Perfiles y rangos de operación de MagnaLOAD
Las cargas electrónicas DC MagnaLOAD de Magna-Power utilizan dos topologías diferentes de disipación de energía: lineal y resistencia activa.
En la topología lineal, utilizada en la Serie ALx refrigerada por aire y consistente con la mayoría de las cargas electrónicas disponibles en el mercado, se emplean MOSFETs operando en la región lineal como dispositivo principal de disipación de calor. Usar MOSFETs para disipar energía es un enfoque simple y conocido, que permite la operación a potencia nominal en un rango de voltaje muy amplio. La desventaja de esta topología, sin embargo, es el costo relativamente alto de las cargas electrónicas lineales, impulsado por el elevado precio por vatio y la gran cantidad de dispositivos activos necesarios para aplicaciones de potencia considerable.
En la topología de resistencia activa patentada (Patente US 9,429,629), utilizada en la Serie ARx refrigerada por aire y la Serie WRx refrigerada por agua, una matriz conmutada de resistencias pasivas proporciona la disipación de potencia principal, la cual se acopla en serie con un número relativamente pequeño de dispositivos activos. Los nuevos puntos de ajuste programados o las variaciones en el bus de entrada DC provocan que las resistencias se conecten y desconecten del circuito, con control digital simultáneo de los dispositivos activos para lograr una transición sin interrupciones. Al sustituir dispositivos pasivos por dispositivos activos como elemento principal de disipación de calor, las cargas electrónicas de resistencia activa se ofrecen a un precio significativamente menor que las cargas electrónicas tradicionales, permitiendo la aplicación económica de cargas electrónicas para requisitos de alta potencia. Dado que las resistencias pasivas tienen una impedancia fija, el rango de voltaje en el que se puede alcanzar la potencia nominal es más limitado que en las cargas de tecnología lineal. El perfil de operación de una carga electrónica es una consideración importante al seleccionar un producto.
Perfiles de operación de MagnaLOAD
Los modelos MagnaLOAD se especifican por el nombre de la serie y tres números, en orden: potencia máxima, voltaje máximo y corriente máxima. Por ejemplo, el modelo ARx13.5-1000-28 tiene una potencia máxima nominal de 13.5 kW, un voltaje máximo de 1000 Vdc y una corriente máxima de 28 Adc. Con el amplio rango de operación a potencia nominal de los MagnaLOAD, puede no resultar inmediatamente claro a partir del modelo en qué rango se pueden alcanzar esas especificaciones. El rango de operación a potencia nominal se puede determinar fácilmente mediante:
- Dividir la potencia máxima nominal del modelo entre el voltaje máximo nominal para determinar cuál será la corriente al voltaje máximo del producto.
- Dividir la potencia máxima nominal del modelo entre la corriente máxima nominal para determinar cuál será el voltaje a la corriente máxima del producto.
Entre estos dos puntos de voltaje y corriente, se determina el rango de operación a potencia nominal. Por ejemplo, para el modelo ALx2.5-200-600:
La operación a potencia nominal de 2.5 kW para el modelo ALx2.5-200-600 se logra desde 482 Vdc y 56 Adc hasta 1000 Vdc y 27 Adc. Se muestra en el gráfico a continuación, con potencia y corriente en función del voltaje:
Como otro ejemplo, el modelo de carga electrónica DC MagnaLOAD ARx27-1000-56:
La operación a plena potencia nominal de 27 kW para el modelo ARx27-1000-56 se logra desde 482 Vdc y 56 Adc hasta 1000 Vdc y 27 Adc. Se muestra en el gráfico a continuación, con potencia y corriente en función del voltaje:
Como regla general simple para los MagnaLOADs de resistencia activa de las Series ARx y WRx, la plena potencia se puede lograr desde el 48% del voltaje máximo hasta el 100% del voltaje máximo. Para la Serie ALx, con su rango operativo de plena potencia mucho más amplio, es mejor utilizar el cálculo de las Ec. 1-2 anteriores.
Por supuesto, los MagnaLOADs también pueden operar fuera de los perfiles operativos de las Figuras 1 y 2, a potencia reducida; en estos casos es necesario revisar el perfil operativo especificado del producto respectivo en su hoja de datos o manual de usuario. Dada la amplia gama de modelos y niveles de potencia, Magna-Power normaliza estos perfiles respecto a las especificaciones nominales del producto para cada serie. Para obtener el perfil operativo de un modelo, multiplique los valores normalizados del perfil por las especificaciones del número de modelo. La Figura 3 muestra el perfil operativo normalizado de rango de alta potencia de la Serie ARx y la Figura 4 muestra el perfil operativo de rango de alta potencia de la Serie ARx aplicado al modelo ARx40.5-100-840.
Rango operativo de baja potencia
Los MagnaLOADs de resistencia activa, las Series ARx y WRx, tienen un segundo rango operativo, baja potencia, que se puede seleccionar desde el panel frontal o mediante comando por computadora. Este rango operativo permite a estas series de productos alcanzar la corriente nominal máxima a voltajes bajos al derivar las resistencias pasivas y utilizar los MOSFETs únicamente para la disipación de potencia. Aunque el MagnaLOAD solo puede disipar aproximadamente el 20% de su potencia nominal en este rango de baja potencia, resulta útil para aplicaciones de bajo voltaje que no pueden abordarse con el perfil operativo de alta potencia.
La Figura 5 muestra el perfil operativo normalizado de baja potencia de la Serie ARx y la Figura 6 muestra el perfil operativo de baja potencia de la Serie ARx aplicado al modelo ARx40.5-100-840.
Perfiles y rangos operativos de MagnaLOAD aplicados a ejemplos de aplicaciones
Entre las numerosas aplicaciones para las cargas electrónicas DC MagnaLOAD, se seleccionaron varias para demostrar mejor el perfil y los rangos operativos del producto.
Pruebas automotrices de 12 Vdc y 48 Vdc
Un fabricante automotriz contactó a Magna-Power para utilizar el MagnaLOAD en pruebas de aplicaciones automotrices convencionales de 12 Vdc, pero también para probar sistemas eléctricos híbridos enchufables de 48 Vdc. El MagnaLOAD se utilizaría para pruebas de descarga de baterías de plomo-ácido de 12 Vdc y de iones de litio de 48 Vdc, así como para cargar el alternador de 12 Vdc y simular la recuperación de energía de la batería en el bus de 48 Vdc de un vehículo híbrido. Las especificaciones de descarga en el peor caso proporcionadas fueron las siguientes:
- 350 Adc de corriente máxima de descarga a 12 Vdc desde las baterías de plomo-ácido para simular el arranque del motor de arranque
- 400 Adc de disipación máxima a 48 Vdc desde las baterías de iones de litio durante la aceleración
El requisito de potencia más alto para esta aplicación, 48 Vdc a 400 Adc para las baterías de iones de litio, indica que este requisito se encuentra en el rango de potencia de la Serie ARx (6.75 kW a 40.5 kW):
Basándose en este requisito de potencia de 19.2 kW y la oferta de productos de Magna-Power, el modelo de la Serie ARx más adecuado estaría en el rango de 20.25 kW y superior. Ahora es importante asegurar que los puntos de operación se encuentren dentro del rango operativo del producto.
Haciendo referencia a la línea roja en la Figura 3, las cargas electrónicas DC MagnaLOAD de la Serie ARx pueden alcanzar plena potencia en el rango operativo de alta potencia desde el 48% hasta el 100% del voltaje máximo nominal de salida. De la oferta de Magna-Power, el único rango de voltaje que puede alcanzar plena potencia a 48 Vdc serían los MagnaLOADs con voltaje máximo nominal de 100 Vdc, ya que 48 Vdc equivale al 48% del voltaje nominal de un MagnaLOAD de 100 Vdc. Por lo tanto, 48 Vdc estaría dentro del rango operativo de plena potencia de un MagnaLOAD de 100 Vdc.
Haciendo referencia a la línea azul oscuro en la Figura 3, a 12 Vdc la capacidad de corriente para los MagnaLOADs de la Serie ARx de 100 Vdc es solo el 22.5% de la corriente nominal máxima en el rango de alta potencia; aquí es donde entra el rango de baja potencia.
Para aplicaciones de bajo voltaje, configurar el MagnaLOAD en rango de baja potencia proporcionará el perfil operativo de la Figura 5. En este rango, el MagnaLOAD puede alcanzar cerca de su capacidad de corriente nominal a voltajes bajos. Haciendo referencia nuevamente a la Figura 5, a 12 Vdc—equivalente al 12% del voltaje nominal de un MagnaLOAD de 100 Vdc—puede alcanzar el 95% de su corriente nominal.
Considerando la potencia nominal más cercana por encima de 19.2 kW, el modelo ARx20.25-100-420, evaluamos las condiciones de operación:
La Ecuación 6 muestra que a 48 Vdc, el modelo MagnaLOAD ARx20.25-100-420 podrá alcanzar 421.8 Adc en el rango de alta potencia, satisfaciendo los requisitos para las pruebas de baterías de iones de litio.
La ecuación 7 muestra que, aunque el modelo MagnaLOAD ARx20.25-100-420 está limitado al 95% de su corriente nominal a 12 Vdc en el rango de baja potencia, 399 Adc proporciona suficiente corriente para satisfacer el requisito de las pruebas de baterías de plomo-ácido.
Por lo tanto, el modelo ARx20.25-100-420 satisface ambos requisitos mediante el uso del rango de alta potencia (Figura 3) y el rango de baja potencia (Figura 5).
Pruebas de vehículos eléctricos a 500 Vdc con capacidad de expansión
Un fabricante de vehículos eléctricos (EV) contactó a Magna-Power para realizar pruebas del bus DC de 500 Vdc de su vehículo eléctrico. El MagnaLOAD se utilizaría en lugar de su paquete de baterías para disipar la energía inversa. Además, el MagnaLOAD también proporcionaría carga para los cargadores de baterías integrados en el vehículo.
Los cargadores integrados determinaron el requisito de potencia, que era de 12 kW. El usuario prefería una solución refrigerada por aire, lo cual era adecuado para la Serie ARx (refrigerada por aire, 6.75 kW a 40.5 kW). El usuario seleccionó inicialmente el ARx13.5-500-56, con valores nominales máximos de 13.5 kW, 500 Vdc y 56 Adc. Esta selección parecía la opción más lógica, ya que satisfaría holgadamente la demanda total de potencia proporcionando hasta 27 Adc al requisito de voltaje de 500 Vdc.
Aunque el modelo seleccionado por el usuario satisfaría la demanda actual, la próxima generación de su vehículo elevaría el voltaje del bus DC a 800 Vdc; el ARx13.5-500-56 no podría satisfacer las demandas de prueba para esta nueva generación. Como resultado, a pesar de la necesidad inmediata de solo 500 Vdc, el cliente seleccionó el ARx13.5-1000-28. Haciendo referencia nuevamente a la Figura 3, este nuevo modelo aún podría proporcionar 27 Adc al requisito de voltaje de 500 Vdc (50% del voltaje nominal máximo), pero ahora podría alcanzar hasta 13.5 Adc a 1000 Vdc, permitiendo que el producto se utilice para la generación futura.
Pruebas de fuentes de alimentación para minería ASIC a 12 Vdc
Las fuentes de alimentación para minería de criptomonedas proporcionan buses de +12V de alta potencia para los mineros ASIC de alto consumo energético. Durante la validación de producción, estas fuentes de alimentación para minería se someten a ciclos y pruebas de quemado utilizando cargas electrónicas DC. En esta aplicación particular, cinco fuentes de alimentación se prueban simultáneamente en un probador de fuentes de alimentación personalizado. La fuente de alimentación tiene una potencia nominal de 1200 watts, capaz de hasta 100 Adc en su rail de +12V. Por lo tanto, el requisito máximo de potencia para cinco fuentes de alimentación de minería en prueba de quemado era de 6 kW.
Para un requisito de 6 kW, la Serie ARx inicialmente parece la mejor opción, con modelos que van desde 6.75 kW hasta 40.5 kW. Sin embargo, dado que el requisito es a 12 Vdc, en modo de baja potencia la Serie ARx estaría limitada a menos del 25% de su potencia nominal (Figura 5), lo que requeriría que el producto estuviera muy sobredimensionado para acomodar el requisito de 12 Vdc y 6 kW. En cambio, observando el perfil de operación de la Serie ALx, es capaz de entregar potencia completa en un rango extremadamente amplio, lo que la hace idealmente adecuada para aplicaciones de alta potencia y bajo voltaje. Haciendo referencia al extracto de la Figura 1 del perfil de operación del modelo MagnaLOAD ALx2.5-200-600, es capaz de alcanzar su potencia nominal completa a 12 Vdc.
Aunque la potencia nominal máxima de un ALx2.5-200-600 es de solo 2.5 kW, se pueden conectar múltiples unidades digitalmente en paralelo en configuración maestro-esclavo utilizando la interfaz MagnaLINK™ incluida con el producto. Con la configuración maestro-esclavo de MagnaLINK™, no hay sacrificio en el rendimiento y las unidades realizan agregación de mediciones para actuar verdaderamente como un solo producto. Conectar tres unidades ALx2.5-200-600 en maestro-esclavo permitirá una capacidad de potencia de hasta 7.5 kW y una capacidad de corriente de hasta 1800 Adc. Operando a 12 Vdc, el sistema maestro-esclavo tenía capacidad más que suficiente para el requisito de 6 kW y 600 Adc del probador de fuentes de alimentación para minería ASIC.