Dispositivos de calidad de la energía eléctrica: más estabilidad para los procesos de fabricación Peter Daehler, Markus Eichler, Osvin Gaupp, Gerhard Linhofer
Si a usted le molesta volver a poner en hora su reloj digital tras un corte de corriente, imagínese lo que sentirá al ver que todas sus instalaciones de fabricación se ven también afectadas. Un corte de unas pocas décimas de segundo puede costar a una empresa miles de dólares.
U
na forma de proteger las instalaciones
colaboración con ABB High Voltage Technology
red que puede estar situado a muchos kilómetros
contra las perturbaciones de la red eléc-
Ltd– entregó y puso en funcionamiento dos dis-
de distancia del lugar donde se s e experimenta la
trica es instalar un sistema UPS (Uninterruptible
positivos de calidad de la energía eléctrica que se
caída. La caída tiene normalmente una duración
Power Supply) de alimentación sin interrup-
encuentran entre los más grandes construidos
corta, aproximadamente el tiempo necesario para
ciones, de respuesta rápida y a gran escala. Para
hasta ahora. Estos dispositivos, conocidos como
desconectar de la red la línea en la que se ha
muchas aplicaciones, sin embargo, el sistema UPS
restauradores dinámicos de tensión (DVR), están
producido el fallo.
es desproporcionado, ya que está diseñado para
destinados a compensar las caídas temporales de
compensar la pérdida total de energía eléctrica
tensión causadas por las perturbaciones y fallos
una caída de tensión de solo 0,1 s. Si usted está
pero la mayoría de los problemas se deben a per-
que se producen en las redes eléctricas. Aunque
en su casa por la noche, leyendo un libro o vien-
turbaciones muy breves que normalmente afectan
varios fabricantes han construido dispositivos de
do la televisión, apenas si percibirá el breve
a una sola fase. La respuesta a este problema es
este tipo durante los últimos años, estos restau-
parpadeo de la luz o la raya que se mueve por la
el restaurador dinámico de tensión o DVR. Un
radores DVR son únicos por su potencia nominal.
pantalla del televisor; un instante después todo
restaurador DVR detectará y compensará instan-
Proyectados para cargas de hasta 22,5 MVA cada
vuelve a ser normal y una hora más tarde incluso
táneamente las caídas de tensión, de forma que
uno, son con diferencia las unidades de mayor
lo habrá olvidado.
no se notará que han sucedido.
tamaño en su clase.
Podría aducirse que nadie se preocuparía por
Pero el asunto es completamente distinto si usted se encuentra en un ascensor y la caída
ABB ha instalado recientemente dos restaurestauradores DVR con nada menos que 22 MVA de
Importancia Importancia de corregir
de tensión dispara el sistema de control, que,
potencia nominal, con diferencia los más
las caídas de tensión
por alguna razón no vuelve a ponerse en
potentes que se hayan construido. La tecnología
La mayor parte de las perturbaciones que se pro-
marcha automáticamente. Usted tendrá que
IGCT de ABB, de tiristores conmutados por puer-
ducen en las redes eléctricas consisten en breves
accionar la alarma para avisar al operario de
ta integrada, ha permitido fabricar dichos disposi-
caídas de tensión. Entre sus posibles causas están
servicio que tendrá que poner en marcha
tivos confiriéndoles características especiales
las corrientes de conexión que se producen al
manualmente el ascensor, con suerte en unos
como una gran rapidez de respuesta (<1 ms),
poner en marcha los grandes transformadores y
pocos minutos. Durante el tiempo de espera es
prestaciones superiores a las normales y una
las corrientes de arranque de motores de grandes
probable que usted no se mantenga en una
extraordinaria fiabilidad.
dimensiones. Sin embargo, la inmensa mayoría
tranquilidad tranquilidad total y sin duda no olvidará la
de las caídas de tensión se deben a los cortocir-
experiencia tan rápidamente. De todas formas
cuitos o a los fallos a tierra en algún punto de la
no se trata de un incidente grave y usted no
En verano de 2000, solo ocho meses después de la firma del contrato, ABB Industrie AG –en
62
Revista ABB 1/2001
1
Bloque constructivo básico del restaurador dinámico de t ensión. Estos módulos
pueden combinarse para construir diversas configuraciones de convertidores y choppers CC-CC de alta potencia.
habrá perdido más tiempo que el que perdió en el último atasco de tráfico.
Rsym
DC+
En el caso de una industria manufacturera, sin C1
embargo, una caída de tensión tiene una dimensión bastante distinta que puede resumirse como
–
‘pérdida de producción, pérdida de beneficios’. La búsqueda de más eficiencia de producción ha
=
acelerado la tendencia a la automatización, no solo de los procedimientos y fases concretas de
D
fabricación sino también de las cadenas continuas
s
de producción que integran gran cantidad de
C+
C2
procesos y operaciones. Algunos de estos procedimientos, además, requieren un entorno muy estable, totalmente libre de perturbaciones, para
DC–
garantizar máxima calidad con un mínimo de paradas. En ambos casos, incluso una perturbación de menos de 100 milisegundos puede provocar la pérdida de producción durante varias horas o al menos durante el tiempo necesario
son de naturaleza compleja y reciben la energía
para estabilizar las condiciones del proceso.
eléctrica de dos circuitos de alimentación de
Prestaciones:
– Proteger la carga nominal contra una caída de
Media Tensión. Bajo condiciones meteorológicas
tensión trifásica del 35% durante 500 ms
fabricación o las plantas industriales contra las
muy desfavorables, en la red pueden producirse
– Proteger una carga de 22,5 MVA contra una
perturbaciones de la red eléctrica consiste en
más de 15 contorneamientos y fallos entre línea y
caída de tensión trifásica del 35% durante
instalar a gran escala sistemas de alimentación sin
tierra en un periodo de 24 horas. Las más de 150
333 ms
interrupciones y de respuesta muy rápida. Sin
caídas de tensión registradas en 1999 produjeron
embargo, esta es una solución bastante cara,
daños muy importantes en la producción, hacién-
caídas de tensión monofásicas superiores al
tanto por la inversión inicial como por los costes
dose evidente la necesidad de encontrar urgente-
50% durante un máximo de 600 ms
de explotación. Dado que la mayoría de las per-
mente una solución. Se decidió instalar dos dis-
turbaciones eléctricas no provocan una interrup-
positivos de calidad de la energía eléctrica –uno
reserva y la posición de refuerzo de tensión
ción total de la alimentación eléctrica sino solo
para cada circuito alimentador– con la mayor
inferior a 1 ms
una caída temporal de la tensión en una sola fase
rapidez posible. El cliente fijó por escrito un
de la línea de alimentación, la compensación de
plazo de 8 meses a partir de la fecha del pedido
El dispositivo tiene que ser también ‘ampliable’
la caída proporcionaría una protección suficiente
para la instalación y puesta en funcionamiento.
para poder aumentar su capacidad nominal si en
Una solución para proteger los procesos de
Los dispositivos debían satisfacer las siguientes especificaciones técnicas básicas:
Las condiciones que exigieron
corregir las caídas de tensión
Las instalaciones de fabricación en que se integraron los dos restauradores DVR mencionados
Revista ABB 1/2001
– Tiempo de conmutación entre la posición de
algún momento es necesario.
para cerca del 90 % de todas las perturbaciones que se producen en la red eléctrica.
– Proteger las cargas mencionadas contra las
Cumplimiento de los requisitos
Tensión nominal en el circuito de
Un plazo de entrega tan corto fue posible en
alimentación: 22 kV
primer lugar gracias a la existencia de una
Carga nominal por circuito de alimentación:
plataforma adaptada de hardware, que permitió
15 MVA con un factor de potencia de 0,9 pu
utilizar los módulos que ABB suele emplear en
63
2
6
Diagrama unifilar del dispositivo de calidad de la
energí a eléctrica
1
Conexión de corriente continua con batería de condensadores
2
Convertidor de fuente de tensión
3
Transformador reforzador
4
Filtro pasa-alto amortiguado
5
Circuito de corte
6
Conmutador de by-pass
7
Seccionadores
8
Unidad de carga
U G
Tensión de la red
U H
Tensión de la carga
U Dp
Tensión de la conexión de corriente continua, carga positiva en punto medio
U Dm
Tensión en la conexión de corriente continua, carga negativa en punto medio
dU B
5 4 dU B
7
7 3
2
~
U G
Grid y l p p u s f o t i m i L
U H
+
U Dp
Load
–
U Dm
y l p p u s f o t i m i L
1 DVR
8
Aux
Tensión de compensación (insertada) de la caída de tensión
sus grandes convertidores estándar de frecuencia
que hacen posible diseñar convertidores sin
El dispositivo de
de fuente de tensión y en sus grandes sistemas
amortiguamiento.
calidad de la energía
de accionamiento de Media Tensión (ACS 6000). El módulo básico
1
es una rama por fase para
Lo verdaderamente característico de este pedi-
eléctrica 2
do era la cantidad de energía que se debía almace-
En la figura
convertidores de tres niveles unidos al neutro.
nar en la batería de condensadores de la conexión
del dispositivo de calidad de la energía eléctrica.
Con estos módulos se pueden formar distintas
de corriente continua. El reto no era tanto la canti-
El circuito de potencia tiene los componentes y
combinaciones de convertidores e interruptores
dad de energía en si sino la necesidad de proyec-
funciones principales siguientes:
choppers CC-CC de alta potencia. Esta platafor-
tar el equipo para que ningún fallo interno –por
ma, que cuenta con interfaces de señales adap-
ejemplo los defectos en un condensador, un corto-
de condensadores (1). También se utiliza como
tadas y un sistema de control versátil y fácil de
circuito o un fallo en el convertidor– pudiera pro-
elemento para almacenar la energía.
programar, proporciona la gran flexibilidad y
ducir daños más allá del componente mismo en
adaptabilidad necesarias para construir unidades
que se había producido el fallo. No es esta una
compensar las caídas de tensión. Consiste en dos
destinadas a una amplia gama de aplicaciones sin
cuestión trivial, ya que durante el funcionamiento
ramas por fase NPC. La conmutación activa está a
tener que hacer modificaciones fundamentales en
del dispositivo (cuando hay que compensar la
cargo de los tiristores IGCT.
el diseño.
caída de tensión) la corriente extraída de la batería
de condensadores no es baja; si la corriente fuera
como interconexión entre las fases del alimenta-
utilizan los tiristores conmutados por puerta
demasiado baja, o si llegara a tener valor nulo por
dor y el convertidor de fuente de tensión.
integrada (IGCT), un tipo avanzado de tiristor de
efecto del limitador, los efectos serían perjudi-
corte de puerta (GTO). En comparación con los
ciales. Una solución razonable consistiría a en
a través de los terminales de final de línea del
GTO, los IGCT tienen las ventajas de sus
dividir la batería de condensadores en dos grupos
transformador reforzador. Ayuda a ‘limpiar’
menores pérdidas de conducción y conmutación,
y situar en puntos estratégicos una combinación
la forma de onda de la tensión inyectada ‘cor-
además de sus mejores características de corte,
de resistencias amortiguadoras y fusibles.
tocircuitando’ los armónicos residuales de alta
Como elementos de conmutación activos se
64
se observa un diagrama unifilar
Conexión de corriente continua con batería
Convertidor de fuente de tensión (2), para
Transformador reforzador (3), que actúa
Filtro pasa-alto amortiguado (4), conectado
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3
Disposición fí sica del dispositivo de calidad de la
energí a eléctrica.
frecuencia. Por lo tanto, la tensión está prácti-
y para recargar los condensadores despué s de
camente exenta de rizado, tanto en la carga
haber compensado una caída de tensión.
como en la red eléctrica.
Circuito de corte (5), formado por tiris-
El modulador y todas las funciones de interbloqueo y monitorización relacionadas con el convertidor exigen una gran velocidad de
En
3
se muestra la disposición física de los
procesamiento, es decir, tiempos de ciclo muy
tores controlados que puentean (es decir,
componentes del restaurador DVR. Las opera-
cortos, razón por la cual se montan en una placa
cortocircuitan) los terminales de final de línea
ciones de montaje y cableado, así como las
especial equipada con un dispositivo lógico pro-
del transformador reforzador en caso de pro-
pruebas exhaustivas de las unidades, se reali-
gramable eléctrico (EPDL) y con varios proce-
ducirse un fallo en un dispositivo interno o
zan en fábrica antes de expedir el dispositivo,
sadores de señales digitales. Dejando aparte algu-
en un punto posterior (en el lado de carga) al
con lo que se reduce al mínimo el tiempo
nas pequeñas modificaciones se trata de la misma
dispositivo. Esta última función es especial-
necesario para la instalación in situ, para el
placa estándar que ABB utiliza para controlar sus
mente útil para evitar las interferencias con
ajuste y para la puesta en marcha. El contene-
sistemas ACS de accionamiento de Media
los sistemas de protección existentes en el
dor representado tiene 12,5 metros de longitud,
Tensión. El control de nivel superior lo ejecuta un
sistema.
3 metros de anchura y 3 metros de altura. En
controlador programable de alta velocidad PSR
su mayor parte, la batería de condensadores de
de ABB, que no solo garantiza una gran flexibili-
almacenamiento de energía está alojada en un
dad sino también la facilidad de adaptación a la
segundo contenedor de dimensiones similares
aplicación concreta y la posibilidad de realizar
(no representado en la figura).
modificaciones. Un tercer sistema, basado en un
Conmutador de by-pass (6), que establece
una derivación para todo el dispositivo.
Seccionadores (7), para aislar el dispositi-
vo cuando se cierra el conmutador de bypass para proceder al mantenimiento, que no precisa interrumpir la línea de alimentación.
ordenador personal, actúa como interfaz de Control y monitorización
control para el operario y se utiliza también para
El sistema de control, el cerebro del restaurador
supervisar la función y el rendimiento del dispos-
de condensadores del enlace de corriente con-
DVR, ha de tener una respuesta rápida y muy
itivo de calidad de la energía eléctrica. Se aplica
tinua antes de poner en marcha el dispositivo
fiable.
una tecnología avanzada de comunicaciones.
Unidad de carga (8), para cargar la batería
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65
En la eventualidad de que se produzcan perturbaciones en el interior del dispositivo se genera y envía a las direcciones prefijadas un e-mail que describe el problema. El personal autorizado a acceder al sistema puede supervisar los controles prácticamente desde cualquier lugar del mundo y, si es necesario, cambiar los parámetros o modificar el programa. La capacidad de localizar las averías a distancia es una característica fundamental del sistema. Como ejemplo de esta función de super visión, en la figura
4
se muestran las líneas de
registro de tensión e intensidad obtenidas durante una caída real de tensión en la red. Rendimiento operativo 4
Representación de la función de adquisición de datos. Esta información puede
estar también disponible en lugares situados a gr an distancia.
Paralelamente al diseño y a la fabricación se realizaron simulaciones por ordenador y diversas pruebas en un simulador de hardware. Las simulaciones de software se utilizaron para comprobar los parámetros de proyecto y las especificaciones de los componentes, así como los algoritmos de control y el ajuste de sus parámetros. El sistema de control fue, más tarde, sometido a pruebas muy completas en un simulador de hardware para comprobar que el software y el hardware de control, inclusive los puertos de E/S, habían sido configurados correctamente y funcionaban de forma apropiada. Todos estos trabajos se revelaron como muy útiles cuando, a finales del verano de 2000, los dos dispositivos de calidad de la energía eléctrica empezaron a funcionar tras una puesta a punto extremadamente corta. En la figura
5
se muestran las líneas de
registro de las tensiones de entrada y de salida obtenidas al simular la corrección de una caída de tensión del 30%. 5
Compensación de la caí da de tensión, observada con el simulador. De arriba abajo:
tensiones de entrada, de salida (corregida), tensión del enlace de CC, se ñal de disparo.
66
En
6
se presentan las mismas líneas de
registro, pero en este caso se trata de las
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obtenidas en la instalación real al producirse una auténtica caída de tensión poco después de la primera puesta en marcha. Si el dispositivo no hubiera estado en funcionamiento, la caída de
1.
] 0.5 u p [ i
U
tensión habría tenido consecuencias muy negati-
0.5 1.0
vas para la producción. También puede verse que la compensación de la tensión es extraordi-
1.
nariamente rápida –tarda menos de una milésima de segundo–, superando lo que se considera necesario y lo que de hecho se especifica. Esto es posible gracias al exclusivo control anticipati vo utilizado en este tipo de aplicación. El retar-
] 0.5 u p [ 0 t u o
U 0.
1.0
do y el tiempo de estabilización, inevitable si se
20
0
20
40
utiliza un algoritmo de control más conven-
60
80
100
120
140
[ms]
cional, se eliminan casi por completo. Finalmente debe subrayarse que las especifi-
6
Compensación de la caí da de tensión en la instalación real. La lí nea de registro
caciones se consideraron como líneas de refe-
superior muestra la tensión de entrada y la lí nea inferior la tensión de salida corregida.
rencia y como requisitos mínimos para los dis-
U in Tensión de entrada
positivos. La compensación de las caídas de ten-
U out Tensión de salida
sión, por ejemplo, no se limita al valor especifi-
t
Tiempo
cado. También será compensada una caída de tensión trifásica que supere el 35%, no durante 500 ms, sino mientras la batería de conden-
100
sadores suministre energía eléctrica. Si la caída de tensión es menor, el sistema proporcionará
1-phase % 2-phase % 3-phase %
0
protección durante un máximo de 600 ms, com0
pensándose así numerosas caídas de tensión consecutivas. Además, la tensión nominal de la conexión de corriente continua es menor que el valor máximo permitido, de modo que la batería
] % [
70
0
de condensadores de corriente continua puede absorber también una cierta cantidad de energía. De este modo no solo se compensan las caídas de tensión sino también algunas
40
sobretensiones temporales (elevaciones de 0
tensión). En
7
1
se muestra la caída de tensión en
2
4
0
F[ms]
función de la posible duración de las perturbaciones del sistema cuando se producen caídas de tensión monofásicas, bifásicas y trifásicas.
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7
Capacidad de protección del sistema. Caí da de tensión ( U ) en función de
la duración del fallo (F)
67
Sistemas de calidad de la energía eléctrica, herramientas para aumentar la productividad Una breve caída de la tensión de alimentación, imperceptible Booster transformer Mains
para la mayor parte de l os consumidores de electricidad, puede Load
detener una línea entera de producción en los sectores industriales especialmente sensibles, como son la fabricación de chips de ordenador, el refino de petróleo y el sector textil. Frecuente-
Converter
mente las condiciones meteorológicas desfavorables pueden llegar a provocar la interrupción total durante horas de un sistema de alimentación de energía eléctrica, inutilizando lotes enteros de producción. ABB ha desarrollado y comercializado
Energy storage
con éxito sistemas para superar este tipo de obstáculos mediante la electrónica avanzada de potencia. Estos sistemas de calidad de la energía eléctrica destacan por su fiabilidad y por su capacidad de respuesta a las perturbaciones de la tensión. El restaurador dinámico de tensión DVR es la solución óptima para la mayoría de los cli entes que necesitan protección contra estas perturbaciones, es decir, las caídas y elevaciones
Principio del restaurador dinámico de tensión con tiempo de respuesta menor que un milisegundo
de tensión provocadas por fallos acaecidos a gran distancia en el sistema. El restaurador DVR compensa de forma casi instantánea estas alteraciones de la tensión siempre que los interruptores automáticos situados más adelante no desconecten por completo la red de alimentación.
Conclusiones
ramos de la industria, no solo en líneas de
Los dispositivos de calidad de la energía eléc-
producción sino también en fábricas enteras e
trica con funciones DVR no están destinados a
incluso en polígonos industriales. Y, lo que no
sustituir a los sistemas de alimentación sin
es menos importante, no producen interferen-
interrupciones. Sin embargo, en los procedi-
cia alguna con los programas de protección
mientos de fabricación complejos ofrecen una
existentes, limitando las corrientes de fallo
excelente protección contra las perturbaciones
cuando se producen perturbaciones en puntos
de la red eléctrica. Además son robustos,
posteriores de la línea. Es posible, por tanto,
fiables y de respuesta muy rápida, y no necesi-
instalarlos sin necesidad de modificar los
tan prácticamente mantenimiento. Dado que es
equipos existentes.
posible construirlos para potencias relativamente altas, pueden utilizarse en todos las
For further information please visit http://www.abb.com/powerelectronics
Autores
Peter Daehler Markus Eichler Osvin Gaupp Gerhard Linhofer ABB Industrie AG CH-5300 Turgi Suiza Address for questions and inquiries E-mail:
[email protected] Fax: +41 56 299 2090
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68
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