«La nueva solución de accionamiento es mucho más eficiente energéticamente que el antiguo motor de anillos rozantes. Así, el ahorro total de energía se consigue por tres vías: el sistema de accionamiento eficiente, la energía que se ahorra al desconectar el generador de sobretensiones durante la puesta en marcha y la retroalimentación de la energía de frenado a la red, que antes se perdía en forma de calor».
Historia
Las pruebas de los equipos de conmutación de baja tensión y los sistemas de energía eléctrica son las principales competencias del centro de pruebas del International Product Safety GmbH (I²PS GmbH) en Bonn (Alemania). Este lugar cuenta con uno de los sistemas de generadores de sobretensión más eficaces del mundo. Durante la modernización de este sistema, la empresa decidió renovar el accionamiento disponible del generador de excitación. Esto se consiguió utilizando un motor asíncrono junto a la tecnología de convertidor de frecuencia de Eaton. El resultado aumentó la eficiencia energética del sistema, así como su flexibilidad.
El Institute for International Product Safety GmbH (I²PS GmbH) realiza pruebas y ensayos en los ámbitos de la electrotecnia, la electrónica y las especificaciones medioambientales de acuerdo con las normas nacionales e internacionales. Con sede en Bonn (Alemania), el laboratorio de pruebas utiliza los equipos de ensayo y las técnicas de medición más modernas y cuenta con la acreditación DIN EN ISO/IEC 17025. Los servicios de pruebas incluyen las áreas de dispositivos y sistemas industriales de baja tensión, la seguridad de los equipos eléctricos y la compatibilidad electromagnética (EMC), así como las pruebas medioambientales. Las pruebas de equipos para la tecnología de baja tensión con pruebas de cortocircuito y de arco interno con intensidades de hasta 300 kA también están incluidas en los servicios.
La alta energía necesaria para los experimentos la proporciona un generador de sobretensiones con un sistema de excitación independiente. Un dispositivo especial de control permite ajustar la excitación por impulsos generada por el excitador, incluso durante los cortocircuitos. De este modo, se dispone de una intensidad de cortocircuito constante con tiempos de flujo de intensidad cortos en el rango de 100 ms y con tiempos de flujo de intensidad más largos hasta unos pocos segundos. Esto permite reproducir las condiciones de cortocircuito exigidas por las normas para probar el generador o el transformador.
Desafío
El excitador del generador de sobretensiones estaba accionado por un motor de anillos rozantes con resistencias de arranque refrigeradas por aceite. Estas resistencias refrigeradas por aceite se calientan notablemente durante el arranque; asimismo, cuando el motor decelera, la energía de frenado calienta el aceite. Antes de volver a poner en marcha el motor, el operario de la máquina tuvo que esperar un tiempo para que el aceite se enfriara. Para ahorrar este tiempo, a menudo el generador de sobretensiones se mantenía en funcionamiento durante las fases de conversión más largas del montaje experimental. Sin embargo, esto desperdiciaba mucha energía. Además, el rotor del motor de anillos rozantes tenía ya más de 40 años, por lo que el mantenimiento y la adquisición de las piezas de repuesto necesarias eran cada vez más difíciles y muy costosos.
Por estos motivos, I²PS decidió buscar una solución de accionamiento moderna. Se determinó que el nuevo sistema debía cumplir los siguientes criterios: funcionar de forma fiable, ser eficiente energéticamente y permitir reinicios sin largas esperas. Además, en caso de avería o mal funcionamiento, el proveedor debe ofrecer un nivel de servicio de reparación suficiente.
Solución
En este contexto, I²PS ha desarrollado, en colaboración con Eaton, una solución que sustituye el motor de anillos rozantes por uno asíncrono. Se acciona mediante una unidad de accionamiento electrónico compuesta por un convertidor de frecuencia y una unidad de frenado regenerativo (AFE, Active Front End).
Ambos componentes pertenecen a la serie 9000X de Eaton; esta amplia gama de accionamientos de bus DC incluye varias unidades regenerativas y convertidores de frecuencia con potencias de entre 0,55 y 2.750 kW a 460 y 690 V. Siguen un concepto de diseño compacto y modular y ofrecen funciones versátiles, como arranque rápido, comunicación flexible y amplias opciones de configuración. Hay cinco ranuras disponibles para tarjetas opcionales de E/S y de comunicación para adaptarse a los requisitos específicos del cliente. Se admiten varios protocolos de comunicación para permitir la conexión a una amplia gama de sistemas de automatización basados en Modbus/TCP, Modbus/RTU, Profibus DP y Ethernet/IP. Además, la separación modular de las unidades de potencia y control simplifica la instalación y reduce la necesidad de piezas de repuesto.
En el caso de la solución I²PS, se utiliza la unidad inversora SPI300A0-4A3N1 y la unidad regenerativa SPA300A0-4A3N1 refrigerada por aire. El SPA AFE es un convertidor de tensión bidireccional para la parte delantera de un bus DC común. Convierte la corriente o tensión alterna en corriente o tensión continua. La energía se transmite de la red al bus DC o viceversa.
Cuando se utiliza en el excitador del generador de sobretensiones, la unidad regenerativa de Eaton suministra a la red la energía cinética que se libera durante el frenado. Antes, cuando el excitador se apagaba, se paraba por completo después de unos 30 minutos; sin embargo, con la unidad regenerativa SPA, la parada se alcanza en dos minutos. Igualmente, desde una parada, vuelve a la velocidad normal en dos minutos.
El filtro LCL (inductancia-capacitancia-inductancia) aguas arriba corrige cualquier distorsión de la forma de onda en la tensión de salida, produciendo así una potencia limpia con bajo nivel de armónicos que es adecuada para ser devuelta a la red. La distorsión armónica total (THD) es inferior al 5 %. A modo de comparación, los convertidores de frecuencia normales de seis pulsos tienen una THD de aproximadamente el 35 - 40 %. Con la regeneración de energía, el sistema no necesita grandes bancos de resistencias llenos de aceite para eliminar el exceso de energía. La eliminación de las resistencias aumenta el ahorro de energía y simplifica el diseño.
En teoría, se puede utilizar un chopper de frenado como alternativa para acelerar la deceleración del excitador. Sin embargo, esto convertiría la energía cinética en calor disipado de nuevo. Este tipo de sistema de frenado tendría un tamaño importante y, por tanto, requiere mucho espacio. En cambio, la solución favorecida por I²PS no sólo es más eficiente desde el punto de vista energético, sino que también ahorra más espacio que esta tecnología bastante común, pero significativamente más compleja.
El inversor SPI utilizado es un convertidor bidireccional alimentado por DC para controlar motores de corriente alterna. El inversor tiene un acoplamiento al bus DC y también permite al usuario el funcionamiento regenerativo de un sistema de accionamiento. De este modo, la energía de frenado de los accionamientos puede transmitirse directamente a un accionamiento motorizado a través de un acoplador de circuito intermedio o, como en el caso de I²PS, devolverse a la red. Al igual que la unidad regenerativa, el inversor refrigerado por aire también utiliza la tecnología IGBT, así como un teclado alfanumérico, y cumple con la clase T de compatibilidad electromagnética (EN 61800-3 para redes informáticas), así como con las normas de seguridad CE/UL.
Resultados
El sistema de accionamiento actualizado del excitador forma parte ahora de una planta generadora de sobretensiones con una potencia máxima de cortocircuito de 298 MVA. Por lo tanto, es posible realizar pruebas de cortocircuito en el rango de baja tensión con intensidades de prueba de hasta 300 kA. En el caso de configuraciones de prueba prolongadas, ahora es posible detener el generador de sobretensiones para ahorrar energía, sin perder tiempo. Antes de la modernización, esto sólo era posible un máximo de tres veces al día debido a las resistencias de arranque o frenado refrigeradas por aceite. Gracias a la nueva solución de accionamiento, se eliminan las fases de enfriamiento necesarias para el aceite intensamente calentado. La energía de frenado del motor de excitación se devuelve a la red. Por lo tanto, el sistema puede detenerse fácilmente en caso de que el trabajo de conversión del montaje experimental requiera mucho tiempo, y volver a ponerse en marcha rápidamente. Paralelamente, ha aumentado la flexibilidad del laboratorio de pruebas.
Klaus Heidelberg, director de Energía/Potencia de conmutación de I²PS, llegó a la siguiente conclusión: «La capacidad de parar y arrancar el generador de sobretensiones como y cuando sea necesario, es para nosotros una ventaja decisiva de la modernización. Además, la nueva solución de accionamiento es mucho más eficiente energéticamente que el antiguo motor de anillos rozantes. El ahorro total de energía se consigue así por tres vías: el sistema de accionamiento eficiente, la energía que se ahorra al desconectar el generador de sobretensiones durante la puesta en marcha y el retorno de la energía de frenado a la red, que antes se perdía en forma de calor. Además, el servicio de atención al cliente de Eaton durante las fases de instalación y puesta en marcha fue indispensable».
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