Falla de energía:¿Qué hace una unidad cuando cae la energía?

Los suministros públicos de electricidad son generalmente confiables, pero sufren perturbaciones. Obviamente, una pérdida total de suministro da como resultado la parada de todos los equipos eléctricos, a menos que tenga un suministro de respaldo, como un UPS y/o un generador de respaldo conectado. Cuando vuelve la energía, el equipo se reinicia desde el estado de apagado en la forma en que fue diseñado para iniciarse. Sin embargo, hay una clase de perturbaciones que toman la forma de breves interrupciones o caídas de voltaje donde el comportamiento no es tan obvio.

Las caídas de voltaje cortas no son infrecuentes. Pueden ser causados ​​por fallas en la línea provocadas por rayos o la caída de objetos como árboles, etc. Cada vez que ocurre una falla en el sistema de energía pública, una caída de voltaje se propaga desde el punto de falla por todo el sistema. El equipo de protección de la compañía eléctrica dispara el circuito defectuoso en una escala de tiempo en la región de 200 ms, después de lo cual la energía se recupera para la mayoría de los consumidores, a veces después de varios intentos por parte de los interruptores automáticos de recierre. Sin embargo, durante este tiempo, los consumidores de energía experimentan caídas de voltaje de varias profundidades dependiendo de su distancia eléctrica a la falla. En la industria pesada, las caídas de voltaje también ocurren cuando se arrancan motores grandes directamente en línea.

Es importante que los equipos eléctricos se comporten correctamente durante y después de una caída o interrupción, cuestión que se pasa por alto fácilmente. Debe pasar por un chapuzón corto o poco profundo. Si esto no es posible, el comportamiento correcto depende de la aplicación. en algunas aplicaciones, el equipo debe detenerse y esperar a que se reinicie, ya sea manualmente, para evitar el peligro de un arranque inesperado, o automáticamente, pero bajo control de coordinación para varios motores. Otras aplicaciones necesitan que el equipo se reinicie automáticamente cuando regrese la energía, de manera controlada. Si no se reinicia correctamente, se puede producir una pérdida de producción en la planta de fabricación, emergencias como personas atrapadas en ascensores, fallas en los sistemas de aire acondicionado y todo tipo de dispositivos electrónicos que necesitan una costosa visita de servicio para restablecerlos.

Bajadas e interrupciones

Las caídas e interrupciones más cortas suelen tener una duración de unos 10 ms, o medio ciclo de red. Cualquier cosa que supere los 10 s se consideraría una pérdida de potencia. El rango de duraciones donde necesitamos observar de cerca el comportamiento es principalmente desde 10 ms hasta aproximadamente 500 ms. En este rango, los errores de diseño pueden dar como resultado un comportamiento incorrecto, como que los procesadores se cuelguen o se bloqueen, o que los datos se dañen.

En un sistema trifásico, las fallas a menudo afectan solo a una fase, ya que los rayos y la caída de objetos a menudo solo afectan a una fase. Sin embargo, la falla puede extenderse a los tres. Una falla monofásica a tierra en el sistema de transmisión de alta tensión aparece como una falla línea a línea en el sistema de distribución de baja tensión, después de los transformadores delta-estrella. Las caídas del arranque del motor afectan las tres fases.

Almacenamiento de energía y recorrido

En un circuito electrónico típico alimentado por la red, hay un capacitor bastante grande conectado en la línea de suministro de CC interna para suavizar el voltaje rectificado y, por lo general, almacena suficiente energía para mantener el circuito en funcionamiento durante alrededor de 10 ms a 20 ms. Para caídas o interrupciones más cortas, continúa funcionando normalmente y puede haber un circuito de control de energía que detecte un voltaje bajo. Luego hay tiempo para ejecutar una breve rutina para guardar algunos datos esenciales en la memoria no volátil y poner el sistema en un estado conocido, desde el cual puede reiniciarse una vez que regrese la fuente de alimentación. Si se requiere una autonomía de hasta unos 100 ms, esto se puede lograr agregando capacitancia adicional, más allá de la cual se requeriría algún tipo de batería o UPS.

En una unidad de velocidad variable típica, debido al alto rendimiento de potencia, los condensadores no almacenan suficiente energía para suministrar la potencia de carga nominal, incluso durante 10 ms. No existe una posibilidad realista de superar la depresión de una manera sencilla utilizando la energía almacenada en el condensador, a menos que la potencia de la carga sea muy baja en ese momento. En algunas aplicaciones especiales, se han conectado condensadores externos, supercondensadores o baterías adicionales al bus de CC para garantizar el funcionamiento continuo, pero esto suele ser demasiado costoso.

Por otro lado, puede haber algo de energía útil almacenada mecánicamente en la inercia del motor. Dependiendo de la aplicación, es posible que se pueda usar parte de esta energía para mantener la unidad en un estado viable, lista para cuando regrese la energía.

Ride-through para unidades

La figura 1 muestra los principales componentes de alimentación de un variador de frecuencia de CA. Los estranguladores son opcionales y tienen poco efecto en el recorrido.

Figura 1:Principales componentes de potencia de un AC VSD

El rectificador es unidireccional, la energía solo puede pasar del suministro de CA al bus de CC. El inversor y el motor son bidireccionales, por lo que es posible que la energía regrese del motor al bus de CC del variador, siempre que también haya suficiente energía para mantener el motor magnetizado.

El variador de velocidad tiene una medida del voltaje del bus de CC, por lo que puede detectar una caída en el voltaje. Una breve interrupción del suministro de CA tiene el mismo efecto que una caída, ya que el voltaje de CC cae a medida que se descarga el capacitor. Hay varias situaciones posibles y el comportamiento detallado depende del modo de control del motor que se utilice. Consideremos un control de lazo abierto simple con una relación V/f fija básica.

En cualquier caso, donde el voltaje se recupera antes de que se alcance el nivel de detección de pérdida de suministro, continúa el funcionamiento normal. Hay un breve aumento de la corriente de entrada cuando el capacitor se recarga sin el beneficio del circuito de carga suave. El variador está diseñado para soportar esta sobretensión sin daño, pero se sabe que los interruptores automáticos funcionan en esta situación, especialmente cuando varios variadores se alimentan del mismo interruptor.

Rutina de pérdida de suministro:

Hay un parámetro de modo seleccionable por el usuario que ofrece la opción de tres acciones, que se pueden elegir para satisfacer las necesidades de la aplicación:

1. Sin acción (función de pérdida de suministro deshabilitada)
2. Rampa para parar
3. Paseo

En opción 1 el motor se detiene. El variador no realiza ninguna acción cuando el voltaje cae por debajo del nivel de detección de pérdida de suministro. Si el voltaje continúa cayendo por debajo del nivel de detección de bajo voltaje, el variador se desactiva y el motor se detiene por inercia. Si vuelve la energía, la unidad ejecuta un reinicio automático si los comandos habilitar y ejecutar para la unidad todavía están presentes.

Opción 2 normalmente se seleccionaría cuando la aplicación requiere múltiples movimientos coordinados y es importante que la unidad no intente acciones independientes. El motor se detiene en rampa cuando el voltaje cae por debajo del nivel de detección de pérdida de suministro. Si la alimentación regresa mientras el variador está desacelerando el motor, el variador continúa acelerando el motor hasta detenerlo; de lo contrario, el variador entra en un estado de bajo voltaje y se apaga.

Hay una diferencia en el comportamiento detallado entre algunos productos de Control Techniques una vez que la unidad se detiene si el suministro ha regresado:

• Para Unidrive M700 y productos relacionados:una vez que el motor se ha detenido, el variador entra en el estado deshabilitado y requiere que la señal de habilitación se active antes de que pueda volver a funcionar.
• Para Unidrive M100 a M400 y productos relacionados:una vez que el motor se ha detenido, mientras los comandos de activación y marcha aún estén presentes, el variador se reinicia y la velocidad del motor vuelve a la velocidad de referencia.

Opción 3 normalmente se seleccionaría cuando la aplicación requiera que el variador continúe en funcionamiento independiente en la medida de lo posible. El variador reduce el ajuste de velocidad del motor de manera controlada para que se mantenga el flujo del motor y la energía mecánica almacenada en el motor y la carga regresen al variador a medida que la velocidad cae. La energía se utiliza para mantener la corriente de magnetización del motor y para suministrar energía al circuito de control del variador. Si la energía regresa antes de que se agote la energía, el variador acelera el motor de regreso a su velocidad establecida.

La posibilidad de un recorrido exitoso depende claramente de la carga mecánica en ese momento y de la inercia específica del motor y su carga.

Tenga en cuenta que si la caída de voltaje ocurre en solo una fase de un suministro trifásico, la energía recuperada solo tiene que "llenar los espacios" para el rectificador durante los intervalos de voltaje de fase faltante, lo que requiere mucha menos energía que para un suministro trifásico. dip y es más probable que resulte en un recorrido exitoso.

Límite al número de intentos de reinicio automático

Esto se puede establecer en un número deseado o ilimitado.

Reinicio del motor giratorio:

En todas estas opciones, si se selecciona el reinicio automático, se debe considerar si se requiere la rutina "atrapar un motor girando". Cuando el variador ha mantenido el control del motor, es decir, en un estado de rampa o de funcionamiento, esto no es necesario. Sin embargo, una vez que se ha producido el disparo por bajo voltaje, el motor ya no se controla. Puede continuar girando como resultado de su inercia y/o factores externos como el flujo de aire en un ventilador. En ese caso, el reinicio podría fallar a menos que el algoritmo del motor giratorio esté habilitado.

Estándares y requisitos para caídas de energía, interrupciones y recorridos

Existen estándares armonizados internacionales y de la UE para la inmunidad de los productos eléctricos a las caídas e interrupciones del suministro eléctrico. En la UE esto está cubierto legalmente por la Directiva EMC. En el resto del mundo, generalmente se considera una cuestión de calidad del producto en lugar de la ley de EMC. Para equipos clasificados por debajo de 16 A por fase, el estándar de prueba es IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 en la UE), pero este estándar brinda una amplia gama de niveles de prueba opcionales y ningún criterio de aprobación/rechazo. Se debe consultar el estándar del producto para encontrar los requisitos precisos. Se puede tomar un requisito típico del estándar de inmunidad genérico para equipos industriales, IEC 61000-6-2:

El equipo debe funcionar como se especifica durante la inmersión y después, y no debe ocurrir pérdida o corrupción de los datos almacenados. Tenga en cuenta que esto no requiere un funcionamiento literal, en el sentido de continuar suministrando potencia de salida nominal, sino solo la operación según lo previsto. El propósito de la prueba es encontrar errores o fallos como estados colgados o datos almacenados dañados después de la caída/interrupción. Si la prueba se aplica a una máquina que incorpora transmisiones, entonces las transmisiones deben configurarse correctamente para garantizar que la máquina completa se comporte según lo previsto durante y después de las inmersiones.

Para equipos de más de 16 A por fase, existe otra norma de prueba IEC 61000-4-34. Este estándar es poco utilizado, debido a la dificultad y costo de los equipos de prueba. El comportamiento de una unidad de alta potencia se puede predecir de manera confiable mediante simulación y escalando a partir de un modelo de menor potencia.

Otro estándar para las perturbaciones de energía proviene del Consejo de la Industria de Tecnología de la Información (ITIC) en los EE. UU. y, a veces, se especifica para equipos de TI. No define un método de prueba sino solo un comportamiento de voltaje terminal. La curva ITIC (anteriormente curva CBEMA) muestra el funcionamiento continuado para interrupciones de hasta 20 ms. Solo aplica para suministros monofásicos y no se adapta fácilmente a trifásicos.

De la discusión anterior, puede ver que un variador puede lograr esto en el modo de conducción siempre que se pueda recuperar suficiente energía almacenada al desacelerar la carga, particularmente con un suministro trifásico.

Figura 2:La curva ITIC (anteriormente CBEMA)