marco de una renovación completa. En las grandes empresas, sin embargo, una renovación por fases. Actualmente, los convertidores

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1 Acoplamiento de dos redes de media tensión con un convertidor de frecuencia en construcción ABB ha desarrollado una nueva construcción para el acoplamiento, en Estados Unidos, de dos grandes redes industriales de distintas frecuencias. La solución comprende un convertidor de frecuencia de 24 MW, montado en un contenedor junto con los auxiliares y el mando. Este tipo de construcción tiene tres importantes ventajas: la instalación es compacta, se evita tener que construir un edificio especial y se consigue una importante reducción de los costes de montaje y puesta en servicio. D urante las primeras fases de la electrificación se crearon, tanto en América como en Europa, numerosas redes aisladas explotadas con frecuencias diferentes. En los EE UU, por ejemplo, eran usuales las frecuencias de 40 y 25 Hz, generalmente en redes industriales. Muchas de estas redes, construidas durante las primeras décadas de este siglo, han sido considerablemente ampliadas a lo largo de los años. Gracias a la larga vida útil de las máquinas e instalaciones, estas redes subsisten aún en muchos lugares. Sin embargo, en la época de construcción de redes interconectadas se introdujo como estándar la frecuencia de 60 Hz y las ampliaciones y nuevas instalaciones de redes industriales se realizaron de modo general con dicha corriente, que se encontraba disponible por doquier. El resultado es que en muchas de las empresas más tradicionales aún existen dos redes de alimentación separadas, de distintas frecuencias, lo que trae consigo numerosos inconvenientes para la explotación y el mantenimiento. Por razones económicas, la posibilidad de transformar una instalación de 40 Hz a 60 Hz sólo puede considerarse en el Brian G. Wiley Great Northern Paper, Inc. Joseph Frisch ABB Industrial Systems Inc. Peter Dähler Martin Strittmatter Erich Suter ABB Industrie AG marco de una renovación completa. En las grandes empresas, sin embargo, una renovación de este tipo se realiza generalmente por fases. Actualmente, los convertidores estáticos de frecuencia suelen proporcionar interesantes posibilidades para acoplar dos redes de frecuencias distintas y, por tanto, para optimizar la explotación de las instalaciones ya existentes. La empresa Great Northern Paper (GNP), un gran fabricante de papel en los EE UU, se encontraba hasta hace poco en la incómoda situación de tener dos redes trifásicas propias, de 40 y de 60 Hz. Durante mucho tiempo, la empresa había estado estudiando posibilidades para mejorar la situación. Recientemente se había considerado convertir una de las centrales hidráulicas de la fábrica de 40 a 60 Hz rebobinando los alternadores, pero hubo de renunciarse a ello por los elevados costes. La oferta de ABB Industrie AG para acoplar las dos redes con un convertidor de frecuencia estático, mucho más barata, llegó en el momento adecuado, tanto más cuanto que fue posible proponer una solución muy atractiva para el plazo de suministro. Las dos redes de Great Northern Paper La empresa GNP, propiedad del grupo Bowater, explota dos grandes fábricas integradas de papel situadas en Maine, un estado con abundante recursos hidráulicos. Las dos plantas juntas consumen anualmente cerca de 1400 GWh de energía eléctrica, producida fundamentalmente en las centrales eléctricas propias de la empresa. GNP dispone de seis centrales hidráulicas, con una potencia instalada total de 126 MW, así como de centrales de vapor con una potencia total de 117 MW 1. GNP es propietaria también de las presas de las centrales, lo que le permite un uso flexible de la energía hidráulica. Las centrales de vapor sirven primariamente para producir calor de procedimiento, aunque hasta ahora tenían que producir cerca de un tercio de la energía eléctrica requerida. La empresa GNP, fundada a principios de este siglo, se abasteció durante mucho tiempo sólo de su red propia de 40 Hz. Sin embargo, durante las últimas décadas se han construido nuevas instalaciones de 60 Hz, con el resultado de que la empresa dispone de dos redes de alimentación separadas sin posibilidad alguna de intercambio entre ellas. Hoy incluso, la potencia instalada de la red de 40 Hz es mucho mayor que la de la red propia de 60 Hz. Mientras que la red de 40 Hz está explotada aisladamente, la de 60 Hz está conectada por una línea con la empresa pública de electricidad Bangor Hydro, que sólo tiene 20 MW de potencia. El mayor problema era la falta de flexibilidad de la red de R e v i s t a ABB 2/

2 L G H G St 84 MW Millinocket 79 MW 40 Hz FC 40 Hz, debida a la lentitud de las regulaciones de los alternadores hidráulicos. Por eso había fluctuaciones de tensión y de frecuencia demasiado a menudo. La red de 60 Hz era también sensible a los cambios importantes de carga a causa de la debilidad del acoplamiento con la red pública. Durante la época de deshielo no era posible aprovechar la gran cantidad de agua disponible y se perdía mucha de la energía hidráulica, con pérdidas económicas importantes. Se han acoplado las dos redes en la cercana subestación de Millinocket 1 por medio de un convertidor de frecuencia estático de ABB. Así se ha conseguido estabilizar la red de 40 Hz y reducir la tendencia de ambas redes a las perturbaciones. Además, ahora es posible entregar la energía eléctrica excedentaria a la red de 60 Hz, lo que permite ahorrar energía térmica y entregar corriente eléctrica a la red pública. Según comunicación de GNP, el convertidor de frecuencia estará amortizado en sólo tres años gracias al mejor aprovechamiento de la energía hidráulica. Convertidor de frecuencia llave en mano montado en contenedor Ya los primeros contactos con los representantes de ABB convencieron a GNP de 24 MW 60 Hz 42 MW G H 38 MW G St L 20 MW 44 kv Esquema de las redes de la empresa GNP y de las potencia instaladas L Máquinas, instalaciones G ST Central de vapor FC Convertidor de frecuencia de ABB BH Empresa de electricidad Bangor Hydro G H Central hidráulica BH las ventajas, económicas y de explotación, que aportaría el acoplamiento de las dos redes por medio de un convertidor de frecuencia estático. ABB preparó y entregó con gran rapidez una oferta en firme. ABB estaba dispuesta a aceptar un plazo de entrega muy corto, ocho meses a partir de la firma del contrato. Esto sólo fue posible porque se proponía una solución totalmente original para el convertidor de frecuencia: el convertidor completo, con sus convertidores de corriente, instalación refrigeradora, distribución de la energía auxiliar y técnica de control-mando, está alojado en un contenedor. De este modo se podían montar y controlar en fábrica no sólo los convertidores modulares de corriente sino la totalidad del convertidor, incluidos el mando y los equipos auxiliares, antes de su entrega llave en mano. La solución de contenedor ofrecía además una considerable ventaja de precio, ya que se podía prescindir de construir un edificio especial. Bastaba con construir in situ los cimientos, que también formaban parte del suministro de ABB. La cabina de convertidor, ya lista para funcionar 2, tiene un peso de transporte de 14 t y mide 10,6 3,6 3,4 m (largo ancho alto). El convertidor tiene una potencia nominal de 24 MW y admite un funcionamiento en sobrecarga de 30 MW durante una hora 1 como máximo. La energía puede transmitirse en ambas direcciones. Los transformadores de los convertidores y la bobina de reactancia del circuito intermedio fueron montados en la cabina cuando ésta ya se encontraba in situ. La cabina misma está dividida en dos compartimentos, uno para los convertidores de tiristores y el otro para los equipos auxiliares y el mando 3. La disposición de todos los componentes activos es muy clara y todos ellos son fácilmente accesibles. Necesidades de espacio y disposición de las instalaciones La figura 4 muestra en esquema los principales aparatos de la instalación. Los aparatos de conmutación y los circuitos trifásicos de filtración, en ejecución al aire libre, requieren la mayor parte de la superficie en planta, aunque también se había concedido gran importancia a conseguir una construcción compacta. Los bancos de condensadores, las bobinas de inductancia y las resistencias amortiguadoras de las tres fases han sido montados superpuestos sobre cimientos comunes para reducir al mínimo la ocupación de espacio. Convertidor de frecuencia con tensión baja del circuito intermedio La tensión nominal a ambos lados es de 34,5 kv. El convertidor de frecuencia está formado por dos convertidores idénticos de 12 impulsos. La alimentación tiene lugar a través de dos transformadores para cada convertidor, con devanados secundarios diferentes, en estrella o en triángulo, lo que provoca retroacciones de 12 impulsos 5. Los convertidores están refrigerados por agua. Cada uno de ellos está formado por dos puentes conectados en serie con un total de 71 tiristores. El circuito intermedio tiene una tensión nominal de 2,7 kv, que resulta de la tensión admisible de bloqueo de un tiristor en función de las sobretensiones transitorias máximas que pueden producirse en caso de perturbación de la red. Esta tensión se mantiene constante excepto en caso de carga débil (10% de la nominal). por lo cual se ha 26 Revista ABB 2/1996

3 El contenedor con el convertidor 2 de frecuencia en la fábrica ABB de Turgi, Suiza; a la derecha se ven las conexiones para los transformadores del convertidor. Convertidor de frecuencia montado 3 en el contenedor; en primer plano los equipos auxiliares y el mando; al fondo los convertidores de tiristores con los conductos de refrigeración. Revista ABB 2/

4 podido prescindir de acoplar varios tiristores en serie. Para dominar la corriente nominal de 8,9 ka en el circuito intermedio se han conectado para cada uno 6 tiristores en paralelo equipados con fusibles. Así, la transmisión de la potencia queda garantizada incluso en caso de fallo de un tiristor. Los equipos auxiliares (bombas, ventiladores, mando) del convertidor son alimentados desde la red de 60 Hz por medio de un transformador separado. Existe además una calefacción de parada, alimentada desde la red de 40 Hz. Puesto que los convertidores son conmutados por la red, los equipos auxiliares no pueden utilizarse si falla la red de 60 Hz y no es posible transmitir energía desde la de 40 Hz. Técnica de control-mando y de protección Para el mando, para las regulaciones y para la protección de la instalación se emplea un sistema de control-mando de la familia de aparatos PST (reguladores programables rápidos) [1], desarrollado por ABB especialmente para las instalaciones de convertidores. El mando y la vigilancia en puesto de mando separado se realizan con un sistema de control-mando para redes S.P.I.D.E.R. MicroSCADA. El sistema se basa en un ordenador MicroVAX 3100 con un terminal VT 420 y un micropuesto de trabajo con impresora, todos unidos por Ethernet. La unión entre el convertidor y el Disposición de las instalaciones; a la izquierda los aparatos de conmutación, las barras colectoras y los circuitos filtradores trifásicos; a la derecha el contenedor con los convertidores de corriente, los equipos de control-mando y los auxiliares, así como los transformadores, las inductancias de filtraje y el grupo de refrigeración Hz 5th 60-Hz 12th 60-Hz 12th Capacitor Capacitor Capacitor Frequency converter enclosure 60-Hz station auxiliary ing 60-Hz manual disconnecting ing 60-Hz station bus ing Control and protection section Converter section 24 MW Converter cooling 60-Hz interconnection to customers substation 40-Hz interconnection to customers substation 40-Hz converter 40 Hz 60 Hz 60-Hz converter 40-Hz manual disconnecting 40-Hz station bus 40-Hz station auxiliary ing ing ing Smoothing reactor Capacitor Capacitor Capacitor 40-Hz 3rd 40-Hz 12th 40-Hz 12th 28 Revista ABB 2/1996

5 40 Hz Y D 2.7 kv 3 Y Y 60 Hz Y Y D Y V/ 120 V 480 V HP 3 HP 12 HP 12 HP 5 HP 12 HP 12 Esquema de conexiones del convertidor de frecuencia 5 1 Transformadores del convertidor 2 Convertidores de tiristores con montaje en puente 3 Bobina de inductancia del circuito intermedio 4 Transformador para equipos auxiliares (40 Hz, 2 fases) 5 Transformador para equipos (60 Hz, 3 fases) 6 Interruptor de vacío de los filtros 7 Circuito de filtración: HP3, HP5, HP12 (regulados en el 3, 5 y 12 armónicos) puesto de mando tiene lugar con un conductor de fibra óptica. En el puesto de mando, el funcionamiento del convertidor también está integrado en el sistema de control-mando «Tráfico de energía» (EOS, Energy Optimization System) de GNP. Regulación de la potencia activa El convertidor de frecuencia permite intercambiar energía en ambas direcciones. La regulación se hace según el procedimiento potencia-frecuencia, habitual en los sistemas interconectados 6. Normalmente, la frecuencia de la red de 60 Hz está determinada por la conexión con la empresa de electricidad Bangor Hydro. Por el contrario, la frecuencia de la red de 40 Hz puede sufrir fluctuaciones. El operador fija la potencia de referencia deseada P r (inclusive la dirección), así como el valor de consigna fr de la frecuencia de la red de 40 Hz. En la gama de frecuencias f 40 = f r ± f ( f = 0,2 Hz), la potencia de consigna se mantiene constante por medio del sistema de regulación. Si hay grandes desviaciones de la frecuencia, la potencia transmitida se modifica con una pendiente de 16 MW/Hz hasta alcanzar el valor límite fijado por el operador. EL cambio entre regulación de potencia y regulación de frecuencia tiene lugar constantemente. El convertidor de frecuencia también ha mejorado mucho la explotación de la red de 60 Hz. Anteriormente, las grandes variaciones de carga o el fallo de un alternador provocaban la sobrecarga de la línea de interconexión (de baja potencia) con la empresa de electricidad Bangor Hydro y su desconexión por el sistema de protección de línea. El resultado era un apagón en la fábrica y en toda la ciudad de Millinocket. En régimen de explotación normal, el acoplamiento de la frecuencia regula, como segunda prioridad después de la frecuencia de 40 Hz, la potencia transmitida por la línea de interconexión. Si esta R e v ista ABB 2/

6 P rmax 4060 P r línea sufre perturbaciones, se regula prioritariamente la frecuencia de 60 Hz, ya que su red alimenta a los consumidores más sensibles. En tal caso se toleran mayores fluctuaciones de la frecuencia en la red de 40 Hz. 0 P 4060 Regulación de la potencia en función de la frecuencia en la red de 40 Hz P 4060 f 40 f r, P r P rmax4060, P rmax6040 P rmax 6040 f 40 f r (40 Hz) Potencia transmitida de la red de 40 Hz a la de 60 Hz Frecuencia de la red de 40 Hz Valores de referencia regulables por el operador Valores límites regulables por el operador Balance de la potencia reactiva de la estación respecto de la red en función de la potencia activa transmitida, medida en el lado de 60 Hz durante el transporte de energía de la red de 40 Hz a la de 60 Hz Q R Potencia reactiva total P DC Potencia activa en el circuito intermedio HP5, HP12 Filtros ajustados al 5 y 12 armónicos a, b Valores límites de la conexión y desconexión de los bancos de filtros H Histéresis Q R 20 M var xHP12+HP5 f 1xHP MW 40 P DC f 1xHP12+HP5 H a b 6 7 Regulación de la potencia reactiva Las instalaciones filtradoras a ambos lados de la red cumplen dos tareas. De un lado, deben reducir las retroacciones de corriente y de tensión del convertidor de frecuencia. Del otro, producen potencia reactiva para que ninguna de ambas redes esté innecesariamente solicitada por la corriente reactiva de sus convertidores. Los filtros, conectados a la red de media tensión de 34,5 kv, presentan considerables potencias reactivas de 17,6 Mvar (40 Hz) y de 18,3 Mvar (60 Hz). Los circuitos filtradores trifásicos requieren, además, mucha mayor superficie de terreno que la cabina del convertidor. Están constituidos por tres circuitos oscilantes paralelos muy amortiguados, regulados en el tercer, quinto duodécimo armónico. Las necesidades de potencia reactiva a ambos lados de la red aumentan de modo aproximadamente lineal con la potencia transmitida 7. Al conectar las unidades de filtración en función de la potencia transmitida se limita la potencia reactiva total de la estación, de modo que en la gama de potencias normales se puede trabajar con un factor de potencia alto. Por el contrario, en el dominio de las sobrecargas se tolera una potencia reactiva mayor. Para evitar las oscilaciones de conmutación y para proteger los interruptores de vacío, la conmutación entre los niveles de filtración se hace con cierta histéresis. Si se transmiten potencias débiles, menores que 2,4 MW (<1% de la potencia nominal), la tensión continua del circuito intermedio no se mantiene constante, sino que disminuye de modo que la corriente continua permanece invariable en 890 A (10% de la corriente nominal). Así se consigue que la potencia reactiva necesaria se mantenga en un valor aproximadamente constante. 30 Revista ABB 2/1996

7 Ensayos de cortocircuitos en el simulador Ya que muy raras veces es posible realizar ensayos de cortocircuito en las instalaciones en servicio, es necesario hacerlos en el simulador de la central. Para conseguir una representación lo más exacta posible se ha utilizado una red correspondiente a una potencia de cortocircuito de 200 MVA en el lado de 40 Hz y de 300 MVA en el lado de 60 Hz del convertidor. La red ha sido representada con modelos físicos de válvulas de tiristores, bobinas de inductancia, capacidades y transformadores. Con la regulación se trata de conseguir, entre otras cosas, que el funcionamiento del convertidor tenga lugar sin perturbaciones en la medida de lo posible, incluso en caso de defectos de poca duración en el lado de corriente alterna. Como ejemplo, la figura 8 muestra el comportamiento de explotación en caso de cortocircuito monofásico en el ondulador de 40 Hz cuando se transporta la potencia nominal. Es inevitable cometer un único error de conmutación en el ondulador, el cual se manifiesta por una sobreoscilación transitoria de corriente continua. Gracias a que el regulador de corriente del rectificador tiene una rápida dinámica y a que existe una limitación de la corriente en función de la tensión, esta sobreoscilación puede limitarse al 50 % de la corriente nominal aproximadamente. La potencia activa transmitida durante la perturbación es pequeña, lo cual se debe a la reducción de la capacidad de conmutación del ondulador. Para que no se repitan los errores de conmutación, el sistema necesita un tiempo de recuperación de unos 150 ms hasta restablecer el estado inicial, a partir del momento en que se constata la existencia de un defecto (otros 150 ms). Primeras experiencias y perspectivas Las ventajosas condiciones económicas (corto periodo de amortización) fueron tan decisivas para recibir este interesante encargo en los EE UU como la buena fama de ABB en tanto que suministrador de componentes para instalaciones de electrónica de potencia. La disponibilidad del convertidor de frecuencia está garantizada 1 p.u. 1 p.u. 50 ms al menos en el 99%. Tanto este valor límite como el rendimiento conseguido corresponden a los de las instalaciones de transporte de c.c.a.t. de mayor potencia. La instalación de convertidor de frecuencia, lista para funcionar, fue entregada al cliente en mayo de 1994, ocho meses después de la firma del contrato. Desde entonces, la instalación funciona a la entera satisfacción del cliente. La solución en contenedor ha superado perfectamente la prueba. Este concepto constructivo es una solución económica y técnicamente adecuada para el acoplamiento de otras redes análogas a éstas. Bibliografía [1] Steimer, P.; Hartmann, P.; Perrin, C.; Rufer, A.: PSR: el sistema de regulación más rápido del mundo, programable según esquema funcional. Técnica ABB 2/93, DC V DC A 40 Hz AC V 60 Hz AC V Oscilograma de un cortocircuito monofásico (150 ms) en el convertidor de 40 Hz a la potencia nominal DC V Tensión continua DC A Corriente continua AC V Tensión alterna de la fase A 1 p.u. Valores nominales de la corriente y de la tensión en el circuito intermedio Direcciónes de los autores Brian G. Wiley BOWATER Great Northern Paper, Inc. One Katahdin Avenue Millinocket, Maine , USA Joseph Frisch ABB Industrial Systems Inc West Glendale Drive New Berlin, Wisconsin 53151, USA Telefax: Peter Dähler Martin Strittmatter Erich Suter ABB Industrie AG Apdo. de Correos CH-5300 Turgi, Suiza Telefax: +41 (0) Revista ABB 2/

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