La mayoría de las bajadas de tensión que se presentan en los sistemas de alimentación conservan una parte significativa de la tensión suministrada, de tal manera que algo de la energía sigue estando disponible, pero a una tensión demasiado baja para ser utilizada por la carga. Algunos equipos de estabilización de la tensión son capaces de resolver este tipo de bajadas
Por Derek Maule
Los equipos de estabilización de tensión que son capaces de resolver las bajadas de tensión no requieren ningún mecanismo de almacenamiento de energía, puesto que recuperan el nivel de tensión necesario a partir de la energía todavía disponible a menor tensión (y con una mayor intensidad) durante el hueco de tensión. Estos dispositivos se conocen con el nombre genérico de estabilizadores automáticos de tensión.
Existen algunos tipos principales de estabilizadores automáticos de tensión:
- Electromecánicos
- Ferroresonantes o transformadores de tensión constante
- Reguladores escalonados electrónicos
- Reactores saturables (transductores)
- Estabilizadores de tensión electrónicos
Un punto importante por considerar durante la selección de un estabilizador automático de tensión es que la solución deberá resolver el problema concreto que se plantea, sin crear problemas adicionales. Un ejemplo sería conectar un estabilizador ferroresonante a la salida de un generador inferior para reducir las variaciones de tensión. El resultado neto vendría afectado de forma negativa por las fluctuaciones de frecuencia de dicho generador, que produciría una variación de la tensión alterna de 1.5 por ciento por cada variación de 1 por ciento de la frecuencia.
Electromecánicos
El principio de este tipo de estabilizador se basa en controlar automáticamente un transformador variable interno que compense la variación de la tensión de entrada de la fuente de alimentación de corriente alterna. La salida del transformador variable alimenta el bobinado primario de un transformador elevador / reductor de tensión, cuyo secundario está conectado en serie entre la fuente de alimentación y la carga para inyectar una tensión correctora que se introducirá en la línea de alimentación (ver Figura 1).
Una de las principales ventajas de este tipo de estabilizador es que la potencia controlada es sólo una pequeña parte de la potencia total de la carga; por ejemplo, para controlar una carga de 100 kVA, con un margen de tensión de alimentación de ± 10 por ciento, el estabilizador electromecánico de tensión sólo necesita manejar un máximo de 10 kVA de potencia. La naturaleza eléctrica del diagrama de potencia determina que la eficiencia sea normalmente de 98 por ciento a plena carga. Incluso con cargas más pequeñas, por ejemplo del 10 por ciento del máximo, la eficiencia sigue siendo superior a 95 por ciento.
La tensión de salida del estabilizador electromecánico se supervisa por medio de un servoamplificador. Si la tensión de salida estabilizada se desvía del valor preestablecido debido a un cambio de la tensión de alimentación o de la corriente de carga, el servoamplificador accionará un motor que hará girar el brazo de escobillas del transformador variable en la dirección requerida para elevar o reducir la tensión de alimentación, hasta recuperar el valor preestablecido correcto de la tensión de salida. Este método de estabilización de la tensión no produce armónicos y, por tanto, no introduce distorsiones en la tensión de entrada. La Figura 2 muestra que el margen de entrada puede variar bastante, por lo que puede aceptarse una notable desviación de la tensión.
La acción del servomecanismo es excepcionalmente rápida con una desaceleración controlada, consecuencia del paso rápido por cero (ver figuras 3, 4 y 5). La detección de la tensión de salida compensa automáticamente cualquier variación en la corriente de carga. Las instalaciones de detección remota, que permiten que la tensión sea detectada en un punto externo, permiten efectuar la corrección de las caídas de tensión en los cables, aun cuando la carga está a cierta distancia del estabilizador.
Regulador ferroresonante o transformador de tensión constante (CVT)
La Figura 7 muestra el circuito básico de un transformador de tensión constante (CVT), el cual consiste en un transformador con un solo arrollamiento primario y tres arrollamientos secundarios, junto con un único condensador en paralelo.
El bobinado de neutralización (N) y el secundario (S) están separados del bobinado primario (P) por medio de derivaciones magnéticas. La reluctancia magnética de estas derivaciones es muy elevada, en comparación con la reluctancia magnética de la parte central del núcleo del transformador. La inductancia de fuga producida por estas derivaciones, junto con el condensador (CR), constituye un circuito resonante.
Al aumentar la tensión de entrada, el flujo en la parte central del núcleo del transformador también crece hasta que la reactancia inductiva del arrollamiento secundario es igual a la reactancia del condensador. En este punto, la tensión de salida es alta debido a la resonancia del circuito, aunque la tensión de entrada es bastante baja (ver Figura 8). El arrollamiento de neutralización reduce la distorsión de la salida desde 20 por ciento, aproximadamente, hasta menos de 3 por ciento.
El circuito secundario total entra en resonancia con el tercer armónico. Esto suprime la mayoría de los armónicos generados por la saturación del núcleo y produce una onda senoidal razonablemente limpia.
El estabilizador ferroresonante cuenta con dos principales ventajas:
- La posibilidad de tener un margen de entrada excepcionalmente amplio con cargas bajas. Con 25 por ciento de carga, la tensión de salida se mantiene en ± 5 por ciento, incluso cuando la tensión de entrada es sólo de 35 por ciento de la tensión nominal
- La salida del CVT limita automáticamente la corriente en una situación de sobrecarga
En cambio, sus inconvenientes son mayores:
- La facultad de limitar automáticamente la corriente de salida puede impedir que funcionen correctamente las cargas que requieran puntas momentáneas de arranque, a menos que se modifique la capacidad nominal del CVT o se diseñe específicamente para la aplicación. Entre los ejemplos típicos están las cargas de motores y las fuentes de alimentación de funcionamiento conmutado
- El transformador depende de la resonancia; por tanto, la tensión de salida variará en 1.5 por ciento por cada cambio de 1 por ciento en la frecuencia de entrada
- El CVT tiene una precisión de estabilización modesta, del orden de ± 3 por ciento
- El núcleo del transformador debe llegar a la saturación para conseguir una tensión de salida constante. Esto produce también campos magnéticos muy elevados alrededor del transformador, que pueden crear problemas en equipos sensibles situados cerca del CVT
- El tamaño y peso para un valor determinado de kVA pueden ser mucha veces mayor que los de un estabilizador electromecánico automático de tensión equivalente
Reguladores electrónicos escalonados (conmutadores de tomas)
Estos reguladores electrónicos de escalones operan seleccionando, en la entrada o en la salida de un autotransformador, distintas tomas, controladas mediante un circuito electrónico (Figura 9). Esta selección puede efectuarse mediante relés o con un dispositivo semiconductor, como un tiristor. Si se utilizan relés, sólo funcionan en el momento de un cambio de toma; sin embargo, si se selecciona un tiristor, éste funciona 50 veces en un segundo, es decir, se activará y desactivará en cada ciclo de 50 Hertz de la alimentación. En esta aplicación, los relés han demostrado ser más fiables.
Las variaciones en la tensión de entrada de la alimentación se supervisan mediante un sensor electrónico que, a su vez, selecciona automáticamente la toma mediante un relé, manteniendo así la tensión de salida requerida.
El instante de cambio de toma, gracias al circuito electrónico, se produce en fase en las proximidades del paso por el punto cero de la tensión de alimentación, asegurando que cualquier interferencia de RF o perturbación transitoria de conmutación quede reducida al mínimo. La tensión de salida cambia por etapas (Figura 10); por tanto, este tipo de estabilización de tensión no debe emplearse en cargas de iluminación o en otras cargas que no puedan aceptar saltos en tensiones de entrada.
Reactor saturable (transductor)
El estabilizador del tipo reactor saturable opera generando una derivación móvil controlada magnéticamente, producida por un conjunto transductor doble (T1-T2 en la Figura 11). Un circuito electrónico de control detecta la tensión de salida y ajusta los arrollamientos de control de T1 y T2 para corregir cualquier error. La saturación de los transductores produce una distorsión que debe ser eliminada mediante filtros, para asegurar que se obtiene una buena onda senoidal.
Aunque el reactor saturable no tiene partes móviles, su tiempo de corrección puede ser tan lento como 20 ciclos (0.4 segundos), debido a la inductancia de los transductores. Esto es mucho más lento que un estabilizador electromecánico de características semejantes.
Estabilizador de tensión electrónico
La funcionalidad de este tipo de controlador la proporcionan dos conmutadores bidireccionales IGBT que se utilizan para conmutar la tensión de entrada a una frecuencia de 20 Hertz.
El controlador de potencia compara la tensión de salida del estabilizador de 50 Hertz con la de una tensión de referencia estable, y el error se utiliza para controlar los dos conmutadores bidireccionales. La onda de alta frecuencia modulada por la anchura del impulso es después filtrada y enviada donde la tensión del secundario suma o resta la tensión adecuada para producir un voltaje de salida estable, o directamente a la carga a través de un autotransformador. Su principal inconveniente es que resultan más costosos que los estabilizadores de tensión electromecánicos de capacidad similar.
En la Tabla 1 puede comprobarse que el estabilizador electrónico de tensión es el modo más eficaz para regular la tensión de entrada para la alimentación de equipos electrónicos sensibles. Los límites superiores de velocidad y capacidad de carga están restringidos únicamente por las limitaciones mecánicas del control de los transformadores variables utilizados en el proceso de regulación de la tensión.
La relación costo-eficacia de tales soluciones está relacionada con el valor y la sensibilidad de la carga que requiera una alimentación de tensión estable y con la necesidad de evitar la introducción de problemas adicionales.
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Con información de Leonardo Power Quality Initiative
