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Modernos convertidores de frecuencia para interconectar redes de frecuencias distintas

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nomo o para el reenvío de energía a una red donde no haya ningún alternador ni fuente de potencia reactiva. El convertidor de tiristores produce una cantidad de armónicas relativamente alta, pues funciona con un factor de potencia que varía en función del ángulo de retardo de encendido. Por esta razón, el convertidor de tiristores es poco adecuado para redes con potencias débiles de cortocircuito; además, frecuentemente se necesitan grandes filtros de corriente alterna para compensar las armónicas y el bajo factor de potencia. Se pueden evitar elegantemente estos problemas por medio de convertidores con circuito intermedio de tensión continua. Los

En muchas regiones de Estados Unidos era usual la frecuencia de 25 Hz

GTO son tiristores de conmutación automá-

antes de que se generalizara como estándar la frecuencia de 60 Hz. Hoy en

tica que no requieren energía de la red para

día aún existen numerosas fábricas aisladas que trabajan con 25 Hz. Hasta

conmutar, por cual son muy apropiados para

ahora no era posible el intercambio de electricidad con la red de 60 Hz, pero

los arranques autónomos y para el reenvío

los convertidores de frecuencia de la técnica más moderna permiten resolver

de energía a una red en la que no haya nin-

este problema con la máxima elegancia.

guna otra fuente de corriente. El uso de un convertidor GTO con aco-

H

plamientos de transformadores y estructuras asta que con el plan nacional se intro-

decir, sin aporte de energía de la red, y es-

de impulsión optimizados permite prescindir,

dujo la frecuencia de 60 Hz como estándar

tará en condiciones de asumir la totalidad

en parte o totalmente, de los filtros de armó-

para la distribución de energía, las distintas

de la carga si en el futuro el turbogrupo de

nicas en el lado red. Además, la conmuta-

compañías eléctricas utilizaban otras fre-

vapor de 25 Hz fuese puesto fuera de servi-

ción automática tiene la ventaja de que el

cuencias de red. Así, una gran parte de

cio o convertido a 60 Hz.

convertidor de circuito intermedio de tensión

Pennsylvania ha tenido suministro de co-

continua puede funcionar con un factor de

rriente con frecuencia de 25 Hz y, en concre-

potencia cualquiera. Por consiguiente, es

to, la fábrica de papel Westwaco Corpora-

Propiedades del convertidor

posible ajustar el convertidor en el factor de

tion, en Tyrone. Con el transcurso de los

de frecuencia

potencia más favorable para el sistema dado

años, naturalmente, los equipos de la em-

El convertidor de frecuencia con circuito in-

o combinarlo con un regulador de tensión

presa papelera han sido convertidos a 60

termedio de tensión continua equipado con

que controla automáticamente la potencia

Hz. En la actualidad queda un solo turbogru-

tiristores GTO de conmutación automática

reactiva independientemente de la potencia

po de vapor de 6 MVA, con potencia útil de

es fundamentalmente distinto de los conver-

activa. Si es necesario, el convertidor con

unos 4 MVA, que sigue funcionando con la

tidores con circuito intermedio de corriente

circuito intermedio de tensión continua

frecuencia antigua.

continua con tiristores convencionales.

puede utilizarse incluso como compensador

Se renunció conscientemente a convertir

Los convertidores con circuito interme-

a 60 Hz todos los equipamientos técnicos

dio de corriente continua están controlados

estático de potencia reactiva. A la vista de los detallados estudios he-

existentes. La dirección de la papelera creía

por la red, es decir, en el lado red debe

chos por ABB y por las razones ya mencio-

que utilizando un convertidor de frecuencia

haber un alternador para que los tiristores

nadas, Westwaco se decidió por un conver-

sería posible encontrar una solución razo-

puedan conmutar. Por esta razón, esta téc-

tidor con circuito intermedio de tensión con-

nable para el problema. Mientras que el

nica no es utilizable para el arranque autó-

tinua equipado con tiristores GTO.

convertidor de frecuencia sirve para alimentar la red de 60 Hz de la papelera, el turbogrupo a vapor de 25 Hz puede funcionar a

Configuración del sistema

plena potencia de modo que la turbina tra-

El convertidor de potencia 1 está formado

baja con mayor rendimiento. El convertidor

Tor-Eivind Moen

por 8 módulos de potencia de 1000 KVA

de frecuencia hace posible también un

ABB Industrial Systems Inc.

con batería de condensadores 2 , con una

arranque autónomo del lado de 25 Hz, es

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potencia de conversión máxima de 4 MVA.

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La medición de corriente y de tensión tiene

parte afectada del convertidor de frecuen-

formadores del convertidor de 60 Hz. Está

lugar en la barra de corriente continua.

cia y proseguir el funcionamiento a la mitad

unido al sistema de regulación y mando de la

Complementariamente se hacen medicio-

de la potencia.

instalación por medio de transformadores de

nes en las barras colectoras de 25 y 60 Hz

corriente y de tensión. El segundo interruptor

por medio de transformadores de corriente y de tensión.

automático, situado en la estación distribuiInterruptores automáticos

dora de 60 Hz, está equipado con una pro-

Cada uno de los convertidores está co-

En el lado de 25 Hz se encuentra ya un

tección de potencia y contra el reenvío de

nectado con dos transformadores de 60 Hz

interruptor automático trifásico destinado a

corriente, con relé de sobreintensidad y de

y otros dos de 25 Hz.

conectar los transformadores de convertidor

cortocircuito a tierra 50/51N y, al igual que

El sistema de convertidores ha demos-

con la red de 4160 V 3 . Los transformado-

los demás interruptores automáticos, con

trado ser muy fiable. Además, la configura-

res de corriente y de tensión necesarios los

transformadores de corriente y de tensión.

ción elegida para el sistema tiene redun-

proporcionó la compañía Westwaco.

A los interruptores automáticos no se les

dancia suficiente, obtenida por la intercone-

En el lado de 60 Hz con tensión 2400 V se

ha asignado ningún otro dispositivo de medi-

xión de las barras de corriente continua

han instalado dos interruptores automáticos

da o relé, ya que todas las funciones nece-

entre los cuatro pares de convertidores. Si

de 60 Hz dimensionados para 1200 A y 5 kV.

sarias las ejecuta el regulador del convertidor

uno de los componentes sufre un fallo de

Uno de estos interruptores automáticos

de frecuencia y se representan in situ, en el

funcionamiento, se puede desconectar la

fue montado en la proximidad de los trans-

panel de mando.

Una mitad del convertidor de frecuencia de la fábrica de papel de Westwaco Corporation en Tyrone, Pennsylvania, EE UU. Tiene una potencia de 2 MVA; los sistemas de regulación y vigilancia se encuentran en el armario de la izquierda.

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3

4

6

6 5

5

PSR

PSR

8 900 VDC

+ -

6

6

PSR

PSR

6

6

4160 V 25 Hz

2400 V 60 Hz

PSR PSR

5

5 8

PSR

PSR +

900 VDC

6

6

PSR 1

PSR 2

3

4

Esquema del convertidor de frecuencia destinado al acoplamiento de las redes de 25 y de 60 Hz de la fábrica de papel Tyrone, de Westwaco Corporation 1 2 3 4 5

Par de transformadores de 60 Hz Ondulador de 60 Hz Ondulador de 25 Hz Par de transformadores de 25 Hz Módulo de batería de condensadores

6 7 8

2

Dispositivo de vigilancia de la componente de corriente continua en la corriente del ondulador Sistema de medición de la tensión continua Sistema de medición de la corriente continua

Módulos de convertidores

por medio de una tarjeta de interfaz especial

El convertidor de frecuencia está formado

con seis cables de fibra óptica, los cuales

por un total de ocho módulos de acciona-

transmiten los trenes de impulsos para cada

miento modificados del tipo SAMISTAR, de

fase, así como las señales de marcha, de

1000 kVA 4 . Se trata de una técnica que

puesta a cero y de encendido.

•

subtensión o sobretensión en la barra de corriente continua,

•

subtensión o sobretensión en el convertidor directo de corriente continua,

• •

fallo de la tensión auxiliar,

ha demostrado suficientemente su eficacia

Todos los módulos de potencia tienen

y su economía. Miles de módulos de este

dispositivos de protección para los casos de

tipo se encuentran actualmente funcionan-

perturbación siguientes.

En el módulo se han integrado las siguientes

do en empresas papeleras y de laminación

• •

fallo de los tiristores GTO,

funciones:

sobreintensidad en los tiristores GTO,

•

de todo el mundo.

calor.

La regulación del convertidor está conectada a cada uno de los módulos de potencia

34

Revista ABB

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sobretemperatura en los disipadores de

duración mínima de la conexión y de la desconexión de los tiristores GTO,

En el esquema se emplean los símbolos usuales en EE UU

•

limitación de corriente GTO.

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El módulo de potencia ha sido construido de forma muy compacta –un módulo de 1000 kVA refrigerado por aire, que mide 1690 ×

Red de 60 Hz

550 × 540 mm (altura, longitud y profundidad)–, de modo que puede ser alojado en un armario de 850 mm de ancho. El módulo co-

Interruptor automático de 60 Hz

rrespondiente de la batería de condensadores, con medidas 1820 × 216 × 500 mm, cabe en un armario de 600 mm de ancho. Interruptor automático de 25 Hz existente

Tanto las unidades de convertidores

Interruptor automático de 60 Hz

como las de condensadores tienen configuración modular y disponen de ruedas sobre raíles para extraerlas del interior de los arma-

Instalación y turbogrupo de vapor de 25 Hz

Convertidor de frecuencia

rios; por tanto son fácilmente accesibles Instalación de 60 Hz

para los trabajos de reparación o de sustitución de componentes. Los módulos de potencia destacan, además, por tener unas pérdidas notablemente bajas. Disponen de un acoplamiento de nuevo tipo que permite recuperar la energía

3

Disposición de los interruptores automáticos tras el acoplamiento de las redes de 25 y 60 Hz por medio de los convertidores de frecuencia

del circuito de protección GTO. Un convertidor directo de corriente continua reenvía al circuito intermedio la energía del circuito de protección, de modo que el convertidor consigue un rendimiento superior al 98%. El balance de la explotación mejora considerable-

Uno de los ocho módulos de accionamiento de 1000 kVA del tipo SAMISTAR, con los que se ha constituido el convertidor de frecuencia

4

mente y al mismo tiempo se reduce la demanda de refrigeración. de frecuencia hasta valores inferiores a los límites estipulados por la norma IEEE STD Transformadores

519 combinando el acoplamiento de 12 im-

En total se utilizan ocho transformadores

pulsos y la optimización de la forma de im-

secos para el convertidor de frecuencia.

pulsión, sin necesidad de utilizar filtros de

Concebidos para refrigeración por convec-

corriente alterna. Considerados todos estos

ción natural de aire, cada uno tiene una po-

aspectos se decidió utilizar un acoplamiento

tencia nominal de 750 kVA. Con refrigera-

de transformadores de 12 impulsos 5 .

ción forzada, la potencia admisible llega a 1000 kVA.

Era necesario cuidar de que los dos transformadores que constituyen el acopla-

Para reducir al mínimo las armónicas pro-

miento de 12 impulsos estuvieran conecta-

ducidas por el convertidor de frecuencia es

dos en serie en el primario, y no en paralelo.

necesario utilizar acoplamientos de transfor-

Esto los diferencia de los transformadores

mador de 12 o de 24 impulsos. Teóricamen-

destinados a convertidores con circuito in-

te, un acoplamiento de transformador de 24

termedio de corriente continua, por ejemplo

impulsos produce menos armónicas que el

los rectificadores con tiristores o diodos.

de 12 impulsos, pero se puede reducir

Normalmente, éstos tienen dos transforma-

mucho esta diferencia optimizando la forma

dores acoplados en paralelo o un solo

de impulsión. El acoplamiento de 24 impul-

transformador con dos arrollamientos se-

sos tiene además el inconveniente de exigir

cundarios.

arrollamientos especiales y de tener menor

En el caso de los convertidores de fre-

redundancia que el sistema de 12 impulsos.

cuencia con circuito intermedio de tensión

En la mayoría de casos se pueden reducir

continua no es posible usar arrollamientos

las armónicas producidas por el convertidor

secundarios conectados en paralelo, puesto

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que la tensión conmutada de cada módulo de convertidores sería cortocircuitada por el flujo magnético en el núcleo del transformador común. Este problema se evita utilizando dos transformadores separados. Los arrollamientos primarios conectados en serie suman las tensiones de los convertidores y el resultado es un comportamiento de 12 impulsos. El acoplamiento en serie produce, además, un reparto más regular de la co-

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6 Panel de mando con sistema de visualización por LCD; debajo, el sistema de regulación rápida programable (PSR) para el convertidor de frecuencia

rriente en los convertidores. Para evitar la saturación de los transformadores es imprescindible garantizar que los convertidores no produzcan componentes de corriente continua en sus bornes alternos. Si no se adoptan las correspondientes medidas de protección, existe la probabilidad de que aparezcan componentes de

5

Acoplamiento de 12 impulsos para el convertidor de frecuencia Lado primario, conectado a la red Lado secundario, conectado al convertidor de frecuencia

660 V

660 V 660 V

1 2

660 V

1

660 V

660 V

2

corriente continua con tensiones compren-

en el convertidor, que compensan activa-

sicamente por un procesador, entradas y sa-

didas entre 10 y 300 mV. Considerando las

mente los posibles componentes de co-

lidas analógicas y digitales (E/S), modulado-

corrientes de magnetización de los trans-

rriente continua.

res de anchura de impulsos (PWM) y un

formadores de potencia y la baja resistencia

panel de mando. El componente regulador

interna de los arrollamientos, una tensión

puede por tanto ser ajustado a las necesida-

continua como ésta puede provocar un

Regulador

des de explotación y a las características de

flujo continuo que termine por saturar los

El convertidor de frecuencia dispone de una

los diferentes sistemas.

transformadores. ABB ha resuelto este pro-

regulación programable rápida (PSR) 6 . Se

La unidad procesadora PSR está asistida

blema utilizando retornos de gran precisión

trata de un sistema modular constituido bá-

por un sistema de bus de campo ArcNet.

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Así, el PSR puede identificar el estado de los

cia o por un regulador de potencia reacti-

de ABB, perfectamente familiarizados con

contactos de señalización y dirigir los relés

va. Para este último, el operador puede

todos los componentes esenciales, están

por medio de un cable coaxial, con ayuda de

elegir el valor de consigna y el régimen de

en condiciones de realizar trabajos de servi-

un protocolo secuencial. La unidad de pro-

funcionamiento. Si aumenta el flujo de po-

cio incluso en instalaciones muy especiales

cesador, además, está unida a la interfaz de

tencia, entra en acción un limitador de co-

de convertidores de frecuencia.

usuario, que ha sido programada para regis-

rriente que actúa ante todo sobre la co-

trar todos los mensajes de perturbaciones,

rriente activa.

Actualmente, con la segunda generación de PSR, se han mejorado mucho las

las señales de desconexión, las corrientes,

Si se produce energía en el lado de 25

posibilidades de diagnóstico. Un panel de

las tensiones, los valores de consigna de la

Hz, el regulador correspondiente de fre-

control con visualización por LCD permite

potencia, etc.

cuencia ha de funcionar en régimen de re-

leer todos los parámetros del sistema y

Los convertidores de 60 Hz disponen de

gulación de corriente. La componente de

analizar los mensajes de perturbación o

moduladores de anchura de impulsos con

corriente activa de 25 Hz se utiliza entonces

desconexión. Si se produce una descone-

ciclos quíntuples, optimizados para el aco-

para regular el flujo de energía a través del

xión como consecuencia de un fallo, una

plamiento de 12 impulsos. De este modo se

convertidor de frecuencia.

impresora conectada al panel de mando

consigue una frecuencia de conmutación GTO de 300 Hz.

El valor de consigna para el regulador de

imprime automáticamente los mensajes de

corriente reactiva de 25 Hz está determina-

perturbaciones y los parámetros mostrados en el monitor.

Los convertidores de 25 Hz tienen modu-

do por un regulador de potencia o por un

ladores de anchura de impulsos con ciclos

regulador de potencia reactiva. Para este úl-

La comodidad de manejo del convertidor

múltiples de once; la frecuencia de conmuta-

timo el usuario puede elegir el valor de con-

de frecuencia puede mejorarse aún más si

ción GTO resultante es de 275 Hz.

signa y el régimen de funcionamiento. Si au-

se conecta el PSR a un ordenador personal

menta el flujo de potencia, entra en acción

a través de un módem. El personal de servi-

un limitador de corriente de 25 Hz que actúa

cio de ABB puede entonces comunicar con

ante todo sobre la corriente activa.

el sistema desde cualquier lugar del mundo.

Software Con el programa FUPLA2 (Function Plan

Si no se produce energía alguna en el

Language, Versión 2) para el PSR se pueden

lado de 25 Hz, se necesitará un regulador de

cuencia en pleno funcionamiento, a través

programar todas funciones de control, como

tensión alterna. El circuito PLL de 25 Hz es

de una línea telefónica, empleando las varia-

adiciones, multiplicaciones, etc., con módu-

sustituido por un valor de consigna fijo para

bles del programa y los parámetos de ex-

los matemáticos y lógicos. Las funciones se-

una frecuencia de 25 Hz. El regulador de

plotación, que pueden ajustarse en funcio-

cuenciales se programan con un programa

tensión está ajustado de modo que la ten-

namiento on-line. Y, además, es posible mo-

que corresponde al plano de los contactos.

sión de la red de 25 Hz se mantenga en su

dificar o ampliar el programa.

El software está configurado para hacer

Así, se puede analizar el convertidor de fre-

valor nominal. Por consiguiente, la corriente

disponibles las funciones siguientes:

que pasa a la red de 25 Hz está determinada

•

interfaces hacia el panel de mando, para

exclusivamente por la carga instantánea de

Bibliografía

las instrucciones de lectura y los valores

la red. La única función limitadora de corrien-

[1] Wiley, B. G.; Frisch, J.; Dähler, P.; Stritt-

de consigna; variables, estados, mensa-

te la ejerce el limitador que actúa en el nivel

matter, M.; Suter, E.: Acoplamiento de dos

jes de perturbaciones y señales de des-

del convertidor de frecuencia.

redes de media tensión con convertidor de

• •

conexión para el sistema visualizador;

frecuencia en contenedor. Técnica ABB,

todos los mandos secuenciales, inclusive

2/96, 25–31.

el arranque y la parada del sistema;

Comodidad de uso y posibilidades

[2] Steiner, P.; Hartmann, P.; Perrin, C.;

exploración y lectura sincronizados de

de diagnóstico

Rufer, A.: PSR: el sistema de regulación

los valores de 25 y 60 Hz, con sincroni-

Las instalaciones de convertidores especia-

más rápido del mundo, programable según

zación de ambos sistemas por medio de

les de frecuencia son mucho más cómodas

esquema funcional. Técnica ABB, 2/93, 21–28

un circuito PLL (Phase Locked Loops).

de manejar si se usan componentes fabrica-

El programa de 60 Hz regula la tensión de la

dos en serie. ABB está actualmente en con-

barra colectora de tensión continua y la

diciones de fabricar instalaciones complejas

mantiene en el valor nominal de 900 V. El re-

de convertidores de frecuencia hechas a

Dirección del autor

gulador de tensión de la barra colectora

medida para módulos de accionamiento

Tor-Eivind Moen

prescribe el valor de consigna al regulador

con velocidad regulada destinados a misio-

ABB Industrial Systems Inc.

activo de corriente.

nes muy especiales, y esto empleando

Power Electronics

El valor de consigna del regulador de

componentes estándar. De este modo se

P.O. Box 372

corriente reactiva en el lado de 60 Hz viene

garantiza el suministro de piezas de recam-

New Berlin, Wisconsin 53151, USA

dado por un regulador de factor de poten-

bio en todo el mundo. Los técnicos locales

Telefax: +1 414 784 7215A

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