¿Qué es la calibración térmica y por qué la necesitan los fabricantes de MCB y MCCB?

En una fábrica de interruptores automáticos, el momento que decide si un MCB terminado es seguro o chatarra es thermal calibration. Es el paso donde se recorta y verifica el elemento bimetálico dentro de cada interruptor para que el dispositivo se dispare dentro de la ventana de tiempo exacta exigida por la norma — ni un segundo antes, ni un segundo después. Los compradores suelen llamar a esta etapa la prueba de retardo, porque lo que realmente se mide es cuánto tiempo tarda un interruptor en dispararse ante una sobrecorriente dada. Para los fabricantes de MCB, MCCB y RCBO que envían a mercados que requieren cumplimiento con IEC, acertar en esta etapa es la diferencia entre un producto que protege un circuito y uno que falla una auditoría. Este artículo explica qué es la calibración térmica del MCB realmente, cómo la prueba de retardo se divide en verificación de tiempo largo y tiempo corto, por qué las curvas B, C y D tienen diferentes criterios de aprobación bajo IEC 60898-1, y qué equipo ejecuta el proceso en una línea de producción moderna.

Por Huang Xiaolei | Benlong Automation

¿Qué es la calibración térmica en la fabricación de interruptores automáticos?

La técnica de disparo termo-magnético es empleada por casi todos los interruptores automáticos de baja tensión. Una situación de sobrecarga se aborda usando una tira bimetálica, que consiste en dos metales unidos con diferentes tasas de expansión térmica. Así, cuando la corriente excede los límites especificados, la tira se calienta, doblándose hacia el metal que se expande más lentamente. Una cantidad adecuada de doblado hará que la tira suelte el pestillo de disparo. Después de una sobrecarga, cuanto mayor sea la corriente, más rápido se calentará el calentador y, por lo tanto, más rápido ocurrirá el disparo. Esta característica del dispositivo demuestra que la calibración térmica es todo el proceso de fabricación de interruptores automáticos que implica el ajuste de la tira bimetálica, que será doblada, en cuyo caso se ajustará el tornillo o se moverá el enlace de disparo para asegurar que el tiempo de disparo caiga dentro del rango predeterminado por la norma vigente para cada corriente de prueba.

Su importancia no puede ser sobreestimada, ya que permite aclarar términos que a menudo se confunden. Calibrar significa ajustar el mecanismo para alcanzar la ventana objetivo o verificar que se alcance ese punto. En realidad, los dos procesos ocurren simultáneamente, ya que el operador inyecta corriente y mide el tiempo antes de ajustar la tira para una nueva verificación de la unidad, dado que un hecho importante a recordar es que las propiedades mecánicas y de materiales difieren para cada bimetal, lo que lleva a la necesidad de calibración individual desde el principio. Un dispositivo defectuoso que no cumple con los requisitos de calibración puede dispararse durante un modo normal de operación o, peor aún, quedarse atascado durante una operación de sobrecarga.

Así, se consideran dos características en el proceso: la precisión y la repetibilidad del resultado. Un detalle importante es que si hay algún problema con el equipo, los operadores podrán verificar el disparo desde el arranque en frío. El rango de ajustes es bastante estricto, generalmente varios porcentajes en la corriente de disparo, lo que significa que el rango de errores para el banco debe ser mucho menor que el del dispositivo de calibración. Esto explica la necesidad de un equipo de calibración confiable para asegurar el funcionamiento eficiente del dispositivo.

Las Dos Funciones de Disparo Detrás de Cada Prueba de Retardo

Para entender por qué la prueba de retardo se divide en dos segmentos, debemos comprender que hay dos características de protección independientes en el interruptor. La protección térmica, o protección contra sobrecarga, proviene de la tira bimetálica, que reacciona lentamente, desde segundos hasta horas, formando así la porción de tiempo largo en la curva de disparo. Esta es la que se establece por la característica térmica. La protección magnética o protección contra cortocircuito proviene del electroimán o solenoide, que responde con una velocidad de milisegundos a la corriente de falla alta, formando así la porción de tiempo corto o instantáneo de la curva.

Si observamos el gráfico log-log tiempo-corriente publicado por cada fabricante, vemos que el área térmica corresponde a la parte superior inclinada de la curva, mientras que el área magnética corresponde a la parte inferior casi vertical. En la práctica de fabricación, estas dos características se prueban con diferentes corrientes, tolerancias de tiempo y a veces diferentes bancos de prueba. De aquí proviene la división entre retardo largo y retardo corto: la característica de retardo largo prueba el bimetal térmico, y la de retardo corto o instantáneo prueba la bobina magnética. Por lo tanto, es extremadamente importante mantener estos dos tipos separados.

Prueba de Retardo Largo: El Núcleo de la Calibración Térmica

La prueba de retardo largo es el corazón de la calibración térmica del interruptor. Afirma la activación del bimetal en el tiempo adecuado bajo corrientes eléctricas de sobrecarga designadas. De acuerdo con la norma IEC 60898-1, todas las pruebas deben realizarse en condiciones de temperatura del aire de +30 °C y desde el punto de arranque en frío; las características de corriente se muestran para los tres puntos de sobrecarga, que permanecen iguales para todas las curvas B, C y D.

El par 1.13 × y 1.45 × establece los límites del rendimiento aceptable de sobrecarga del interruptor; mientras que el interruptor debe soportar una sobrecarga ligeramente superior a 13% sin disparos falsos, necesita ser capaz de desconectar incluso una sobrecarga de 45% de manera convencional. Estos factores definen la ubicación de la curva térmica en el gráfico. . La única razón por la que el tiempo tradicional cambia de una hora a dos horas después de 63 A es que los interruptores más grandes que tienen contactos más grandes tienen una capacidad térmica mucho mayor y tardan más tiempo en estabilizarse.

Con respecto a la producción, el punto 2.55 × In se utiliza prácticamente para calibrar el interruptor, ya que permite medir el tiempo de desconexión en segundos en lugar de la hora obtenida en términos de mediciones tradicionales. Por lo tanto, se puede pasar una cantidad específica de corriente a través del interruptor mientras se mide el tiempo de disparo para ajustar este tiempo utilizando el servomotor o el operador. Las mediciones más laboriosas realizadas mediante el uso de los puntos 1.13 × y 1.45 × respaldan los resultados obtenidos anteriormente.

Benlong fabrica equipos precisamente para esta etapa. El Banco de calibración térmica de larga duración para MCB realiza pruebas de sobrecarga según IEC 60898-1 en múltiples estaciones con una fuente de corriente de alta estabilidad, mientras que el banco de calibración térmica semiautomático Tipo-A y su homólogo basado en tarjetas Tipo-B manejan la calibración programable de sobrecarga con cambio rápido entre familias de MCB. Para MCCB regidos por IEC 60947-2, los puntos de referencia cambian: la corriente convencional sin disparo se convierte en 1.05 × In y la corriente convencional de disparo en 1.3 × In, pero el principio de calibración permanece sin cambios.

Pruebas de retardo corto y instantáneas: dónde difieren B, C y D

La segunda parte de la prueba de retardo evalúa el elemento magnético o la respuesta a cortocircuito. Esto es a lo que los clientes frecuentemente se refieren como retardo corto o prueba de retardo y donde las curvas B, C y D comienzan a comportarse de manera diferente. El nivel en el que ocurre el disparo magnético está definido por la cantidad de corriente nominal necesaria para disparar el interruptor según la convención instantánea de 0.1 segundos. Un múltiplo inferior correspondiente al tipo de curva indica la corriente a la que el interruptor aún debe mantenerse en servicio, y un múltiplo superior implica donde el interruptor debe disparar.

La prueba se realiza en dos fases por tipo de curva. Primero, una prueba de retención confirma que el interruptor no se dispare dentro de 0.1 s en el múltiplo inferior — 3 × In para B, 5 × In para C, 10 × In para D. Luego, una prueba de disparo confirma que sí se dispare dentro de 0.1 s en el múltiplo superior — 5, 10 y 20 × In respectivamente. Tome un interruptor tipo C de 16 A: debe soportar 80 A (5 ×) sin un disparo instantáneo, pero debe abrirse casi inmediatamente a 160 A (10 ×). El mismo interruptor de 16 A en tipo B se dispararía instantáneamente a 80 A, y en tipo D toleraría hasta 320 A antes de que actúe el imán. Esta diferencia es exactamente la razón por la cual la selección de curva gobierna la tolerancia a la corriente de irrupción y la coordinación aguas abajo: una curva D soporta el pico momentáneo de un motor o transformador que dispararía molestas una curva B.

Un punto merece énfasis para cualquiera que redacte una especificación de prueba. Los criterios de aprobación que cambian entre B, C y D pertenecen al disparo magnético (instantáneo), no al disparo por sobrecarga térmica.. El lado bimetálico, la verdadera calibración térmica, es el mismo para las tres curvas. Y en un MCB esta respuesta a cortocircuito es instantánea en lugar de genuinamente retardada; la frase retardo de tiempo corto se usa de manera imprecisa en el taller. Una banda de retardo de tiempo corto real e intencional solo aparece en MCCBs con unidades de disparo ajustables, que se cubrirán a continuación. Para la verificación magnética de MCB y MCCB de marco pequeño, Benlong Banco de pruebas de disparo magnético manual para interruptores automáticos de caja moldeada (MCCB) está diseñado específicamente, con una fuente de corriente programable de 5–10 × In y temporización a nivel de milisegundos para un juicio claro de aprobado/reprobado.

Norma aplicable: IEC 60898-1, 60947-2 y 61009

Los criterios de aprobación apropiados dependen de la norma a la que esté certificado el producto, y la aplicación incorrecta representa un peligro real en términos de riesgos. Los MCB aplicados en usos domésticos y entornos similares aplican la norma IEC 60898-1, que especifica las clasificaciones B, C, D. La norma IEC 60947-2 rige el uso de MCCBs y interruptores industriales, por lo que tiene sus corrientes convencionales (1.05 × y 1.3 × In) y características más flexibles. La norma IEC 61009-1 rige el uso de RCBOs, o interruptores diferenciales que, además de someterse a pruebas de corriente residual, deben pasar las mismas pruebas que los MCB para operaciones térmicas y magnéticas. Un solo interruptor puede estar certificado según ambas normas, pero la referencia de temperatura puede organizarse de manera diferente, dependiendo de las normas utilizadas.

La temperatura de referencia es uno de los factores. Según IEC 60898-1, la calibración se realiza a 30 °C, mientras que los dispositivos conformes con IEC 60947-2 se prueban a 40 °C. Al mismo tiempo, un mismo dispositivo puede probarse usando otros niveles de temperatura para cada una de las normas mencionadas. La temperatura de referencia también influirá en la tabla de reducción utilizada por los consumidores, por lo que si el interruptor se probó usando la referencia incorrecta, puede fallar después de pasar las pruebas estándar. Por lo tanto, fijar la temperatura durante la prueba no es solo una formalidad de laboratorio, sino también un requisito de calidad definitivo.

Calibración térmica de MCCB y las bandas de retardo LSI(G)

Los interruptores automáticos en caja moldeada añaden una capa de complejidad. Los MCCB térmico-magnéticos más pequeños se calibran de manera similar a los MCB, ajustando un bimetal para la banda de sobrecarga y verificando el solenoide para el disparo por cortocircuito. Pero muchos MCCB modernos utilizan unidades de disparo electrónicas, y aquí Calibración térmica de MCCB se convierte en una cuestión de configurar y verificar parámetros de protección programables en lugar de doblar metal. Estas unidades de disparo suelen describirse con el esquema LSI o LSIG, y cada letra es una banda de protección ajustable por separado:

• L, retardo a largo plazo: la función de sobrecarga, equivalente al elemento térmico, con corriente de disparo ajustable y retardo de tiempo que definen el comportamiento de sobrecarga de tiempo inverso.
• S, retardo a corto plazo: un retardo genuino e intencional en corrientes de falla moderadas, usado para que un interruptor aguas abajo pueda despejar primero una falla y preservar la selectividad. Esta es la verdadera banda de retardo a corto plazo que los MCB simplemente no tienen.
• I, instantáneo: disparo inmediato por encima de un umbral alto sin retardo intencional, para cortocircuitos severos.
• G, falla a tierra: protección opcional contra fallas a tierra en unidades de cuatro polos y de especificación superior.

Para un MCCB electrónico, la prueba de retardo verifica que cada banda dispare dentro de la tolerancia en sus ajustes programados, inyectando corriente en los umbrales L, S e I sucesivamente y cronometrando la respuesta. Para un MCCB térmico-magnético, verifica directamente el bimetal y el solenoide, exactamente como para un MCB pero con corrientes más altas y marcos más grandes. De cualquier manera, el equipo debe suministrar corrientes de prueba mucho más altas que un banco para MCB. El MCCB Laboratory Integrated Testing bench de Benlong está diseñado para realizar pruebas de disparo magnético, calibración térmica y calibración térmica de larga duración en una sola estación, lo que lo hace adecuado tanto para el laboratorio de I+D como para la sala de pruebas tipo.

Cómo se realiza la calibración térmica en una línea de producción

Un típico flujo de trabajo de calibración de disparo térmico en una línea moderna de MCB sigue una secuencia repetible. Se aplica una corriente de sobrecarga controlada, comúnmente a 2.55 × In, a través del interruptor bajo prueba usando una fuente estabilizada con baja distorsión armónica, ya que una forma de onda distorsionada cambia el calentamiento y sesga la lectura. Un temporizador de alta resolución registra el instante exacto en que el interruptor se abre, típicamente a una fracción de porcentaje de la lectura. Si el tiempo de disparo cae fuera del rango, el bimetal se dobla o se ajusta su tornillo de fijación — por un operador en un banco semiautomático, o por una cabeza servo en una celda totalmente automatizada. Luego, la unidad se vuelve a probar en frío, y el resultado de aprobado/reprobado y el tiempo de disparo se registran, a menudo exportados por USB o enviados a un MES para trazabilidad completa. Durante todo el proceso, dado que el estándar referencia 30 °C, se monitorea y compensa la temperatura del área de prueba; calibrar a una temperatura ambiente incorrecta es una de las causas más comunes de errores en el tiempo de disparo en campo..

Automatizar esta secuencia ofrece tres beneficios: consistencia, porque un servomotor ajusta de manera más repetible que una mano; velocidad, porque las estaciones paralelas absorben las pruebas convencionales largas; y trazabilidad, porque se captura la información de cada unidad en lugar de hacer verificaciones puntuales. Los productos de especificación más alta suelen calibrarse en 100% de unidades, mientras que los MCBs de consumo pueden seguir un plan de muestreo definido. La calidad en etapas anteriores también es importante: el conjunto bimetálico debe fabricarse de manera consistente antes de poder calibrarse, por eso Benlong también suministra el Línea de soldadura automática con interruptor térmico MCB para producir el subconjunto de disparo térmico con calidad de soldadura repetible. Componentes consistentes que entran en calibración significan menos unidades que se desvían fuera del rango y menos retrabajo en etapas posteriores.

La fuente de corriente en sí es el héroe silencioso de toda la etapa. Debido a que el bimetal responde al calentamiento, el tiempo de disparo depende de la corriente RMS verdadera y la calidad de su forma de onda, no solo de un punto nominal. Una fuente que cae bajo carga, deriva a medida que sus propios componentes se calientan o presenta una distorsión armónica significativa calentará la tira de manera diferente a la onda sinusoidal limpia que asume la norma, y cada unidad calibrada contra ella hereda ese error. Por eso, una fuente de corriente estable, de circuito cerrado y con baja distorsión armónica total, combinada con contactos de prueba sólidos y de baja resistencia, aporta más al rendimiento que casi cualquier otro factor individual en el banco.

Por qué fallan los interruptores en la prueba de retardo QA

Incluso si está bien diseñado, un interruptor puede producir rechazos si su proceso de fabricación ha derivado. Las razones más comunes por las que un interruptor no pasa su prueba de retardo incluyen temperatura ambiente alta que se desvía de la temperatura de referencia de 30 °C, lo que desplaza la banda térmica general hacia la izquierda o derecha; corriente inestable, que altera la cantidad de calor suministrado al bimetal; resistencia inadecuada en los terminales, que genera calor adicional; tiempo de asentamiento insuficiente entre pruebas, de modo que el bimetal retiene calor residual; tarjeta de curva o programa incorrecto aplicado; y deriva mecánica después de la calibración, que causa alta dispersión entre pruebas sucesivas. La mayoría de estos problemas surgen por problemas de control y pueden eliminarse si el banco de producción tiene suministro de corriente estable, excelente compensación de temperatura y un sistema automático de registro de datos.

La prueba de retardo es solo uno de los pilares del control de calidad de los interruptores. Se sitúa junto a la verificación dieléctrica y de aislamiento — si está desarrollando un plan de pruebas completo, nuestra explicación sobre pruebas hi-pot cubre el lado de resistencia a la tensión que se ejecuta en paralelo con las verificaciones térmicas y magnéticas.

Selección de equipos para calibración térmica y prueba de retardo

La adecuación del banco al producto importa. Una sola familia de MCB con un volumen modesto se beneficia de un banco de calibración semiautomático; una planta que maneja muchos modelos se beneficia del cambio basado en tarjetas para que una línea pueda cambiar de familia en minutos; y un taller de MCCB o ACB necesita bancos de mayor corriente y marco más grande con el rango para alcanzar los múltiplos requeridos. La gama completa de estos sistemas de Benlong se encuentra bajo el Proyecto de banco de pruebas catálogo, que abarca bancos de calibración térmica para MCB, bancos de disparo magnético para MCCB, probadores integrados de laboratorio y estaciones de prueba completas para ACB. Debido a que la mezcla de modelos, el rendimiento objetivo y el tiempo de ciclo de cada planta difieren, estos bancos suelen configurarse según el producto del cliente en lugar de venderse como unidades fijas del catálogo.

Conclusión

La calibración térmica es donde un interruptor automático obtiene su clasificación. La prueba de retardo que la verifica se divide claramente en una parte de retardo largo, que establece y verifica el bimetal térmico contra los puntos de sobrecarga IEC 60898-1, y una parte de retardo corto o instantáneo, que verifica el disparo magnético — y es el lado magnético el que da a las curvas B, C y D sus diferentes criterios de aprobación. Ajuste correctamente el ambiente, la forma de onda de corriente y el tiempo, calibre cada bimetal individualmente, registre los resultados, y el resultado es un interruptor que dispara exactamente cuando debe y se mantiene cuando debe. Para los fabricantes que escalan ese proceso, la combinación adecuada de bancos de calibración y prueba de retardo convierte una tarea lenta y dependiente del operador en una etapa de producción repetible y trazable.