Tema 7 SEP

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.


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.


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


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.


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


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


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


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


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


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).


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


Entradade Red

Salidahacia carga

SPWM

iin iout

iSVC

Fuente de continua


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.


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


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.


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


179

Nivel inicial de tensión.

Par de fuerza inicial.

Señales de control adicionales.


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


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


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 de instalación.

Actividades


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.

Documents

Tema 7 SEP