Estructura y principio del mecanismo de funcionamiento del interruptor automático ABB VD4

El VD4El VD4, el renombrado interruptor de media tensión de ABB, ha vendido casi un millón de unidades en todo el mundo. A pesar de su fiabilidad, se producen fallos, especialmente en el mecanismo de accionamiento. El personal de mantenimiento se basa en el manual de ABB, pero las guías detalladas son escasas. Mediante el desmontaje de un VD4 desechado, el autor ofrece información valiosa para facilitar el trabajo práctico.

El mecanismo VD4 cuenta con un resorte de espiral planar y un eje principal, con disparo multietapa para el mantenimiento y la conversión de la posición, con salida a través de una palanca de leva.

1. Almacenamiento de energía:

El VD4 utiliza muelles helicoidales planares estables, lo que mejora la eficiencia del mecanismo en comparación con los muelles tradicionales.

Texto editado:

Figura 1: Resorte de espiral plano

Como se ilustra en la Figura 1, un extremo del resorte helicoidal plano está fijado al eje principal, mientras que el otro extremo está unido a la carcasa del resorte. Durante el almacenamiento de energía, el extremo del resorte helicoidal que se encuentra en el eje principal permanece fijo, y el motor o balancín de almacenamiento de energía hace girar la carcasa del resorte en sentido horario (visto desde el lado izquierdo del mecanismo; la misma orientación se aplica en todo el sistema) mediante el trinquete, la cadena y el engranaje grande, tensando así el resorte helicoidal.

En lo que respecta a las operaciones de apertura y cierre, el extremo de la carcasa del resorte helicoidal está fijo, y al liberarse el mecanismo de disparo, el eje principal gira en el sentido de las agujas del reloj impulsado por el resorte helicoidal, liberando así la energía almacenada.

Dado que el VD4 emplea un resorte espiral plano, la transición entre los estados "descargado" y "cargado" del resorte difiere de la mayoría de los mecanismos accionados por resorte. Esta transición implica una disposición fija en la carcasa del resorte espiral, facilitada por la coordinación de un disco, una leva auxiliar fijada al eje principal y un rodillo montado en la biela de almacenamiento de energía. En términos más sencillos, una vez completada la carga, el rodillo, impulsado por la biela de almacenamiento de energía, se acopla a una muesca del disco. En consecuencia, la biela de almacenamiento de energía gira hasta un ángulo específico, lo que provoca que el contacto auxiliar de almacenamiento de energía y el indicador mecánico de almacenamiento de energía cambien al estado "Energía Almacenada". Por otro lado, durante el proceso de cierre del interruptor, el radio máximo de la leva auxiliar recorre la abertura del disco, empujando el rodillo de vuelta al borde exterior del disco. Esta acción hace que la biela de almacenamiento de energía vuelva a su ángulo original, lo que provoca que el contacto auxiliar de almacenamiento de energía y el indicador mecánico de almacenamiento de energía vuelvan al estado "Sin energía almacenada".

Figura 2: Diagrama esquemático de la transición del estado de almacenamiento de energía

Es importante señalar que, en el caso de un interruptor VD4 tradicional en posición abierta sin almacenamiento de energía, una cantidad significativa de energía permanece almacenada en el resorte espiral plano. Por lo tanto, deben seguirse tomando precauciones de seguridad.

2. Módulo de viaje

El módulo de disparo del mecanismo de accionamiento del interruptor VD4 presenta un diseño elegante y distintivo. A pesar de su aparente complejidad, al desmontarlo y analizarlo, se puede observar que todo el módulo de disparo se divide en tres estructuras de disparo fundamentales:

La estructura de disparo de primera etapa consta del rodillo delantero y el disco de freno de la placa en forma de abanico de gran tamaño, que funciona como una estructura de disparo especializada de «retén + rodillo». La segunda etapa comprende la placa en forma de abanico de gran tamaño y el semieje de gran tamaño, formando una estructura de disparo típica de «semieje + placa en forma de abanico». La tercera etapa incluye el semieje de apertura, la placa en forma de abanico de apertura, el semieje de cierre y la placa en forma de abanico de cierre, que en conjunto constituyen dos conjuntos de abrazaderas de disparo de «semieje + placa en forma de abanico».

Figura 3: Diagrama estructural del módulo de viaje

El módulo de disparo del mecanismo de accionamiento del interruptor VD4 cumple funciones tanto de retención como de disparo. Analicemos estas funciones en detalle.

Función de retención:

Tomando como ejemplo la posición de cierre, una vez completada la acción de cierre, el rodillo delantero de la placa grande en forma de abanico encaja en la ranura correspondiente del disco de freno. En este punto, el semieje grande queda firmemente sujeto por la estructura de pinza formada por las placas sectoriales de apertura y cierre. Esto impide que los rodillos delanteros de las placas sectoriales grandes se levanten, bloqueando eficazmente el disco de freno y manteniendo el semieje principal en la posición de cierre.

Función de disparo:

Consideremos ahora la función de disparo, tomando como ejemplo la acción de apertura. Cuando el mecanismo recibe una orden de apertura, el semieje de apertura gira en sentido horario un ángulo específico. Este movimiento provoca que la placa de apertura pierda su punto de apoyo temporal y gire en sentido horario, desintegrando la estructura de soporte en forma de pinza formada por las placas de apertura y cierre. Como resultado, el semieje mayor gira en sentido antihorario por acción del resorte de retorno, liberando la placa mayor. Esta, a su vez, levanta el rodillo delantero por acción del resorte de retorno, liberando el disco de freno. El disco de freno gira en sentido horario por acción del resorte helicoidal, iniciando la acción de apertura.

Durante el proceso de apertura, la biela del eje auxiliar de apertura y cierre (como se muestra en la Figura 4) empuja la placa del sector de apertura para restablecerla y volver a acoplarla con el semieje de apertura. Esto restablece la estructura de soporte en forma de abrazadera formada por las placas de los sectores de apertura y cierre y empuja el semieje grande de vuelta a su ángulo original. Simultáneamente, los discos auxiliares a ambos lados del disco de freno actúan sobre los rodillos traseros de la placa grande en forma de abanico al girar con el eje principal. Esto eleva la parte trasera de la placa grande en forma de abanico y baja la parte delantera, preparándola para el siguiente bloqueo del rodillo delantero al disco de freno.

Figura 4: Posición de apertura y cierre de la biela del eje auxiliar

La biela del eje auxiliar desempeña un papel crucial en el funcionamiento del mecanismo de conmutación VD4. Garantiza la transición suave entre las posiciones de apertura y cierre al conectar las placas sectoriales de apertura y cierre y facilitar su movimiento.

3. Módulo de salida

El módulo de salida del mecanismo de accionamiento VD4 es un componente vital que convierte el movimiento rotacional del eje principal en el movimiento lineal necesario para abrir y cerrar el interruptor automático. Consta de tres discos de leva montados en el eje principal y tres brazos móviles de doble articulación ubicados en la parte inferior del mecanismo.

El mecanismo móvil de doble brazo funciona como una palanca, con su punto de apoyo en el centro. El extremo delantero de la palanca recibe la influencia del disco de leva del eje principal, mientras que el extremo trasero está conectado a la varilla aislante de la burbuja de vacío y al resorte de apertura.

Durante el cierre, el disco de leva gira con el eje principal, presionando los rodillos del extremo delantero del eslabón móvil de doble brazo. Esta acción eleva el extremo trasero del eslabón, empujando hacia arriba la varilla aislante y cerrando los contactos dinámicos y estáticos dentro de la burbuja de vacío. Simultáneamente, el resorte de apertura se comprime, almacenando energía para la siguiente apertura.

Por el contrario, durante la apertura, el disco de leva gira en sentido opuesto, liberando los rodillos del extremo delantero del brazo móvil. Esto permite que el resorte de apertura se expanda, separando los contactos dinámicos y estáticos e interrumpiendo el circuito.

4. Función de bloqueo

El mecanismo de funcionamiento del VD4 incluye una función de bloqueo integral que mejora la seguridad y la fiabilidad. A continuación, analizamos con más detalle cada una de las características de bloqueo:

1. Prohibición de cerrar cuando el carro de mano está en posición intermedia:
   • Se instala un electroimán de bloqueo de cierre (Y1).
   • Los interruptores de límite (S8 y S9) están conectados en paralelo con el electroimán de bloqueo de cierre para formar el circuito de bloqueo de cierre.
   • Cuando el carro manual está en la posición de prueba o en la posición de trabajo, S8 o S9 se conectan al circuito de bloqueo de cierre, cargando el electroimán de bloqueo de cierre y liberando el bloqueo mecánico del semieje de cierre.
   • Un interruptor auxiliar (S2) en el circuito de cierre del disyuntor está conectado en serie con el núcleo de hierro móvil del electroimán de bloqueo de cierre, preparando el circuito para ejecutar el comando de cierre mencionado anteriormente, la medida combina el bloqueo mecánico y el bloqueo eléctrico, que es un esquema de bloqueo integral.

La descripción proporcionada detalla la importancia y la funcionalidad del interruptor auxiliar S2 en el circuito de cierre de un diagrama de cableado de control eléctrico VD4 para un disyuntor tipo carretilla. A continuación, se presenta un resumen conciso y una explicación de los puntos clave:

Interruptor auxiliar S2 en el circuito de cierre

1. Mayor fiabilidad del cierre:
   • El interruptor auxiliar S2 se utiliza junto con el bloqueo mecánico proporcionado por el electroimán de bloqueo de cierre Y1.
   • Este mecanismo de doble bloqueo aumenta la fiabilidad de la función de bloqueo del disyuntor.
2. Prevención de sobrecalentamiento y daños:
   • Si S2 no está incluido en el circuito de cierre y el carro manual del interruptor automático recibe una orden de cierre mientras está en la posición intermedia, el circuito de cierre se energizará.
   • Debido a la acción de bloqueo del electroimán de bloqueo de cierre Y1, el semieje de cierre no puede girar, lo que impide que el interruptor automático se cierre.
   • Esto provocaría una energización prolongada del electroimán de cierre, causando que se sobrecalentara y potencialmente se quemara.
3. Función de interruptor auxiliar:
   • Al incluir S2 en el circuito, se asegura de que el electroimán de cierre solo se energice cuando el interruptor automático esté en la posición correcta para el cierre.
   • Esto evita la energización innecesaria y posibles daños al electroimán.

Mecanismo de enclavamiento de cierre

1. Cierre mecánico:
   • El mecanismo de enclavamiento de cierre es un sistema puramente mecánico que utiliza una estructura de cuatro eslabones compuesta por la placa de enclavamiento del disyuntor, la palanca de enclavamiento y la palanca de bloqueo.
   • Este mecanismo se establece entre el tornillo guía del chasis del coche y el semieje de cierre del disyuntor.
2. Funcionalidad:
   • Cuando el carro manual del interruptor automático está en posición de prueba o de trabajo, la placa de enclavamiento del interruptor automático en el chasis está horizontal, lo que permite que el semieje de cierre gire libremente.
   • Cuando el carro manual está en la posición intermedia, la placa de enclavamiento es levantada por el tornillo guía, lo que provoca que la palanca de bloqueo se acople con la leva de plástico del semieje de cierre, bloqueando su rotación.

En conclusión, el interruptor auxiliar S2 del circuito de cierre y el mecanismo de enclavamiento de cierre son componentes cruciales que garantizan el funcionamiento seguro y fiable del carro de interruptores. Ambos trabajan conjuntamente para evitar operaciones de cierre no autorizadas o inseguras y proteger el equipo de posibles daños.

Figura 6 Mecanismo de enclavamiento de cierre

La descripción proporcionada ofrece una visión general detallada de los componentes del chasis de la carretilla VD4 y sus funciones, con especial énfasis en los mecanismos de seguridad y las limitaciones operativas. A continuación, se presenta un resumen y una explicación de los puntos clave:

1. Deformación y mantenimiento del chasis:
   • El estudio reveló que la deformación o el bloqueo del chasis pueden impedir que el cierre mecánico se libere correctamente, lo que provoca que se queme la bobina de cierre.
   • Para evitar esto, se debe realizar una inspección y un mantenimiento regulares de los componentes relacionados para asegurar que el chasis esté en buenas condiciones de funcionamiento.
2. Bloqueo del movimiento de carretillas cuando el interruptor automático está cerrado.:
   • El interruptor VD4 utiliza un mecanismo de bloqueo mecánico para evitar que el carro manual se mueva hacia adentro o hacia afuera cuando el disyuntor está cerrado.
   • Esto se logra mediante la cooperación entre el marco de bloqueo de la placa de enclavamiento y los rodillos delanteros del eslabón móvil de doble brazo de la fase B.
   • Al cerrarse el interruptor automático, los rodillos delanteros se presionan hacia abajo, creando una pequeña holgura con el marco de bloqueo. Si se intenta mover el carro manual, el tornillo guía empujará contra la placa de enclavamiento, la cual, a su vez, reacciona sobre el tornillo guía, bloqueando el movimiento.
3. Bloqueo de interruptor de cierre sin almacenamiento de energía:
   • Es crucial que el interruptor automático tenga suficiente energía almacenada antes de poder cerrarse.
   • Sin almacenamiento de energía o con un almacenamiento de energía incompleto, la velocidad y la fuerza de cierre disminuirán, lo que podría provocar un fallo en el cierre.
   • El interruptor VD4 utiliza una cooperación entre la placa de bloqueo del almacenamiento de energía y la placa de extensión de la placa de cierre en forma de abanico para bloquear el cierre cuando no hay almacenamiento de energía.
   • Cuando se completa el almacenamiento de energía, el rodillo de la biela de conexión del sistema de almacenamiento de energía se acopla con el disco, lo que permite que el interruptor automático se cierre normalmente.

En resumen, los componentes del chasis de la carretilla manual VD4 incluyen mecanismos de seguridad para prevenir un funcionamiento incorrecto, como el bloqueo del movimiento cuando el interruptor automático está cerrado y la prevención del cierre sin suficiente almacenamiento de energía. El mantenimiento y la inspección periódicos de estos componentes son esenciales para garantizar el funcionamiento seguro y fiable del equipo.

Figura 8 a. Posición de la placa de bloqueo del almacenamiento de energía cuando se almacena energía.

Texto revisado:

La figura 8(b) ilustra la posición de la placa de bloqueo del almacenamiento de energía cuando no hay energía almacenada.

Para complementar el mecanismo de bloqueo mecánico mencionado, el interruptor VD4 también está conectado en serie con el interruptor auxiliar de almacenamiento de energía S1 (como se muestra en la Figura 5) dentro del circuito de cierre. Esta disposición mejora la función de bloqueo eléctrico y protege contra el posible sobrecalentamiento del electroimán de cierre.