tecnologías actuales de rectificadores industriales

Tecnologías actuales de rectificadores industriales

Carlos Hernández Octubre 2015 10.11.2015 Carlos Hernández

10.11.2015 Carlos Hernández

TEKNICADAY. Santiago 4/11/2015

Tecnologías actuales de rectificadores

industriales


Fábricas 1 y 2, Bocholt / Alemania

Benning Una breve introducción…


Historia de la compañía

Fundación en 1938 Taller especializado en la reparación de Sistemas y máquinas eléctricas.



Desde 1948 Desarrollo y producción de equipos de ensayo y medición como por ejemplo los DUSPOL®, DUTEST® …



Desde 1954 Cargadores de baterías de vehículos de tracción eléctrica, TEBETRON, BELATRON



Desde 1964 Desarrollo de sistemas de potencia para uso en aplicaciones industriales…



Desde 1983 Desarrollo de fuentes de potencia para su uso en electromedicina



Desde 2007 Desarrollo de Sistemas de Alimentación Ininterrumpida para su uso en Industria, Telecom e IT



Desde 2011 Fabricación de inversores fotovoltáicos.



Desde 2012 Fabricación de sistemas de energía de Litio Ión para tracción.



Desde 2014 Fabricación de sistemas de almacenamiento de energía de Litio Ión para uso en industria, telecom y solar.


Localizaciones

Cerca del cliente – Empresa global Más de 25 subsidiarias ofreciendo soporte de ventas, servicio y ensamblaje local. Oficinas centrales y fábricas en Alemania.


Diseño „Made in Germany“

Investigación y Desarrollo Soluciones eficientes y sostenibles


Calidad de producción al mayor nivel

Mecánica-Metal Pintado en polvo respetuoso con el medioambiente. Centros CNC de fresado, perforación y plegado.


Producción de PCB

Tecnología SMD Máquinas de recogida y colocación eficientes para una alta calidad reproducible.


Fabricación y control de calidad

Calidad: correcta desde el inicio. Métodos de producción eficientes y equipamiento de ensayo automatizado.


IMS – Integrated Management System

Calidad Integrada Descripciones de procesos claros… Promover la transparencia y clarificar responsabilidades

IMS

ISO 9001

ISO 14001

SCCp



Tecnologías actuales de rectificadores

industriales


Agenda

• Aplicaciones vs. Requisitos. • Revisión de tecnologías existentes de rectificadores y

variaciones de los mismos (circuitos). − Rectificadores SCR (Tiristores). − Rectificadores de alta frecuencia. − Rectificadores de IGBT. − Comparación entre tecnologías. − Tendencias actuales.

• Datos fundamentales a tener en cuenta para realizar una óptima selección.




APLICACIONES

¿En todos los casos los requisitos son los mismos?


Posibles aplicaciones. Algunos ejemplos.


Infrastructure Airport Logistics Air Traffic Controls Railways (Signaling) Highways (Toll stations) Road Tunnels Power Stations Energy Distribution Gas Stations Water Technology Emergency Services Elevators

Governement Education Defense Meteo Services Administration IT Security Social Insurance

Retail Point of Sale Scanners Logistics IT Security

Telecom Wireless Fixnet Hubs Logistics IT Co-location Fac. Voice over IP

Entertainment Radio / TV Broadcasting Casinos Leisure Parks POS / Security

Financial (Insurance) ATM Stock Exchange Trading Desks Branch Servers Central IT

Industrial Food Processing Petrochemical Car Manufacturing Pharmaceutical Biotech Nanotech FAB

Healthcare Scientific / Laboratory DNA Analyzers Laser Surgery Imaging Intensive Care Hospital IT


APLICACIONES VS. REQUISITOS

• REQUISITOS DE CONFIABILIDAD:

Redundancia, tipo de tecnología, batería…

• AMBIENTE:

Altura, corrosión, grado de protección, sismicidad….

• REQUISITOS ESPECÍFICOS

Armónicos, legislación, resistencia a perturbaciones, …

• PROTECCIÓNES Y CONMUTACIONES

Fusibles, MCB, MCCB, seccionadores…

• OTROS



Tecnologías de rectificación Diferentes tecnologías de rectificadores. Tecnologías de carga.Posibilidades de conexión. 10.11.2015 Carlos Hernández


Generación del voltaje de continua El suministro de voltaje de continua regulado (rectificador)

• Se genera a partir del voltaje de alterna de la red (AC) • El voltaje de continua (DC) de salida es de valor fijo y constante incluso ante:

− variaciones en el voltaje de red.

− variaciones de carga de 0 a 100%.

Los voltajes más utilizados son los siguientes:


12V Radiofrecuencia, automotores

24V Automatización, procesos químicos

48-60V Telecomunicaciones, IT

110-125V Generación eléctrica, minería, transporte, industria en general

220V Generación eléctrica, transporte, industria en general

380-600V Sistema de alimentación ininterrumpida (UPS)


Almacenamiento de la energía eléctrica

En el ámbito de los sistemas de alimentación segura,

se utilizan principalmente baterías estacionarias

recargables para almacenar la energía eléctrica.

El mercado utiliza mayoritariamente las de plomo

ácido, y en aplicaciones con condiciones extremas

las baterías de Niquel Cadmio. Para aplicaciones

específicas con espacios limitados, empieza a ser

frecuente el uso de baterías de litio.



Tecnologías de rectificación

• Equipos Ferrorresonantes: tecnología obsoleta en desuso.

• Equipos de diodos: para uso en aplicaciones específicas

(procesos electroquímicos, militares, tracción…).

• Equipos rectificadores SCR (Tiristores).

• Equipos de alta frecuencia (switching).

• Equipos de IGBT.



Rectificadores SCR (Tiristores) Principio de funcionamiento:



Rectificadores SCR (Tiristores) Rectificador de 6 pulsos:


Corriente de entrada Factor de potencia: pf = 0,7 - 0.8 Distorsión armónica corriente: THDi = 27 % input current (100 kVA) load: IMains = 143 A


Rectificadores SCR (Tiristores) Rectificador de 12 pulsos:


Corriente de entrada Factor de potencia: pf = 0.8 Distorsión armónica corriente: THDi = 12 % input current (100 kVA) load: IMains = 143 A


Rectificadores SCR (Tiristores) Modo de operación: • Operación en paralelo de:

Fuente de alimentación

Batería

Carga

• Batería siempre disponible para alimentar

las cargas sin interrupción.



Rectificadores SCR (Tiristores) Modo de operación:

• Operación en paralelo con reparto de cargas de:

2 Fuentes de alimentación

1 Batería

Carga

• Cada rectificador trabaja al 50 %.

• Batería siempre disponible para alimentar las cargas sin interrupción.



Rectificadores SCR (Tiristores) Ejemplos y aplicaciones:

• Minería

• Plantas de generación

• Subestaciones

• Industria química

• Tratamiento de aguas

• Industria pesada

• Oil & Gas


6-pulse thyristor controlled 12-pulse thyristor controlled


Rectificadores SCR (Tiristores) Método de carga IU:

IU = tensión constante/ corriente limitada. • La curva de carga I-U es hoy en día

la estándar para baterías de plomo y Ni-Cd

• La tensión se fija según el modelo de batería (flotación/ carga rápida).

• La corriente se limita (C/10 para plomo y C/5 para NiCd).


boost

float

Course of the IU characteristic in acc DIN41773 for lead acid batteries


Rectificadores SCR (Tiristores) Desventajas de los equipos SCR:

• Tamaño …………………………… voluminosos • Peso………………………...……... elevado • Distorsión armónica……………… elevada aprox. 27% @ 6-pulsos aprox. 12% @ 12-pulsos • Rizado en salida ………………… elevado aprox. 5% rms (sin batería) • Comportamiento dinámico.……. bajo • Factor de potencia……………… bajo aprox. 0.7 a 0.86



Rectificadores SCR (Tiristores)

Ventajas de los equipos SCR:

• Equipos robustos.

• Buena gestión térmica.

• Buena relación calidad/precio.

• Flexibilidad en diseño para tensiones especiales.



Rectificadores de alta frecuencia Principio de funcionamiento:



Rectificadores de alta frecuencia Redundancia N+1:



Rectificadores de alta frecuencia Método de carga IPU:

IPU = potencia constante. • Suministro de potencia

constante a la batería. • A tensiones bajas se

puede suministrar una corriente mayor a la nominal.


V/c

boost

float

Course of the IPU characteristic (power constant output)


Rectificadores de alta frecuencia Desventajas de los equipos de alta frecuencia:

• Menor robustez que los equipos SCR.

• Menor MTBF que los equipos de tiristores (ventilador).

• Alta sensibilidad a ambientes hostiles (humedad, polvo

conductor, corrosión…).

• Menor tolerancia a las redes inestables con perturbaciones fuera

de norma.



Rectificadores de alta frecuencia Ventajas de los equipos de alta frecuencia:

• Menores dimensiones que los rectificadores SCR. • Mucho menor peso. • Menor distorsión armónica (aprox. 7 %). • Menor rizado en la salida de continua (1% pp sin añadir filtro). • Mucha mayor respuesta dinámica que los equipos SCR. • Factor de potencia cercano a la unidad (0,99). • Reemplazo de módulos sencillo (tecnología hot-plug). • Gran facilidad de expansión de potencia (módulos).



Rectificadores de alta frecuencia Ejemplos y aplicaciones:

• Subestaciones • Industria química • Infraestructuras (metro, aeropuertos…). • Tratamiento de aguas • Telecomunicaciones



Rectificadores de IGBT Principio de funcionamiento:



Rectificadores de IGBT


Corriente de entrada Factor de potencia: pf = 0.99 Distorsión armónica corriente: THDi < 5 % input current (100 kVA) load: IMains = 127 A


Rectificadores de IGBT Modo de operación:

• Stand by parallel operation

• Half load parallel operation



Rectificadores de IGBT Ejemplos y aplicaciones:

• Altas potencias.

• Centrales de generación

• Industria química

• Tratamiento de aguas

• Industria pesada



Rectificadores de IGBT Ensayo de capacidad de baterías:

Los equipos controlados por IGBT ofrecen la posibilidad de descargar la batería a corriente constante por un periodo definido de tiempo (según norma). Esto se realiza reinyectando la energía a la red a través del mismo Puente Rectificador.


Ensayo de capacidad de baterías

red

=

~


Rectificadores de IGBT Ventajas de los equipos de IGBT:

• Menores dimensiones que los rectificadores SCR. • Menor rizado en la salida (apróx. 1% pp sin añadir filtro). • Respuesta dinámica muy superior a los equipos SCR. • Factor de potencia a la entrada cercano a la unidad (0,99) en el rango

del 25 al 100% de carga. • Distorsión armónica (THDi) <5% al 100% de carga. • Menor sobredimensionamiento del grupo electrógeno asociado (si lo

hubiera) en aproximadamente1,3 veces (en oposición al equipo SCR de 12 pulsos con un factor de 2).



Rectificadores de IGBT Desventajas de los equipos de IGBT:

• Mayor volumen que los equipos de alta frecuencia.

• Redundancia A + B.

• Sólo disponibles en altas potencias y tensiones de continua industriales.



Tecnologías de rectificación Comparación de tecnologías



Tecnologías de rectificación Ventajas y desventajas de cada tecnología en función de: • Eficiencia/disipación de calor/consumo de potencia • Dimensiones • Distorsión armónica • Rizado • Respuesta dinámica • Nivel de ruido




ALTA FRECUENCIA SCR IGBT

Volumen 1 :5 1,5 : 1

Peso 1 : 4 1,8 : 1

Pérdidas caloríficas 4-20 % 15-30 % 10-20 %

Rizado < 1 % < 1 %

Respuesta dinámica (sin batería) < 5 ms Aprox. 500 ms < 100 ms

Nivel de ruido < 45 dB/A 55-70 dB/A 55-70 dB/A

Factor de potencia (cos phi input) > 0,99 0,80 > 0,99

Corriente de entrada 100 % 80 % 100 %

Distorsión armónica (THDi) < 10 % Aprox. 30 % (6 pulsos) < 5 %

Redundancia N+1 A+B A+B

Resistencia a ambientes no idóneos (suciedad, red inestable, salitre, alta temperatura ….).

Baja Media - Alta Media - Alta


Tecnologías de rectificación Diferencias entre IGBT y SCR:


THDi % Factor de potencia

Eficiencia %

Sobredimensionamiento grupo

xd“<10%

Tiristor 6 pulsos 27 0,8 93,5 2 – 2,5

Tiristor 6 pulsos con filtro del 5º armónico

10 0,9 92

Tiristor 12 pulsos 12 0,86 93 2

Tiristor 12 pulsos con filtro del 11º armónico

>5 0,9 91,5

IGBT (insulated gate bipolar transistor)

<5 0,99 93 1,2


Tendencias actuales

• En aplicaciones tradicionales como la centrales de generación eléctrica o minería, se siguen solicitando equipos robustos del tipo SCR o IGBT.

• En redes de transmisión o distribución eléctrica, se tiende a usar equipos de alta frecuencia modulares por su menor volumen y su fácil servicio (sustitución de módulo hot plug).



Tendencias actuales

• En transporte e infraestructuras, se utilizan cada vez más los equipos modulares. En aquellos casos en donde existan diferentes valores de tensión segura, se diseñan equipos integrados con módulos rectificadores a diferentes valores, convertidores DC-DC e incluso inversores. Estos equipos empiezan a usarse en las subestaciones eléctricas por su menor coste y footprint.



Tendencias actuales

• En aplicaciones petroleras, químicas, gasistas e incluso en alguna minera, se empieza a introducir la tecnología de alta frecuencia. En estos casos se usan módulos rectificadores de convección natural, sin ventiladores.



Equipos rectificadores ¿Un equipo rectificador implica solo el bloque de potencia (puente de tiristores, IGBT o módulos)?



Datos necesarios Información imprescindible para seleccionar el rectificador:

• Datos básicos entrada AC:

Voltaje nominal (3x380 VAC, 3x480 VAC, etc.)

Delta o estrella (con o sin neutro)

Frecuencia (¿50hz o 60hz?)

• Características entrada AC:

Rango de voltaje solicitado (¿+/-15%, +10/-30%?)

¿Requiere transformador aislador?

¿Protecciones voltajes transientes?

¿Distorsión armónica (THDi < 5%?)

¿Red inestable o cortes frecuentes?




• Datos básicos salida DC:

Voltaje nominal (110VDC, 125VDC, 48 VDC...).

Corriente de salida (cargas + batería).

Tipo de batería (NiCd, Pb, Li, abiertas, selladas …).

Cantidad de elementos de batería.

Voltajes de batería (flotación, carga, ecualización).

• Características salida DC:

Rango de voltaje cargas (¿+/-10%, +/-5%, sin rango?)

¿Cargas constantes o variables?

¿Autonomía y tiempo recarga batería?




• Entorno medioambiental:


Nivel de polución ambiente (¿salino, polvo, mineral en suspensión?)

Ingreso de agua.

Tropicalización (humedad, formación de hongos, insectos, roedores….).

Grado de protección (IP/NEMA).

Grado de protección sísmica.

Altitud.

Temperatura de trabajo.

http://www.google.com.ar/url?url=http://www.ecoticias.com/naturaleza/47081/rss.php&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=lk6qU_b_A6f-8AHBpIGwCA&ved=0CDoQ9QEwEzgo&usg=AFQjCNFGDceBtpYHnEwDkNJgxN-us66oew

http://www.google.com.ar/url?url=http://www.elpuercoespin.com.ar/2012/02/21/boom-minero-desentierran-paises-enteros-para-venderselos-a-china/&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=NE6qU_2eKonz8AHIjYDoDA&ved=0CBgQ9QEwAg&usg=AFQjCNFiZ2OTXp6T85YzPDZt6EW3G5qubQ



• Características generales: Tipo de protecciones (Fusibles, MCB, MCCB…). Selectividad.

Distribución de salida a cargas.

Protección descarga profunda batería (LVD).

Rizado de salida (5%, 2%, 1%) con/sin baterías.

Limitación corriente de batería

Cantidad/Tipo de medidas locales (V, I, Hz…).

Dispositivos de monitoreo.

Contactos secos de alarmas.

Comunicación remota (HTTP, SNMP, Modbus, etc.).

Dimensiones del armario. ¿Limitaciones? Color del armario.

Entrada de cables (¿abajo/arriba?)


http://www.google.com.ar/url?url=http://www.frbiz.com/image-mccb-elcb&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=b0-qU6TaHKi68AHd3YGgDg&ved=0CDAQ9QEwDg&usg=AFQjCNEx-0prckJqwg0EnhPpHdhkl92_mg

http://www.google.com.ar/url?url=http://www.directindustry.es/prod/ime/voltimetros-analogicas-dc-14561-623304.html&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=rk-qU7WfIKjH8AHmtIHIDA&ved=0CCAQ9QEwBg&usg=AFQjCNF1Zw1JozX2OARw9x7vUJ8RGynkNQ

http://www.google.com.ar/url?url=http://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-505502693-voltimetro-amperimetro-digital-p-tablero-calarmas-_JM&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=rk-qU7WfIKjH8AHmtIHIDA&ved=0CDIQ9QEwDw&usg=AFQjCNGXtoCFp_Rwbu8jQO3dchcYjxMBbw



• Configuración, modo de operación. Sistema básico (cargador + batería + salida a cargas).

Sistema paralelo redundante.

Con 1 batería en común.

Con 1 batería por cargador.

Con cuadro de distribución separado.

Sistema maestro/esclavo.

Con otros sistemas/equipamientos asociados

(inversores, convertidores DC/DC, arrancadores

de motor…..).

• Especificaciones y Normativa a aplicar.



Conclusiones

• En cada aplicación y en cada caso, se debe seleccionar la tecnología adecuada de rectificadores y sistemas de acumulación de energía.

• Una buena selección implica tener en cuenta múltiples datos, tanto eléctricos, ambientales, de especificación…



GRACIAS POR SU TIEMPO

Carlos HERNÁNDEZ [email protected]

Ricardo HARTBRECHT Ricardo SILVA

[email protected] [email protected]


mailto:[email protected]



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