Pyrofuse: i fusibili che “s
coppiano”
L’ultima frontiera dei sistemi di protezione dei circuiti in corrente continua
I fusibili e gli interruttori automatici svolgono una importante funzione di sicurezza nei sistemi di trasporto elettrico. Le nuove applicazioni, soprattutto in corrente continua, hanno però portato i dispositivi di limitazione di corrente convenzionali ai loro limiti. Infatti, gli interruttori meccanici possono risultare troppo lenti ad aprirsi per le reti con grandi correnti di guasto a causa della loro inerzia meccanica. Parimenti i fusibili possono essere troppo lenti ad intervenire con correnti di guasto molto basse, prossime cioè al limite di intervento. Quello che rende l’apertura di un circuito in corrente continua soggetto a guasto più complesso rispetto al caso in corrente alternata è la mancanza del naturale attraversamento dello zero tipico delle variabili (correnti, tensioni) alternate, che aiuta ad estinguere le correnti di guasto. E’ pertanto necessario un nuovo approccio alla protezione e sicurezza di questi circuiti e sistemi. Nella nostra esperienza quotidiana incontriamo ad esempio questo problema nei sistemi di generazione fotovoltaica, nello stoccaggio di energia, nei veicoli elettrificati (ibridi e full electric).
INTRODUZIONE
Storicamente fusibili e interruttori automatici elettromeccanici
sono impiegati per proteggere i circuiti sia in alternata sia in continua dalle sovracorrenti, con continue innovazioni e miglioramenti per tenerne le prestazioni allineate con l’evoluzione delle necessità.
La Figura 1 qua a fianco riflette la matrice (valori indicativi) dei requisiti di corrente/tensione di varie applicazioni in corrente continua già esistenti e previste nei prossimi anni. La corrente e la tensione per queste applicazioni sono comprese tra 24/48V - 1500V e 20A-1500A.
Molti costruttori hanno pertanto sviluppato e portato probabilmente al loro limite ultimo le soluzioni “tradizionali”, basate su fusibili. Detti dispositivi proteggono i nostri dispositivi e sistemi da quando esiste l'elettricità. In particolare, da oltre un secolo, i fusibili limitatori di corrente forniscono una protezione contro le sovracorrenti a basso costo, sono facili da installare, sono anche compatti, veloci e affidabili. Dagli anni ‘50, la tecnologia dei fusibili ha evoluto la sua velocità e potenza, adattandosi a condizioni di lavoro più estreme, per proteggere i semiconduttori nella nuova era dell'elettronica di potenza.
Nonostante i molteplici progressi fatti, il loro principio di funzionamento li rende lenti nell’intervento quando le correnti di guasto siano poco superiori a quelle di normale funzionamento e scarsamente precisi o ripetibili fra esemplari dalle stesse caratteristiche nominali.
A fianco dei fusibili troviamo gli interruttori automatici, ampiamente utilizzati anche per la protezione dai cortocircuiti. La loro capacità di essere ripristinati senza la loro sostituzione è un notevole vantaggio rispetto ai fusibili. Inoltre, gli interruttori automatici presentano una caduta di tensione molto ridotta quando chiusi e una buona separazione galvanica quando aperti. Tuttavia, quando viene rilevato un guasto, gli interruttori automatici funzionano in genere più lentamente dei fusibili a causa dell'elevata costante di tempo meccanica. Nelle reti in corrente continua, la presenza di archi porta ad una precoce erosione dei contatti, con conseguente riduzione della durata del dispositivo ed un aumento dei costi di manutenzione. Teniamo sempre presente poi che un tempo più lungo per reagire a una corrente di guasto di grandi dimensioni porta con sé un aumento della potenza che finirà per sollecitare il circuito a valle da proteggere.
Naturalmente fusibili ed interruttori automatici sono in continua evoluzione e miglioramento, ma in fondo si basano sempre sugli stessi principi fisici fondamentali.
Una nuova protezione contro le sovracorrenti:
i piroswitch e i pirofuse
Piroché?
Prima di addentrarci negli aspetti tecnici, una veloce premessa lessicale. Come mai questi nuovi dispositivi condividono il prefisso “piro” nel loro nome? Come riportano i dizionari più autorevoli, la parola “piro” deriva dal greco πῦρ πυρός «fuoco», in composizione πυρο. Primo elemento di molte parole composte, derivate dal greco o formate modernamente, che fanno riferimento al fuoco e a concetti analoghi (fiamma, combustione, calore, alta temperatura, ecc.). Iniziamo quindi da questo aspetto linguistico ad immaginarci un principio di funzionamento appunto “pirotecnico” e non meramente termico o meccanico come nei dispositivi tradizionali di cui abbiamo parlato poc’anzi.
Piroswitch
A partire dagli anni ‘80 sono cominciati ad apparire sul mercato i primi dispositivi di protezione pirotecnici, detti all’epoca piristori e sono stati impiegati in applicazioni AC/DC, tra cui, ma non solo, gallerie del vento, cicloconvertitori, ecc. mentre versioni per basse potenze hanno trovato impiego a partire dagli anni ‘90 nell'industria automobilistica con l'introduzione dei primi airbag nei veicoli europei.
Il piroswitch è un interruttore elettrico in cui, a differenza di un fusibile, il tempo di apertura non dipende dall'entità del sovraccarico, anzi può addirittura essere fatto “saltare”
preventivamente, poco prima che le condizioni di pericolo abbiano luogo. Infatti, come esemplificato accanto e più in generale, un piroswitch utilizza una corrente di comando esterna al circuito da proteggere che innesca una carica pirotecnica: il gas che si sprigiona, aziona un pistone tagliente che tronca di netto il conduttore elettrico da proteggere, interrompendo così galvanicamente il flusso di corrente. In questo modo si ottiene un comportamento molto semplice e quindi estremamente affidabile. Dopo l’intervento il conduttore da proteggere risulta interrotto, isolando così il circuito in guasto o da proteggere. Il te
mpo di taglio è veramente breve, generalmente inferiore a un millisecondo. La Figura 5 presenta una vista in sezione di un piroswitch sviluppato dalla Safran, dove la barra di rame è rappresentata in arancione, l'innesco pirotecnico è illustrato in giallo e la parte blu rappresenta la ghigliottina. Nella sequenza di immagini seguente, è possibile vedere passo passo l’intervento del pyrofuse.
 |  |  |
1 - una corrente di accensione attiva il detonatore che innesca la miscela pirotecnica | 2 - L’accensione della carica pirotecnica crea una bolla di gas in pressione sopra al pistoncino | 3 - Il pistoncino spinto dalla pressione del gas colpisce la barra conduttrice, interrompendola |
Anche se un piroswitch ha il vantaggio di
funzionare più velocemente di un disgiuntore “classico” ,soffre di diversi svantaggi fra cui il rischio di archi elettrici dannosi quando si interrompe un circuito induttivo (vedi figura 6).
Una soluzione ibrida: il pyrofuse
Per mitigare il problema di danno da arco elettrico all’apertura è possibile realizzare una soluzione ibrida, in cui si pone in parallelo un piroswitch e un elemento fusibile tradizionale. La Figura 7 mostra il piroswitch (in grigio) e il fusibile (in bianco). Que
sta configurazione consente al progettista di scegliere i componenti migliori di ciascun tipo e di ottimizzarne l’interazione.
Nella figura sottostante sono rappresentati il fusibile F1, il piroswitch P1 e il sistema di innesco elettronico. In condizioni di funzionamento normali, l'intero dispositivo è chiuso e la corrente scorre liberamente. La resistenza di P1 (barra di rame) è inferiore a quella di F1: ad esempio, in un piroswitch da 400A, la resistenza di P1 è di circa 200µΩ mentre quella del fusibile è di circa 1-2 mΩ, pertanto, la maggior parte della corrente nominale (80%-90%) passerà attraverso P1. Grazie alla bassissima resistenza dell'intero sistema (~200µΩ), le perdite durante il normale funzionamento sono estremamente ridotte, così come il fusibile F1 può essere dimensionato di un basso calibro di corrente d’intervento (10-20% della corrente nominale) e quindi di costo ed ingombro minimi.
Concentriamoci ora sul momento dell’intervento del circuito di protezione. Quando la corrente aumenta in modo anomalo, un sensore (a effetto Hall o shunt) rileva la corrente di guasto e invia un segnale di allarme all’elettronica di controllo che attiverà l’intervento di P1. Come già visto in precedenza, i sistemi con piroswitch presentano il rischio di archi elettrici dannosi quando applicati ad un carico ad alta tensione ed induttivo. In questo caso, però, il fusibile F1 si trova in parallelo ed è ancora chiuso al momento dell’apertura di P1, cosicché la barra di rame viene interrotta senza (quasi) tensione ai suoi capi (l’arco quindi non si genera) e la corrente di guasto viene tutta dirottata su F1. Poiché questo fusibile è sottodimensionato, interverrà con un tempo di interruzione molto breve (tipicamente meno di 300 µs). Questa protezione consente ad esempio di interrompere tensioni elevate (fino a 1500V) abbinate a correnti elevate (400V) in tempi brevissimi, nell’ordine dei millisecondi.
Vediamo a mero titolo d’esempio (figura 9) le forme d’onda di corrente e tensione relative ad un dispositivo chiamato ad interrompere una corrente di guasto di 7000A in un circuito a circa 1000V.
Con un opportuno pilotaggio, l’inizio dell’intervento si manifesta dopo solo 300 µs mentre il tempo totale di disattivazione è di soli 1,5 ms. Si nota una sovratensione durante l'interruzione a causa dell'arco nel fusibile in parallelo, evento riducibile sostituendo il fusibile con un altro con un elemento diverso. Per paragone, lo stesso fusibile da 63A qua impiegato, da solo avrebbe potuto interrompere solo 400A e in ben 50 ms!
Confronto tra pirofusibili e soluzioni convenzionali
Negli ultimi anni, le richieste di pirofuse hanno avuto un boom nel settore della protezione di circuiti in corrente continua e per applicazioni quali ad esempio EV/HEV (veicoli elettrici e ibridi), batterie d’accumulo, data center, fotovoltaico, trazione elettrica in genere. Per meglio orientarsi nella scelta, questo capitolo presenta il confronto tra le due tecnologie.
Per prima cosa concentriamoci sui vantaggi di ciascuna soluzione. Oggi i fusibili in corrente continua sono fusibili ad azione ultrarapida per grandi correnti di guasto e sono realizzati con una tecnologia economica e collaudata. Il pirofusibile è una protezione ad azione rapida con una tecnologia a basso costo, le perdite di conduzione sono prossime allo zero e il sistema funziona egregiamente per correnti di guasto piccole o grandi correnti di guasto (completamente configurabile). La tabella sottostante riassume le prestazioni delle diverse tecnologie. Entrambi i prodotti non sono resettabili in quanto pensati ed impiegati come protezione finale. Il tempo di eliminazione del guasto è indipendente dalla corrente per i pirofusibili e la curva tempo-corrente è totalmente indipendente dalla corrente, cosa che non avviene per il fusibile.
Prestazione / dispositivo | Fusibile DC | Pyroswitch + fusibile |
Resettable | No | No |
Tempo di interruzione alti sovraccarichi | Ottimo, 10 µS | Buono, 1 ms |
Tempo di interruzione bassi sovraccarichi | Lento a fondere / intervenire | Ottimo |
Perdite | 80W @ 400A | 40W @ 400A |
Curva di intervento | Poco modificabile | Completamente definibile, può essere fatto intervenire anche in assenza di guasto |
Autoalimentazione | Si | Possibile |
Costo | Basso | Basso |
Il pirofusibile autoalimentato
Il nuovo dispositivo ha molti vantaggi, ma il problema principale è il comando elettronico. Infatti, questa soluzione non è auto alimentata ed è necessario per il suo funzionamento aggiungere un fusibile, un sensore di corrente e un'elettronica di gestione; in alcune applicazioni poi, può essere difficile ove non impossibile racchiudere tutto questo nel volume disponibile. Per questi motivi è stato sviluppato un pirofusibile auto-innescante. Vediamone il principio di funzionamento con l’
aiuto della figura a fianco.
Lo schema mostra lo stesso pirofusibile PS1, a sinistra in funzionamento normale, a destra in caso di guasto. Il dispositivo PS1 ha al suo interno due percorsi per la corrente: quello di accensione rappresentato da un resistore e quello di potenza nel quale scorre la corrente nominale. In questa soluzione il principio è quello di aggiungere in serie un fusibile (F2) progettato per la corrente nominale ma non per la tensione nominale. Questo fusibile viene utilizzato come sensore di corrente e generatore di potenza per l'innesco del pirointerruttore. In condizioni normali, la corrente scorre attraverso F2 e PS1. Se appare una corrente di guasto (figura 10, a destra), si forma un arco elettrico tra i terminali del fusibile F2. In questo momento nulla può fermare l'arco perché F2 non è progettato per la tensione nominale. Questo arco verrà utilizzato come sorgente di tensione dall'accenditore di PS1. R1 definisce la corrente che scorre nell'accenditore di PS1 e controlla la relativa velocità d’intervento. Dopo l'accensione, il principio è simile a quello di un fusibile pirotecnico convenzionale descritto nella sezione precedente. Quando il pirofusibile apre il circuito, l'arco in F2 scompare (ad opera di F2 e PS1) e l'intero sistema protegge l'applicazione senza impiegare elettronica esterna.
Il vantaggio di questo sistema è che è autoalimentato, simile quindi ad un fusibile convenzionale. Poiché F2 non è progettato per la tensione nominale, ha dimensioni e perdite ridotte, inferiori rispetto a quelle di un fusibile convenzionale.
Lo svantaggio è la mancanza di selettività nella curva tempo corrente che potremmo avere con il comando di controllo elettronico. Tuttavia, con un fusibile a bassa tensione, la selettività è più semplice da gestire e controllare.
Per le applicazioni automobilistiche, il pirofusibile e il pirofusibile auto-innescato presentano molti vantaggi, fra i quali possiamo annoverare:
Risponde ai requisiti normativi di sicurezza per i mezzi di trasporto con sorgenti in corrente continua
Eccellente tempo di eliminazione delle alte correnti di guasto
Eccellenti prestazioni cicliche: i profili di carico nelle applicazioni su veicoli elettrificati diventano ogni giorno sempre più complessi
Perdite di conduzione molto basse
Prezzo medio di mercato basso
Possibile attivazione “preventiva” in previsione di guasti (i.e. crash) imminenti
Un’applicazione corrente e di grande attualità è quella della protezione nei veicoli elettrici. Infatti, in caso di incidente, un cortocircuito sulla batteria dovuto a cavi danneggiati può provocare scintille e tramutarsi in un incendio dalle conseguenze catastrofiche. Pertanto è importante scollegare l'impianto elettrico (generatori, elettroniche, etc.) dalla batteria in tempi minimi.
Questa applicazione ha poi un interessante aspetto: mentre nei dispositivi convenzionali l’apertura del circuito interviene solo a seguito di un guasto con relativo aumento della corrente, il pilotaggio esterno del pyrofuse permette di “giocare d’anticipo”. In caso di crash ad esempio, è possibile far scattare immediatamente tutte le protezioni ed isolare le varie fonti di energia del veicolo prima che le relative correnti possano assurgere a valori pericolosi a causa di un successivo ed imminente danno. Simile tecnica può essere impiegata per proteggere la vettura e i suoi occupanti in caso di guasto di
una o più delle elettroniche di controllo (sistema di carica, inverter, BMS, etc.) che possa portare a livelli pericolosi ed altrimenti incontrollabili la corrente. Quando si verificano alcuni guasti identificati come critici, è quindi possibile sezionare in toto o in parte l’impianto elettrico in modo preventivo rispetto al formarsi di condizioni pericolose.
Come ultima nota, riporto la prima pagina di un datasheet di un pirofusibile della Daicel in cui si possono leggere le sue caratteristiche salienti.
Conclusioni
Questo articolo presenta i nuovi dispositivi di protezione da sovracorrente per applicazioni DC che uniscono il meglio delle tecniche attuali cioè bassa caduta di tensione, elevata capacità di corrente di spunto, elevate prestazioni di ciclaggio, taglio rapido della corrente nel conduttore. Il progresso e l’innovazione non si fermano e ogni nuovo bisogno, fa creare nuove soluzioni.
Bibliografia
Hesla, E., Brusso, B., Downey, L., Giese, B., Parise, G., Valdes, M.,& Sutherland, P. (2013, April). DC task team report. In Industrial & Commercial Power Systems Technical Conf (I&CPS), 2013 IEEE/IAS 49th (pp. 1-9). IEEE
Greenberg, A., Hamilton, J., Maltz, D. A., & Patel, P. (2008). The cost of a cloud: research problems in data center networks. ACM SIGCOMM computer communication review, 39(1), 68-73.
D. Salomonsson, L. Soder, and A. Sannino, “Protection of low-voltage DC microgrids,” IEEE Trans. Power Del., vol. 24, no. 3, pp. 1045–1053, Jul. 2009.
Wunder, B., Ott, L., Szpek, M., Boeke, U., & Weis, R. (2014, September). Energy efficient DC-grids for commercial buildings.
In Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2014 IEEE 36th International (pp. 1-8). IEEE.
Roboam, X. (2011, June). New trends and challenges of electrical networks embedded in “more electrical aircraft”. In Industrial Electronics (ISIE), 2011 IEEE International Symposium on (pp. 26-31). IEEE.
Ferraz NT Pyro 600 10/86
Banes, A. J. (1984). U.S. Patent No. 4,479,105. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office
Simonsen, B. P. (1980). U.S. Patent No. 4,224,487. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office
Krappel, A., Albiez, R., & Groebmair, M. (1999). U.S. Patent No. 5,877,563. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office
Dou, Z., Richardeau, F., Sarraute, E., Bley, V., Blaquiere, J. M., Vella, C., & Gonthier, G. (2012). PCB dual-switch fuse with energetic materials embedded: Application for new fail-safe and fault-tolerant converters. Microelectronics Reliability, 52(9), 2457-2464.
Gelet, J. L. (2007, September). To the origins of fuses. In Electric Fuses and their Applications, 2007. ICEFA 2007. 8th International Conference on (pp. 1-8). IEEE.
Ouaida, R., Berthou, M., Tournier, D., & Depalma, J. F. (2015, June). State of art of current and future technologies in current limiting devices. In DC Microgrids (ICDCM), 2015 IEEE First International Conference on (pp. 175-180). IEEE.
Rémy Ouaida, Jean Francois de Palma, Gilles Gonthier. Hybrid Protection based on Pyroswitch and Fuse Technologies for DC Applications. Symposium de Genie Electrique, Jun 2016, Grenoble, France. hal-01361696