Variadores de velocidad (VSD)

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1 Hernan Escarria, PTI, Customer Day Santo Domingo Punta Cana - Dominican Republic - August 2014 Transformadores para aplicaciones especiales Variadores de velocidad (VSD) September 4, 2014 Slide 1

2 Transformadores para aplicaciones especiales. Aplicación September 4, 2014 Slide 2

3 Transformadores para varios segmentos industriales Aplicación Cemento, Minería & Minerales Química, Petróleo & Gas Marina Metales Energía Pulpa & Papel Agua Aplicaciones especiales, ej. Tuneles de Viento September 4, 2014 Slide 3

4 Transformadores para aplicaciones especiales Nuestra experiencia mas alla de aplicaciones estándar Reactores Energía Solar Molinos de viento Trafos reguladores Hornos de arco Rectificadores Aplicaciones submarinas Accionamiento de velocidad Variable Corredores ferroviarios Productos que hace su sistema completo September 4, 2014 Slide 4

5 Transformadores para aplicaciones especiales Trenes Desde el lado de las vias Transformadores para trenes Autotransformadores Transformadores Booster Trafos rectificadores DC 12/24 pulsos Trafos alimentadores AC Trafos convertidores estáticos (AC/AC) Trafos auxiliares and aislamiento Customers EPC s, Compañías ferroviarias Características técnicas Dimensiones especiales para trenes Alta capacidad de cortocircuito Frecuencia 16,7, 25, 50 y 60 Hz Sistemas de unico y doble voltaje Procesos de precalificación September 4, 2014 Slide 5

6 Railway ABB - Productos y aplicaciones ferroviarias Convertidores principales y auxiliares Transformadores potencia y tracción Motores de tracción Productos de alta tensión Subestación SCADA Transformadores de Potencica Interruptor interior de MV Trafos de distribución y especiales Protección y control Productos de MV intemperie Semi- Conductores Bajo Voltaje Subestaciones y SCADA Sistema de enclavamiento Calidad de energía Comunicaciones Interruptores AC Componentes de LV Convertidores & Semiconductores Transformadores de tracción Fusibles de Tracción Motores and Generadores Señalización Equipo en el coche ABB ABB Inc. Group September 4, 4, Slide Slide 6 6

7 Transformadores para hornos y rectificadores Trafos para hornos y rectificadores Trafos para hornos de arco Trafos rectificadores de alta corriente Nuevas instalaciones o remplazos Clientes Industria química y metalurgia Características técnicas Alta corriente secundaria Multiples partes activas en un tanque Todos los grupos de conexión Contenido armónico Multiple voltajes de baja tensión Soluciones con autotransformadores Alta capacidad de corto-circuito September 4, 2014 Slide 7

8 Transformadores Industriales. Descripción general de procesos September 4, 2014 Slide 8

9 Transformadores para aplicaciones especiales Variadores de velocidad September 4, 2014 Slide 9

10 Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes situaciones September 4, 2014 Slide 10

11 Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes situaciones September 4, 2014 Slide 11

12 Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos September 4, 2014 Slide 12

13 Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos Minería y transportadoras de minerales Los primeros medios mecanizados fueron las palancas, los rodillos y los planos inclinados. En el siglo VII A.C. aparecen las poleas Después de la edad media los primeros elevadores de cargas fueron fabricados utilizando cadenas planas con cangilones metálicos espaciados a pocas pulgadas. Hoy en día en su mayoría son utilizadas bandas de hule con cangilones plásticos. September 4, 2014 Slide 13

14 Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos Minería y transportadoras de minerales Los aparatos y máquinas de elevación y transporte modernos de alta productividad que trabajan a elevadas velocidades y que poseen gran capacidad de carga aparecieron como resultado de la perfección gradual de las maquinas en el curso de mucho tiempo. A las modernas líneas tecnológicas de producción en cadena y automatizadas se suma un sistema de variación de velocidad eficiente y confiable con control de torque asociado a las máquinas de elevación y transporte y permiten ejecutar eficazmente la continuidad y el ritmo de los procesos de elaboración September 4, 2014 Slide 14

15 Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos Pulpa y papel El proceso de bobinado en la industria del papel es una buena aplicación de variación de frecuencia, donde es imprescindible la precisión y control del torque en cada bobina de papel. Propulsion de barcos September 4, 2014 Slide 15

16 Como controlar o variar la Velocidad? Variador de velocidad mecánico Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad. September 4, 2014 Slide 16

17 Como controlar o variar la Velocidad? Variador de velocidad electrónico Un variador de velocidad mas eficiente consiste en un circuito electrónico que modifica la frecuencia de la energía eléctrica entregada al motor y de esa manera controla la velocidad del mismo (ondulador). De la exactitud de la ondulación (numero de pulsos, simetría de las operaciones de los componentes y adecuada selección de los dispositivos electrónicos) dependerá la calidad de la onda entregada al motor September 4, 2014 Slide 17

18 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Las cargas no lineales son todas aquellas que generan corrientes no sinusoidales, es decir, corrientes que además de la componente fundamental tienen otras que son múltiplos enteros de la fundamental y que se conocen como armónicos. September 4, 2014 Slide 18

19 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Este tipo de cargas ha existido en los sistemas eléctricos desde el principio, principalmente eran de tipo magnético, como las corrientes de excitación de los transformadores y los balastos magnéticos de luminarias tipo fluorescente. Su influencia en el sistema eléctrico era escasa. September 4, 2014 Slide 19

20 Cargas no lineales Influencia en los transformadores La aparición de la electrónica ha mejorado mucho las propiedades de los productos pero ha traído consigo, entre otros problemas, la generación de armónicos. September 4, 2014 Slide 20

21 Cargas no lineales Influencia en los transformadores RECTIFICADORES September 4, 2014 Slide 21

22 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Los fabricantes de variadores de frecuencia de motores de inducción explican como estos equipos mejoran la eficiencia de las máquinas permitiendo variar la velocidad de funcionamiento según las necesidades de la aplicación, pero advierten que éstos producen armónicos de orden 5, 7, 11, 13 El orden característico de Armónicos (h) en el lado de la línea con relación al número de pulsos del rectificador (p) : h= n x p ±1 (n=1,2,3... Cualquier número entero), Un rectificador de 6 pulsos produce 6-1=5, 6+1=7, 12-1=11, 12+1=13 armónicos de corriente (en el caso ideal) Un rectificador de 12 pulsos produce 12-1=11, 12+1=13, 24-1=23 and 24+1=25 armónicos de corriente (en el caso ideal) September 4, 2014 Slide 22

23 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Harmonics - Example pu fundamental 3th harmonic 5th harmonic 7th harmonic total time September 4, 2014 Slide 23

24 Cargas no lineales Influencia en los transformadores September 4, 2014 Slide 24

25 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Una manera de reducir armónicos es con conexiones del transformador Número de pulsos se puede aumentar mediante la aplicación de varios grupos de 6 pulsos con un desplazamiento de la fase de las tensiones de alimentación. 30 grados de desfase se puede obtener mediante el uso de la conexión básica de grupos de bobinas (Y y D) Desfases distintos de 0, 30 (o múltiplos) requiere un desfase especial. Las más comunes son las conexiones Z y "delta extendida A medida que la potencia de los armónicos aumenta el desempeño de la red se vuelve más crítico September 4, 2014 Slide 25

26 Cargas no lineales Influencia en los transformadores / Conexiones September 4, 2014 Slide 26

27 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Problemas de los armónicos. Se observó, que a medida que aumentaban las cargas electrónicas, los transformadores funcionaban con ruidos y un calentamiento excesivo, e incluso que se quemaban al cabo de uno o dos años. Algunos se preguntaban: Quizás los fabricantes de transformadores habían abaratado costos introduciendo materiales de baja calidad?. NO. Los transformadores eran los mismos, la causa estaba en los armónicos. September 4, 2014 Slide 27

28 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Problemas de los armónicos. Las corrientes armónicas elevan las pérdidas adicionales en los bobinados, barras de conexión, bridas del núcleo y paredes del tanque principal, que pueden conducir a problemas térmicos como el envejecimiento prematuro del transformador. Grado de severidad depende del tipo de unidad rectificadora, de carga y el diseño del transformador. El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal únicamente ("efecto final"). Los puntos calientes localizados se deben evitar y cada arrollamiento necesita ser analizado por separado. El aumento de la temperatura debido al aumento de las pérdidas a causa de las componentes armónicas debe estar dentro de los límites especificados para el aumento de la corriente de carga real September 4, 2014 Slide 28

29 Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor Elevación de Temperatura El aumento de la temperatura con la corriente de carga real, incluyendo las pérdidas debidas a los armónicos debe estar dentro de los límites especificados. Existe margen en el aumento de la temperatura con la corriente sinusoidal. El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal ("efecto final"). Prueba de elevación de temperatura se puede hacer con la potencia equivalente, o con un cálculo más detallado, basado en la norma IEC September 4, 2014 Slide 29

30 Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada Los voltajes de modo común resultan de la operación de conmutación del inversor y aparecen a través del acoplamiento capacitivo en los devanados del transformador en el devanado de BT contra tierra (también llamado componente de secuencia cero). Estas tensiones de modo común aumentan el esfuerzo dieléctrico en el aislamiento de los transformadores y deben ser considerados en el diseño del transformador (nivel de aislamiento se aumenta en comparación con los requisitos de IEC 60076) September 4, 2014 Slide 30

31 Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada V Common V Sec V Offset kv msec September 4, 2014 Slide 31

32 Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor Por qué se necesitan transformadores convertidores? (temas principales) Adapta la tensión de alimentación de la red a la tensión de entrada del convertidor. Aísla el convertidor de la red de alimentación y limita las corrientes de cortocircuito en el convertidor. Alivia al motor y / o red de tensiones de modo común. Reduce las radio interferencias (EMC) de la unidad a la red (pantalla especial). Protege la unidad de los transitorios de voltaje de la red de alimentación. Reduce los armónicos (impedancia del transformador y conexiones especiales para la operación multipulso). September 4, 2014 Slide 32

33 Transformadores en Presencia de Armónicos Incremento de esfuerzos mecánicos Alto di / dt, debido a la forma de onda del puente de diodos es causante de fuerzas mecánicas que no están presentes con carga normal con onda sinusoidal (es decir, el llamado "efecto martillo"). Normalmente, los rectificadores están protegidos con una función de disparo rápido, esta función hace un corto circuito pleno con el fin de que el interruptor de alta tensión dispare instantáneamente. Los transformadores de VSD se enfrentan a muchos más corto-circuitos durante su tiempo de vida que los transformadores de red normales. Algunas aplicaciones de velocidad variable tienen carga muy cíclica, con continuos cambios rápidos de poco % a 100% de la carga (por ejemplo, los trenes de laminación) September 4, 2014 Slide 33

34 Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC La UE ha establecido límites para la radio frecuencia (RF) la contaminación del sistema de suministro eléctrico en el punto de conexión del sistema de alimentación de la unidad (incluyendo el transformador) EN La misma regulación se aplica también cada vez más fuera de Europa Sistemas de accionamiento por lo general no cumplen con este requisito sin filtros. La industria requieren que el sistema sea compatible EMC (rotulado CE) en cualquier lugar, aunque el requisito de la UE sólo es en el punto de conexión a la red pública o a una distancia de 10 metros de la valla de frontera. La pantalla electrostática correctamente diseñada es una manera rentable de cumplir el requisito para el paquete rectificador- transformador Middle of transformer window Metal foil Insulating cylinder Indicación: Esta es la descripción general de la pantalla en la especificación del transformador, pero la fabricación real no es tan simple 5 September 4, 2014 Slide 34

35 Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC La pantalla electrostática también protege contra los esfuerzos por voltaje de modo común y del sistema de alimentación (rayo y conmutación) Potencias superiores a algunos MVA MVA con corrientes armónicas típicas, las pérdidas en la pantalla son importantes, el diseño debe permitir su enfriamiento. Transformadores de alimentación de VSD con conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada (entrada activa), las pérdidas en la pantalla pueden ser dramáticas. Tipo incorrecto de los cables de puesta a tierra de la pantalla puede hacer que la pantalla no sea funcional. Indicación: Esta es una foto de una pantalla de fabricación local de bajo costo para transformador VSD en el Lejano Oriente después de unas semanas de operación con el 25% de la carga con entrada activa y frecuencia de conmutación de 3.2 khz September 4, 2014 Slide 35

36 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K Desclasificación de transformadores. El factor K. En EEUU, en 1989, se pensó en cuantificar el calentamiento producido en los transformadores cuando se presentan armónicos. En esta situación el transformador no debe funcionar a su potencia nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o disminuirse la carga. El transformador se desclasifica asociándole una potencia equivalente. Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor K. Este factor K se define como aquel valor numérico que representa los posibles efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el transformador. Inicialmente se consideró llamar a este número C, de constante, pero se temió que hubiese confusión con la unidad grado centígrado y se optó por utilizar la letra K. September 4, 2014 Slide 36

37 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K En Estados Unidos la asignación de K a un transformador lo realiza Underwriter Laboratories (UL), no el fabricante. El criterio UL1561 para establecer la clasificación es el siguiente: Inicialmente se prueba al transformador con una corriente sinusoidal de 60Hz para determinar las pérdidas en los devanados y en el núcleo. Del total de las pérdidas en los arrollamientos se restan las debidas al I2R, calculadas a 60Hz, y de este modo se deducen las pérdidas de dispersión que se consideran fundamentalmente producidas por corrientes de Foucault. Si el transformador es adecuado para un factor K determinado, las pérdidas por dispersión se multiplican por ese factor K y se suman a las debidas al efecto Joule a 60Hz. Si la elevación de la temperatura media en los devanados no supera la nominal el transformador es marcado como válido para trabajar con cualquier carga no linear de ese o menor factor K. September 4, 2014 Slide 37 Los valores de K para transformadores catalogados por U.L. son: 1, 4, 9, 13, 20, 30 y 40.

38 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K ANSI/IEEE C nos proporciona una guía para la desclasificación en función del factor K de la carga y de las pérdidas de dispersión proporcionadas por el fabricante del transformador. Como puede verse en la figura, este método es muy conservador aún comparándolo con el indicado por UL September 4, 2014 Slide 38

39 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K September 4, 2014 Slide 39

40 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K Secondary winding q = 6 h fh(pu) Ih(pu)rms fh^2 fh^2*h^2 Ih(pu)^2 Ih^2*h^2 Ih*h^ September 4, 2014 Slide 40

41 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K HV (Primary) LV (Secondary) Eddy Loss multiplier Eddy Loss multiplier Stray loss multiplier Stray loss multiplier TDD 27.9% LV Losses HV Losses Total Loss I2R Eddy Stray I2R Eddy Stray Power TX designed Rectifier New Power / = Power TX designed 11250kVA Power Required Max Power appl 10000kVA Power new design DISEÑO BASE OK September 4, 2014 Slide 41

42 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K HV (Primary) LV (Secondary) Eddy Loss multiplier Eddy Loss multiplier Stray loss multiplier Stray loss multiplier TDD 27.9% LV Losses HV Losses Total Loss I2R Eddy Stray I2R Eddy Stray Power TX designed Rectifier New Power / = Power TX designed 11250kVA Power Required Max Power appl 8740kVA Power new design DISEÑAR TRAFO CON POTENCIA NEW DESIGN September 4, 2014 Slide 42

43 Transformadores en Presencia de Armónicos Efecto de los armónicos/ Modelamiento térmico September 4, 2014 Slide 43

44 Transformadores en Presencia de Armónicos Resumen Modernas unidades de convertidores AC necesitan de transformadores con diseños especiales - transformadores normales no son factibles El hecho anterior ha sido la razón para desarrollar normas independientes que han sido publicados por IEC e IEEE Sin el apropiado diseño y fabricación del transformador, el rendimiento, la fiabilidad y la duración del sistema no se puede garantizar. El diseño especial debe tener en cuenta sobre todo Aumento del esfuerzo dieléctrico Problemas térmicos (en relación con los armónicos) Aumento de los esfuerzos mecánicos En muchos casos complejas conexiones internas para los desfases y diseños multi-bobina Las consideraciones especiales se deben tener en cuenta especialmente para accionamientos de media tensión y en general de las unidades por encima de 1 MW ABB tiene una posición única, ya que puede ofrecer la gama completa de un sistema de transmisión con sus productos. September 4, 2014 Slide 44

45 Transformadores en Presencia de Armónicos Normas IEC Converter transformers, Part 1 Transformers for Industrial Applications IEEE C IEEE standard Practices for Semiconductor Power Rectifier Transformers IEC no hace requerimientos sobre nivel de aislamiento (BIL) IEEE si lo hace Los diseños deben cubrir Incremento del esfuerzo dieléctrico en el lado del rectificador Voltajes de modo común Alto DU/dt Corrientes armónicas Compatibilidad electromagnética EMC iu September 4, 2014 Slide 45

46 Colocar atención El cálculo de armónicos se basa en una red puramente inductiva y se refiere a una sola unidad. Cables y las unidades de compensación de factor de potencia pueden generar frecuencias de resonancia que pueden aumentar la distorsión armónica de manera dramática si la unidad rectificadora genera componentes armónicas de la misma frecuencia. Los sistemas de filtración de armónicos pueden resultar en un exceso de compensación y empeorar los resultados. Evite las redes débiles, una red tiene una potencia razonable: SCmin > 25 * Peje September 4, 2014 Slide 46

47 ACS 1000 Transformador de alimentación September 4, 2014 Slide 47

48 ACS 1000 Transformador de alimentación Medium Voltage Supply Bus Medium Voltage Supply Bus Medium Voltage Supply Bus I>> Prot Main Feeder Breaker & Protection I>> Prot Main Feeder Breaker & Protection I>> Prot Main Feeder Breaker & Protection 12-pulse Converter Input Transformer 24-pulse Converter Input Transformer 24-pulse Converter Input Transformer Rectifier Rectifier Rectifier 12-pulse 24-pulse 24-pulse ACS 1000i 12-pulse or 24-pulse topology Oil or dry type transformer Conformity to IEC and IEEE 519/1992 Total power factor: 0.95 constant over speed range Transformer can be placed inside the building or outdoor September 4, 2014 Slide 48

49 ACS pulsos Transformador de alimentación One 5-winding transformer Two separate 3-winding transformer U L I PN U L I PN P Screen D C B A D P2 C Screen B P1 A Screen U v0 /2 I SN /2 U v0 /2 I SN /2 U v0 /2 I SN /2 U v0 /2 I SN /2 U v0 /2 I SN /2 U v0 /2 I SN /2 U v0 /2 I SN /2 U v0 /2 I SN /2 I d /2 I d /2 I d /2 I d /2 I d I d U di0 Técnicamente comprometidp (no hay armónicos caracteristicos) Mas compacto y costo inferior. U di0 Técnicamente ideal y solución segura Mas costoso y mas grande en tamaño. September 4, 2014 Slide 49

50 Transformador rectificador de 12 pulsos Parte activa September 4, 2014 Slide 50

51 ACS 6000 Doble ARU con pasatapas Pfisterer September 4, 2014 Slide 51

52 Solicitud del cliente Especificación de requerimiento técnico September 4, 2014 Slide 52

53 Doble ARU transformer Dos partes activas Un tanque común September 4, 2014 Slide 53

54 ACS 5000 Amabilidad con las redes Voltaje linea- linea THD = 1.19% Scc = 500MVA, Xsc = 10% Corriente de fase TDD = 2.95% September 4, 2014 Slide 54

55 Transformador para ACS 5000 Pruebas de rutina September 4, 2014 Slide 55

56 ABB Transformadores especiales(pg SPT) Mapa de asignación de mercado Lead Center Vaasa South Boston Zhongshan Shanghai Pereira September 4, 2014 Slide 56

57 ABB Transformadores especiales(pg (PG SPT) Fabricas para Transformadores VSD Vaasa, Lead Center Marketing & Sales Market Intelligence Engineering R&D Production All VSD September 4, 2014 Slide 57 Zhongshan Marketing & Sales Engineering Production all VSD (excl. ACS5000) Pereira Marketing & Sales Engineering Production up 10MVA (excl. ACS5000) South Boston Marketing & Sales Engineering Production LV VSD, ACS 1000 Shanghai Production LV VSD, ACS 1000

58 ABB Pereira, Colombia Fábrica de Transformadores Especiales Región SAM Fabrica enfocada en trafos hasta 63 MVA y 172 kv para la región LAM Localización geográfica estratégica Tecnología ABB totalmente implementada Mas de 40 años de experiencia en la fabricación de transformadores Cultura de fabricación basada en excelencia operacional. Tasa de fallas en sala de pruebas de talla mundial. September 4, 2014 Slide 58

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