Cómo obtener el mejor rendimiento de fuentes de alimentación AC a DC en entornos exigentes
Introducción
Las fuentes de alimentación AC a DC se encuentran en aplicaciones donde la energía necesita ser procesada desde la red eléctrica AC hacia cargas que requieren una tensión o corriente DC fija o variable. Aunque estos equipos tienen pocas conexiones de entrada y salida, los ingenieros frecuentemente tienen dificultades para obtener un rendimiento fiable en sus entornos particulares. Los problemas pueden abarcar desde la calidad de la fuente AC, restricciones de refrigeración, cableado de control, calidad del aire o la comprensión del usuario sobre el producto de conversión de energía. Este artículo describe algunos errores comunes y proporciona información sobre cómo obtener el máximo rendimiento para aplicaciones específicas.
Calidad de la línea eléctrica
Red eléctrica AC
Conectar una fuente de alimentación AC a DC a la red eléctrica es, curiosamente, una fuente común de problemas. Las tensiones de red en todo el mundo varían en diferentes partes del mundo, desde 200 VAC en Japón hasta 696 VAC en los Países Bajos. La frecuencia de línea también varía entre 50 y 60 Hz, pero con las fuentes de alimentación conmutadas actuales, la frecuencia generalmente tiene poco efecto en el rendimiento.
Cada año, Magna-Power Electronics recibe llamadas de soporte informando que la fuente de alimentación de un cliente ha fallado debido a la conexión a una tensión de red incorrecta. Leer la etiqueta de especificaciones en la cubierta trasera de la fuente de alimentación y medir la tensión aplicada puede prevenir fallas catastróficas y costosas.
La calidad de la energía, o la pureza de la tensión aplicada a la fuente de alimentación, puede ser la fuente de comportamientos sorprendentes. Los sistemas de distribución eléctrica, con sus transformadores e impedancias de distribución asociados, pueden producir caídas o picos de tensión con otras cargas en la red eléctrica; estas cargas pueden hacer circular corrientes armónicas y excitar resonancias entre componentes inductivos y capacitivos. Las fuentes de alimentación industriales con formas de onda de 6 pulsos tienen fuertes componentes armónicos de 5° y 7° orden. Las fuentes de energía renovable con sus equipos de conversión de potencia asociados también pueden afectar la tensión aplicada a una fuente de alimentación.
Los armónicos, como se describió anteriormente, y los transitorios de tensión en la red eléctrica AC pueden dañar la etapa de entrada del circuito de conversión de potencia. Los transitorios de tensión pueden suprimirse con varistores u otros dispositivos de fijación de tensión, pero estos dispositivos también tienen sus limitaciones; solo pueden absorber cantidades limitadas de energía. Los armónicos de la línea eléctrica pueden ser más destructivos porque estas excursiones de tensión ocurren durante períodos de tiempo más prolongados. Para superar este tipo de problemas, Magna-Power Electronics utiliza componentes de etapa de entrada con una clasificación de 1600V. Esta clasificación de tensión es suficiente para soportar la mayoría de las condiciones de la línea eléctrica, excepto las descargas atmosféricas.
La rotación de fase es la relación de fase de la tensión de línea de una fuente de alimentación trifásica. Aunque existen normas, las relaciones de fase en instalaciones industriales pueden variar. Con un desfase incorrecto, los motores pueden girar en sentido contrario y las fuentes de alimentación que utilizan SCR pueden dispararse erróneamente. Los equipos modernos de procesamiento de potencia con SCR evitan los problemas de circuitos de disparo de SCR detectando y corrigiendo las variaciones de rotación de fase.
Puesta a tierra
Los problemas de puesta a tierra se encuentran con frecuencia en instalaciones industriales. La puesta a tierra adecuada es poco comprendida por muchos contratistas eléctricos y, en muchos casos, se pueden encontrar conexiones a tierra no contiguas. El propósito principal de la puesta a tierra de la fuente de alimentación es la seguridad y la supresión de EMI. La puesta a tierra coloca la carcasa protectora a un diferencial de tensión seguro, o cercano a cero, respecto a cualquier equipo circundante. Internamente en la fuente de alimentación, una conexión a tierra se utiliza con filtros EMI para dirigir los componentes de alta frecuencia de la corriente lejos de las conexiones de entrada y salida y mantenerlos dentro de los confines de la carcasa de la fuente de alimentación.
Según el código eléctrico y desde el punto de vista de seguridad, solo debe haber una conexión a tierra; la conexión a tierra debe realizarse en la entrada eléctrica del edificio, la ubicación del equipo de medición. Es en este punto donde el neutro y la tierra se conectan entre sí y se instala una varilla de puesta a tierra en el suelo. Si el equipo de la instalación está correctamente cableado, solo debería haber una pequeña corriente fluyendo por el circuito de tierra. En caso de una descarga atmosférica, toda la instalación se eleva al mismo potencial de tensión, protegiendo así los objetos o el personal de diferenciales de tensión peligrosos.
Desafortunadamente, no todos los sistemas eléctricos están cableados según el código y un problema común es que las tierras utilizadas para computadoras y equipos de instrumentación no están al mismo potencial de tensión que el equipo de potencia. Aunque las fuentes de alimentación de Magna-Power Electronics intentan ajustarse a tales condiciones, a veces una mala conexión a tierra entre el equipo del usuario y el equipo de potencia puede causar un comportamiento extraño de la fuente de alimentación. El problema más común es la pérdida de comunicación entre la fuente de alimentación y el equipo informático. En la mayoría de los casos, la equipotencialización de las tierras entre el equipo de interfaz del usuario y la fuente de alimentación corrige este problema.
Algunas aplicaciones requieren la conexión a circuitos externos de monitoreo o control. Muchas, si no la mayoría, de las fuentes de alimentación tienen circuitos de error y retroalimentación referenciados a los terminales de salida. Sin un aislamiento adecuado, como aisladores ópticos, pueden desarrollarse lazos de tierra si los circuitos externos y la carga de la fuente de alimentación están conectados a tierra. Pueden producirse errores de control si los circuitos externos están conectados a tierra y la carga de la fuente de alimentación se deja flotante. En este caso, la EMI conducida se dirige a los cables de tierra de los circuitos externos.
Magna-Power Electronics ha evitado muchos problemas de puesta a tierra colocando todo su control a un potencial cercano a tierra. La referencia de tierra se establece mediante la conexión de una resistencia y un condensador conectados en paralelo. Estos componentes permiten que la fuente de alimentación y los circuitos conectados externamente estén protegidos contra entornos de puesta a tierra deficiente, proporcionando al mismo tiempo una impedancia adecuada para la supresión de EMI.
Incluso con un sistema eléctrico correctamente puesto a tierra, pueden surgir problemas a partir de una fuente generadora de EMI que crea un potencial de tensión en el circuito de tierra. La impedancia del circuito de tierra aumenta con la frecuencia y la fuente de EMI, dependiendo de su ubicación en el sistema eléctrico, puede introducir tensiones entre los circuitos externos de monitoreo y control. Al igual que con las condiciones de puesta a tierra deficiente, la equipotencialización del equipo externo con la fuente de alimentación mitiga dichos problemas de ruido eléctrico.
Entorno
Las fuentes de alimentación contienen componentes que generan calor: transformadores, inductores, semiconductores de potencia y similares. Sin importar cuán eficientes sean, todos estos componentes requieren refrigeración. Las fuentes de alimentación más pequeñas a veces dependen de la convección natural, pero los equipos más grandes requieren refrigeración por aire forzado o por agua. Las unidades refrigeradas por agua son ideales para aplicaciones con mala calidad del aire o para instalaciones en rack de alta densidad que no pueden cumplir con los requisitos de flujo de aire. Los problemas de refrigeración introducidos por el usuario son la causa predominante de devoluciones por fallas de campo en Magna-Power Electronics.
Refrigeración por aire
Para las fuentes de alimentación que requieren refrigeración por aire forzado, los problemas térmicos pueden resultar del bloqueo de las aberturas de ventilación, la mala calidad del aire y la restricción de aire en gabinetes. El bloqueo de las aberturas de ventilación puede obviamente causar fallas en el equipo. Colocar sensores térmicos en los componentes críticos puede ayudar a detectar este abuso, pero hay un límite de lo que es prácticamente posible. Evitar el bloqueo de la ventilación de la carcasa garantiza la vida útil del equipo según lo previsto por el fabricante.
Colocar una fuente de alimentación en un gabinete de equipos también puede provocar problemas térmicos. El flujo de aire interno de la fuente de alimentación requiere el mismo flujo de aire dentro del gabinete. El autocalentamiento de los gabinetes de equipos es un problema común. La mala ubicación de las rejillas de entrada y salida de aire puede hacer que el aire caliente se recaliente y nunca se descargue al exterior. Un enfoque conservador para la refrigeración de gabinetes es colocar las rejillas de entrada en la parte inferior del gabinete y colocar ventiladores, con la misma capacidad en pies cúbicos por minuto, en la parte superior del gabinete. Para minimizar la presión del ventilador y la restricción de aire, las aberturas de ventilación en la parte inferior del gabinete deben ser iguales a las aberturas de ventilación en la parte superior.
Un entorno con mala calidad del aire generalmente afecta el interior de la carcasa de la fuente de alimentación. Las placas de circuito impreso están diseñadas para soportar tensiones que a veces alcanzan varios miles de voltios. Capas de polvo, pintura y otras partículas pueden causar una descarga eléctrica. Colocar filtros de aire dentro de la carcasa para purificar el aire entrante puede minimizar este problema, pero la limpieza inadecuada de estos filtros presenta otro. Prácticamente no existe una buena solución intermedia entre la mala calidad del aire y los problemas de filtración. En condiciones ambientales extremadamente deficientes, sellar la fuente de alimentación y utilizar refrigeración por agua es la mejor alternativa para la gestión térmica y la obtención de un funcionamiento fiable.
Refrigeración por agua
La refrigeración por agua en entornos exigentes puede resolver muchos problemas de aplicación. Magna-Power Electronics utiliza sensores térmicos para controlar el flujo de agua y prevenir la condensación en los conjuntos de disipadores de calor. Seguir las especificaciones del fabricante para la temperatura del agua, el caudal y la presión es fundamental para que los equipos refrigerados por agua funcionen correctamente.
El agua caliente de salida puede enfriarse con intercambiadores de calor, agua-aire o agua-agua, en un sistema de circuito cerrado o eliminarse en un sistema de circuito abierto.
Conexiones del usuario
Conexiones de control y monitoreo
Muchas aplicaciones requieren equipos externos para el monitoreo y control de los parámetros de la fuente de alimentación. Además de asegurarse de que las conexiones eléctricas no excedan las especificaciones del fabricante, la ubicación de los cables puede ser crítica. Las tensiones y corrientes presentes en los terminales de entrada y salida de las fuentes de alimentación AC a DC contienen componentes de alta frecuencia en forma de transitorios, EMI y armónicos. Colocar cables de control y monitoreo en paralelo con cables de potencia puede producir resultados impredecibles. Se recomienda que cualquier cable de control o monitoreo se tienda por separado, en su propio conducto metálico, si es posible.
Conexiones de detección remota
La regulación de la tensión o corriente de salida depende del muestreo del parámetro de salida deseado y su ajuste a una referencia comparativa. Tanto la referencia como los parámetros de muestreo de salida pueden ser externos a la fuente de alimentación. La detección remota de la tensión de salida se implementa comúnmente para minimizar la caída de tensión en los cables conectados a la carga. Utilizada correctamente, la detección remota proporciona una regulación superior en el punto de carga.
La conmutación de las conexiones de detección remota o la configuración de la fuente de alimentación para detección remota sin conectar los cables de detección remota es una configuración común, pero incorrectamente aplicada. Una fuente de alimentación operada sin muestrear un parámetro de salida puede dañar los componentes de salida de la fuente de alimentación o dañar la carga. Sin un parámetro de salida que controlar, los circuitos de retroalimentación llevan la tensión o corriente de salida a su máximo. La salida máxima no regulada puede exceder la clasificación segura de salida de los componentes de la fuente de alimentación.
Un método común para abordar este problema potencial es agregar resistencias entre los terminales de salida y los terminales de detección remota. Configurar una fuente de alimentación para detección remota y retirar los cables de detección remota hace que la tensión de salida aumente ligeramente por encima de las condiciones nominales. La desviación por encima de las condiciones nominales es una función de las resistencias de detección local internas de la fuente de alimentación.
Pueden surgir complicaciones en la detección remota cuando se intercambian los cables de detección remota y los cables de potencia. La Figura 1 muestra una aplicación de sistema común e incorrectamente configurada; los terminales de salida se definen como VO+ y VO- y los terminales de detección de tensión se definen como VS+ y VS-. Esta configuración se implementa para conmutar los cables de potencia y detección remota a diferentes cargas utilizando la misma fuente de alimentación. Los circuitos de retroalimentación electrónica son generalmente más rápidos que la conmutación de relés y contactores mecánicos, y durante el instante de conmutación, la fuente de alimentación opera sin detectar la salida. Otro problema con esta configuración es operar la fuente de alimentación con solo el circuito de detección conectado, relé K2 activado y relé K1 desactivado. Esto prácticamente cortocircuitará las conexiones del cable de detección a través de la carga. Esto hace que las resistencias de protección, R1 y R2, queden en serie con la carga cuando la fuente de alimentación opera a su máximo.
Magna-Power Electronics utiliza un enfoque alternativo para la protección de detección remota, pero también tiene algunas desventajas. Como se muestra en la Figura 2, la tensión de detección remota, VSX+ menos VSX-, se prueba al inicio del ciclo de encendido mediante conmutación electrónica interna de la fuente de alimentación. La fuente de alimentación utiliza detección local durante el inicio del ciclo de encendido. Luego se conmuta rápidamente, más rápido que la respuesta del sistema de retroalimentación, a los terminales de detección remota para determinar si los cables de detección remota están conectados a la carga. Si hay tensión presente, la fuente de alimentación permanece en la configuración de detección remota; si no, se restablece la conexión de detección local. El esquema funciona bien excepto cuando el usuario conmuta o retira las conexiones de detección remota después del ciclo de encendido.
Condiciones de carga abusivas
Rizado de corriente de salida
Las fuentes de alimentación AC a DC normalmente tienen condensadores conectados entre los terminales de salida de la fuente de alimentación. Estos condensadores proporcionan un camino en derivación para reducir las corrientes AC no deseadas producidas durante el proceso de conversión de potencia. Estos condensadores tienen una resistencia interna en serie, y cuando son sometidos a corrientes AC, producen pérdidas de potencia que resultan en calor.
Mantener las corrientes del condensador dentro de límites tolerables puede convertirse en un problema si las corrientes AC de la carga se suman a las generadas por la fuente de alimentación. Tales condiciones pueden crearse con una carga de tipo conmutada, como un convertidor reductor, conectada a los terminales de salida de la fuente de alimentación. Como se muestra en la Figura 3, la fuente de alimentación absorberá un componente de corriente AC de la carga dependiendo de la relación de resistencia interna en serie, R1 y R2, del condensador C1 y C2.
Operación repetitiva en cortocircuito
Al igual que con el rizado excesivo de corriente de salida, los condensadores de salida, especialmente los de tipo electrolítico de aluminio, pueden dañarse al cortocircuitar los terminales de salida de la fuente de alimentación. La corriente pico está limitada únicamente por la resistencia interna en serie de los condensadores de salida más la impedancia de los cables de conexión. La energía almacenada en el condensador se libera como calor en el condensador; cortocircuitar repetidamente los terminales de salida puede causar degradación o una falla catastrófica. Los condensadores de película, como los que emplean película de polipropileno, tienen factores de disipación más bajos y pueden tolerar más abuso que los condensadores electrolíticos de aluminio, pero estos condensadores tienen clasificaciones de capacitancia más bajas para un tamaño dado, lo que compromete el rendimiento de filtrado. La compensación entre el rendimiento de rizado de salida y la operación fiable y repetitiva en cortocircuito es una restricción de diseño.
Tensión retroalimentada
Las fuentes de alimentación DC se conectan frecuentemente a cargas que tienen su propia fuente de energía o a cargas que producen tensiones y corrientes que exceden las clasificaciones de la fuente de alimentación. Ejemplos típicos son las cargas de baterías, motores DC y controladores de motores; estas cargas son capaces de flujo bidireccional.
Conectar una batería a los terminales de salida de la fuente de alimentación puede causar una carga rápida de los condensadores de salida y producir una corriente de salida excesiva. Como se muestra en la Figura 4, colocar un diodo en serie, D1, entre la salida de la fuente de alimentación y la batería evita que la tensión sea retroalimentada a los terminales de salida de la fuente de alimentación. Configurar la fuente de alimentación para detección remota en la carga elimina el desfase de tensión del diodo. Además, el diodo evita la descarga de la batería a través de la fuente de alimentación cuando esta está apagada. Las fuentes de alimentación AC a DC típicamente tienen resistencias de descarga a través de los condensadores de salida para descargar cualquier carga almacenada cuando la fuente de alimentación está apagada.
Las combinaciones de motores DC y controladores de motores pueden retroalimentar tensiones mientras intentan regenerar energía. Si la fuente de alimentación no puede disipar la energía, su tensión de salida flota al nivel de tensión producido por el motor o el controlador. Colocar un diodo, como se describió anteriormente, protege la salida de la fuente de alimentación de exceder su clasificación de tensión.
Tensión inversa
La mayoría de las fuentes de alimentación AC a DC utilizan un diodo o una configuración de circuito rectificador síncrono en la etapa final de procesamiento de potencia de salida. Estos componentes fijan la tensión de salida a varios voltios en la dirección inversa. Cargar una fuente de alimentación para producir una tensión inversa generalmente no presenta problemas de fiabilidad para la etapa de salida, incluidos los condensadores electrolíticos de aluminio, siempre que las corrientes de salida se mantengan dentro de las clasificaciones de la fuente de alimentación. Aplicar una fuente de tensión inversa, como una batería, puede dañar los semiconductores de potencia de salida si se permite que las corrientes excedan las clasificaciones. Como se muestra en la Figura 5, la protección contra tensión inversa se puede lograr con un fusible DC de acción rápida conectado en serie, F1, y un diodo, D1, con una clasificación de sobrecarga más allá del i2t del fusible. Con este esquema de protección, una conexión de tensión inversa fundirá el fusible al forzar la corriente a través del diodo de protección.
