Variadores de CA de media tensión: topologías, dimensionamiento y aplicaciones del mundo real

Variadores de CA de media tensión rara vez destacan en un recorrido por una planta. Viven en un contenedor o en una sala eléctrica dedicada, manejando silenciosamente motores de megavatios: los que hacen girar los cascos de los hornos, levantan los elevadores de las minas, empujan el gas a lo largo de una tubería o mantienen el agua de una ciudad en movimiento. Ya sea que esté dimensionando el primero o heredando una flota de ellos, las preguntas tienden a repetirse. ¿Qué clase de tensión necesito realmente? ¿Qué topología de convertidor se adapta a mi proceso? ¿Cuánta refrigeración, filtrado de armónicos y planificación de repuestos debo presupuestar? Esta guía analiza esas decisiones de la forma en que normalmente las hablamos con los clientes, de forma sencilla y teniendo en cuenta lo que sucede después de la puesta en servicio.

Lo que realmente significa "media tensión"

En la práctica IEC e IEEE, el bajo voltaje termina en 1000 V CA, y 690 V es el techo práctico para variadores de bajo voltaje. Por encima comienza la media tensión. En el mundo real, los variadores de MT se agrupan en torno a un puñado de voltajes de sistema estándar, y la elección generalmente la decide el motor que ya tiene o la red que ya posee.

Las clasificaciones de potencia son sólo una guía aproximada, porque la corriente, la refrigeración y la topología son tan importantes como el voltaje. Aún así, la siguiente tabla es un mapa inicial razonable.

¿Por qué no utilizar simplemente un variador de bajo voltaje?

Es una pregunta justa y, a veces, la respuesta realmente es un variador de bajo voltaje más un transformador reductor. Pero dos argumentos basados ​​en la física suelen llevar la decisión en sentido contrario.

El primero es el actual. Para una potencia de eje determinada, la corriente cae aproximadamente en proporción al voltaje. Pasar de 690 V a 6 kV reduce la corriente a aproximadamente una novena parte, y las secciones transversales de los cables, las pérdidas de cobre y los tamaños de los interruptores disminuyen con ello. En un cable largo hasta un ventilador remoto o una bomba sumergible, esa diferencia se refleja en la factura de electricidad todos los meses.

El segundo es el motor en sí. Si la máquina ya cuenta con un motor de media tensión, como es común en cemento, minería, acero y tratamiento de agua, agregar un variador al mismo voltaje evita reemplazar el motor o pagar por un transformador que consume energía silenciosamente todo el día. Sin embargo, las compensaciones son reales: los variadores de MT cuestan más por adelantado, necesitan más espacio, requieren una gestión armónica adecuada y merecen un plan de repuestos y capacitación desde el primer día.

Las topologías dentro del gabinete

Abra las puertas de dos variadores de media tensión de la misma potencia y podrá encontrar estructuras de potencia muy diferentes. Saber qué familia está consultando hace que las hojas de datos, las cotizaciones y las conversaciones de servicio sean mucho más fáciles.

Inversores de fuente de corriente (LCI)

La familia más antigua y todavía la más robusta. Un rectificador de tiristores alimenta un inductor de enlace de CC y el inversor conmuta tiristores conmutados en línea. Los LCI se adaptan a potencias muy altas y regeneran la energía de regreso a la red de forma natural, pero su factor de potencia cae a baja velocidad y necesitan un motor cuyas características coincidan con el variador.

Convertidores de fuente de voltaje multinivel

La mayoría de los variadores de MT nuevos son inversores de fuente de voltaje que utilizan más de dos niveles de salida para mantener los voltajes de paso dentro de lo que el aislamiento del motor puede tolerar. El diseño de punto neutro fijado (NPC) de tres niveles domina la banda de 2,3 a 4,16 kV. Por encima de 6 kV, los convertidores de puente H en cascada apilan celdas de energía de bajo voltaje en serie, produciendo una forma de onda de salida lo suficientemente cercana a una onda sinusoidal como para que se puedan usar motores estándar.

Frontales del rectificador y armónicos.

Independientemente de lo que haga el inversor, el rectificador decide gran parte de la calidad de la energía. Los frontales de seis pulsos son simples pero ricos en armónicos; Los arreglos de 18 y 24 pulsos cancelan gran parte de eso; Los frontales activos lo limpian casi por completo y agregan operación en cuatro cuadrantes, con un costo adicional.

En la banda de 2,3 a 4,16 kV, nuestra propia serie RVE1000 sigue el conocido enfoque de fuente de voltaje multinivel y es el variador que proponemos con mayor frecuencia para proyectos de modernización en los que el motor existente debe permanecer en su lugar.

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Dimensionado y enfriamiento sin jerga

El dimensionamiento se trata menos de elegir una cantidad de kilovatios y más de hacer coincidir cuatro cosas: el motor, la carga, el sitio y la red.

• Corriente del motor, no sólo potencia. Comience desde la corriente de carga completa de la placa de identificación, luego agregue margen para el ciclo de trabajo real. Una unidad que funciona cerca de su calificación durante veinte años no se lo agradecerá.
• Perfil de carga. Las cargas de par variable, como ventiladores y bombas centrífugas, se comportan de manera muy diferente a las cargas de par constante, como transportadores, extrusoras y molinos. El primero a menudo puede tener un tamaño cercano al motor; este último necesita margen de maniobra para sobrecargarse.
• Condiciones del sitio. Las altitudes superiores a unos 1.000 m, las temperaturas ambiente superiores a 40 °C y el aire polvoriento o húmedo reducen la capacidad utilizable. Las unidades enfriadas por aire con tubos de calor funcionan bien en salas blancas; Las unidades enfriadas por agua manejan mejor las plantas de cemento y las salas de compresores calientes.
• Condiciones de la red. Las redes débiles, los altos niveles de falla y los límites armónicos estrictos pueden empujarlo hacia un extremo frontal activo o de 24 pulsos. Solicite un estudio armónico con anticipación; es mucho más barato que arreglar la distorsión más tarde.

Si desea un análisis más profundo de estas compensaciones, mantenemos un artículo en lenguaje sencillo sobre Dimensionamiento, topologías y refrigeración de unidades de MT en nuestra biblioteca técnica.

Cuando dos tamaños de marco están cerca, la unidad más pequeña con un margen de enfriamiento ligeramente mayor suele ser la mejor decisión a largo plazo, porque el polvo, la altitud y los picos de verano rara vez llegan por separado. Para instalaciones donde el espacio es reducido, el RVE1000S ofrece la misma filosofía de control en una disposición más compacta.

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Donde los variadores de CA de media tensión se ganan el sustento

Los variadores de MT rara vez se compran por sí solos. Se compran porque es necesario controlar, proteger o abaratar la ejecución de un proceso, y las aplicaciones se repiten en todas las industrias:

• Ventiladores y bombas en centrales eléctricas, tratamiento de agua y redes de calefacción, donde el control de velocidad convierte una válvula de mariposa o una compuerta en un verdadero ahorro de energía.
• Compresores y extrusoras en plantas químicas y de caucho, donde el control del par afecta tanto la calidad del producto como el uso de energía.
• Molinos, hornos y polipastos en cemento, minería y acero, donde el par de arranque y la capacidad de sobrecarga importan más que la eficiencia.
• Grandes máquinas de proceso en refinerías y plantas petroquímicas, a menudo con cables largos donde las caídas y pérdidas de voltaje serían dolorosas a bajo voltaje.

Nuestra propia biblioteca de soluciones sigue el mismo patrón; el Soluciones de ventiladores y bombas. La sección es un buen lugar para ver cómo estas ideas se traducen en una modernización específica.

Cuando un arrancador suave es la mejor respuesta

No todos los motores de media tensión necesitan velocidad variable. Si una bomba, compresor o ventilador funciona a una velocidad esencialmente constante y simplemente necesita un arranque más suave que el que proporciona un contactor directo en línea, un arrancador suave de voltaje medio suele ser la inversión más sensata. Reduce la corriente de entrada, reduce los impactos mecánicos en las cajas de cambios y correas, y lo hace ocupando menos espacio, menores pérdidas y un precio más bajo que una tracción total.

La regla general que utilizamos es simple: si el proceso necesita cambiar de velocidad durante el funcionamiento normal, compre la unidad. Si solo necesita arrancar y detenerse suavemente, primero observe detenidamente un arrancador suave.

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Documentación, repuestos y el largo plazo

Un variador de MT es un activo que dura entre quince y veinte años, y el papeleo es tan importante como la pila de energía. Antes de firmar, solicite el manual del usuario, el paquete de dibujos, la lista de parámetros y el historial del firmware. Verifique que haya celdas de energía, placas y componentes de enfriamiento de repuesto disponibles durante la vida útil de la instalación, y que alguien de su equipo pueda comunicarse con el soporte técnico en su idioma y zona horaria.

Mantenemos manuales versionados en línea para cada variador de voltaje medio y arrancador suave que enviamos, desde la familia de variadores RVE1000 hasta la serie de arrancadores suaves RSE1000, y nuestros ingenieros de soporte permanecen involucrados mucho después de la puesta en servicio. No es un trabajo glamoroso, pero es lo que mantiene en funcionamiento un motor de megavatios año tras año.

Los variadores de CA de media tensión no son complicados en principio: aumentan el voltaje, reducen la corriente y controlan el motor con un convertidor que se adapta a la carga, el sitio y la red. La complejidad vive en los detalles y ahí es donde la experiencia vale la pena. Si está planeando una modernización, una nueva línea o simplemente está tratando de comprender lo que ya hay en su sala eléctrica, siempre estaremos encantados de analizar las opciones sin el argumento de venta.