparo incontrolado.
La gravedad de las consecuencias de tal disparo parásito dependerá, evidentemente, de la aplicación, pero puede, indirectamente en ciertos casos concretos, ser el destructor del relé estático:

Impulso con energía muy alta.
Disparo inapropiado con puesta en cortocircuito de un relé que sirve de inversor a un motor.

3. Modo de protección en la salida (tensión)
Red RC - “Snubber”
La puesta en paralelo de una red RC en la salida permite limitar el gradiente dV/dt generado por un impulso parásito, pero también, limitar la amplitud de este impulso por filtración; esto, sin embargo, a condición de que los impulsos no sean repetitivos.
Cualquier variación de la tensión en los bornes de una red RC se traduce por una corriente en el condensador C, provocando una caída de tensión en la carga tal que:

Vd=V + L * di/dt - U

Esta caída de tensión protegerá el tiristor de salida.
El mayor inconveniente de este tipo de filtro es el aumento importante de la corriente de fuga del SSR. La utilización de un snubber puede, en efecto, en función de los valores de los componentes del filtro, doblar el valor de la corriente de fuga.
Todos los SSR disponen, en general, de filtros tipo ‘snubber’, lo que mejora las prestaciones. Por otro lado, algunos SSR utilizan tiristores especiales que aceptan variaciones dV/dt muy importantes sin necesidad de una red RC.

Protección por varistores
Generalmente, la protección por filtro Snubber no es suficiente para proteger eficazmente un SSR en particular frente a impulsos parásitos que tienen una energía importante. La utilización de un varistor o MOV (Metal Oxyde Varistor) permite mejorar esta protección.
La característica de un varistor es tal que, para una tensión en sus bornes inferior a su valor nominal, la impedancia del MOV es muy elevada (varios MOhrns) mientras que, más allá de este valor, la impedancia se hace muy rápidamente inferior a 1 Ohm, siendo el tiempo de respuesta del MOV del orden de 20 a 50 ns.

Los parámetros esenciales de un varistor son

La tensión que el varistor debe soportar permanentemente.
La tensión de cresta a la que se debe suprimir el fenómeno.
La energía (expresada en Joules) liberada por la fuente del fenómeno transitorio (a definir para cada aplicación).

4. Fenómenos transitorios en corriente
Así como para las características en tensión, es esencial explotar las características de corriente del SSR con un margen de seguridad suficiente. Sin embargo, ciertos fenómenos físicos y particulares e inherentes a ciertas cargas (inductancias, motores...), así como ciertos accidentes; pueden conducir a sobrecargas en corriente, puntuales o permanentes, en el circuito.
Las características particulares de las principales cargas eléctricas son generalmente muy bien conocidas y es posible tenerlas en cuenta a la hora de elegir un SSR. Así, un motor podrá tener una corriente de arranque, limitada en el tiempo, superior a 10 veces su corriente nominal.
Asimismo, una inductancia tendrá una impedancia igual a su impedancia óhmica, luego muy baja en fase de saturación.
Estas sobrecargas son admitidas por un SSR, si se han tenido en cuenta en el momento de su elección. Por contrario, este mismo motor accidentalmente bloqueado por una sobrecarga mecánica provocará una sobrecarga eléctrica permanente; lo que llevará a un calentamiento excesivo del tiristor de salida, luego a su destrucción, eventualmente en forma de cortocircuito, lo que tendrá por efecto la destrucción del motor, si previamente no se ha tomado ninguna medida como colocar un fusible ultrarrápido.

Un sistema eficaz de protección contra las sobrecargas deberá prioritariamente:

Limitar la duración de las sobrecargas.
Limitar la frecuencia de las sobrecargas.

Limitación de corriente por fusible ultrarrápido
Sobredimensionar el SSR sólo protegería al SSR por sí mismo, contra las sobrecargas de corriente. es útil, para la protección de la instalación entera contra las sobrecargas accidentales, insertar en el circuito fusibles que se escogerán entre la gama de los fusibles ultrarrápidos y que protegerán a la vez al relé y a los sistemas eléctricos que estén conectados.
Un fusible es equivalente a una resistencia de bajo valor capaz de absorber una energía definida en un tiempo dado. Más allá de este valor, el fusible se funde.
La potencia disipada por una corriente I en una resistencia eléctrica R se expresa:
P=R*I²

y la energía correspondiente en el tiempo t se expresará:
E=R*I²t

Para un fusible, R es constante y la energía que lo atraviesa es definida por el coeficiente l²t.
Para un relé, se define un coeficiente l²t, calculado a partir de la corriente de cresta máxima en un semiperiodo (10 ms). esto es:

l²t (10ms) = (l² cresta máx/2)* 0,010 (segundos)

Para la protección de un SSR se escogerá un fusible con un coeficiente l²t inferior al del relé.

Generalmente, se tendrá que aplicar una corrección al valor l²t anunciado por los fabricantes de fusibles para tener en cuenta la tensión real de utilización que puede ser diferente del valor de referencia del constructor.
Para la elección definitiva del fusible, se tendrá igualmente en cuenta:

La tensión de utilización del fusible, que será como mínimo igual a la tensión de la red.
La corriente nominal del fusible, que será superior a la corriente de la carga en régimen permanente.
La corriente máxima en el sistema.
La corriente máxima de cresta admisible por el fusible.

Por último, para destacar es que los SSR de CELDUC trabajan con las primeras marcas de fusibles como BUSSMANN, SIBA y FERRAZ; las que garantizan los datos expuestos en sus hojas técnicas para una adecuada selección y protección►

	Conmutación por sobrepasar la tensión de ruptura directa
Protección por "snubber"	Características V/I de un varistor
Limitación de corriente por un fusible