Cargador - Rectificador para Aplicaciones Industriales
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- Domingo Martin Santos
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1 Fuente: K-Tronix, S.A. de C.V. Rectificador Cargador - Rectificador para Aplicaciones Industriales K-Tronix ha diseñado un rectificador con opción de diseño a 6 o 12 pulsos de acuerdo con las necesidades de cada aplicación, ello ofrece mayor disponibilidad, flexibilidad, alto desempeño y protección industrial 50 El uso eficiente de los recursos energéticos es uno de los factores de mayor importancia para el desarrollo tecnológico. A su vez el desarrollo tecnológico fija la óptima utilización de los diferentes tipos de energía y por consecuencia la disponibilidad de este recurso. La electricidad es uno de los recursos energéticos de mayor demanda por el hombre con el objetivo de satisfacer sus necesidades básicas. Con el importante aumento de la demanda de energía eléctrica se ha acrecentado el número de cargas electrónicas, ello presenta un comportamiento de tipo no lineal. Las cargas de esta índole generan un alto contenido armónico y ello contamina la línea de alimentación. El alto contenido armónico genera un bajo factor de potencia, que significa un uso ineficiente de la energía eléctrica. A consecuencia del alto porcentaje de potencia eléctrica que es procesado por cargas electrónicas, el impacto en la calidad de energía de estas cargas es considerable. Por El desarrollo tecnológico fija la óptima utilización de los diferentes tipos de energía y por consecuencia la disponibilidad de energía eléctrica
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3 52 tal motivo han surgido normas que limitan el contenido armónico inyectado a la línea de alimentación. Una de las aplicaciones más empleadas en la electrónica son los sistemas de alimentación. El empleo de los rectificadores CA/CD permite la alimentación de cargas de CD, así como la recarga de las baterías que proporcionan autonomía por un tiempo determinado. Principios Básicos de Rectificador Cargador Basado en SCR Un rectificador de forma de onda completa puede ser diseñado para operar de una a tres fases de alimentación, dicho convertidor CA/CD emplea rectificadores controlados de silicio (SCRs) en lugar de diodos. La Figura 1.1 muestra un solo SCR conectado en un simple circuito de corriente alterna, éste puede ser usado para mostrar los principios básicos de las técnicas de control de fase. El diagrama A muestra las condiciones en las que la compuerta del SCR se mantiene permanentemente positiva con respecto a su cátodo, esto es el equivalente a tener al SCR con un cambio de señal permanente. En estas condiciones el SCR pasa corriente mientras dura la mitad del semiciclo positivo de corriente alterna y bloquea la mitad del ciclo negativo porque el ánodo-cátodo está polarizado inversamente mientras dura el periodo negativo. Esto da como resultado en un voltaje de media onda rectificada, siendo desarrollado a través de la carga de resistencia, y el SCR puede ser visto para actuar exactamente igual como un diodo rectificador. En este ejemplo la carga de voltaje media de corriente directa es aproximadamente 0.45 veces el voltaje pico de corriente alterna, y es mostrado como una línea punteada sobrepuesta en la salida de la onda. En el diagrama B el SCR no tiene voltaje de compuerta y bajo estas circunstancias está permanentemente desactivado en las dos mitades de onda. En este caso el voltaje promedio de corriente directa será cero. Las dos condiciones muestran las salidas de voltajes máxima y mínima de este circuito simple. De cualquier manera, este voltaje puede variar entre estos dos extremos usando técnicas de control de fase. El alto contenido armónico genera un bajo factor de potencia, que significa un uso ineficiente de la energía eléctrica. A) VCD (Máx.) VCD (Media) Entrada CA RL DV Salida Máx. de la puerta SCR permanentemente cerrada B) VCD (Media) Entrada CA RL DV Salida Mín. de la puerta SCR permanentemente abierta FIGURA 1.1 PRINCIPIOS BÁSICOS DEL SCR
4 Rectificador de 6 pulsos La Figura 1.2 muestra un rectificador controlado de onda completa trifásico. Cada SCR controla el ángulo de conducción del rectificador mientras dura el periodo de medio ciclo de entrada. A consecuencia del alto porcentaje de potencia eléctrica que es procesado por cargas electrónicas, el impacto en la calidad de energía de estas cargas es considerable Tomando la fase A como ejemplo, la parte superior del SCR (A+) controla la mitad del ciclo positivo de la fase, y la parte inferior del SCR (A-) controla la mitad del ciclo negativo. En un circuito práctico los 6 SCRs están controlados en el mismo ángulo de conducción con el fin de mantener balanceadas las líneas de conducción de entrada. Viendo en detalle el medio ciclo positivo de la fase A (A+), el diagrama de forma de onda trifásica muestra que este dispositivo es polarizado directamente sólo por un periodo de 120 entre 30 y 150 de la forma de entrada de la fase A. Esto significa que el puente de voltaje de salida puede ser controlado sobre su rango completo controlando el SCR sobre su ángulo de conducción. Este circuito es llamado Rectificador de fase controlada de 6 pulsos porque 6 SCRs están activados en la duración del ciclo trifásico completo. Generación de Corriente Armónica También reducen el factor de potencia de la UPS, incrementan la carga en los circuitos de poder principales y crean una pérdida eléctrica adicional. Una baja impedancia en la fuente de poder minimizará la distorsión en la línea de voltaje, pero no corregirá el problema en la fuente. Bajo condiciones balanceadas en la línea de corriente, la componente fundamental de 60Hz de la carga neutral será cero (la suma de los vectores de tres corrientes iguales desplazadas por 120 ). De todos modos, bajo las mismas condiciones balanceadas de las cargas de corriente, la tercera armónica y los múltiplos de ésta en el neutro están en fase y no se cancelarán con otras si no se suman. El resultado neto es que el conductor común neutral puede ser forzado a tener más corriente que los conductores de fase, tomando en cuenta que éstos están balanceados (amperes). En casos extremos, corrientes neutrales pueden elevarse hasta 1.7 veces la línea de corriente ( 3). El empleo de los rectificadores CA/CD permite la alimentación de cargas de CD, así como la recarga de las baterías que proporcionan autonomía por un tiempo determinado. 53 La corriente positiva de la fase A del SCR es mostrada en la Figura 1.2 para abarcar dos pulsos, correspondiendo a la forma de cambio de conmutación en las fases B y C. El área sombreada muestra el periodo de la polarización directa A+ SCR A+ B+ C+ Cuando la carga de corriente es discontinua o no es proporcional a la línea de voltaje, el efecto total es equivalente a la presencia de los componentes armónicos de corriente a frecuencias más altas, sobrepuestos encima de la onda sinusoidal fundamental de 60 Hz. Todos estos componentes juntos equivalen a la forma de onda de la corriente actual. Cada componente de corriente no está en fase con la línea de voltaje, los productos de voltaje y corriente representan Volts-Ampere reactivos. Estas corrientes armónicas interactúan con la impedancia de la fuente de poder principal para crear una distorsión en la línea de voltaje. Periodo de retorno a trayectoria: Primera vía B-SCR Después vía C-SCR CORRIENTE B A+ CORRIENTE C B- C- A- B- C- 30º 90º 150º A- A B C A B C FIGURA 1.2 RECTIFICADOR TRIFÁSICO (6) RL La Revista de la Industria Petrolera
5 El análisis tanto de las condiciones de operación como de las particularidades propias de cada caso son factores fundamentales para hacer una correcta selección de un rectificador El nivel de armónicos creado por el interruptor del rectificador es medido como la distorsión armónica de la corriente total de entrada (THDi) y en un rectificador de 6 pulsos será típicamente 30% y 35%. 54 ALIMENTACIÓN PRINCIPAL Un rectificador de 12 pulsos reducirá la corriente de entrada THD de 30% a 10%. RECTIFICADOR 12-PULSOS A B C TRANSFORMADOR DE CAMBIO DE FASE Este efecto crea la necesidad de una atención especial en el trato de un neutro común en circuitos trifásicos. Donde el conductor neutro es usado, éste no debe ser más pequeño que los conductores de fase, al contrario deberán ser más grandes, lo suficiente para soportar 1.7 veces la corriente en línea. Un conductor común neutro del doble de la sección será más que suficiente. Distorsión de Entrada Total (THDi) RECTIFICADOR 1 A B C A B C RECTIFICADOR 2 FIGURA 1.3 DIAGRAMA DE BLOQUES DE 12 PULSOS BUSBAR DE REGULADO BATERÍAS Además, la energía generada por los armónicos que creó la distorsión deberá ser suministrada por las fuentes disponibles y será un desperdicio de energía. Por estas dos razones la alta corriente de entrada THD es bastante indeseable. Rectificador de 12-pulsos Algo muy costoso, pero muy efectivo para reducir los armónicos es el usar un rectificador de 12 pulsos, el cual emplea dos rectificadores trifásicos operando a 30 con desfasamiento entre ellos. Un ejemplo del circuito es mostrado en la Figura 1.3, el cual muestra la fase producida por un transformador conectado entre el rectificador y la fuente principal. Las barras de distribución de corriente continua de salida del rectificador están todas ellas conectadas en paralelo a través de grandes bobinas para amortiguar las corrientes de carga y facilitar el intercambio actual. El circuito ayuda a atenuar los armónicos de dos maneras. Primero, porque ahora hay 12 SCR operando a 60Hz por ciclo en lugar de 6 SCR que se utilizaban en el Rectificador de 6 pulsos, la frecuencia del pulso de la fuente principal es doble pero su amplitud individual es más baja, haciendo más fácil el filtro de los armónicos si se usa un filtro separado. Segundo, debido a los 30 de separación de fase los armónicos entre los dos rectificadores están ahora en anti-fase y se deberán cancelar uno con otro.
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7 Las funciones principales de los sistemas rectificadores de K-Tronix son: alimentar el consumo constante de amperes en corriente continua, demandado por la carga, recargar la batería y mantenerla cargada Las funciones principales son: Alimentar el consumo constante de amperes en corriente continua, demandado por la carga Recargar la batería (carga de igualación) Mantener cargada la batería (carga de flotación) 56 El sistema KT-CB una excelente alternativa de protección y respaldo para cargas de corriente directa. Un rectificador de 12 pulsos reducirá la corriente de entrada THD de 30% a 10%. Sistema Rectificador-Cargador K-Tronix Los equipos rectificador-cargador KT-CB de K-Tronix son para uso Industrial, diseñados para abastecer corriente continua en aplicaciones críticas, aislada eléctricamente el de la fuente de suministro y alimentada permanentemente con energía de calidad, debido a lo importante de su carga. Los sistemas rectificadores de K-Tronix están diseñados como un sistema expandible de secciones de potencia, con componentes de estado sólido, contralados por microprocesadores de voltaje constante autoregulado, para aplicaciones de Baterías Níquel-Cadmio, Ácido Plomo y Litio. Todo esto en cumplimiento con las Normas Nacionales e Internacionales, el sistema cuenta con un transformador de aislamiento a la entrada del rectificador, un filtro de salida LC, sistema de alarmas, protección, medición y señalización de tipo estado sólido y digital. Todo contenido en un gabinete diseñado para brindar la protección requerida por cada aplicación particular. El diseño de secciones de potencia expandibles, escalables y con opción de redundancia N+1, hacen del sistema KT-CB una excelente alternativa de protección y respaldo para cargas de corriente directa. Conclusión: Existen aplicaciones que demandan un mayor desempeño y disponibilidad de los sistemas de alimentación por lo cual K-Tronix ha diseñado un rectificador con opción de diseño a 6 o 12 pulsos de acuerdo con las necesidades de cada aplicación con opción de crecimiento tanto en el amperaje de la carga como en el tiempo de autonomía y de recarga de banco de baterías, si a estas características le agregamos la opción de manejar redundancia N+1, podemos obtener en conjunto: Mayor disponibilidad y flexibilidad, en un sistema alto desempeño y protección industrial, enfatizando que el análisis tanto de las condiciones de operación como de las particularidades propias de cada caso, son factores fundamentales para hacer una correcta selección de un rectificador. Los equipos rectificador-cargador KT- CB de K-Tronix son para uso industrial, diseñados para abastecer corriente continua en aplicaciones críticas
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