Variadores Regenerativos Explicados: Principios Clave y Consideraciones Regulatorias – Parte 2

Continuando con nuestro artículo anterior que ofrecía una visión general del funcionamiento de variadores regenerativos, aquí examinamos factores especiales a considerar en operación regenerativa.

Efecto en la red eléctrica (red CA)

Regulaciones

Son los requisitos que imponen las compañías eléctricas para asegurar que la generación distribuida no comprometa la seguridad o fiabilidad del suministro. Esta sección cubre los temas más importantes regulados. Si el sistema regenerativo se usa como generador intencional, debe cumplir las regulaciones vigentes en el lugar de uso. Si no, los temas tratados deben considerarse siempre que la corriente nominal del sistema regenerativo sea una parte considerable de la capacidad del sistema eléctrico local, para garantizar que en caso de fallo o mal funcionamiento no se dañe otro equipo conectado.

Corriente de cortocircuito

Un generador local contribuye a la corriente en un fallo eléctrico (cortocircuito), pudiendo afectar la seguridad o el dimensionamiento de los equipos de maniobra. En cualquier instalación de generación propuesta, la corriente de fallo añadida debe calcularse. Sin embargo, el inversor regenerativo tiene impacto despreciable, porque su protección electrónica contra sobrecorriente interrumpe la corriente excesiva mucho más rápido que un interruptor o fusible. La corriente punta de cortocircuito en la generación actual de inversores CT es el 260% de la corriente nominal, y tras el disparo del inversor la corriente decae a cero en menos de 4 ms (según el valor del choke de CA). La corriente punta para dimensionamiento de protección se toma al menos sobre un semi-ciclo de la frecuencia de red. Estos factores hacen que la contribución a la corriente de fallo sea despreciable.

Operación en isla

Si la red se desconecta de una instalación donde opera un generador, puede ocurrir una "isla" eléctrica donde la generación local mantiene inadvertidamente energizadas las cargas locales. Es poco probable, porque sin un regulador de frecuencia diseñado ad hoc no hay nada que asegure el equilibrio entre oferta y demanda. Normalmente la frecuencia sale rápidamente del rango de trabajo y el sistema dispara. Tampoco hay control de tensión ni potencia reactiva. Pero si ocurriera una isla, habría riesgo de seguridad para trabajadores eléctricos y riesgo de daño a equipos locales si tensión o frecuencia superan sus rangos seguros.

Si un sistema regenerativo tiene una fuente de energía (motor, batería u otro almacenamiento) que haga posible la operación en isla, debe proveerse protección contra una isla dañina. El rango de frecuencia del variador regenerativo debe restringirse en los ajustes de parámetros a un rango seguro, y debe incorporarse un relé de sobretensión para disparar el inversor si la tensión se vuelve excesiva.

Para generadores intencionales existen normas de protección anti-isla (a veces llamada protección "Loss of Mains" - LOM). Algunas exigen que el inversor ejecute un algoritmo especial para detectar la condición de isla, disponible como función estándar en el variador Unidrive M. Otras exigen un relé de protección independiente homologado.

Isla intencional, generación de respaldo: El inversor regenerativo no puede usarse como generador autónomo (p.ej. suministro de respaldo ante pérdida de red). Solo funciona en conjunción con una red existente a la que se sincroniza.

Capacidad de rodeo (Ride-through)

Los generadores intencionales pueden requerir continuar operando durante una perturbación de la red. La situación más común es un fallo (cortocircuito) en algún punto de la red que causa una caída brusca de tensión en los bornes del generador, pudiendo ser equilibrada o desequilibrada entre las tres fases. Durante el rodeo, puede no ser posible generar la potencia nominal si la tensión es muy baja, pero se requiere corriente reactiva para sostener la tensión y ayudar a la red a recuperar el control una vez que el circuito defectuoso ha sido desconectado por protecciones automáticas.

Un AFE simple es bastante sensible a perturbaciones de tensión porque su operación depende de un equilibrio preciso entre la forma de onda de la red y la generada internamente. Sin capacidad de rodeo, tiende más a disparos molestos que un rectificador simple. El Unidrive M tiene capacidad de rodeo seleccionable que cumple requisitos de normas nacionales importantes como las directrices BDEW para generadores conectados a redes de media tensión.

Es importante entender que en operación regenerativa normal el inversor ajusta su potencia de salida al sistema CA para regular la tensión del bus CC al valor deseado. Durante una perturbación de tensión ya no puede generar su potencia nominal completa, por lo que puede ser incapaz de seguir regulando la tensión CC. La fuente de potencia debe asumir entonces ese rol. Si no lo hace, puede haber disparo por sobretensión si la potencia entrante supera a la saliente. Alternativamente, se puede conectar una resistencia de frenado para absorber el exceso de potencia.

Regulación de potencia y frecuencia

El equilibrio entre oferta y demanda en la red CA se logra regulando la frecuencia. Un generador intencional puede requerir participar respondiendo a órdenes externas de potencia, o implementando una función de control de potencia frente a frecuencia. Esto puede programarse como una aplicación en el variador.

Armónicos e interarmónicos

Como se discutió en el primer artículo sobre regeneración, el inversor regenerativo genera niveles despreciables de corriente armónica verdadera (múltiples enteros de la frecuencia de red). Interactúa con armónicos existentes en la red y genera productos de modulación PWM. Estos están en frecuencias altas que durante años se consideraron fuera del rango de armónicos (generalmente hasta orden 40). Sin embargo, normas e instrumentos técnicos más recientes consideran armónicos hasta orden 100.

Ejemplo: Sistema a 60 Hz nominal y frecuencia de conmutación 3 kHz. Las frecuencias principales relacionadas con la conmutación serán 2880 Hz y 3120 Hz (órdenes 48 y 52). No son cantidades conmensurables (no están bloqueadas en fase). Si la frecuencia de red fuera 60,1 Hz, los productos serían 2879,8 Hz y 3120,2 Hz. Un analizador armónico probablemente los indicaría como armónicos 48 y 52 (si tiene ancho de banda estándar 5 Hz), o indicaría incapacidad de sincronizar datos.

Si la frecuencia de conmutación fuera 4 kHz, las frecuencias principales serían 3880 Hz y 4120 Hz (no armónicas). Se indicarían como "interarmónicos" por un analizador con esa capacidad, o serían ignoradas por un analizador armónico básico con ancho de banda 5 Hz.

Todos estos armónicos e interarmónicos son conjuntos trifásicos con secuencia de fase positiva o negativa. 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/carga CC – Control de tensión

Al conectar un sistema regenerativo a una fuente o carga CC, debe pensarse en el control de la tensión CC. En un sistema de accionamiento regenerativo, el variador de la máquina se convierte efectivamente en una fuente de potencia constante, y el inversor regenerativo ajusta su potencia de exportación para equilibrar la potencia entrante a la tensión CC deseada. Otros sistemas pueden tener características muy diferentes. Por ejemplo, en un inversor fotovoltaico, la tensión y corriente CC están controladas por la curva tensión/corriente del array FV para la insolación y temperatura dadas. El inversor no "sabe" naturalmente qué tensión elegir, así que la referencia de tensión CC del inversor regenerativo debe adaptarse mediante el algoritmo MPPT para encontrar el punto de máxima potencia.

Tensión de modo común en la alimentación CC

La alimentación CC en un sistema regenerativo tiene una tensión de modo común inusual (tensión media entre sus polos y tierra). Un análisis completo de la forma de onda es complejo, pero refiriéndose al esquema simplificado de la Figura 1 del primer artículo, se deduce que cuando uno de los pares de transistores del inversor de entrada cambia de estado, la tensión del circuito del bus CC tiende a cambiar en un escalón igual a V_DC respecto a tierra. En realidad, el escalón se limita por la división de tensión alrededor del choke de entrada a 1/3 V_DC. Este escalón ocurre cada vez que una fase conmuta, es decir, seis veces por ciclo de conmutación PWM.

Esto significa que cuando la alimentación CA es una red BT convencional con neutro conectado a tierra, el bus CC lleva una alta tensión de modo común: un patrón PWM complejo con flancos rápidos, conteniendo un amplio espectro de frecuencias. Algunos efectos:

1. Ninguno de los variadores conectados al bus CC, ni el propio inversor regenerativo, deben tener los condensadores del filtro EMC interno colocados, porque estos condensadores podrían sobrecargarse por la tensión de modo común, causando altas corrientes de tierra circulantes y mal funcionamiento del inversor.
2. No debe conectarse filtro RFI al bus CC, por la misma razón.
3. El bus CC es "ruidoso"; si se distribuye por conductores sin apantallar, puede interferir circuitos de señal cercanos. Si la potencia CC debe distribuirse a distancias significativas, debe usar cables apantallados. Pero si los cables son largos, la corriente de tierra de alta frecuencia en su capacitancia parásita causará pérdida adicional de potencia en los chokes del regenerativo.
4. Ningún otro equipo puede conectarse al bus CC salvo que se confirme que tolera la tensión de modo común. (Equipos diseñados para alimentación CC suelen tener su propio filtro RFI, que no toleraría la tensión de modo común. La mayoría de transductores de corriente y tensión sí están diseñados para tolerarla.)

Para aplicaciones especiales donde estos efectos sean inaceptables, una solución es usar un transformador de aislamiento en la entrada para que la alimentación CA quede aislada de tierra. Entonces es posible operar con un polo del bus CC conectado directamente a tierra (sin tensión de modo común), o conectado a tierra a través de condensadores o un filtro RFI según se requiera, para reducir el ruido de modo común de alta frecuencia que más probablemente cause interferencias. Esto se usa, por ejemplo, en inversores fotovoltaicos y en sistemas donde la potencia CC debe distribuirse a múltiples cargas.

Filtros, impedancia de red, control de corriente

El filtro de frecuencia de conmutación se ha comentado arriba para evitar interferencias a otros equipos en el mismo circuito de suministro. El filtro también debe considerarse en términos de su efecto en el sistema de control del inversor.

En un inversor a 3 kHz, la frecuencia de corte del filtro es ~800 Hz, dando atenuación útil a 2900 Hz. El corte se ve afectado por la impedancia de red, desconocida para estas frecuencias inusuales. Esto significa que la ganancia del bucle de corriente en el inversor no debe ajustarse demasiado alta, si no la estabilidad alrededor de 800 Hz se vuelve marginal y el sistema sensible a perturbaciones y propenso a mal funcionamiento. Para la mayoría de aplicaciones convencionales (sistema regenerativo como una de muchas cargas en red industrial BT), hay amortiguamiento natural suficiente y no surgen requisitos especiales; los valores por defecto suelen ser efectivos.

Cuando uno o más sistemas regenerativos se alimentan de una red dedicada, con poco más conectado, es posible que los bucles de corriente estén sub-amortiguados. Esto se identifica fácilmente con un osciloscopio observando las formas de onda de corriente de línea: aparecen ráfagas de oscilación ("ringing") con período ~800 Hz, a menudo en 6 puntos por ciclo de red. En esta situación, la estabilidad se recupera reduciendo el término P en los bucles de control de corriente. Puede ser necesario también reducir las ganancias del bucle de tensión para evitar un control de tensión sub-amortiguado causado por el bucle de corriente más lento. Si la aplicación es muy dinámica y estas ganancias menores no son aceptables, se requiere un método alternativo para mejorar el amortiguamiento. Hay dos opciones:

1. Añadir más condensadores de filtro. Esto baja la frecuencia de corte a un valor donde los bucles de control de corriente tienen menos retardo de fase y pueden aportar amortiguamiento activo.
2. Usar un filtro amortiguado. Emplea condensadores adicionales y pequeñas resistencias para proporcionar amortiguamiento. Más información disponible en Soporte Técnico CT.

Ambas opciones se han usado eficazmente. El inconveniente de la opción 1 es que pueden requerirse varios condensadores, ocupando espacio y causando una alta corriente reactiva en reposo que podría tener que compensarse con la función de control de corriente reactiva del inversor. El inconveniente de la opción 2 es que las resistencias causan pérdida de potencia en reposo y deben protegerse de sobrecarga en caso de armónicos anormales en la red, volviendo la opción más compleja.