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162 7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
1 Introducción
En temas anteriores hemos visto componentes de potencia discretos y circuitos
electrónicos que forman por separado sistemas simples de potencia. En este tema
veremos cómo se combinan estos componentes y circuitos para formar sistemas
avanzados. Dependiendo de la aplicación existen numerosos tipos de convertidores
de potencia, algunos concebidos de forma genérica y otros implementados para
aplicaciones concretas. Los convertidores de potencia más comunes están
diseñados para su uso en el campo de la automatización industrial aunque también
podemos encontrarlos en otros campos como en el transporte eléctrico y las
comunicaciones. Los convertidores de potencia más comunes y representativos
son:
Fuentes de alimentación.
Sistemas de alimentación ininterrumpida.
Relés de estado sólido.
Generadores estáticos de energía reactiva.
Arrancadores progresivos.
Inversores.
Variadores de frecuencia.
Una fuente de alimentación es un circuito que adapta la tensión alterna de la red a
una o varias tensiones continuas de diferente valor. Se utilizan para la alimentación
de circuitos y dispositivos electrónicos que funcionan con tensiones y corrientes
continuas. Pueden ser circuitos independientes montados en bloques
intercambiables o formar parte de circuitos electrónicos impresos.
Las fuentes de alimentación tienen que cumplir una serie de requisitos básicos
como la estabilidad de la tensión, posibilidad de regulación, múltiples salidas y alto
rendimiento entre otros. Son una pieza clave en casi todos los dispositivos
electrónicos por lo que la elección de esta es un tema importante que marca la
seguridad y robustez a los sistemas electrónicos a los que dan servicio.
Fuente de alimentación compacta (Omron).
2 Fuente de alimentación
Figura 7.1.
Los convertidores electróni-
cos de potencia no son dis-
positivos de nueva creación,
pero se han desarrollado de
forma eficiente y competitiva
en los últimos años gracias a
los avances en los sistemas
electrónicos de potencia.
La función de un convertidor
electrónico de potencia es la
de transformar una energía
eléctrica de unas carac-
terísticas determinadas en
otra energía eléctrica de
características diferentes.
Si consideramos las máqui-
nas eléctricas como dispo-
sitivos que transforman
energía eléctrica en mecá-
nica y viceversa, o energía
eléctrica en energía eléc-
trica, podríamos decir que
los convertidores electróni-
cos de potencia se pueden
considerar como máquinas
eléctricas estáticas.
¿Convertidoreselectrónicos de potencia
máquinas eléctricas?
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia 163
2.1. Clasificación de las fuentes de alimentación
2.2. Fuentes de alimentación lineales
Las fuentes de alimentación (FA), independientemente de la potencia, tensión o
número de salidas, se clasifican dependiendo del tipo de regulación que incorporan.
La regulación es el proceso por el cual la FA presenta a la salida la tensión continua
de forma estabilizada independientemente de la carga que se conecte a la misma.
Una FAno regulada presenta una tensión de salida con variaciones importantes que
dependen del valor de la carga. Por ello, es necesario la regulación que permite la
adaptación de la corriente en la carga sin producir cambios en el nivel de tensión en
la misma.
Así, las FA se pueden clasificar en función del tipo de regulación tal y como se
muestra en la figura.
Fuente de alimentación en circuito impreso.
Clasificación de las F.A.
Figura 7.2.
Figura 7.3.
Son circuitos integrados de
tres patillas (entrada),
(salida) y (masa) que a
partir de una tensión de
entrada, que puede variar
dentro de unos límites,
devuelven en la salida una
tensión fija y característica
para un rango amplio de
corriente.
Vienen identificados por las
letras y un número de
cuatro dígitos. Los dos
primeros son el , cuando
se refiere a entradas y
salidas de tensión positiva y
el a negativas. Los dos
números siguientes identi-
fican el valor de la tensión de
salida, 05, salida de 5V, 09,
salida de 9V, 12 salida de
12V, etc.
Dependiendo de la potencia
pueden presentarse con
encapsulado TO220 o TO3.
In Out
GND
LM
78
79
Figura 7.5. Regulador LM.
Reguladores lineales
de la serie LM78/79XX
ClasificaciónFuentes de
Alimentación
Conmutadas
Lineales
No Reguladas
Reguladas Conumtadas enPrimario
Conumtadas enSecundario
LM78/79XX
In Out
GND
Transformador Rectificador ReguladorFiltro
Salida CCRegulada
EntradaCA Red
La fuente de alimentación lineal posee un
sistema de regulación basado principal-
mente en la variación lineal de las caracte-
rísticas de tensión y corriente de un
componente pasivo como puede ser un
reóstato, o de un componente o grupo de
componentes activos como el transistor o el
diodo zener.
Tal y como se observa en el diagrama de la
figura, una fuente de este tipo se puede
dividir en cuatro bloques bien diferenciados,
transformador, rectificador, filtro y regulador.
Figura 7.4. Diagrama de bloques F.A. Lineal.
164
Transformador.
Rectificador.
Filtro.
Regulador.
Permite adaptar la tensión de red a valores más pequeños y
adecuados a las características de la fuente. El secundario suele estar formado por
varios arrollamientos que proporcionan diferentes niveles de tensión. La potencia
del transformador limitará la potencia de salida de la fuente de manera que para
fuentes de gran potencia los transformadores suelen ser voluminosos y pesados.
Como se ha visto en temas anteriores, transforman la señal alterna
senoidal en señal continua pulsatoria. Para grandes potencias el rectificador es de
doble onda y montado tanto con diodos discretos como con puentes rectificadores
integrados. En aplicaciones de baja potencia puede bastar con un simple
rectificador de media onda.
Es el encargado de hacer lo más constante posible la señal pulsatoria
entregada por el rectificador, de manera que la pequeña variación de corriente o
tensión denominada “rizado” se haga lo más pequeña posible. Están formados por
condensadores y/o bobinas y constituyen un factor importante a la hora de
estabilizar los niveles de tensión.
Es el elemento o conjunto de ellos que realiza el ajuste lineal de la
tensión de salida de manera que siempre se mantenga constante
independientemente de las variaciones de la corriente de carga. El regulador lineal
puede estar formado por un simple elemento pasivo, como una resistencia, o por un
elemento activo como un diodo zener o un transistor. También es posible encontrar
dispositivos reguladores lineales integrados como la serie LM78XX, que incluyen
multitud de componentes y aumentan el rendimiento de la fuente. Para un regulador
a transistor como el de la figura 7.7., cuando la corriente de salida I aumenta, la
tensión de salida tiende a disminuir lo que implica que el regulador tiene que
aumentar la tensión y compensar esta bajada. Para ello, el transistor trabaja en la
zona lineal, de manera que al aumentar I aumenta la intensidad de colector I . Esto
provoca que la tensión V disminuya lo que implica que la tensión de salida aumente
de manera proporcional corrigiendo la bajada inicial. Por el contrario, si la corriente
de salida disminuye (I disminuye), la tensión de salida tiende a subir. En este caso la
tensión V aumenta disminuyendo de forma proporcional la tensión de salida.
Filtros.
Regulador a transistor.
RL
RL C
CE
C
CE
Figura 7.6.
Figura 7.7.
Encapsulado y patillaje
Encapsulado y patillaje
TO-220
V : 12V
V : 14,5 a 30V
I : 5mA a 1,5A
TO-220
V : -12V
V : -14,5 a -30V
I : 5mA a 1,5A
Características eléctricas
Características eléctricas
out
in
out
out
in
out
Figura 7.8.
Figura 7.9.
Patillaje LM7812
Patillaje LM7912
Regulador LM7812
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
C C
LL
Filtro C Filtro L Filtro L-C
RLVin
Vce
Vout
I =Ic RL
LM 7812
In GNDOut
LM 7912
In GNDOut
Regulador LM7912
165
El circuito de la figura 7.11.
muestra el esquema de una
fuente de alimentación
básica de 12V y 1Ade salida.
Los componentes usados
son:
C : 1000µF; 16V
C = C : 100nF (Opcionales
para reducir las pequeñas
variaciones de tensión)
D = D = D = D : 1N4007 (se
pueden sustituir por un
puente de diodos integrado)
LM : LM7812
T : Transformador 230/9V
Esta fuente es económica,
fácil de construir y usada en
numerosas aplicaciones de
baja potencia.
Para corrientes cercanas a la
máxima es obligatorio insta-
lar un refrigerador al regula-
dor. Cambiando las caracte-
rísticas de los componentes
podemos obtener otros
valores de tensión en la
salida.
1
2 3
1 2 3 4
1
1
Figura 7.11. FA lineal de
12V.
Fuente de alimentaciónlineal de 12V conregulador LM7812
Rectificador Filtro TransformadorConmutador
EntradaCA Red
Salida CCRegulada
Rectificador Filtro
µPLC
Control Aislamiento
230V
T1
9V
D1
C1
LM1
+12V
0V
7812
D2D3
D4
C2 C3
Figura 7.10. Diagrama de bloques FA conmutada en primario.
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
2.3. Fuentes de alimentación conmutadas
2.4. Fuentes de alimentación conmutadas en primario
En las fuentes de alimentación conmutadas la regulación de la señal de salida no se
hace de forma lineal sino que lo hace de forma discreta conmutando la señal
rectificada por medio del regulador. Se puede decir que una vez rectificada la señal
de entrada el conmutador se encarga de convertir esta corriente continua en
corriente alterna cuadrada con una frecuencia mayor que la de red. Modificando la
frecuencia de conmutación, el regulador puede variar el nivel de tensión en la salida.
Como se ha dicho anteriormente las FA conmutadas pueden ser de dos tipos
dependiendo de donde se encuentre el elemento regulador, antes del transformador
o , o después del transformador o
.
Tal y como muestra el diagrama de bloques de la figura 7.10. la FA conmutada en
primario incorpora el elemento de conmutación en el primario del transformador, de
tal manera que no existe reducción de tensión con respecto a la red de alimentación.
Solo existe el rectificado o conversión de la corriente alterna a continua.
El primer rectificador de esta fuente está conectado directamente a la
red de alimentación que puede ser monofásica o trifásica dependiendo de la
potencia necesaria en la salida. Suele ser de doble onda y formado por diodos
discretos o puente rectificador integrado. En algunos casos la red de alimentación
puede ser de corriente continua lo que hace innecesario este primer rectificador.
conmutadas en primario onmutadas en
secundario
c
Rectificador.
166
Filtro.
Conmutador
Transformador.
Rectificador y filtro.
Aislamiento eléctrico y circuito de control
Al igual que en el caso de las fuentes lineales, el primer filtro se encarga de
hacer lo más estable posible la corriente continua rectificada. En algunos casos este
filtro está compuesto por un condensador de elevada capacidad lo que permite
mantener la tensión estable durante un tiempo determinado incluso con un fallo
momentáneo en la red de alimentación.
. Recoge la señal continua y la convierte en una señal alterna cuadra-
da de alta frecuencia por medio de la modulación en ancho de pulso (PWM). Esta
frecuencia puede oscilar entre los 40 y los 200kHz. El conmutador estará formado
por transistores de potencia y controlado por un circuito que genera las señales de
disparo según las necesidades.
Este transformador es distinto al de las fuentes lineales e incluso
al de las fuentes conmutadas en el secundario, ya que la señal de entrada aplicada
al primario, procedente del conmutador, es de alta frecuencia (40-200KHz) lo que
nos proporciona la posibilidad de que el dispositivo sea de menor tamaño. Esto
reduce el tamaño y el peso de este tipo de fuentes. La función del transformador es
reducir el valor de la señal entregada por el conmutador y ofrecer una o varias
tensiones adecuadas al resto de circuitos según las necesidades de la salida.
Una vez que tenemos los valores adecuados de tensión pro-
cedentes del transformador, la señal se vuelve a rectificar y filtrar para que la salida
sea de valor continuo y estable.
. Para la regulación de la tensión de sali-
da es necesario tomar señales de control de la propia salida. Esta señal se compara
con la señal preestablecida en el circuito de control y este genera las señales
oportunas para la conmutación del circuito regulador (conmutador). La señal de
muestra se aplica al circuito de control a través de un optoacoplador de manera que
no exista un contacto eléctrico entre el circuito de salida y el circuito de alta
frecuencia. En estas condiciones si se produce un aumento de la corriente de
salida, la tensión tiende a bajar, esto es detectado por el circuito de control y
aumenta el tiempo de conducción de los transistores de conmutación de manera
que la tensión de salida vuelve a subir al nivel deseado.
2.5. Fuentes de alimentación conmutadas en secundario
Con un transformador de
toma intermedia en el secun-
dario y dos reguladores
lineales simétricos LM7812 y
LM7912, podemos construir
una FA básica con salida
simétrica de ±12V.
C = C : 1000µF; 16V
D = D = D = D : 1N4007
LM : LM7812
LM : LM7912
T : Transformador con toma
media en secundario y 9V.
En algunos casos y para
mejorar la estabilidad de la
tensión de salida, se instalan
dos condensadores en la
salida de los reguladores
similares a los de entrada,
aunque pueden ser de
menor capacidad.
1 2
1 2 3 4
1
2
1
Figura 7.12.
FA simétrica ±12V.
Fuente de alimentaciónlineal simétrica de ±12 V
230V
T1
9V
9V
D4
D3
D1
D2
7912
C1
C2
LM1
LM2
+12V
0V
-12V
7812
El principio de funcionamiento es idéntico a las
anteriores, el regulador funciona en conmutación. La
diferencia con respecto al anterior es la situación del
transformador que en este caso se sitúa antes del
circuito de conmutación. Esto implica que el
transformador sea similar al de las fuentes lineales,
grande y pesado ya que la frecuencia de
funcionamiento de éste es la frecuencia de la red. En
este caso el conmutador convierte la tensión continua
recibida del filtro en otra tensión continua cuadrada,
convertidor continua-continua. La frecuencia de
conmutación vendrá dada por el circuito de control y
estará determinada en función de las necesidades de
tensión en la salida.
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
167
2.6. Ventajas e inconvenientes de las fuentes de alimentación lineales
3 Sistemas de alimentación ininterrumpida
Tabla 7.1.
Figura 7.14.
Ventajas e inconvenientes de las FA.
SAI industrial (APC).
Un sistema de alimentación ininterrumpida SAI, es un dispositivo de mayor o menor
potencia que proporciona de forma continua o ininterrumpida, aún con fallo de la
tensión de red, una alimentación de corriente alterna para el suministro de una carga
eléctrica o grupo de ellas. También se puede referirse a ellas por medio de sus siglas
en inglés, UPS Uninterruptible Power Supply.
Las FA están presentes en
todos o casi todos los siste-
mas electrónicos y podría-
mos clasificarlas en función
del campo o aplicación
concreta.
Electródomés-
ticos y dispositivos electróni-
cos domésticos de mayor o
menor potencia.
Desde pequeños
ordenadores hasta grandes
sistemas informáticos.
Destinadas
a dar servicio de alimenta-
ción continua a los sistemas
industriales de automatiza-
ción y control.
Todos los siste-
mas de comunicaciones son
sistemas electrónicos que
funcionan con corriente
continua y además tiene que
ser de buena calidad,
estable y limpia.
FA para dispositivos do-
mésticos.
FA para sistemas informá-
ticos.
FA industriales.
FA para sistemas de comu-
nicaciones.
Uso de las fuentes dealimentación
Transformador Rectificador ConmutadorFiltro
EntradaCA Red
Salida CCRegulada
Filtro
µPLC
Control Aislamiento
Figura 7.13. Diagrama de bloques FA conmutada en secundario.
Tipo de Fuente Ventajas InconvenientesAlto rendimiento Gran tamaño
Durabilidad Elevado rizado de salida
Económicas Poco estable
Tiempos cortos de regulación Bajo rendimiento
Bajo rizado de salida Gran tamaño
Diseño y montaje básico Elevado peso
Pequeño tamaño Circuito complejo
Bajo peso Contaminación de red (introducción de armónicos)
Amplio rango de tensiones de entrada Precio elevado
Elevado rendimiento
Elevado rendimiento Gran tamaño
Facilidad de regulación Elevado precio
Baja contaminación de red
No reguladas
Regulación Lineal
Conmutadas en primario
Conmutadas en
secundario
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
168
La misión de una SAI es la de proteger a las cargas de fallos en la alimentación
principal de la red como subidas y bajadas de tensión, microcortes o fallos
prolongados de suministro eléctrico. Tiene que ser capaz de suministrar una señal
limpia y estable cuando la señal de la red presenta perturbaciones no aceptables por
la carga. Igualmente debe de suministrar a partir de las baterías, una señal
igualmente limpia y estable, en caso de una caída prolongada del suministro
eléctrico.
El funcionamiento de la SAI como sistema independiente de suministro de
alimentación está limitado por la capacidad de las baterías y el tiempo de descarga
de las mismas. No obstante, este tiempo suele ser suficiente como para poner en
marcha los sistemas de generación alternativos como grupos electrógenos, o
paralizar diferentes tareas de forma ordenada y correcta sin dañar a los sistemas
protegidos.
Básicamente la SAI es un sistema compacto o modular que incluye una batería o
conjunto de ellas, un rectificador/cargador, y un inversor. A todo ello y dependiendo
del tamaño tendremos que añadir un dispositivo de control, una interfaz hombre-
máquina, y los correspondientes elementos de maniobra y protección. Para SAIs de
gran potencia el conjunto de baterías debe instalarse en un módulo aparte e incluso
si son demasiado voluminosas en un recinto especial.
La SAI está conectada por un extremo o entrada a una red de alimentación, ya sea
trifásica o monofásica y al otro extremo o salida se conectan las cargas a las que
tienen que proporcionar la energía eléctrica. Está continuamente testeando la señal
de entrada y en caso de fallo la SAI genera a partir de la corriente continua de las
baterías y por medio de un ondulador o inversor, una señal alterna de onda cuadrada
o senoidal de manera que el servicio no se vea interrumpido en la carga.
Existen multitud de tipos de SAI dependiendo de la potencia y de su forma
constructiva, no obstante la mejor clasificación la podemos hacer en función de sus
características técnicas y del tipo de tecnología que presentan.
3.1. Constitución y funcionamiento
3.2. Tipos de SAI
Una SAI de pequeña poten-
cia de salida suele ser una
SAI compacta que incluye en
su interior el bloque de la
batería. Generalmente da
servicio a una o dos cargas.
Son muy usadas en siste-
mas informáticos monousu-
ario alimentando al monitor y
la CPU.
Su uso está limitado a unos
pocos minutos, pero sufi-
cientes para que el usuario
una vez que el suministro
eléctrico haya desaparecido,
tenga el tiempo justo para
poder salvar el trabajo y
apagar los equipos con
seguridad.
Los equipos informáticos
suelen ser también sensibles
a sobretensiones y picos de
corriente transitorios que
pueden provocar en algunos
casos la destrucción de
sistemas tan sensibles como
discos duros o memorias. Es
por ello que este tipo de SAI
también se utiliza para
proteger a estos equipos de
perturbaciones en la red.
SAI de pequeñapotencia
Rectificador/Cargador
Baterías Inversor
Salida CAEntradaCA Red
Bypass
Figura 7.15. SAI Off Line.
Son los equipos más básicos ya
que no estabilizan la tensión de salida y
solo generan corriente en caso de fallo de la
alimentación de red. Disponen de un
sistema de bypass que en estado de Stand-
by pone directamente la tensión de entrada
de red a la salida. En este estado también
permiten la carga contralada de las
baterías. En caso de fallo en la red de
alimentación, la SAI extrae la energía de las
baterías y mediante el inversor la convierte
en corriente alterna.
Off Line.
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
169
Las baterías usadas para
SAI suelen ser de plomo-
ácido de tipo hermético,
estando el ácido en forma de
gel.
Todas las baterías están
formadas por celdas que se
pueden definir como unida-
des de alimentación y que
proporcionan una tensión
característica. Para las
baterías Pb-Acido este valor
es de 2V.
Dependiendo del tamaño de
la batería, estas se presen-
tarán de forma compacta
inc luyendo las celdas
necesarias conectadas en
serie para alcanzar la
tensión necesaria, o en
celdas independientes de
mayor tamaño.
Las características a tener
en cuenta a la hora de elegir
la batería son:
- Tipo de material.
- Tensión de celda.
- Tensión de batería.
- Capacidad enAh.
- Tiempo de carga.
- Nivel de descarga residual.
- Tensión de flotación.
- Protección IP.
Baterías para SAIOn Line. Son equipos que mejoran las características de los anteriores ya que
incorpora un sistema de estabilización de la señal de salida ante variaciones de la
señal de entrada. Tienen la misma estructura que las anteriores y el elemento
estabilizador se incluye en el circuito de bypass. Cuando no hay fallo en la red de
alimentación, la SAI pone en la salida la señal de entrada pero estabilizada dentro de
unos márgenes de tolerancia.
La elección de una SAI para uso industrial requiere conocer las necesidades de la
instalación y el tipo de carga a la que va dirigida. Conociendo igualmente las
características técnicas que debe poseer una SAI podremos tomar la decisión
correcta y hacer la elección más adecuada. Las características técnicas más
importantes de un sistema de alimentación ininterrumpida son las que se describen
a continuación.
SAI On Line.
SAI On Line con doble conversión.
On Line con doble conversión. Este tipo de SAI es usada en sistemas industriales
y de comunicaciones donde el suministro eléctrico de calidad es primordial
protegiendo equipos de uso crítico. Están formadas por un rectificador de entrada y
un inversor de salida de tal manera que la señal de salida siempre es generada
independientemente de la ausencia o presencia de la señal de entrada. En caso de
fallo de esta, las baterías suministran la energía necesaria al inversor para que este
realice su trabajo.
Figura 7.16.
Figura 7.17.
3.3. Características técnicas
Baterías Inversor
Salida CAestabilizada
EntradaCA Red
Bypass Estabilizador
Rectificador/Cargador
Rectificador
Baterías
Inversor Salida CAestabilizada
EntradaCA Red
Conmutador
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
170
Potencia activa y aparente de salida. Nos da idea de la potencia de la carga a la
que la SAI puede dar servicio. En algunos casos los fabricantes dan una potencia a
temperatura ambiente (20-25ºC) y otra a temperatura extrema.
.
Forma de onda.
Tensión o rango de tensión de entrada de red.
Tensión de entrada nominal para Bypass.
Frecuencia nominal de entrada/tolerancia de frecuencia.
Distorsión de corriente de entrada THD %
Tensión nominal de salida o rangos de tensión
Estabilidad de tensión de salida en función de la variación de carga.
Frecuencia nominal de salida Hz.
Capacidad de sobrecarga del inversor.
Factor de potencia de salida, compatibilidad con carga.
Temperatura de funcionamiento.
Características físicas.
Número y tipo de batería.
Tiempo de autonomía.
Tiempo de recarga.
Básicamente pueden ser de tres tipos, de onda cuadrada, pseu-
dosenoidal y senoidal. A este dato se puede añadir información referente al tipo de
modulación que se aplica a los dispositivos de conmutación, generalmente PWM.
Dato que nos informa a cerca del
rango de tensiones monofásicas o trifásicas a las que se puede conectar la SAI. Es
normal que existan diferentes valores de conexión ya que nos permite conectar la
SAI a diferentes tipos de redes eléctricas.
Valor de la tensión de entrada para que
la SAI permita el baypass. Solo para aquellas que tengan esta opción.
Suele expresarse en ±%
de la frecuencia nominal e indica la variación que la frecuencia de la señal de red
puede tener para ser aceptada. Un valor común suele ser ±1%.
. Nos indica la máxima distorsión de la
señal de entrada que es permitida.
Indica los valores de tensión
compuesta para sistemas trifásicos o simple para sistemas monofásicos.
Se mide en %
y nos indica la posible variación que puede experimentar el nivel de tensión en
función de la carga.
Valor de la frecuencia de la señal de salida.
Indica que porcentaje de la potencia
máxima se puede sobrepasar y durante cuanto tiempo.
Determina el rango del fdp
para las cargas inductivas y capacitivas.
Rango de temperatura en la que la potencia
nominal de salida no se ve afectada.
Nivel y tipo de protección, humedad relativa máxima
admisible, dimensiones y peso.
Nos indica el tipo o tipos admisibles por el sistema y el
número adecuado.
Tiempo que la SAI puede entregar potencia a la carga sin
bajar de unos límites mínimos.
Tiempo que necesita la SAI para recargar las baterías a un
nivel optimo.
En instalaciones de interior
sobre todo en instalaciones
de of ic inas es común
reservar uno o dos circuitos
de fuerza protegidos por un
equipo SAI.
En el cuadro de protección
se prevé un circuito para la
alimentación de la SAI que a
su vez alimentará a las to-
mas de corriente protegi-
das. El circuito de salida de la
SAI tiene que estar igual-
mente debidamente prote-
gido.
Las tomas protegidas suelen
ser diferenciadas de las
tomas generales al ser de
color rojo.
Figura 7.18.
Tomas protegidas por SAI.
Instalaciones de interiorcon circuitos protegidos
por SAI
F1
F2
F3
SAI
Tomasprotegidas
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
171
4 Relés de estado sólido
4.1. Constitución y funcionamiento
Los relés de estado sólido o SSR (Solid State Relay) son dispositivos formados por
tiristores o triacs que controlan el paso de la corriente hacia la carga de manera
similar a como lo hacen los contactos principales de un relé electromecánico, pero
en este caso de forma electrónica y sin dispositivos móviles.
Es un componente de conmutación relativamente nuevo que incorpora en su interior
dispositivos de conmutación, tiristores o triacs y un circuito de control que controla la
activación de éstos. El nombre de relé de estado sólido se deriva del hecho de que
actúan como un relé electromecánico, salvando las distancias. Así, cuando
alimentamos la entrada de control es como si alimentáramos la bobina del relé, en
ese momento el circuito de control del SSR activa la conducción de los dispositivos
de conmutación y pone toda la señal dispuesta en los terminales de entrada en los
de salida, al igual que cuando los contactos del relé se cierran y conectan la entrada
con la salida.
No obstante, los SSR al ser dispositivos electrónicos pueden incluir funciones
adicionales como el control parcial de la carga, a diferencia del todo o nada, señales
de entrada y salida para control por PLC, y diferentes rangos de señales de
activación. En la siguiente figura se observa el bloque que representa a un SSR
monofásico. Dependiendo del fabricante y de las características del dispositivo, los
terminales de entrada y salida de fuerza pueden estar identificados de una u otra
forma al igual que los terminales de control.
Relés de estado sólido.
SSR monofásico.
Figura 7.19.
Figura 7.20.
Dependiendo del tipo de
carga, el SSR debe de
cumpl i r una ser ie de
requisitos.
No existe
pico de corriente en la
conmutación a On y la
tensión está en fase con la
corriente por lo que no
ex is ten prob lemas de
funcionamiento.
La corriente de arranque
puede estar entre 5 ó 15%
más que la nominal por lo
que hay que elegir un SSR
cuya corriente de pico sea
superior a ésta.
. Al no pasar
por cero el relé no pasará a
ON en caso de ser contro-
lado por paso por cero. Elegir
un SSR de conmutación
instantánea.
Usar un
SSR con pico máximo de
corriente superior al 50%
más de la nominal.
Tener en cuenta el
pico de corriente y su
duración.
Carga resistiva.
Cargas inductivas. Lámpa-
ra incandescente o moto-
res.
Rectificador
Carga capacitiva.
Fluorescentes y lámparas
de vapor.
Aplicaciones de los SSR
L /In1
A /+1 A /2 -
Entrada/Salida de fuerza
Entrada de control
T /Out1
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
172
Para los SSR trifásicos como el de la figura, podemos encontrar numerosas
funciones adicionales como el control parcial de la carga a partir de una tensión o
corriente variable (0-10V; 0-40mA) de manera que los triacs se disparan con un
ángulo de disparo determinado aplicando por tanto a la carga una potencia
determinada o una tensión fija lo que provocaría la conducción de los triacs o
tiristores durante todo el semiciclo.
Los SSR tienen numerosas ventajas frente a los relés electromecánicos, son más
livianos, silenciosos, rápidos, no se desgastan, son inmunes a los choques y
vibraciones, generan muy pocas interferencias, conmutan altas corrientes y voltajes
sin producir arcos, proporcionan varios kilovoltios de aislamiento entre la entrada y
la salida.
En el mercado existen numerosos tipos de SSR dependiendo del tipo de utilidad y
finalidad, pero para todos ellos se identifican unas características comunes. Estas
aplicaciones las podemos dividir en características de control, de salida de fuerza y
generales.
Se refieren a las características de la señal aplicada a
las entradas de control para la activación del SSR.
Corriente máxima para la entrada de control.
Rango y tipo de tensiones para la
activación del SSR.
Con o sin paso por cero. Para control por paso por cero, la
activación y bloqueo de los triacs se hace a partir del paso por cero de la
señal de potencia. Para el control libre o instantáneo, estas acciones se
hacen justo en el momento de activación o desactivación de la señal de
control.
Es el tiempo que tarda el SSR en responder a la
orden de control. Dependiendo del tipo de control tendremos más o menos
tiempo de respuesta.
Se refieren a las características eléctricas de
la señal eléctrica que queremos controlar (entrada/salida de fuerza).
SSR trifásico.
Características de control.
- Corriente de entrada.
- Tensión de entrada de control.
- Tipo de control.
- Tiempos de respuesta.
Características de salida de fuerza.
Figura 7.21.
4.2. Características técnicas
En el esquema de la figura se
puede observar un control de
temperatura básico a través
de un SSR monofásico Q ,
activado a través de un
sensor de temperatura S ó
termostato.
El elemento calefactor R , se
ha representado como un
elemento de caldeo.
1
1
1
Figura. 7.22. Control detemperatura con SSR.
Ejemplo de controlde temperatura SSR
L1 L2 L3
T1 T2 T3
Entradas de control
A /Vcc +1
A /Vcc -2
0-10V / 0-40mA
Entradas de fuerza
Salidas de fuerza
1
2 N
N
A2/-
A1/+
L1/In
T1/Out
F1
S1
Q1
R1
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
173
.
FACTS
STATCOM
- Tipo de salida
- Rango de tensión de salida.
- Corriente máxima de salida.
- Corriente mínima de salida.
- Tipo de carga y aplicaciones.
Características generales.
- Estructura física.
- Dimensiones.
- Temperatura de funcionamiento.
- Temperatura de almacenamiento.
-Aislamiento eléctrico entre salida y entrada de control.
- Protección IP.
Define el tipo de corriente que puede controlar,
trifásica, monofásica o en algunos casos continua.
Valor de la tensión de entrada/salida de fuerza.
Se suele definir en un rango determinado de valores.
Determina la corriente máxima permitida para
los dispositivos de potencia. Puede definirse en valores eficaces o de pico
máximos.
Es la corriente mínima que garantiza el disparo
de los triacs.
Nos dan información acerca de la forma física,
temperatura de trabajo, etc.
Existen diferentes modelo, los más usuales son para
carril DIN, atornillados en panel o para Rack.
Las redes de transporte eléctrico tienen limitaciones de capacidad en función de la
carga térmica, del nivel máximo de tensión permitido y de los ángulos de fase entre
la corriente y la tensión. La máxima capacidad operativa de una red de transporte
eléctrico se basa en la estabilidad de tensión y en la estabilidad del ángulo de fase o
corrección del fdp (factor de potencia).
Desde hace pocos años el problema del transporte eléctrico se ha venido
acentuando debido a la cada vez mayor demanda y a los problemas que los nuevos
receptores eléctricos incorporan a las redes eléctricas. Para dar solución a todo ello
han ido apareciendo distintas tecnologías que intentan solucionar estos problemas
y dar más capacidad a las líneas de transporte.Aestas tecnologías se les ha dado el
nombre de (Flexible AC Transmission System) Sistemas Flexibles de
transmisión y Distribución en Corriente Alterna y los nuevos sistemas SVC
pertenecen a este grupo de tecnologías.
El compensador estático de energía reactiva o SVC (Static VAr Compensator),
también conocido como (Static Compensator), es un sistema eléctrico-
electrónico destinado a la compensación de energía reactiva, estabilidad de la
tensión y eliminación de armónicos de alto orden principalmente en sistemas de
transporte y distribución de energía eléctrica.
Desde principios del siglo XX y con la incorporación progresiva de cargas inductivas
se ha visto necesaria la compensación de la energía reactiva inductiva para la
mejora de la calidad de las señales eléctricas.
5 Compensador estático de energía reactiva, SVC.
5.1. Tipos de sistemas de compensación de energía
Los supercondensadores o
ul t racondensadores se
consideran condensadores
convencionales con una
capacidad de cientos de
millones superior a éstos.
La capacidad de un conden-
sador aumenta al aumentar
la superficie de las placas
semiconductoras que for-
man los electrodos y dismi-
nuyendo el espacio entre las
cargas de distinto signo.
En un supercondensador
esto se consigue con nuevos
materiales como el
que permiten electrodos de
mayor tamaño y separacio-
nes entre ellos a nivel
molecular.
Los supercondensadores
comienzan a ser utilizados
como sistemas de almace-
namiento de energía despla-
zando a las baterías en
algunas aplicaciones, princi-
palmente por su reducido
tamaño, su gran capacidad y
p o r q u e n o n e c e s i t a n
mantenimiento.
Uno de los inconvenientes
es que poseen una tensión
que aún se considera baja.
grafeno
Supercondensadores
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
174
A medida que el consumo de energía se ha hecho más grande y las cargas se han
convertido en elementos que introducen perturbaciones importantes en las redes
eléctricas, los sistemas de compensación de energía reactiva han tenido que
evolucionar hasta el punto de conseguir un sistema continuo de mejora del fdp de las
redes eléctricas así como la eliminación de fluctuaciones y perturbaciones
perjudiciales. En el diagrama de la figura están representados los sistemas de
compensación de energía reactiva desarrollados desde sus primeras aplicaciones.
Utilizan un motor síncrono regulado para funcionar
sobreexcitado y actuar como generador de potencia reactiva. En su día fueron los
principales dispositivos de compensación de energía reactiva en redes eléctricas.
Hoy en día su uso como compensador está prácticamente desaparecido.
Se limitan a la incorporación de condensadores de
valor fijo que inyectan energía reactiva capacitiva y compensan la energía reactiva
inductiva de una carga determinada. No tienen posibilidad de variación de la
potencia compensada por lo que su uso se restringe a la compensación de
receptores individuales.
Dispositivos de compensación.
Compensadores dinámicos.
Compensación estática fija.
Figura 7.23.
También es conocido como
y es un
dispositivo destinado a medir
la corriente, tensión, poten-
cia reactiva y factor de
potencia, de una instalación
o línea de transporte.
La medida de estos valores
la hace a partir de la medida
de tensión y corriente a
través de transformadores o
sensores de efecto hall.
Las salidas del regulador
pueden controlar directa-
mente los sistemas de com-
pensación estáticos fijos por
medio de contactores o
regular de forma directa la
conmutación de dispositivos
electrónicos de conmutación
en sistemas SVC.
Relé Varmétrico
Regulador Varmétrico
Figura 7.25. Conexionadoregulador varmétrico.
Sistemas decompensación
de energíareactiva
Compensación variable
Compensación fija
Dinámicos
EstáticosEscalonada
Continua
L1
L2
L3
Carga
Regulaciónelectromecánica
Regulaciónelectrónica
ReguladorVarmétrico
Compensación estática variable escalonada (SVC).
baterías de
condensadores bobinas
Varmétrico
Compensación estática variable continua (SVC).
variación escalonada
La com-
pensación en este caso se hace por medio de
o , que van incorporando energía reactiva
capacitiva a medida que la instalación lo va requiriendo. El
sistema necesita de un dispositivo de control, regulador
que mide la potencia reactiva y activa de la instalación
mediante elementos de conmutación electromecánicos o
electrónicos, los diferentes bloques de condensadores en función
de las necesidades de la instalación.
El control de la
potencia reactiva se realiza mediante convertidores electrónicos
de potencia que regulan la potencia reactiva inyectada a la
instalación de forma continua y controlada. La compensación
variable continua está destinada a proporcionar de manera
instantánea la potencia reactiva que necesita la instalación para
alcanzar el fdp deseado.
Los compensadores estáticos SVC con
utilizan conjuntamente la acción de bobinas, condensadores y
dispositivos de conmutación electrónicos.
5.2. Compensadores estáticos con variación escalonada
Figura 7.24. Reguladorvarmétrico (Circutor).
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
175
En este sentido podemos diferenciar dos tipos,
(Thyristor Switched Capacitor) o
(Thyristor Switched Reactor), aunque también se pueden dar combinaciones
de ambos.
En este tipo de compensadores el circuito de control está permanentemente
midiendo la potencia reactiva que absorbe la carga y la compara con la prefijada
para la instalación. A partir del resultado obtenido, el circuito de control pone en
conducción a las bobinas o condensadores de manera que se corrige de forma
inmediata el fdp ya sea inyectando o absorbiendo energía reactiva. En realidad lo
que el grupo de tiristores hace es conmutar para conectar las bobinas y
condensadores a la red.
Este sistema no deja de ser un sistema de control escalonado aunque al usar
dispositivos de conmutación electrónicos el tiempo de respuesta es mucho menor
que con el uso de relés electromecánicos.
condensadores conmutados por
tiristores TSC bobinas conmutadas por tiristores
TSR
Compensador por conmutación.Figura 7.26.
FACTS
controlar el flujo de
energía compensar la
energía reactiva estabili-
zar los niveles de tensión
amortiguar posibles
perturbaciones
(
Ba jo este nombre se
agrupan una serie de
tecnologías que nacen para
dar respuesta a los límites
que actualmente padecen
las redes eléctricas ya sea
por el alto consumo eléctrico
como por l imi taciones
térmicas y de estabilidad.
Estas tecnologías buscan
mejorar la capacidad,
seguridad y flexibilidad de
los actuales sistemas de
transmisión de energía eléc-
trica mediante técnicas elec-
trónicas de conmutación.
Los dispositivos FACTS se
integran en los sistemas
para
,
,
,
y
, entre
otras.
Son sistemas modernos de
control en continuo desa-
rrollo que intentan mejorar el
transporte eléctrico sin
necesidad de aumentar las
instalaciones existentes.
Flexible AC Trans-
mission System) Sistemas
Flexibles de transmisión y
Distribución en Corriente
Alterna.
FACTS
L
TSRThyristor Switched Reactor
Transformadorde acoplo
Entradade Red
Salidahacia carga
Q1
Q2
Controlde
conmutación
TSCThyristor Switched Capacitor
iin iout
iSVC
C
Entradade Red
Salidahacia carga
Q1
Q2
Controlde
conmutación
iin iout
iSVC
Transformadorde acoplo
Entradade Red
Salidahacia carga
SPWM
iin iout
iSVC
Fuente de continua
Transformadorde acoplo
5.3. Compensadores estáticos con
variación continua
En los compensadores estáticos
SVC con los
dispositivos de conmutación, al igual
que en el caso anterior, trabajan en
conmutación. En este caso forman
parte de un convertidor CC-CA que
genera corriente alterna de valor y
fase determinados de manera que al
insertarla en la red, el fdp se corrige
al valor deseado.
variación continua
Compensador de
variación continua.
Figura 7.27.
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
176
Los armónicos (distorsiones
de la señal senoidal) no de-
seados de la señal de cor-
riente en una red de trans-
porte provocan dos efectos
destacados, pérdida de
energía debido al aumento
del valor eficaz de la corri-
ente y caídas de tensión adi-
cionales en las impedancias
de la red.
Los principales elementos
que introducen armónicos en
una red son:
- Motores de corriente
continua alimentados con
rectificadores.
- Convertidores de
frecuencia.
- Compensadores estáticos.
- Relés de estado sólido
(SSR).
- Hornos de arco.
- Equipos de soldadura.
- Transformadores
sobreexcitados.
- Onduladores o inversores.
- Alumbrado fluorescente.
- Equipos de
telecomunicaciones.
- Sistemas informáticos.
- Arrancadores suaves.
Armónicos en la señal de lasredes de transporte eléctrico
Transformador de acoplo.
Circuito de control.
Fuente de alimentación de continua.
Dispositivos de conmutación.
arranque estrella-
triángulo
arrancadores electrónicos estáticos arrancadores progresivos
suaves
Forma parte del convertidor actuando como filtro y
además permite el acoplamiento de la señal alterna generada con la señal de la red
eléctrica.
Mide de forma continua la corriente y tensión de la red y la
compara con los valores de referencia predeterminados para la instalación. En
función de las necesidades, el circuito de control genera las señales adecuadas,
generalmente con una modulación senoidal en ancho de pulso (SPWM), que sirven
para el disparo de los dispositivos de conmutación.
Es la que proporciona la energía en forma de
corriente continua para que el convertidor CC-CA genere la señal deseada. Puede
estar formada por un módulo de baterías o un módulo rectificador alimentado desde
la propia red.
En este caso los dispositivos de conmutación
suelen ser IGBT´s o GTO´s.
Este tipo de compensador corrige el fdp de forma continua y con un tiempo de
respuesta bajo. No obstante, son sistemas relativamente caros y además el circuito
de alta frecuencia también inyecta perturbaciones a nivel de armónicos en las redes
de transporte.
El arranque de motores eléctricos ha sido siempre una cuestión a tener en cuenta en
las instalaciones automatizadas ya que el consumo extra de corriente y por tanto de
potencia que el motor eléctrico absorbe, es importante tanto a nivel energético como
a nivel de dimensionado de los elementos de protección y aparamenta. El motor
más usado hoy en día en las instalaciones industriales es el motor asíncrono
trifásico, que posee un alto consumo de corriente en el arranque directo y que puede
afectar a la línea de alimentación provocando caídas de tensión y afectando por
tanto al resto de cargas conectadas a la red.
Hasta la evolución y desarrollo de la electrónica de potencia, el sistema de arranque
más común para los motores asíncronos trifásicos ha sido el
(Y-D). Este tipo de arranque actuaba directamente sobre los terminales del
motor a través de relés electromecánicos o contactores que controlados por el
circuito de mando cambian el tipo de conexión del inductor (estator), de tal manera
que la corriente por las bobinas en el arranque sea el mínimo posible, conexión
estrella. Una vez alcanzada la velocidad y corriente nominal, se cambia la conexión
a triángulo para mantener las características nominales del motor tanto en corriente
como en tensión.
El aporte de la electrónica de potencia en este sentido ha sido la aparición de los
o , también llamados
, que permiten el arranque de los motores asíncronos de forma suave y sin
picos elevados de corriente.
La evolución de los arrancadores suaves nos lleva al uso de los convertidores de
frecuencia o variadores de frecuencia que nos permiten no solo un arranque
controlado sino un control continuo del motor en función de la carga de éste.
6Arrancadores progresivos
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
177
6.1. Constitución y funcionamiento de los arrancadores progresivos
Básicamente un arrancador está formado por uno o varios dispositivos de potencia,
un circuito de control con sus correspondientes entradas y las entradas y salidas de
señal de potencia.
El arrancador, una vez activado a través de las señales de control, recoge la señal de
tensión de fuerza aplicada a las entradas correspondientes y las recorta en sus dos
semiciclos, entregando a la carga a través de sus terminales la señal modificada
mínima para que el motor arranque.Apartir de ese momento el circuito de control del
arrancador va aumentando el tiempo de conducción de los tiristores hasta completar
toda la señal de tensión. El tiempo de arranque es temporizado y puede ser
modificado por el usuario en función de las necesidades de carga del motor. A este
tiempo se le denomina .
Los arrancadores suaves permiten un arranque temporizado aumentando el par y la
corriente de arranque de forma continuada a medida que se va completando la señal
de la tensión.
Una vez que el arrancador ha alcanzado y completado toda la señal de entrada en la
salida, éste nos da una señal generalmente a través de un contacto libre de
potencial, que podemos usar para realizar el bypass de la entrada a la salida
dejando al arrancador libre para la siguiente maniobra de arranque.
En arrancadores de gama alta permiten una parada del motor controlada o
temporizada. Cuando se da la señal de paro el circuito de control actúa sobre los
tiristores y éstos vuelven a recortar la señal de entrada hasta hacerla desaparecer
de la carga.Aeste tiempo de parada se le denomina . En este
caso si el bypass está activado, el circuito de maniobra tiene que volver a retirarlo
para ejecutar posteriormente la parada controlada.
Bloques de un arrancador suave.
tiempo de aceleración
tiempo de deceleración
Figura 7.28.
Tanto en los manuales como
en circuitos de aplicación se
pueden encontrar diferentes
símbolos para representar
un arrancador suave. No
obstante, el símbolo más
común es un rectángulo
como el de la figura.
Podemos ver tanto el usado
en el esquema de fuerza
como en el de mando. En
este último aparecen las
entradas y salidas del
arrancador que dependerán
del tipo y fabricante.
Figura 7.30. Símbolo del
arrancador.
Simbología paraarrancadores
L1 L2 L3
T1 T2 T3
Circuito de control
Entradas de fuerza
Salidas de fuerza
µP
LC
Vout
t
Vout
t
Vout
t
Vout
t
1L1 3L2 5L3
2T1 4T2 6T3
13L2 5L3
Símbolo de fuerza
Símbolo de mando
2T1 4T2 6T3
1L1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6
Entradas de control
Salidas de control
Figura 7.29. Señales del arrancador.
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
178
En el esquema de la figura se
muestra el circuito de
potencia del arranque de un
motor asíncrono trifásico con
un arrancador suave.
Esta conf iguración de
interruptor magnetotérmico
F , fusibles ultrarápidos para
proteger a los tiristories F y
los contactores de maniobra
KM y KM (inversión de
g i r o ) , g a r a n t i z a n l a s
condiciones de seguridad de
la instalación.
1
2
1 2
Figura 7.32. Esquema de
conexión.
Ejemplo de conexiónde arrancador
6.2. Tipos de arrancadores progresivos
6.3. Características generales de los arrancadores
Existen multitud de tipos de arrancadores y podemos clasificarlos desde su potencia
hasta el tipo de control CAo CC. No obstante, podemos hacer una clasificación más
concreta dependiendo del tipo de configuración del circuito de potencia. En este
sentido encontramos dos tipos, o .
Como se puede ver en la imagen en el primer tipo de control se deja una de las tres
fases de la red sin controlar, es decir, sin pasar por los tiristores, mientras que en el
otro caso, las tres fases son controladas. Los arrancadores por mando de dos fases
permiten el control de una carga trifásica o monofásica y suelen ser arrancadores de
baja potencia con pocas funciones adicionales. Los arrancadores de tres fases son
únicamente para cargas trifásicas, alcanzan más potencia de salida y suelen tener
funciones adicionales que mejoran el uso del arrancador.
Las características que definen a un arrancador progresivo y que nos sirven para
elegir el más apropiado a nuestras necesidades son las que se definen a
continuación.
Define el tipo de motores, monofásicos y/o trifásicos asíncronos.
Es el rango de valores monofásicos o
trifásicos que se pueden aplicar a las entradas de potencia.
Nos indica la potencia máxima del motor en función de la
tensión de alimentación y el número de fases.
Máxima corriente de carga cuando el arrancador
está conmutando toda la señal.
Potencia que disipa el arrancador en el tiempo de
arranque y en el estado estable.
Rango de tensiones y corrientes para aplicación en
el circuito de control. Pueden ser de corriente alterna o continua y en la mayoría de
los casos permiten la conexión a través de entradas/salidas de un PLC.
Con rampa de tensión y nivel de tensión inicial.
Rango de tiempos definidos entre máximos
y mínimos que definen estas características y que pueden ser ajustados por el
usuario.
control de dos fases control de tres fases
Tipo de carga.
Tensión de alimentación de potencia.
Potencia de motor.
Corriente nominal de la carga.
Potencia de disipación.
Tensión del circuito de control.
Tipo de arranque/parada.
Tiempo de aceleración/deceleración.
Tipos de arrancador.Figura 7.31.
L1 L2 L3
T1 T2 T3
L1 L2 L3
T1 T2 T3
1 3 5
2 4 6
KM1
M3
F1
U1 V1 W1
Q1
KM2
1 3 5
2 4 6
1 3 5
2 4 6
1 3 5
2 4 6
L1
L2
L3
F2
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
179
Nivel inicial de tensión.
Par de fuerza inicial.
Señales de control adicionales.
Características físicas.
Protección IP.
Temperatura de funcionamiento.
inversores autónomos autoguiados
alta potencia
Permite ajustar un nivel de tensión inicial en el arranque
para asegurarnos que éste se produce cuando el momento de inercia inicial es
elevado.
Nos informa acerca del par de fuerza de inicio, generalmente
en % del total necesario para el arranque directo.
Nos indica las características y funciones de
entradas y salidas adicionales de control.
Dimensiones, peso, tipo de montaje.
Describe el rango de temperatura ambiente
donde se asegura el funcionamiento correcto del arrancador.
Hasta ahora nos hemos referido a los inversores como circuitos convertidores que
se integran en dispositivos más complejos, de mayor entidad y con aplicaciones
totalmente diferentes a éstos. Pero de forma genérica cuando hablamos de un
inversor u ondulador nos estamos refiriendo a un dispositivo compacto que
convierte la corriente continua procedente de una fuente independiente como puede
ser una batería, una dinamo o un sistema de placas solares fotovoltaicas. A estos
inversores también se les conoce como o .
Los inversores los podemos clasificar a partir de numerosas características como
por ejemplo, la potencia o el tipo de onda que presentan en su salida.
Clasificación por potencia
Los inversores de son dispositivos destinados principalmente a la
conversión de corriente continua procedente de instalaciones solares fotovoltaicas
y su salida puede estar conectada a una red de transporte inyectando potencia a
ésta o constituir una instalación aislada.
Tipos de inversores.
7 Inversores
7.1. Tipos de inversores
Figura 7.33.
Los arrancadores progresi-
vos o suaves aportan nume-
rosas ventajas a las instala-
ciones que incluyen el uso de
motores.
- Reducen los picos de
corriente y las caídas de ten-
sión en la red.
- Reducen el par de arranque
de la máquina.
- Permiten la aceleración y
frenado suave.
- Adaptan el tipo de arranque
para cada una de las
aplicaciones.
- Protegen al motor.
- Permiten el control del mo-
tor a través de sistemas
remotos.
Las aplicaciones donde los
arrancadores cumplen un
papel fundamental son
aquellas que requieren de
numerosos ciclos de marcha
y paro y donde existen pares
de arranque variables, como
por ejemplo bombeos, venti-
ladores, compresores, trans-
porte horizontal y vertical,
etc.
Aplicaciones de losarrancadores progresivos
Clasificaciónde los
inversores
Potencia
Tipo de onda
Media potencia kW
Alta potencia MW
Baja potencia W
Senoidal modificada
Cuadrada
Senoidal pura
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
180
Los sistemas de pueden ser sistemas alimentados con baterías o
instalaciones fotovoltaicas pequeñas y suelen alimentar a varias cargas en
instalaciones autónomas como por ejemplo, caravanas, barcos, viviendas sin
conexión de red, etc.
Por último los inversores de están diseñados para alimentar una o dos
cargas de baja potencia y suelen formar un bloque compacto que incluye la batería.
Clasificación por tipo de onda
La es la más básica de todas. Para su generación no es necesario un
circuito de control complejo, está asociada a inversores de baja gama y pequeña
potencia. Pueden alimentar cargas principalmente resistivas como lámparas de
incandescencia, resistencias de caldeo a las que no les afecta para su funciona-
miento el tipo de onda. Los inversores de este tipo son los más económicos aunque
sus limitaciones son tangibles.
El siguiente paso es la onda , los inversores que la generan
incluyen circuitos y algoritmos de control más complejos que los anteriores. Utiliza
modulación en ancho de pulso y la onda obtenida es una señal cuadrada modificada
para simular en mayor medida la señal senoidal. Pueden alimentar cargas más
complejas (inductivas) con mayor eficiencia que los anteriores.
El inversor de onda senoidal pura es un dispositivo de gama alta ya que incluye
circuitos de control complejos y costosos que permiten modulaciones en ancho de
pulso complejas para obtener una señal senoidal lo más pura posible. Para ello,
también tienen que incluir filtros compuestos por condensadores e inductancias que
encarecen igualmente los dispositivos. No obstante, son los que proporcionan
mayor eficiencia lo que los hace imprescindibles en instalaciones de generación.
media potencia
baja potencia
onda cuadrada
senoidal modificada
Tipos de onda.Figura 7.35.
Cuadrada
SenoidalModificada
SenoidalPura
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
Una de las aplicaciones de
los inversores de gran poten-
cia es en las instalaciones
fotovoltaicas conectadas a la
red. En este caso el inversor
debe suministrar una señal
senoidal pura y estable para
poder ser inyectada a la red
de transporte.
Figura 7.34. Instalación
fotovoltaica.
Instalaciones fotovoltaicasautónomas conectadas
a la red
Kwh
Placas solaresfotovoltaicas
Regulador decarga/descarga
Inversor
Sincronizacióncon red
Contador
Red de transporte
Baterías
181
7.2. Características generales de los inversores autónomos
8 Variadores de frecuencia
Las características comunes a los inversores autónomos o autoguiados son.
Se indican valores medios de potencia.
Es un valor de potencia pico que se puede alcanzar en
un momento dado y con una duración determinada.
Corriente de consumo procedente de las baterías, nos dan
una aproximación de la duración de ésta.
Indica el valor de la tensión de la señal de salida en valores
eficaces.
Tipo de onda de salida.
Es uno de los datos más importantes de los inversores e
indica la relación entre la potencia que se extrae de las baterías y la potencia que se
entrega a la carga.
Está referida a una señal senoidal pura de salida.
Es el consumo que presenta el inversor cuando no entrega
potencia a la carga. Se refiere al consumo mínimo e influye en la eficiencia del
dispositivo.
Los inversores suelen tener dispositivos de protección,
ante sobrecargas, baja tensión de batería, cortocircuito de salida, polaridad inversa,
exceso de temperatura, etc. Para todas estas protecciones los inversores suelen dar
información mediante testigos o pantallas.
Para inversores de baja potencia.
Dimensiones, peso, protección IP, etc.
Condiciones ambientales y disposición de los
dispositivos.
Los variadores de frecuencia son los convertidores de potencia que más impacto
han causado en los sistemas de control y automatización. Han revolucionado los
sistemas de variación de velocidad en motores eléctricos lo que ha supuesto un
incremento de la eficiencia de numerosos procesos y han hecho del motor asíncrono
trifásico de inducción la estrella en los sistemas de conversión electromecánica.
Dada la importancia y la magnitud de éstos dispositivos se ha reservado un tema
(tema 8) en la presente publicación que trata únicamente de la constitución,
funcionamiento, características y aplicaciones de los citados convertidores.
Potencia nominal de salida.
Potencia máxima de pico.
Corriente de entrada.
Tensión de salida.
Tipo de onda.
Frecuencia de salida.
Eficiencia y rendimiento.
Distorsión.
Consumo en reposo.
Alarmas y protecciones.
Número de salidas.
Características físicas.
Características de instalación.
Actividades
7 Convertidores de potencia7 Convertidores de potencia
Los inversores de onda cua-
drada de salida no pueden
alimentar cargas inductivas,
ya que se produce una so-
bretensión que podría que-
mar al inversor.
Por su naturaleza, las bobi-
nas (cargas inductivas) son
reacias a los cambios brus-
cos de corriente ya que
cuando se dejan de alimen-
tar o se invierte la corriente,
éstas mantienen durante un
tiempo la corriente en el
mismo sentido que el inicial.
Esto es debido a la f.e.m.
inducida en la bobina que es
contraria a la que la ha
creado. En este caso, la
bobina devuelve energía a la
red.
Debido a la forma de onda
alterna cuadrada, en cada
semiciclo se produce una
sobretensión suma de la
tensión proporcionada por la
FA y la f.e.m. inducida en
cada semiciclo.
Efectos de una ondacuadrada en unacarga inductiva
7.1.
7.2.
Diseñar el esquema unifilar para la alimentación de cinco circuitos para tomas de corriente bajo alimentación
ininterrumpida por medio de SAI.
Diseñar el esquema de potencia y maniobra para el arranque, en un solo sentido, de dos motores de forma
individual con un único arrancador suave. El sistema dispondrá de un pulsador de marcha uno de parada y otro de
parada de emergencia. Cuando se activa el circuito mediante el pulsador de marcha, el arrancador suave arranca uno
de los motores, cuando se alcanza la velocidad y potencia nominal se hace el bypass y el arrancador queda libre.
Pasados unos segundos, el arrancador arranca el siguiente motor hasta que queda en bypass. La secuencia se puede
ver interrumpida si se actúa en alguno de los pulsadores de paro.
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