Mantenimiento de la calidad de la energía eléctrica dentro de los sistemas automatizados

Como se trató en un artículo anterior de DigiKey sobre los detalles de potencia sucia de la compañía eléctrica, hay media docena de problemas de calidad de la energía (incluyendo subidas de tensión, cortes, inestabilidades de frecuencia y ruido) que pueden surgir de las fluctuaciones de la red eléctrica de la compañía eléctrica local. Lo que complica aún más las cosas es que las variaciones también pueden originarse dentro de cada pieza del equipo de automatización eléctrica. Afortunadamente, abundan los componentes para resolver estos problemas de consistencia de la energía eléctrica. Estas fuentes de alimentación y otros componentes de potencia hacen que la maquinaria funcione de la mejor manera posible e impiden que la maquinaria tenga un impacto negativo en la red eléctrica local.

Figura 1: Esta fuente de alimentación monofásica de la serie PULS CP se monta en el riel DIN, tan común en la automatización industrial. Las características incluyen una alta inmunidad a los transitorios y a las sobrecargas de energía, así como una baja emisión electromagnética, un contacto de relé DC-OK, un 20% de reservas de energía de salida (que se tratan más adelante en este artículo) y una mínima sobrecarga de corriente de irrupción. La fuente de alimentación especialmente recubierta también ejecuta la corrección del factor de potencia activa o las funciones PFC. (Fuente de la imagen: EE World)

Los dos tipos principales de problemas de calidad de la energía que surgen dentro del equipo son el ruido y las perturbaciones armónicas.

Ruido eléctrico en la energía eléctrica se refiere a las variaciones de voltaje de alta frecuencia. La alta frecuencia es relativa, pero siempre indica frecuencias considerablemente más altas que la frecuencia de la corriente alterna del sistema. Visto en el dominio del tiempo, una corriente alterna debería aparecer como una onda sinusoidal suave. El ruido hace que la ola sea irregular y áspera.

Siempre hay algo de ruido en los suministros eléctricos de la maquinaria causado por la resistencia de los cables conductores involucrados. Este ruido se llama ruido térmico y generalmente es una perturbación insignificante. El ruido más significativo y potencialmente perjudicial es causado por cargas locales como soldadoras y motores eléctricos. El ruido de esos componentes y sistemas puede ser a menudo difícil de cuantificar, y supone el mayor riesgo de provocar que los subcomponentes del equipo afectado se sobrecalienten, se desgasten e incluso fallen.

Harmónicos eléctricos son perturbaciones de voltaje o corriente a frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia CA del sistema. Son causadas por cargas no lineales como rectificadores, fuentes de alimentación de computadoras, iluminación fluorescente y ciertos tipos de motores eléctricos de velocidad variable. Los armónicos de corriente tienden a ser más grandes que los armónicos de voltaje y en realidad tienden a impulsar estos últimos.

Figura 2: Las formas de onda armónicas son múltiplos enteros de frecuencia de alguna forma de onda fundamental que (en los sistemas de energía eléctrica) pueden combinarse con la forma de onda fundamental y causar problemas. Los armónicos se originan generalmente de alguna carga eléctrica o dentro de una pieza de maquinaria adjunta. (Fuente de la imagen: Design World)

Estos armónicos eléctricos (debido a la forma en que inducen la generación de calor) pueden degradar dramáticamente la eficiencia y la vida de los motores eléctricos. También pueden causar vibraciones y pulsaciones de par en la potencia mecánica de los motores eléctricos, lo que acorta la vida de los subcomponentes de transmisión de potencia integrados en los motores, especialmente los cojinetes de soporte del eje.

Parámetros clave del sistema de energía

Dos especificaciones importantes para las fuentes de alimentación incluyen el factor de potencia y el tiempo de mantenimiento.

Factor de potencia es una relación adimensional que se utiliza para describir la diferencia entre la potencia real y la potencia aparente en los sistemas de CA. La energía aparente es la combinación de la verdadera energía y la energía reactiva. La energía reactiva a su vez se extrae de la red, se almacena momentáneamente y luego se devuelve sin ser consumida. Esto es generalmente causado por cargas inductivas o capacitivas, lo que lleva a que la corriente y el voltaje estén desfasados. La energía reactiva aumenta la carga de los sistemas de distribución, reduce la calidad de la energía, y lleva a facturas de energía más altas.

Idealmente un sistema tendrá un factor de potencia de uno, lo que significa que no hay potencia reactiva en el sistema. Los diseños con factores de potencia inferiores a 0.95 causan un aumento de la carga en el sistema de distribución y pueden incurrir en cargas de potencia reactiva.

Figura 3: Aquí se muestra un módulo de alimentación de 85-100 vatios de CA a Ccde la serie TML 100C de Traco Power. La corrección activa del factor de potencia (PFC) asegura un factor de potencia mejor que 0.95 (para 230 V_CA) y mejor que 0.99 (para 115 V_CA). (Fuente de la imagen: Traco Power)

Tiempo de espera es el tiempo que una fuente de alimentación puede seguir suministrando energía dentro de su voltaje especificado después de un corte de energía. Considere el caso de los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) y los generadores - tipos de energía de reserva utilizados para asegurar la continuidad de las operaciones automatizadas durante los apagones y caídas de tensión. Como se describe con más detalle en la sección final de este artículo, un UPS debe suministrar energía para cualquier período significativo. Pero dependiendo del diseño del UPS, estos pueden introducir un retraso de hasta 25 mseg entre una falla de la energía eléctrica y el inicio de la entrega de energía por parte del UPS.

El tiempo de retención de la fuente de alimentación permite que la fuente de alimentación cubra esta brecha, utilizando en gran medida la energía almacenada en los condensadores. De hecho, las fuentes de alimentación conmutadas tienden a tener tiempos de espera más largos que las fuentes de alimentación lineales debido a sus condensadores de mayor voltaje.

Otras características para abordar los problemas de energía inducidos por las máquinas

La puesta a tierra, el aislamiento y los convertidores de energía filtrados proporcionan la base para una fuente de energía de calidad.

Conexión a tierra: La correcta conexión a tierra es esencial para que una fuente de alimentación funcione correctamente. Proporciona un voltaje de referencia (a partir del cual se miden todos los demás voltajes) y una ruta de retorno de la corriente eléctrica. Lea el artículo de DigiKey Lo que necesita saber sobre la detección y protección de fallas al poner a tierra para más información sobre este tema.

Aislamiento: Aunque las fuentes de alimentación no aisladas pueden ser más eficientes energéticamente y compactas, el aislamiento entre la tensión de entrada y la de salida protege contra las tensiones peligrosas que pasan a la salida en caso de fallo de un componente. También puede ser necesario el aislamiento para proteger a los operarios de tensiones peligrosas o para proteger el equipo de los transitorios y las marejadas.

Las formas de aislamiento incluyen:

• Aislamiento físico entre los componentes
• Acoplamiento inductivo a través de un transformador: convertidores de potencia que cambian el voltaje de un sistema de energía
• Acoplamientos ópticos: que son los más adecuados para la transferencia de señales entre las diferentes partes de un sistema de energía, mientras que garantizan un nivel muy alto de aislamiento

Figura 4: Las fuentes de alimentación a menudo funcionan como convertidores de energía para 1) cambiar el voltaje o la frecuencia de una fuente de CA o 2) rectificar o convertir de otra manera la energía de CA en CC. Un ejemplo de ello: Este convertidor de CA a CC,de 48 V, de 400 W y con modulación de frecuencia de pulso (PFM) de Vicor Corp. tiene filtrado integrado y protección contra sobretensiones transitorias. Una advertencia: el convertidor del Adaptador Integrado Vicor (VIA) solo acepta la entrada de una fuente de CA sinusoidal rectificada externa con un factor de potencia mantenido por el módulo. Los armónicos cumplen con la norma IEC 61000-3-2 y el filtrado interno permite el cumplimiento de los requisitos aplicables de sobretensión y EMI. (Fuente de la imagen: Vicor Corp.)

Filtros eléctricos y supresión de sobretensiones: La supresión de sobretensiones elimina los transitorios y las hinchazones, protegiendo el equipo eléctrico de los efectos de estas condiciones de sobretensión. Por el contrario, los filtros eléctricos suavizan el voltaje del sistema para eliminar el ruido y los armónicos. Lea acerca de los filtros en las fuentes de alimentación industriales utilizadas en grandes aviones (con fuentes eléctricas de 400 Hz) en el artículo de digikey.com Funcionamiento de la fuente de alimentación en una fuente de 400 Hz. O considere otro tipo de filtro eléctrico que es especialmente común en las instalaciones automatizadas cerca del punto de uso - filtros LC - para complementar los motores. Los filtros LC son un tipo de tanque o circuito resonante (también llamado circuito sintonizado) con un inductor L y un condensador C para generar la salida a una frecuencia establecida. Los filtros LC para motores suelen servir para convertir el voltaje de salida PWM rectangular de una unidad en una onda sinusoidal suave con baja ondulación residual. Los beneficios incluyen la prolongación de la vida útil del motor al evitar las pérdidas por alta dv/dt, sobretensión, sobrecalentamiento y corrientes de Foucault.

Figura 5: Este es un filtro de ondas sinusoidales LC deSchaffner EMC Inc. para ayudar a los motores a entregar ondas sinusoidales suaves en los bobinados de los motores conectados sin picos de tensión. El filtro también permite instalaciones con cables de motor más largos. (Fuente de la imagen: Schaffner EMC Inc.)

Los protectores de sobretensión funcionan bloqueando o poniendo en cortocircuito la corriente, o combinando medidas de bloqueo de sobretensión y cortocircuito.

Protección contra sobretensiones mediante bloqueo: La corriente puede ser bloqueada con inductores que amortiguan los cambios repentinos de corriente. Sin embargo, la mayoría de los protectores de sobretensión se cortocircuitan cuando se produce una sobretensión, desviando la corriente hacia las líneas de distribución de energía donde es disipada por la resistencia en los cables del circuito.

Protección contra sobretensiones mediante cortocircuito: El cortocircuito rápido (que se activa cuando el voltaje excede un nivel establecido) se hace con un espacio de chispa, un tubo de descarga o un dispositivo semiconductor. Solo en raras ocasiones (durante las grandes o muy prolongadas sobretensiones) las sobretensiones funden las líneas de energía o los componentes internos del protector de sobretensión. Los condensadores también pueden amortiguar los cambios repentinos de voltaje.

Las especificaciones clave de los protectores de sobretensión incluyen el voltaje de sujeción, el tiempo de respuesta y la clasificación de la energía. El voltaje de sujeción - también conocido como voltaje de paso - es el máximo voltaje permitido para pasar a través del protector de sobretensión. Es típico que los dispositivos de 120 V tengan un voltaje de sujeción de 220 V. La clasificación de la energía (típicamente en julios) es la máxima potencia que puede ser absorbida antes de que los componentes dentro del protector de sobretensión se quemen y fallen.

Una especificación importante, pero a menudo pasada por alto de los protectores de sobretensión es lo que sucede cuando el protector de sobretensión falla. Si una sobretensión supera la capacidad de energía del protector y los subcomponentes internos fallan, ese protector ya no podrá protegerse contra nuevas sobretensiones. Sin embargo, esto no significa que se corte la energía: algunos protectores de sobretensión (como algunos diseñados para proteger servidores u otras memorias electrónicas) continuarán suministrando energía después de un fallo. La única indicación de que la protección contra las sobretensiones ya no existe puede ser una luz de advertencia. Otros protectores de sobretensión cortan la energía o reducen la transmisión de energía cuando fallan.

Los UPS complementan los generadores en aplicaciones críticas.

Los UPS y los generadores de energía de reserva aseguran la continuidad de las operaciones durante los apagones y caídas de tensión. Los UPS usan baterías y están típicamente diseñados para proveer energía por períodos de unos pocos minutos a unas pocas horas. Los generadores utilizan un motor para generar energía durante períodos prolongados, limitados únicamente por el combustible disponible.

Los UPS proporcionan una respuesta instantánea a un corte de energía, asegurando que el suministro de energía sea ininterrumpido. Los generadores, por otro lado, tienen un tiempo de arranque de al menos varios segundos. Para las aplicaciones en las que se requiere energía continua, un UPS debe combinarse con un generador para suministrar energía mientras el generador se pone en marcha.

Figura 6: Esta fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) de 24 V_CC y de 5 A en el riel DIN y ofrece hasta 25 minutos de energía de reserva a plena carga. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Los UPS protegen los equipos de los cortes de energía. Los UPS dependientes del voltaje y la frecuencia o fuera de línea son los más rentables, pero tienen dos grandes deficiencias:

• En condiciones normales, los UPS fuera de línea pasan la corriente directamente de la batería a la salida. Cuando los circuitos del UPS detectan un corte de energía, un interruptor conecta la batería a la salida a través de un inversor. Esto significa que la energía puede ser interrumpida por hasta 25 mseg.
• Los UPS fuera de línea también proporcionan poca o ninguna protección contra otros problemas de calidad de la energía, como las sobretensiones y el ruido.

Por el contrario, un UPS interactivo o independiente del voltaje (VI) funciona esencialmente de la misma manera que un UPS dependiente del voltaje y la frecuencia, pero tiene un estabilizador de voltaje adicional para mejorar la calidad de la salida de energía en condiciones de funcionamiento normal. Tales sistemas todavía muestran un tiempo de conmutación durante el cual se interrumpe la energía, pero normalmente es de solo 5 mseg más o menos, lo que está dentro del tiempo de espera de la mayoría de las fuentes de energía.

Para llevar la sofisticación del suministro de energía un paso más allá para proporcionar la mayor protección, se encuentran los UPS en línea, también conocidos como UPS independientes de voltaje y frecuencia. En los UPS, la carga no está conectada directamente a la red eléctrica, sino que siempre se extrae de la batería del sistema, que se carga continuamente por la red eléctrica. La corriente alterna de la red se transforma en voltaje de la batería y se rectifica a CC, para poder cargar la batería. La energía de la batería es invertida para producir corriente alterna y aumentada por otro transformador al voltaje de la red. Esto significa que los problemas de calidad de la energía en el suministro no afectan a la salida y se proporcionan niveles muy altos de calidad y protección de la energía. Sin embargo, también resulta en una eficiencia energética considerablemente menor y un mayor costo inicial del UPS.

Para todas las cargas, excepto las más sensibles y críticas, un UPS fuera de línea junto con una fuente de alimentación con suficiente tiempo de espera es una mejor opción.

Conclusión:

Determinar los requisitos de un diseño para la calidad de la energía es el primer paso para evitar el tiempo de inactividad y los costos de mantenimiento de la energía eléctrica sucia, el ruido eléctrico y los armónicos. Estos requisitos varían significativamente dependiendo del diseño de la máquina y sus funciones. Sin embargo, una vez definidos estos parámetros, los ingenieros de diseño pueden especificar adecuadamente las fuentes de alimentación con filtros, supresión de sobretensiones, energía de reserva y condicionamiento de energía. Esto puede mejorar profundamente la fiabilidad del equipo automatizado.