Tecnologías actuales de rectificadores...
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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
10.11.2015 Carlos Hernández
Fábricas 1 y 2, Bocholt / Alemania
Benning Una breve introducción…
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Fundación en 1938 Taller especializado en la reparación de Sistemas y máquinas eléctricas.
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Desde 1948 Desarrollo y producción de equipos de ensayo y medición como por ejemplo los DUSPOL®, DUTEST® …
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Historia de la compañía
Desde 1954 Cargadores de baterías de vehículos de tracción eléctrica, TEBETRON, BELATRON
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Desde 1964 Desarrollo de sistemas de potencia para uso en aplicaciones industriales…
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Desde 1983 Desarrollo de fuentes de potencia para su uso en electromedicina
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Desde 2007 Desarrollo de Sistemas de Alimentación Ininterrumpida para su uso en Industria, Telecom e IT
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Desde 2011 Fabricación de inversores fotovoltáicos.
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Desde 2012 Fabricación de sistemas de energía de Litio Ión para tracción.
10.11.2015 Carlos Hernández
Historia de la compañía
Desde 2014 Fabricación de sistemas de almacenamiento de energía de Litio Ión para uso en industria, telecom y solar.
10.11.2015 Carlos Hernández
Localizaciones
Cerca del cliente – Empresa global Más de 25 subsidiarias ofreciendo soporte de ventas, servicio y ensamblaje local. Oficinas centrales y fábricas en Alemania.
10.11.2015 Carlos Hernández
Diseño „Made in Germany“
Investigación y Desarrollo Soluciones eficientes y sostenibles
10.11.2015 Carlos Hernández
Calidad de producción al mayor nivel
Mecánica-Metal Pintado en polvo respetuoso con el medioambiente. Centros CNC de fresado, perforación y plegado.
10.11.2015 Carlos Hernández
Producción de PCB
Tecnología SMD Máquinas de recogida y colocación eficientes para una alta calidad reproducible.
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Fabricación y control de calidad
Calidad: correcta desde el inicio. Métodos de producción eficientes y equipamiento de ensayo automatizado.
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IMS – Integrated Management System
Calidad Integrada Descripciones de procesos claros… Promover la transparencia y clarificar responsabilidades
IMS
ISO 9001
ISO 14001
SCCp
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Tecnologías actuales de rectificadores
industriales
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.
10.11.2015 Carlos Hernández
TEKNICADAY. Santiago 4/11/2015
10.11.2015 Carlos Hernández
APLICACIONES
¿En todos los casos los requisitos son los mismos?
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Posibles aplicaciones. Algunos ejemplos.
10.11.2015 Carlos Hernández
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
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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
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Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Tecnologías de rectificación Diferentes tecnologías de rectificadores. Tecnologías de carga.Posibilidades de conexión. 10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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:
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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)
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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.
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Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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.
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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.
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Rectificadores SCR (Tiristores) Principio de funcionamiento:
10.11.2015 Carlos Hernández
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Rectificadores SCR (Tiristores) Rectificador de 6 pulsos:
10.11.2015 Carlos Hernández
Corriente de entrada Factor de potencia: pf = 0,7 - 0.8 Distorsión armónica corriente: THDi = 27 % input current (100 kVA) load: IMains = 143 A
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Rectificadores SCR (Tiristores) Rectificador de 12 pulsos:
10.11.2015 Carlos Hernández
Corriente de entrada Factor de potencia: pf = 0.8 Distorsión armónica corriente: THDi = 12 % input current (100 kVA) load: IMains = 143 A
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Rectificadores SCR (Tiristores) Modo de operación: • Operación en paralelo de:
Fuente de alimentación
Batería
Carga
• Batería siempre disponible para alimentar
las cargas sin interrupción.
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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.
10.11.2015 Carlos Hernández
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Rectificadores SCR (Tiristores) Ejemplos y aplicaciones:
• Minería
• Plantas de generación
• Subestaciones
• Industria química
• Tratamiento de aguas
• Industria pesada
• Oil & Gas
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6-pulse thyristor controlled 12-pulse thyristor controlled
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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).
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boost
float
Course of the IU characteristic in acc DIN41773 for lead acid batteries
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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
10.11.2015 Carlos Hernández
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Rectificadores SCR (Tiristores)
Ventajas de los equipos SCR:
• Equipos robustos.
• Buena gestión térmica.
• Buena relación calidad/precio.
• Flexibilidad en diseño para tensiones especiales.
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Rectificadores de alta frecuencia Principio de funcionamiento:
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Rectificadores de alta frecuencia Redundancia N+1:
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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.
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V/c
boost
float
Course of the IPU characteristic (power constant output)
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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.
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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).
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Rectificadores de alta frecuencia Ejemplos y aplicaciones:
• Subestaciones • Industria química • Infraestructuras (metro, aeropuertos…). • Tratamiento de aguas • Telecomunicaciones
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Rectificadores de IGBT Principio de funcionamiento:
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Rectificadores de IGBT
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Corriente de entrada Factor de potencia: pf = 0.99 Distorsión armónica corriente: THDi < 5 % input current (100 kVA) load: IMains = 127 A
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Rectificadores de IGBT Modo de operación:
• Stand by parallel operation
• Half load parallel operation
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Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Rectificadores de IGBT Ejemplos y aplicaciones:
• Altas potencias.
• Centrales de generación
• Industria química
• Tratamiento de aguas
• Industria pesada
10.11.2015 Carlos Hernández
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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.
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Ensayo de capacidad de baterías
red
=
~
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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).
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Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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.
10.11.2015 Carlos Hernández
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Tecnologías de rectificación Comparación de tecnologías
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Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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
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Tecnologías actuales de rectificadores industriales
10.11.2015 Carlos Hernández
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 actuales de rectificadores industriales
Tecnologías de rectificación Diferencias entre IGBT y SCR:
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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
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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).
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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.
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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.
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Equipos rectificadores ¿Un equipo rectificador implica solo el bloque de potencia (puente de tiristores, IGBT o módulos)?
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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?
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Datos necesarios Información imprescindible para seleccionar el rectificador:
• 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?
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Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Datos necesarios Información imprescindible para seleccionar el rectificador:
• Entorno medioambiental:
10.11.2015 Carlos Hernández
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.
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Datos necesarios Información imprescindible para seleccionar el rectificador:
• 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?)
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
Datos necesarios Información imprescindible para seleccionar el rectificador:
• 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.
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
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…
10.11.2015 Carlos Hernández
Tecnologías actuales de rectificadores industriales
GRACIAS POR SU TIEMPO
Carlos HERNÁNDEZ [email protected]
Ricardo HARTBRECHT Ricardo SILVA
[email protected] [email protected]
10.11.2015 Carlos Hernández
10.11.2015 Carlos Hernández