4.- manual electronica potencia

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  • CURSO BSICO DE ELECTRNICA DE POTENCIA ORIENTADO A PALAS

    BUCYRUS 495B

    Preparado por: Jos Barahona Araya

    Primavera de 2012

  • INDICE DE CONTENIDOS 1.- CONCEPTOS BSICOS ............................................... 3 2.- TERMINOLOGA............................................................ 3 3.- INTRODUCCIN ........................................................... 4

    3.1 CLASIFICACIN DE LOS CONVERTIDORES ......... 4

    4.- INTERRUPTORES ELECTRNICOS........................... 5

    4.1 RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA SIMPLE........................................................ 5 4.2 RECTIFICADOR TRIFASICO .................................... 6

    4.2.1 RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO....................................................................................... 7 4.2.2 RECTIFICADOR TRIFASICO CONTROLADO .... 8

    4.3 RECTIFICADOR TRIFASICO DE DOCE PULSOS . 11

    5.- INVERSOR TRIFASICO .............................................. 15

    5.1 INVERSOR TRIFASICO PWM................................. 15 5.2 INVERSOR SIMOVERT-P SIEMENS ...................... 17

  • 1.- CONCEPTOS BSICOS

    La Pala Elctrica de Minera modelo 495-B es una mquina completamente elctrica y consta de tres unidades principales: la maquinaria inferior, el puente giratorio y el equipo frontal. La maquinaria inferior sirve de base para el bastidor rotativo y contiene el equipo necesario para propulsar la Pala. El puente giratorio incluye el bastidor rotativo, el depsito de lastre y la sala de mquinas, conteniendo esta ultima toda la maquinaria necesaria para las funciones de levante, giro y empuje, como asimismo los controles elctricos para comandar las operaciones mecnicas. Las sala de mquinas dispone adems de un sistema filtrador de aire para reducir al mnimo la acumulacin de calor y polvo en su interior. La cabina del operador va montada en posicin elevada sobre la sala de mquinas y contiene todos los controles para operar la mquina.

    Este tipo de equipo es utilizado para cargar material (mineral estril) directamente de los frentes de carguo. Para esto utiliza principalmente cuatro movimientos: 1.- Levante - Bajada: a travs de este movimiento se puede levantar y bajar el balde. Movimiento realizado por un motor de 2237 HP. 2.- Empuje- Recogida: este movimiento permite acercar (empujar) y alejar (recojer) el balde del frente de carguo. Movimiento realizado por un motor de 700 HP. 3.- Giro: este movimiento permite girar la parte superior de la Pala en 360 y en ambos sentidos. Movimiento ejecutado por dos motores de 505 HP c/u que trabajan de forma simultnea. 4.- Propulsar: con este movimiento la Pala se puede desplazar hasta en pendientes de 15. Movimiento realizado por dos motores de 700 HP c/u que trabajan de forma independiente

    2.- TERMINOLOGA. TRANSDUCTOR DE CORRIENTE Esta unidad es un aislador y amplificador con una ganancia fija. Esta sellado en una caja de metal para protegerlo del ruido. TRANSDUCTOR DE VOLTAJE Este modulo es utilizado para retroalimentar al control con el nivel de voltaje de la barra. A una entrada de 1000Vdc se tendr una salida de 10Vdc. A su vez existe un potencimetro (R30) que permite la calibracin dentro de un rango muy pequeo.

  • MONITOR DE FUSIBLES Tarjeta alimentada con 24Vdc, tiene un set de seis LEDs distribuidos en la misma posicin de los fusibles. TRANSDUCTORES LEM Este transductor utiliza el efecto Hall para medir corriente DC entre la barra y el inversor. Es utilizado para los siguientes propsitos: 1.- Monitorear la seccin de potencia por falla de conmutacin o corto circuitos. Este monitoreo es realizado por la tarjeta IST master y esclava 2.- Regulacin del rectificador a y travs del envo de informacin de la IST a Simandyn-D TARJETA DE DISTRIBUCIN DE PULSOS Esta tarjeta recibe los pulsos del control del rectificador, cumpliendo dos funciones: 1.- Dirigir los pulsos de disparo a los mdulos de rectificador 2.- Dirigir los pulsos de disparo a travs de la tarjeta hacia a otra tarjeta de distribucin de pulsos

    3.- INTRODUCCIN Un interruptor electrnico se caracteriza por tener dos estados, activado (on) y desactivado (off), lo que idealmente corresponde a un cortocircuito y un circuito abierto, respectivamente Las aplicaciones que utilizan dispositivos de conmutacin son muy interesantes, debido a las relativas baja perdidas de potencia en el dispositivo. Cuando el interruptor es ideal, la tensin de conmutacin o la corriente de conmutacin ser igual a cero, lo que hace que le valor de la potencia absorbida por el interruptor tambin sea igual a cero. Los dispositivos reales absorben algo de potencia cuando estn en conduccin y cuando tienen lugar transiciones entre los estados de conduccin y no conduccin, aunque el rendimiento del circuito puede ser todava bastante alto

    3.1 CLASIFICACIN DE LOS CONVERTIDORES El objetivo de los circuitos electrnicos de potencia consiste en adaptar los requisitos de tensin y corriente de la carga al generador. Los circuitos de potencia convierten una forma de onda de corriente o de tensin de un cierto tipo o nivel en otro; por esto se denominan convertidores. Los convertidores se clasifican en:

  • CONVERTIDOR AC/DC Los convertidores AC/DC producen una salida continua a partir de una entrada alterna. La potencia media se trasfiere desde una fuente alterna a una carga de corriente continua. A los convertidores AC/DC se les denomina, especficamente, como rectificador. CONVERTIDOR DC/AC El conversor DC/AC se denomina especficamente como un inversor. En el inversor, la potencia media fluye desde el lado de corriente continua hacia el lado de corriente alterna. CONVERTIDOR DC/DC El conversor DC/DC resulta til cuando una carga requiere una corriente o una tensin continua especfica (normalmente regulada), pero la fuente tiene una valor de continua diferente o no regulado. CONVERSOR AC/AC El conversor AC7AC puede utilizarse para cambiar la amplitud y/o frecuencia de una seal alterna

    4.- INTERRUPTORES ELECTRNICOS El dispositivo conmutador concreto utilizado en los circuitos electrnicos de potencia variar segn el estado actual de la tecnologa de dispositivos semiconductores. Normalmente, el comportamiento de los circuitos electrnicos de potencia no se ven afectado de forma particular por el dispositivo real que se utilice para la conmutacin, especialmente si las cadas de tensin entre bornes del interruptor en estado de conduccin son pequeas comparadas con otras tensiones del circuito.

    4.1 RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA SIMPLE

    El diodo permite que la corriente fluya en un solo sentido. El transformador permite variaciones en el nivel de salida de voltaje

    Para entender su funcionamiento, consideremos en primer lugar que se est produciendo el semiperiodo positivo, en ese caso, el flujo de corriente ser el que muestra el sentido de las flechas:

  • Fig. 1: Semiciclo positivo en puente rectificador.

    Si ahora consideramos el semiperiodo negativo, tendremos:

    Fig. 2: Semiciclo negativo en puente rectificador.

    Se debe observar que la carga siempre recibe positivo por el mismo sitio, independientemente de que sea el semiperiodo positivo o negativo el que se produce en la secuencia de funcionamiento. Esto significa que la tensin aplicada sobre la resistencia ser como la indicada en la imagen:

    Fig. 3: Grfica de rectificacin de onda completa.

    4.2 RECTIFICADOR TRIFASICO

    El rectificador trifsico cumple con la misma funcin que un rectificador monofsico, con la diferencia que estos rectificadores son alimentados por fuentes trifsicas, por lo que son ms eficientes y pueden manejar grandes potencias, ya que en su salida presentan menor rizado de la seal. Son utilizados principalmente en la industria para producir voltajes y corrientes

  • continuos que generalmente impulsan cargas de gran potencia, como motores DC. A pesar que estos rectificadores presentan menos rizo que un rectificador convencional, en muchas aplicaciones el factor de potencia y la distorsin armnica total de la lnea se ven afectados, es por ello que se requiere el uso de filtros de armnicos. Una de las aplicaciones en donde se presenta este fenmeno, es en los enlaces de transmisin de alto voltaje (HVDC), en donde las estaciones de conversin cuentan con filtros de armnicos que reducen la distorsin en la seal que producen los convertidores, para que sea transmitida con calidad y no se introduzcan perturbaciones a la red elctrica.

    4.2.1 RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO Este tipo de rectificadores emplea como semiconductor el diodo. Se denominan de este modo porque no se puede controlar la potencia de salida, es decir, para una tensin fija de entrada la tensin de salida es tambin fija. En un circuito rectificador trifsico no controlado de 6 pulsos, los diodos se enumeran en el orden de las secuencias de conduccin y cada uno conduce 120. La secuencia de conduccin para los diodos son D1-D2, D3-D2, D3-D4, D5-D6 D1-D6.

    Fig. 4: Circuito de un Rectificador no controlado de 6 pulsos.

  • Fig. 5: Formas de onda y ngulo de conduccin de los diodos, de un Rectificador Trifsico de 6 pulsos.

    4.2.2 RECTIFICADOR TRIFASICO CONTROLADO

    Este tipo de rectificador permite variar el voltaje promedio de salida, empleando para su funcionamiento tiristores de potencia con los cuales se puede variar el ngulo de disparo y por ende la potencia entregada a la carga. Los tiristores se disparan a un intervalo de /3.La frecuencia del rizo de voltaje en la salida es seis veces la frecuencia de la fuente de entrada (6fs), y el filtrado resulta menos complejo en comparacin con el de los convertidores de media onda ya que este presenta menos rizo en el voltaje de salida. Cuando wt=(/6+), el tiristor T6 ya est conduciendo, y el tiristor TI se activa. Durante el intervalo (/6+) wt (/2+), los tiristores TI y T6 conducen y aparece el voltaje de lnea a lnea Vab = Van - Vbn a travs de la carga. Cuando wt =(/2+), se dispara el tiristor T2 y de inmediato el tiristor T6 se polariza en sentido inverso. T6 se desactiva por conmutacin natural. Durante el intervalo (/2+) wt (5/6+) conducen los tiristores TI y T2 Y aparece el voltaje de lnea a lnea Vac a travs de la carga. Si se numeran los tiristores como se indica en la figura del circuito rectificador trifsico controlado, la secuencia de disparo es 1-2,2-3,3-4,4-5,5-6 y 6-1.

  • Fig. 6: Circuito de un Rectificador controlado de 6 pulsos

    La secuencia de disparo es la siguiente:

    Generar un pulso de seal en el cruce del voltaje de fase Van con cero. Retardar el pulso en el ngulo deseado ( + /6) y aplicarlo a las terminales de compuerta y ctodo de T1 a travs de un circuito excitador de compuerta.

    Generar cinco pulsos ms, cada uno retardado /6 respecto al anterior, para disparar T2, T3,..., T6, respectivamente, mediante circuitos excitadores de compuerta

  • Fig. 7: Formas de onda del voltaje de entrada, voltaje de salida, corriente de entrada y corriente de salida a travs de los tiristores Tambin existen rectificadores doble puente de seis pulsos tal como se muestra en la figura. Este tipo de rectificadores son utilizados en las palas SHE55 y 56 de Minera Escondida.

    Fig. 8: Rectificador doble puente de seis pulsos (SHE55 y 56)

  • 4.3 RECTIFICADOR TRIFASICO DE DOCE PULSOS Un puente trifsico produce un voltaje de salida de seis pulsos. Para aplicaciones con grandes potencias, como por ejemplo transmisin de cd de alto voltaje (HVDC), y para impulsores de cd para motores, se requiere en general una salida de 12 pulsos para reducir los rizos en la salida, y para aumentar las frecuencias de los mismos. Se pueden combinar dos puentes de 6 pulsos, sea en serie o en paralelo, para producir una salida con 12 pulsos efectivos. Para el circuito del convertidor se puede obtener un desplazamiento de fase de 30 entre los devanados secundarios, conectando un secundario en estrella (Y) y el otro en delta (). Con este rectificador se puede llevar a cabo una reduccin mayor de armnicos de salida, que en un rectificador de 6 pulsos. Mediante una conexin en serie la tensin total de salida es la suma de las salidas de los dos puentes de 6 pulsos. Los ngulos de disparo de los puentes suelen ser iguales.

    Fig.9: Circuito y formas de onda de un rectificador trifsico de doce pulsos Entre las ventajas que presenta el rectificador de 12 pulsos con respecto al convertidor de 6 pulsos tenemos:

    Tiene un total de 12 transiciones para cada periodo del generador de alterna, dado que se produce una transicin entre los tiristores en conduccin cada 30.

  • La salida presenta frecuencias armnicas que son mltiplos de 12 veces la frecuencia del generador (12k, k = 1, 2, 3).

    El filtrado necesario para generar una salida de corriente continua, relativamente pura, es menos costoso que el necesario para el rectificador de 6 pulsos.

    Tambin esta el caso de rectificadores de 12 pulsos conectados en paralelos como se muestra en la figura y es el caso de las palas SHE57 a la SHE61.

    Fig. 10: Rectificador con puente conectado en paralelo de 12 pulsos (SHE57 a SHE61) En el caso de las palas existe la siguiente inquietud, si el puente rectificador (forward) entrega potencia continua a la barra DC, Cmo se puede manejar el sobrevoltaje de la barra? Como respuesta a la consulta anterior se presenta lo siguientes casos: 1.- Regeneracin de potencia. El rectificador regenerativo es controlado totalmente por Simadyn-D. El voltaje y la corriente de la barra se miden a travs de transductores y entran al Simadyn-D por la tarjeta SE20.2. El Simadyn-D observa las corrientes en el LEM para cada motor y calcula el ngulo de disparo del tiristor. Enciende y apaga ambos puentes cuando se necesita y se asegura que los dos no se enciendan simultneamente. Si el transductor mide la barra en forma erronea, el Simadyn-D tratar de mantener la barra al nivel de voltaje incorrecto.

  • Fig. 11: Rectificador generativo.

    La mayor ventaja que se presenta es la conservacin de la energa transformada durante el ciclo de generacin. Su desventaja se refleja en las harmnicas que se devuelven a la red. 2.- Disipacin de Potencia Otra forma de controlar un sobre voltaje en la barra DC es a travs de la disipacin de potencia o comnmente conocidas como Chopper. Dentro de las ventajas que se tiene es la menor cantidad de harmnicos generados de regreso hacia la red. La desventaja que se presenta es la prdida de potencia en forma de calor a travs de las resistencias chopper. En los chopper, se usan tiristores GTO controlados a travs de inversores. Hay tres GTO chopper para levante, dos GTO chopper para giro y un GTO chopper para empuje. La corriente de los chopper se enva a las resistencias chopper que se encuentran en el techo de la pala.

    Fig. 12: Rectificador con disipacin de potencia.

  • Fig. 13: Esquema real de una pala con rectificador de 12 pulsos en paralelo con disipacin de potencia a travs de chopper.

    Los choppers son operados por los Simovert-P. Los puntos de medicin son diferentes para el Simovert-P y para el Simadyn-D. En la condicin de chopper, el Simadyn-D solo puede encender o apagar el rectificador forward. Si el transductor de voltaje de la barra reporta al Simadyn-D un voltaje mayor al actual, los rectificadores forward se encienden y apagan para mantener este voltaje actual bajo. El Simovert-P lee el voltaje actual directamente de la barra a travs de la tarjeta IST. En este caso el chopper nunca encender ya que no es necesario. Si el transductor de voltaje de la barra reporta al Simadyn-D un voltaje menor al actual, los rectificadores forward se mantendrn forzando elvoltaje de la barra ms alto que 910 o 915 volts. En este caso, el simovert-P enciende los

  • choppers mientras el rectificador esta disparando. Esto normalmente causar un sobrecalentamiento en las resistencias del chopper mientras que el retificador y choppers continan disparndose.

    5.- INVERSOR TRIFASICO

    Los inversores, o convertidores CC-CA son un circuito utilizado para convertir corriente continua en corriente alterna. Un inversor tiene como funcin la de cambiar un voltaje CC de entrada en un voltaje CA simtrico a la salida, procurando que este posea la magnitud y frecuencia deseada por el usuario. Los inversores trifsicos son utilizados para la alimentacin de cargas trifsicas que requieran corriente alterna.

    5.1 INVERSOR TRIFASICO PWM

    En un inversor trifsico el objetivo del empleo de la modulacin de ancho de pulso es modelar y controlar la tensin trifsica de salida en magnitud y frecuencia a partir de una tensin de entrada VD constante. Una nica onda triangular se compara con tres tensiones de control senoidales desfasadas entre s 120, para conseguir a la salida un sistema de tensiones trifsico equilibrado empleando la conmutacin PWM, Efecto del tiempo muerto en inversores PWM trifsicos Para inversores PWM trifsicos, las formas de onda de los valores medios instantneos de las tensiones compuestas VAB(t), VBC(t) y VCA(t) consisten, en el caso de interruptores ideales, en senoidales puras desfasadas 120. En cambio, si los interruptores no son ideales, el tiempo muerto provoca que VAB(t), VBC(t) y VCA(t) sufran una distorsin cuando las intensidades iAB(t), iBC(t) e iCA(t) pasen por cero.

    De esta forma, aparecen armnicos de baja frecuencia de orden: 6k 1 (k=1, 2, 3,...) de la frecuencia fundamental, esto es, armnicos impares mltiplos de la frecuencia fundamental excepto aquellos mltiplos de tres.

  • Fig. 14: Inversor PWM.

  • Fig. 15: Formas de onda PWM.

    5.2 INVERSOR SIMOVERT-P SIEMENS En las aplicaciones para la pala de 500KVA, el sistema Simovert usa un tiristor controlador por la barra DC. El voltaje se mantiene constante a 910 volts DC. El simovert-P usa la modulacin de ancho de pulso para modificar ambas salidas, el voltaje AC y la frecuencia que se suministrar al motor.

  • Fig. 16: Inversor bsico de palas 495B.