Principios básicos de los accionamientos regenerativos:Parte 2

Después de nuestro artículo anterior, que brindaba una breve descripción general del funcionamiento de la unidad regenerativa, aquí vemos algunos de los factores especiales que deben tenerse en cuenta con el funcionamiento regenerativo.

El efecto en la red eléctrica (red eléctrica de CA)

Reglamentos

Estas son las regulaciones impuestas por las compañías eléctricas para garantizar que la generación integrada no interrumpa la seguridad o la confiabilidad del suministro eléctrico. El resto de esta sección cubre los temas más importantes controlados por las regulaciones. Si el sistema de regeneración se va a utilizar como generador intencional, deberá cumplir con las normas vigentes en el lugar de uso. Si no es así, los temas cubiertos aún deben considerarse siempre que la clasificación actual del sistema de regeneración sea una parte considerable de la clasificación del sistema de energía local, para garantizar que, en caso de falla o mal funcionamiento, no se causen daños a otros equipos conectados. .

Corriente de cortocircuito

Un generador local contribuye a la corriente en una falla eléctrica (cortocircuito) y puede afectar la seguridad o la clasificación requerida del tablero eléctrico. En cualquier instalación de generador propuesta, se debe calcular la corriente de falla adicional. Sin embargo, el inversor Regen tiene un impacto insignificante, porque la protección electrónica contra sobrecorriente interrumpe la corriente excesiva mucho más rápido de lo que puede actuar un disyuntor o un fusible. La corriente máxima de cortocircuito para la generación actual de inversores CT es del 260% de la corriente nominal, y una vez que el inversor se dispara, la corriente decae a cero en menos de 4 ms (dependiendo del valor del estrangulador de CA). La corriente máxima para el índice de protección se toma en al menos medio ciclo de la frecuencia de suministro. Estos factores juntos hacen que la contribución de la corriente de falla sea insignificante.

Operación isla

Si la red eléctrica se desconecta de una instalación en la que está funcionando un generador, existe la posibilidad de que se produzca una "isla" de energía en la que la generación local mantiene sin querer las cargas locales energizadas. Esto no es muy probable, porque sin un gobernador diseñado específicamente para regular la frecuencia, no hay nada que garantice que la oferta y la demanda estén equilibradas. Normalmente, la frecuencia se mueve rápidamente fuera del rango de trabajo y el sistema se dispara. Además, no hay control de voltaje o potencia reactiva. Sin embargo, si se produjera una isla, habría un riesgo de seguridad para los trabajadores eléctricos y un riesgo de daño al equipo local en la isla si el voltaje o la frecuencia se movieran más allá de su rango seguro.

Si un sistema Regen tiene una fuente de energía (p. ej., un motor, una batería u otro depósito de energía) de modo que sea posible el funcionamiento en isla, se debe proporcionar protección contra la ocurrencia de una isla dañina. El rango de frecuencia del controlador regenerativo debe restringirse en la configuración de parámetros a un rango seguro, y debe incorporarse un relé de sobrevoltaje para disparar el inversor si el voltaje llega a ser excesivo.

Para los generadores intencionales, existen estándares para la protección de isla (a veces denominada protección de "pérdida de red eléctrica" ​​(LOM). Algunos de estos requieren que el inversor opere un algoritmo especial para detectar la condición de isla, que está disponible como una instalación estándar en el Variador Unidrive M. Algunos de ellos requieren un relé de protección homologado independiente.

Isla intencional, generación de respaldo

Tenga en cuenta que el inversor de regeneración no se puede utilizar como un generador independiente, por ejemplo, como suministro de respaldo en caso de pérdida de suministro de red. Solo se puede utilizar junto con un suministro existente con el que se sincroniza.

Recorrido

Es posible que se requiera que los generadores intencionales continúen en funcionamiento durante una perturbación de la red eléctrica. La situación más común es cuando ocurre una falla (cortocircuito) en algún lugar de la red eléctrica que resulta en una caída repentina de voltaje en las terminales del generador. Esto puede ser equilibrado o desequilibrado entre las tres fases. Durante el recorrido, es posible que no sea posible continuar generando la potencia nominal si el voltaje es demasiado bajo, pero se requiere corriente reactiva para respaldar el voltaje y ayudar a la red a recuperar el control una vez que los dispositivos de protección automática hayan desconectado el circuito defectuoso.

Un AFE simple es bastante sensible a las perturbaciones de tensión porque su funcionamiento se basa en un equilibrio preciso entre la forma de onda de la tensión de red y la generada dentro del inversor. A menos que tenga capacidad de conducción, es más probable que cause disparos molestos que un simple rectificador. El Unidrive M tiene una capacidad de respaldo seleccionable que cumple con los requisitos de los principales estándares nacionales, como las pautas BDEW para generadores conectados a redes de MT.

Es importante tener en cuenta que en el funcionamiento regenerativo normal, el inversor Regen ajusta su salida de potencia al sistema de alimentación de CA para regular el voltaje del bus de CC al valor deseado. Durante una perturbación de voltaje, ya no puede generar su potencia nominal completa, por lo que es posible que no pueda continuar regulando el voltaje de CC. La fuente de alimentación tiene que asumir este papel. Si no lo hace, puede haber un disparo por sobretensión si la potencia de entrada supera la de salida. Alternativamente, se puede conectar una resistencia de frenado para absorber el exceso de energía.

Regulación de Potencia y Frecuencia

El equilibrio de la oferta y la demanda en la red eléctrica de CA se logra mediante la regulación de la frecuencia. Es posible que se requiera un generador intencional para ayudar en esto respondiendo a comandos de potencia externos, o para implementar una función de control de potencia contra frecuencia. Esto se puede programar como una aplicación en el variador.

Armónicos e interarmónicos

Como se discutió en el primer blog de regeneración, el inversor de regeneración genera niveles insignificantes de corriente armónica verdadera, es decir, en múltiplos enteros de la frecuencia de suministro de CA. Interactúa con los armónicos existentes en el suministro y también genera productos de modulación PWM. Estos se encuentran en frecuencias altas que durante muchos años se consideraron fuera del rango de los armónicos, que generalmente terminaban en el orden 40. Sin embargo, los estándares e instrumentos técnicos más recientes han comenzado a considerar los armónicos hasta el orden 100.

Por ejemplo, tome un sistema que opere a una frecuencia de línea nominal de 60 Hz y una frecuencia de conmutación de 3 kHz. Las principales frecuencias relacionadas con la conmutación presentes serán 2880 Hz y 3120 Hz. Estos son 48 y 52 veces la frecuencia de suministro. Sin embargo, las dos frecuencias no son cantidades conmensurables o, en otras palabras, no están sincronizadas en fase. Si la frecuencia de línea fuera de 60,1 Hz, las frecuencias de producto equivalentes serían 2879,8 Hz y 3120,2 Hz. Cuando se conecta un instrumento de análisis de armónicos en un sistema de este tipo, probablemente indicará estos como los armónicos 48 y 52, si tiene el ancho de banda estándar de 5 Hz, o podría indicar una incapacidad para sincronizar los datos.

Si la frecuencia de conmutación hubiera sido de 4 kHz, las principales frecuencias presentes serían 3880 Hz y 4120 Hz, que no son frecuencias armónicas. Serían indicados como "interarmónicos" por un analizador con función de interarmónicos, o podrían ser ignorados por un analizador de armónicos básico con un ancho de banda normal de 5 Hz.

Los armónicos e interarmónicos discutidos anteriormente son conjuntos trifásicos con secuencia de fase positiva o negativa. Esto significa que, a diferencia de los voltajes de "ruido" de modo común de alta frecuencia, pasan a través de transformadores y pueden causar interferencias más allá del transformador de suministro del sitio. El filtro de frecuencia de conmutación es necesario para reducir sus magnitudes a valores aceptables.

Interacción con la fuente/sumidero de energía CC:control de voltaje

Cuando un sistema de regeneración está conectado a una fuente o carga de CC, se debe pensar en el control del voltaje de CC. En un sistema de accionamiento regenerativo, el accionamiento de la máquina se convierte efectivamente en una fuente de energía constante y el inversor de regeneración ajusta su exportación de energía para equilibrar la energía entrante en el voltaje de CC deseado. Otros sistemas pueden tener características muy diferentes. Por ejemplo, en un inversor fotovoltaico, la tensión y la corriente de CC están controladas por la curva de tensión/corriente del conjunto de elementos fotovoltaicos para la insolación y la temperatura dadas. El inversor naturalmente no "sabe" qué voltaje elegir, por lo que el algoritmo MPPT debe adaptar la referencia de voltaje de CC del inversor regenerativo para encontrar el punto de potencia óptimo.

Tensión de modo común de suministro de CC

El suministro de CC en un sistema de regeneración tiene un voltaje de modo común inusual, que es el voltaje promedio entre sus polos y tierra. Un análisis de forma de onda de voltaje completo es bastante complejo, pero al consultar el esquema simplificado en la Figura 1 del primer blog, puede deducir que cuando uno de los pares de transistores inversores de entrada cambia su estado, la tendencia es para el voltaje del circuito de bus de CC cambiar en un paso igual a V_DC, con respecto a tierra. De hecho, el paso está restringido por la división de voltaje alrededor del estrangulador de entrada a 1/3 V_DC. Este paso ocurre cada vez que cambia una fase, es decir, seis veces en cada ciclo de conmutación de PWM.

Esto significa que cuando el suministro de CA es un suministro de BT de red convencional con neutro conectado a tierra, el bus de CC transporta un alto voltaje de modo común que es un patrón PWM complejo con flancos de rápido aumento, que contiene un amplio espectro de frecuencias. Algunos de los efectos de esto se dan en la siguiente lista:

1. Ninguno de los variadores conectados al bus de CC, ni el propio inversor Regen, debe tener los capacitores de filtro EMC internos en su lugar, ya que estos capacitores podrían sobrecargarse con el voltaje de modo común y causarían altas corrientes de tierra circulantes, lo que daría como resultado en mal funcionamiento del inversor.
2. No se debe conectar ningún filtro RFI al bus de CC, por la misma razón que en 1.
3. El bus de CC es "ruidoso", por lo que si se distribuye a través de conductores no apantallados, puede causar interferencias en los circuitos de señal cercanos. Si la alimentación de CC se va a distribuir en distancias significativas, debe ser en cables apantallados. Sin embargo, si los cables son largos, la corriente de tierra de alta frecuencia en su capacitancia parásita provocará una pérdida de potencia adicional en los estranguladores Regen.
4. No se puede conectar ningún otro equipo al bus de CC a menos que se haya confirmado que puede tolerar el voltaje de modo común. (Por ejemplo, es probable que los equipos diseñados para funcionar con un suministro de CC tengan su propio filtro RFI, que no podría tolerar el voltaje de modo común. Sin embargo, la mayoría de los transductores de corriente y voltaje están diseñados para tolerar el voltaje de modo común).

Para aplicaciones especiales donde estos efectos son inaceptables, una solución es usar un transformador aislador en la entrada para que el suministro de CA esté aislado de tierra. Entonces es posible operar con un polo del bus de CC conectado a tierra directamente, por lo que no hay voltaje de modo común. O puede conectarse a tierra a través de capacitores o un filtro RFI, según se requiera, para reducir el ruido de modo común de alta frecuencia que es más probable que cause interferencia. Esto se utiliza, por ejemplo, en inversores fotovoltaicos y en sistemas en los que la alimentación de CC debe distribuirse entre varias cargas.

Filtros, Impedancia de alimentación, Control de corriente

El filtro de frecuencia de conmutación se ha discutido anteriormente en relación con evitar interferencias con otros equipos conectados al mismo circuito de alimentación. El filtro también debe ser considerado en términos de su efecto en el sistema de control del inversor.

En un inversor de 3 kHz, la frecuencia de rotación del filtro es de aproximadamente 800 Hz, por lo que proporciona una atenuación útil a 2900 Hz. La rotación se ve algo afectada por la impedancia de suministro, que es una incógnita para estas frecuencias inusuales. Esto significa que la ganancia de bucle de corriente en el inversor no debe establecerse demasiado alta, de lo contrario, la estabilidad alrededor de 800 Hz se vuelve marginal y el sistema se vuelve sensible a las perturbaciones y puede fallar. Para la mayoría de las aplicaciones de accionamiento convencionales, donde el sistema de regeneración es una de las muchas cargas en una red de distribución industrial de BT, hay suficiente amortiguación natural para que no surjan requisitos especiales. Los valores predeterminados suelen ser efectivos.

Cuando uno o más sistemas de regeneración se alimentan desde un suministro dedicado, con poco más conectado, es posible que los bucles de corriente estén subamortiguados. Esto se puede identificar fácilmente utilizando un osciloscopio para ver las formas de onda de la corriente de línea, ya que se producen ráfagas de oscilación ("resonar") con un período de aproximadamente 800 Hz, a menudo en 6 puntos en cada ciclo de red. En esta situación, la estabilidad se puede recuperar reduciendo el término P en los lazos de control de corriente. También podría ser necesario reducir las ganancias del bucle de voltaje para evitar un control de voltaje subamortiguado causado por el bucle de corriente más lento. Si la aplicación es muy dinámica y estas ganancias más bajas no son aceptables, entonces se requiere un método alternativo para mejorar la amortiguación. Hay dos opciones:

1. Agregue más condensadores de filtro. Esto reduce la frecuencia de rotación del filtro a un valor en el que los bucles de control de corriente tienen menos retraso de fase y pueden contribuir a la amortiguación activa.
2. Utilice un filtro húmedo. Esto utiliza algunos condensadores adicionales y resistencias pequeñas para proporcionar amortiguación. Hay más información disponible en el soporte técnico de CT.

Ambas opciones se han utilizado con eficacia. El inconveniente de la opción 1 es que pueden ser necesarios varios condensadores, que ocupan espacio y también provocan una corriente reactiva elevada que luego podría tener que ser compensada por la función de control de corriente reactiva del inversor. El inconveniente de la opción 2 es que las resistencias provocan una cierta pérdida de potencia permanente y también deben protegerse contra sobrecargas en caso de armónicos anormales en el suministro, lo que hace que la opción sea bastante compleja.