05 diciembre 2010

Compensación monofásica y trifásica en los convertidores electrónicos de potencia


Para maximizar la transferencia de energía mientras se minimiza el volumen de construcción, las distribuidoras eléctricas se suministran generalmente de forma trifásica, ya sea con sin conexión de neutro. Cuando se usa el neutro, generalmente se conecta a la tierra de seguridad e las instalación cerca del punto de entrada de energía en la instalación.

Los sistemas de conversión de energía típicamente están diseñados para obtener energía de cada fase de forma que no se sobrecarguen los conductores, transformadores de distribución o interruptores automáticos. La separación de las cargas de las tres fases puede hacerse conectando aparatos separadamente a cada fase de forma que queden equilibradas, o usando convertidores de potencia para conectar aparatos separadamente a cada fase de forma que las cargas queden equilibradas, o usando convertidores de potencia que conectan las tres fases simultáneamente, proporcionando automáticamente equilibrio de fase.

Módulos de potencia de entrada monofásicos

Los módulos monofásicos proporcionan el beneficio de los circuitos de conversión de energía más eficientes y simples, pero para equilibrar las corrientes, los convertidores de potencia deben implementarse en múltiplos de tres. Encontrar el acoplamiento correcto entre el tamaño del módulo de potencia individual y la carga total del sistema puede a veces ser un desafío. Si los módulos están alimentando a una carga común, entonces el circuito que comparte potencia debe emplearse entre módulos para asegurar que se obtiene igual potencia de cada fase. Los circuitos que comparten potencia pueden tomar la forma de un circuito compartido "droop", donde pequeñas impedancias sintéticas no disipativas se añaden en serie con la producción de cada módulo. Esto forzará a los módulos a compartir corriente ya que si la corriente de una unidad es mayor que en otras, su voltaje de salida caerá hasta que su corriente de carga se acople con otras unidades en el sistema.

De forma alternativa pueden utilizarse conductores únicos de corriente forzada para compartir corriente, donde un conductor separado se usa para intercambiar información entre módulos y los módulos reprogramarán su voltaje de salida para permitir que se comparta la corriente.

Módulos de entrada trifásicos

Los módulos de entrada trifásicos proporcion el beneficio de facilitar la gestión de la carga de fase, donde el número de suministros no es importante. (Si se requiere redundancia tolerante al fallo, entonces el mínimo número de módulos requeridos es de 2). Sin embargo, los módulos trifásicos tiene el coste de complejidad añadida y eficiencia reducida y fiabilidad a nivel de módulo de potencia. Si los módulos alimentan una carga común, es deseable un circuito compartiendo potencia para asegurar que se equilibran las tensiones de los módulos conectados en paralelo.

Comparación de aproximaciones

Examinemos algunos motivos por los que los módulos son menos eficientes y fiables. La eficiencia en la conversión de potencia en suministro de energía con conmutación es una función del número de conmutadores requeridos para implementar el convertidor, y el voltaje y la corriente que estos conmutadores deben transformar. Igualmente, la fiabilidad del convertidor será una función del número de componentes requeridos, y los niveles de tensión a los que estos componentes deben trabajar.

En la siguiente figura se muestra un convertidor monofásico típico. El circuito es típico para nivelar potencias por encima de 500 w y emplea dos convertidores - uno para proporcionar corrección del factor de potencia y el otro para proporcionar aislamiento galvánico y acoplamiento del voltaje de carga. Para hacer esta trayectoria desde la entrada a la salida, la energía debe pasar a través de seis conmutadores: Dos puentes de diodo, un transistor PFC o diodo Boost, dos conmutadores primarios convertidores DC-DC y alguno de los dos rectificadores de salida. En una unidad de entrada de 277VAC, el rating de voltaje de todos los semiconductores en el lado primario del transformador será al menos de 600V para una operación fiable.



Cuando se conectan múltiples módulos monofásicos desde una línea de potencia trifásica, comparten el beneficio de sus condensadores de almacenamiento de salida PFC no compartidos en un punto de retorno común. Esto permite la implementación sin restricciones de los convertidores DC-DC de aislamiento de carga dentro del sistema mienttras que no comprometen la integridad del voltaje de fase-a-fase de la línea de potencia.

Uno de los desafíos en la realización de un circuito de corrección del factor de potencia activa desde una línea trifásica es la compensación entre el voltaje resultante y el mantenimiento de la integridad de los voltajes de fase-a-fase de la línea de potencia.

Uno de los desafíos en comprender un circuito de corrección del factor de potencia activa desde una línea trifásica es la compensación entre el voltaje de salida resultante y el mantenimiento de la integridad de la línea de potencia de los voltajes fase-a-fase.  La solución no es tan simple como tomar tres circuitos PFC monofásicos y conectarlos en paralelo, ya que ello requiere que los tres circuitos PFC no compartan una conexión de salida común.

Para compartir un punto de retorno común, los circuitos de corrección del factor de potencia trifásico se basan en un rectificador trifásico principal. Un circuito rectificador de entrada trifásico con factor de potencia corregido se muestra en la siguiente figura.

El voltaje de salida resultante para este tipo de circuito es aproximadamente dos veces el voltaje pico observado de línea a línea. Las tolerancias de voltaje de la línea de potencia presentarán aproximadamente +/-10 % más allá de esto. Esto significa que cualquier convertidor debe usar componentes clasificados a >700 V (800 - 1000 V es la opción preferida), o partes de voltaje inferior deben conectarse en serie. El espacio de aislamiento debe también ser incrementado para acomodar el voltaje incrementado. El efecto es que un circuito de esta naturaleza requerirá más espacio, más componentes e imparte tensiones más altas en los componentes utilizados de los encontrados en un módulo monofásico.

Cuando se emplea un circuito de entrada de factor de potencia corregido, la situación es peor aún. Ya que los circuitos correctores del factor de potencia fuerzan a una corriente de entrada sinusoidal, generalmente se requiere un voltaje de salida que sea mayor que el pico de la entrada. Esto originará incluso en voltajes más altos que tengan que ser manejados.

La siguiente figura muestra un circuito de entrada de factor de potencia corregido


Como conclusión diríamos que el uso de módulos de potencia monofásicos proporcioann la mejor solución para los sistemas electrónicos que se abastecen de líneas trifásicas.

Bibliografía: Electronic Power Systems. Tradeoffs between single-phase & three-phase power. TDI Power
Palabras clave: "Droop" share circuit, non-dissipative synthetic impedances
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