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Los fusibles semiconductores están diseñados para protección suplementaria de semiconductores, tales como, tiristores, diodos, rectificadores, triasc, transistores y otros dispositivos similares de estado sólido, por su alta limitación de corriente. Desde ½ a 600 amperios Voltaje de operación 130, 250, 500, 700, 1000 y 1200 volts. Capacidad de interrupción 200.000 amperios.

Los fusibles semiconductores de bajo l2t, para aplicaciones en equipo eléctrico que requiereran alta limitaciÛn de corriente, así como variadores de velocidad, rectificadores de energía, sistemas UPS, implementos de energía de corriente continua y una gama amplia de equipo electrónico.

Fusible semiconductor cuerpo cuadrado tipos europeo y americano. Voltaje de operación 660, 690, 700 y 1000 volts Capacidad de interrupción 200.000 amperios. Los fusibles del semiconductor están disponibles en varios diversos recintos y por lo menos dos diversas gamas:

gR-tipo: protección de la gama completa. Protección de la sobrecarga y del cortocircuito.

AR-Tipo: protección parcial de la gama. Protección del cortocircuito solamente. Más rápidamente actuando que los fusibles de la gama completa.

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FUSIBLES RETARADADOS/FUSIBLES ULTRA-RÁPIDOS

Con el desarrollo de nuevas tecnologías y las necesidades de proteger a los circuitos, los fusibles pasaron a diferenciarse unos de otros en función de sus aplicaciones, con relación a las características de actuación. Los fusibles que están en protección de circuitos de motores, por ejemplo, son diferentes a los fusibles de protección general. Debido a estas diferencias, los fusibles son clasificados según el tipo de uso.

CLASIFICACIÓN DE FUSIBLES SEGÚN EL TIPO DE USO

Las clasificación está dada por dos letras, la primera minúscula y la segunda mayúscula (Ej. gL gG aM aR gR etc.). La primera letra indica una banda de actuación del fusible, definida de la siguiente forma de acuerdo con la Norma IEC 60269-1: “g”: fusible limitador de corriente, actúa tanto en presencia de corrientes de cortocircuito como en sobrecarga. “a”: fusible limitador de corriente, actúa solamente en presencia de corrientes de cortocircuito. No actúa en situaciones de sobrecarga (no es provisto del punto M de fusión). En la figura 1 se muestran las curvas características tiempo-corriente de dos fusibles de amperajes diferentes, siendo uno del tipo gR y otro del tipo aR. La segunda letra indica el tipo de circuito a ser protegido. Siguiendo esta lista se dan algunas de las aplicaciones más comunes: “G”: fusible para protección de circuitos de uso general. “L”: fusible para protección específica de líneas. Debido a la semejanza de características con el fusible tipo “G”, la Norma IEC 60269-1 no hace mucha distinción entre los dos, dando énfasis solamente a este último. “M”: fusible para protección específica de circuitos de motores. ”R”: fusible de actuación rápida o ultra-rápida para protección de circuitos con semiconductores de potencia.

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CLASIFICACIÓN DE LOS FUSIBLES SEGÚN SU TIPO DE ACTUACIÓN:

FUSIBLES DE ACCIÓN RETARDADA: Las características de los fusibles de acción retardada, así como las curvas tiempo-corriente, valores de corrientes nominales, máxima potencia disipada (en watts) permitida, etc., son fijadas por la Norma IEC 60269-1. Los valores de corriente de corte para diferentes valores de corriente estimada de cortocircuito son determinados por el fabricante. La figura 2 muestra las características tiempo-corriente de fusibles de acción retardada tipo “gG”. Los valores de máxima potencia disipada permitida para fusibles tipo “gG” están relacionados en la tabla 1. Para medir la pérdida en watts de un fusible se lo debe someter a la corriente nominal y medir la potencia disipada entre los extremos de las cuchillas.

Tamaño de fusible

Máxima pérdida de watts permitida (W)

500V 690VNH-00 12 12NH-1 23 32NH-2 34 45NH-3 48 60NH-4 90 90

Tabla 1: Valores de pérdida en watts para fusibles tipos gG, de acuerdocon la norma IEC 60269

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FUSIBLES DE ACCIÓN ULTRA-RÁPIDA:

Este tipo de fusibles es utilizado para protección contra corrientes de cortocircuito. Debido a sus características, el tiempo total de fusión es considerablemente menor que en los fusibles de acción retardada. Por lo tanto, las pérdidas en watts de estos fusibles, son normalmente mayores y pueden llegar a tener, en algunos casos, más de tres veces la pérdida en watts que los fusibles de acción retardada. Por este motivo se debe tener un cuidado especial en el dimensionado del equipamiento donde esos fusibles serán utilizados.

Al contrario de lo que sucede con los fusibles de acción retardada, la norma particular para fusibles ultra-rápidos IEC 60269-4 no especifica las curvas características tiempo-corriente, ni los valores de máxima potencia disipada permitida, siendo estos parámetros determinados por el fabricante. Por lo tanto, cada modelo de fusible posee características propias. La tabla 2 muestra las características de algunos fusibles ultra-rápidos de 160 A fabricados por Siemens

Fusible Tamaño I 2t I 2t Tensión(V)

Tipo Pw(W)

3NE8 724 NH-00 2.500 18.500 660 aR 31 3NE8 024 NH-00 2.400 13.000 660 aR 34

3NE8 024-1 NH-00 2.800 13.000 690 aR 383NE1 224-0 NH-1 7.400 60.000 690 gR 243NE3 224 NH-1 1.850 13.000 1000 aR 42

Tabla 2: Características de diferentes fusibles ultra-rápidos Siemens de 160A.

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PROTECCIÓN DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Los semiconductores de potencia, rectificadores y tiristores, son ampliamente utilizados en tracción eléctrica, unidades de grandes provisiones de potencia, y circuitos de accionamiento de motores de industrias textiles, molinos de cemento, molinos de papel, etc. La corriente estimada de cortocircuito en este tipo de instalaciones es en general muy alta, y los semiconductores, normalmente caros, están sujetos a ser dañados, si ocurriera un cortocircuito.

Debido a una menor tolerancia térmica y mayor sensibilidad de estos componentes, la cantidad de energía (I2t ), la corriente de corte (Ic) y la tensión de pico, deben ser limitadas a un valor menor que las que el componente soporta, para lograr una protección efectiva del mismo. Generalmente, esta protección se logra con dispositivos que se conectan en serie con los componentes, por ejemplo fusibles de acción ultrarrápida.

El funcionamiento de estos fusibles puede ser afectado por la temperatura ambiente y por el régimen de operación (generalmente en los gabinetes con semiconductores se dispone de espacios pequeños, dificultándose la disipación de calor al medio ambiente).

FALLAS DEL SEMICONDUCTOR

Un semiconductor puede presentar fallas debido a los siguientes factores:

a) I2t muy elevado.

b) Picos de corriente muy altos.

c) Valores bajos de sobrecarga por un largo período.

d) Altos valores de tensión de retorno.

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Todos los fabricantes de semiconductores de potencia especifican los valores límite y parámetros arriba citados para cada componente. Como la temperatura desarrollada por los mismos durante su operación es elevada (del orden de los 150ºC), los equipamientos conectados a ellos, en particular los fusibles de protección, deben ser apropiadamente seleccionados, pues son sensibles a la temperatura.

Los cuatro parámetros mencionados son fundamentales para seleccionar los fusibles que serán utilizados en la protección de los semiconductores. Así mismo es necesario conocer las características que se mencionan a continuación ofrecidas por el fabricante de los fusibles:

CARACTERÍSTICA TIEMPO-CORRIENTE:

Permiten encontrar el tiempo necesario para interrumpir una determinada corriente estimada de cortocircuito. En la figura 3 se muestran las características tiempo-corriente de algunos fusibles.

CARACTERÍSTICA DE CORRIENTE DE CORTE:

Representación gráfica de los valores pico de corriente de corte del fusible para cualquier corriente estimada de cortocircuito. En la figura 4 se muestran algunos de esos valores.

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I2t DE PRE-ARCO

Este valor está dado para todos los diferentes tipos de fusibles. Son útiles cuando se compara la operación de fusibles de diferentes valores en un circuito. La figura 5 muestra la curva de interrupción de una corriente de cortocircuito, limitada por un fusible, indicando los tiempos de pre-arco y de arco.

CARACTERÍSTICA I2t DE OPERACIÓN

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Indican los valores a los que una variación de energía es limitada para un fusible, para diferentes valores de corriente estimada de cortocircuito.

CARACTERÍSTICA DE LA TENSIÓN DE ARCO

Representan la relación entre la tensión de pico de arco generada por el fusible y varias tensiones aplicadas. La figura 6 muestra alguno de esos valores:

VARIACIÓN DE I2t CON UNA TENSIÓN APLICADA

Como la I2t es función de la tensión, existe una relación entre la tensión de utilización y el valor de I2t. La figura 7 muestra esa relación para un determinado tipo de fusible.

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ELECCIÓN DE FUSIBLES PARA PROTECCIÓN DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Pasos para la selección de un fusible:

1. Anote la información relevante acerca del semiconductor, como la corriente que soporta durante1/2 ciclo, el pico de tensión inversa que soporta, la energía que soporta, (I2t), etc.

2. Observe el tipo de circuito en el que el componente es utilizado. Anote los datos relevantes correspondientes al circuito, tales como tensión, corriente, etc.

3. Elegir los fusibles cuyos valores de tensión y corriente sean un poco mayores que los del semiconductor.

4. Calcule la corriente estimada de cortocircuito, conociendo la impedancia porcentual de la fuente. 5. Anote los valores I2t y tensión nominal dados por el fabricante para el fusible en cuestión. A través del factor de corrección del gráfico anterior, calcule el valor de I2t para la tensión de utilización. Este valor debe ser menor que elvalor de I2t del semiconductor.

6. De las curvas características, obtenga el valor de la corriente de corte del fusible. Este valor debe ser menor que el valor de la corriente que soporta el semiconductor.

7. De las características de tensión de arco, anote la tensión de arco desarrollada por el fusible, conociendo la tensión en la que el semiconductor trabaja. Ese valor debe ser menor que el pico de tensión inversa del componente. 8. El fusible debe ser escogido observando las mencionadas condiciones de los puntos 5, 6 y 7. Si hubiera alguna incompatibilidad de condiciones, seleccione un fusible con la característica inmediata inferior.

Como la temperatura ambiente y el régimen de operación tienen un papel importante en la selección del fusible, consulte el catálogo del fabricante para verificar si debe ser aplicado algún factor de corrección. En la figura 8 se muestra el factor de corrección que debe ser aplicado para los diversos valores de temperatura ambiente, en caso de fusibles marca Siemen.

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DIMENSIONADO DE BASES PORTA FUSIBLES Y LLAVES SECCIONADORAS CON FUSIBLES INCORPORADOS.

Después de seleccionar un fusible de acción ultra-rápido adecuado, para la protección de semiconductores de potencia, se debe dimensionar correctamente la base porta fusible y/o llave seccionadora con fusibles incorporados donde el mismo será alojado. Como los ensayos de calentamiento de esos equipos fueron hechos con fusibles de acción retardada, y los fusibles de acción ultra-rápidos poseen una pérdida en watts significativamente superior, se deben sobre-dimensionar las bases porta fusibles y/o llaves seccionadoras con fusibles incorporados para evitar problemas de sobrecalentamiento y daños al equipamiento y consecuentemente al tablero. El fabricante de fusibles provee una curva de potencia disipada a cargas parciales en función de la corriente de carga (en % de la corriente nominal). Esta curva es necesaria para calcular la corriente térmica máxima a que un equipo pueda ser sometido a régimen permanente, sin sufrir daños.

ejemplo ilustrativo

El siguiente ejemplo muestra las diferencias en la utilización de diferentes tipos de fusibles Siemens en una llave seccionadora con fusibles incorporados, los valores de pérdidas en watts de algunos fusibles de 160 A, están relacionados en la tabla 3.:

Fusible Tamaño Actuación Pw (W)3NA3 836 NH-00 Retardado 123NE8 724 NH-00 ultra-rápido 31

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3NE8 024-1 NH-00 ultra-rápido 383NA3 136 NH-1 retardado 23

Tabla 3: Pérdidas en Watts de fusibles Siemens de 160A.

La figura 9 muestra la curva de potencia disipada a cargas parciales en función de la corriente de carga de los fusibles de acción ultra-rápida de marca Siemens. Como la llave seccionadora fue sometida a prueba de calentamiento con un fusible de acción retardada, cuya pérdida en Watt es como máximo 12 watts, se debe limitar la pérdida en watts de los fusibles ultra-rápidos a ese valor.

En el caso del fusible de 31 watts de pérdida, se debe limitar la corriente para que la potencia disipada sea limitada en 38,7%, es decir 12 watts. Para el fusible de 38 watts la limitación deberá quedar fija en 31,6% para llegar también al valor permitido máximo de 12 watts. Valiéndose del análisis gráfico, se llega a los porcentajes de 72% y 65% de la corriente de carga respectivamente (Fig.10). Traduciendo en valores de corriente, un fusible 3NE8 724 no puede ser sometido a una corriente mayor de 115 A y un fusible 3NE8 024-1, a 104 A.

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Si es necesaria una corriente mayor, se puede optar por seleccionar los fusibles ultra-rápidos NH-1, 3NE3 224, montados en una llave seccionadora de 250 A. Como esta llave seccionadora fue probada con un fusible retardado cuya pérdida máxima es de 23 watts, la misma pérdida en watts del fusible ultra-rápido en cuestión siendo mayor, en comparación con los demás, la limitación es fijada en 54,8%, o sea, se puede aplicar una corriente de 82% de la corriente nominal (Fig.11) y que corresponde a 131 A. Usando el mismo fusible en una llave seccionadora de 400 A, que fue ensayada con fusibles de hasta 34 watts de pérdida, se puede aplicar una corriente de 150 A. En la tabla 4 se muestran las corrientes máximas permitidas para los diferentes tipos de fusibles ultra-rápidos de 160 A y llaves seccionadoras que pueden ser utilizadas, sin que éstas sean dañadas por el exceso de calentamiento.

Fusible Tamaño Corriente Máxima (A) Llave Seccionadora3NA8 724 NH-00 115 160A

3NE8 024-1 NH-00 104 160A3NE8 224 NH-1 131 250A3NA3 224 NH-1 150 400A

Tabla 4: Corrientes máximas permitidas para diferentes fusibles y llaves seccionadoras.

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CONCLUSIÓN

Debido a la sensibilidad, los semiconductores de potencia, con relación a condiciones adversas del circuito en que están instalados, éstos deben ser protegidos por fusibles de acción ultra-rápidos. Los fusibles de acción retardada y las protecciones termomagnéticos NO CUMPLEN con las exigencias de protección. La elección del fusible, por ende, requiere de un máximo cuidado. Como no existe una estandarización, hay grandes variaciones de características entre los diferentes tipos de fusibles de una misma marca, y entre fusibles de diferentes fabricantes. Una vez dimensionado el fusible, se debe tomar la precaución de dimensionar correctamente la base porta fusible seccionadora/llave seccionadora donde el mismo quedará alojado, teniéndose en cuenta las pérdidas en Watt mayores. Con esto se evita un sobrecalentamiento de los equipos y sus consecuencias.