Fuentes de Potencia en DC Programables, Bidireccionales y Regenerativas

Fuentes de Potencia en DC Programables, Bidireccionales y Regenerativas

Ensayos en aplicaciones diversas y para múltiples industrias de baterías de asistencia en DC, inversores, pilas de combustible y pruebas de motores.

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La revolución eléctrica está aumentando la adopción de energías renovables y otras fuentes de energía limpia libres de emisiones de carbono y  basadas en alimentación de potencia en corriente continua (DC). Los paneles solares y las pilas de combustible generan corriente continua en DC, mientras que las turbinas eólicas tienen puentes en DC que a su vez alimentan a inversores sincronizados con la red eléctrica pública en voltaje y frecuencia.

Aparte de los vehículos eléctricos (EV), la potencia en DC sigue encontrando usos en la industria aeroespacial convencional, aplicaciones industriales y de energía: accionamiento de motores de DC por ejemplo, o probar fusibles, contactores y disyuntores de alta potencia.

Las baterías son el ejemplo principal de potencia en corriente continua, entregándola cuando se descargan y absorbiéndola mientras se cargan. Las baterías encuentran hoy día utilidad en muchísimas aplicaciones, proporcionando fuentes de energía móvil para coches eléctricos y otras aplicaciones de movilidad, y proporcionando energía de respaldo para fuentes intermitentes como turbinas eólicas y paneles solares.

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Las tendencias del mercado

Debido a la variedad de aplicaciones de las baterías su mercado se está expandiendo rápidamente. McKinsey pronostica en un informe de 2023 que la cadena global de las baterías de iones de litio, desde la minería hasta el reciclaje, crecerá un 30% anual hasta 2030 alcanzando un valor de mercado de $400 mil millones y una capacidad de 4,7 TWh. Esto supone un notable aumento respecto de la tasa de crecimiento anual prevista en un informe anterior de la empresa que era del 25% para el mismo período hasta 2030.

También está aumentando su volumen en otros campos de aplicación citados anteriormente.

La Asociación de Industrias Energéticas Solares informa que el mercado solar de EE. UU instaló 6,1 GW de capacidad en el primer trimestre de 2023, lo que supone un aumento del 47% con respecto al primer trimestre de 2022 y el mejor primer trimestre en la historia de la industria. Esta asociación añade que la energía solar representó el 54% de toda la nueva capacidad de generación eléctrica añadida en los EE. UU. en el primer trimestre de 2023.

El Departamento de Energía de los EEUU informa además que la energía solar registró un crecimiento de capacidad instalada del 49% en EE. UU. en 2022, frente al 22% de aumento para la energía eólica.

Este departamento añade que EE.UU. creció en 8,5 GW de energía eólica en 2022, lo que representa una inversión de 12.000 millones de dólares.

Suministro de corriente DC regenerativa y programable

Debido a la ubicuidad de la alimentación  de corriente en DC, le resultará muy útil disponer de una fuente de alimentación regenerativa, programable, flexible y fiable que pueda generar y consumir energía en DC.

Un sistema de este tipo puede realizar simulación de baterías, probar baterías durante ciclos completos de carga/descarga, permitir pruebas de carga de pilas de combustible y paneles solares,  probar motores de DC u otros equipos que funcionen con un suministro en contínua.

En aplicaciones del sector de automoción una fuente de DC programable puede facilitar la prueba de diversas partes del sistema de propulsión de un vehículo eléctrico.

El  suministro regenerativo puede además devolver energía de forma económica y eficaz a la red o a otros canales de sistemas programables para pruebas de descarga de baterías, pilas de combustible, pruebas de paneles solares o pruebas de sistemas de propulsión con frenado regenerativo.

 La fuente de alimentación programable debe proporcionar una transición suave del modo fuente al modo carga y un aislamiento galvánico de la red para conseguir resultados óptimos.

Además, la fuente debe disponer de protección contra cortocircuitos y otras condiciones de fallo o emergencia. También debe ajustarse a las normas pertinentes como los estándares ISO 13849-1:2023, que describen el diseño e integración de las partes de sistemas de control relacionadas con la seguridad (SRP/CS) , y el IEC 60204-1, que define los requisitos y recomendaciones relacionadas con equipos eléctricos para garantizar la seguridad, proporcionar una respuesta de control consistente y simplificar la operación y mantenimiento.

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Y debido a que el sistema es regenerativo también debería cumplir con los estándares anti-isla, que requieren que el equipo se desconecte dentro de un tiempo determinado en caso de fallo de la red para proteger al personal que pueda estar trabajando en la resolución de la incidencia.

Las características de seguridad típicas que se deben buscar incluyen: contactores de DC redundantes en la salida, pulsador de parada de emergencia en el frontal del equipo, entradas de conexión para un pulsador de parada de emergencia remoto, voltímetros e indicadores luminosos en el frontal, y un interruptor principal que puede quedar enclavado en la posición de apagado.

Hasta cuatro canales de alimentación DC

El añadido más reciente de AMETEK Programmable Power al sector regenerativo del mercado de fuentes de alimentación programables es la Serie i-BEAM (Inteligente-Bidireccional Energía AMmplificada). Estos sistemas ofrecen niveles de potencia de hasta 650 kW con corrientes nominales de hasta ±1.000 A.

Dos sistemas en paralelo pueden ampliar la potencia nominal hasta 1,3 MW y la corriente hasta 2.000 A. Los rangos de voltaje disponibles son de  80, 300, 600, 800 y 1000 VCC. i-BEAM se fabrica en configuraciones de uno, dos y cuatro canales.

La eficiencia regenerativa llega hasta el 96%. Un sistema i-BEAM de un solo canal típico (Figura 1) incluye un interruptor

Y un contactor que conecta la línea de AC y un transformador de entrada proporcionando aislamiento galvánico. El transformador se conecta a un rectificador bidireccional que emplea transistores tipo IGBT con tecnología de modulación de ancho de pulso (PWM) para distribuir energía DC al convertidor CC/CC. El rectificador tiene menos del 6% de distorsión armónica total y presenta un factor de potencia superior al 99% a la entrada utilizando compensación interna de potencia reactiva.

El convertidor CC/CC bidireccional emplea tecnología IGBT PWM con un rizado de menos del 0,1% del fondo de escala. Puede operar en modos de voltaje constante (CV), corriente constante (CC), potencia constante (CP) y de resistencia constante (CR). La salida del convertidor PWM pasa a través de un filtro paso bajo camino del contactor de salida y del aislador, antes de llegar a la carga. El voltímetro analógico del panel frontal proporciona una medición instantánea del voltaje presente en la salida incluso aunque el sistema pierde la alimentación de la red. Esto es una característica de seguridad crítica para alertar al personal en caso de que haya un voltaje peligroso en la salida.

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Figura 1 Un sistema i-BEAM incluye un transformador de aislamiento, un rectificador y convertidores CC/CC.

La Figura 1 también muestra el controlador de seguridad, que cumple con los requisitos de seguridad nivel d (PLd) según ISO 13849-1 e IEC 60204-1, así como un dispositivo monitor de la resistencia de aislamiento que cumple los requisitos de IEC 61557-8, esta norma describe los requisitos de seguridad eléctrica en sistemas de distribución de baja tensión hasta 1.000 VAC y 1.500 VDC. El dispositivo de monitorización de aislamiento apaga la unidad si la resistencia a las fugas cae por debajo del umbral.

Además, un botón de STOP en el panel frontal apaga la unidad y abre el contactor de CC después de cinco segundos para proporcionar tiempo a devolver energía del DUT a la línea; el botón de parada de emergencia opcional E-STOP funciona de manera similar pero también abre el contactor de AC.

Los cinco segundos predeterminados del tiempo de apagado son ajustables de 0,5 a 100 segundos. i-BEAM también incluye una pantalla táctil de 15 pulgadas en el panel frontal que permite que los usuarios configuren, controlen y monitoricen los parámetros de programación de la salida, los límites de supervisión y puntos de ajuste, las mediciones y las configuraciones del sistema.

Los interfaces estándar de comunicación y control incluyen (VNC) Ethernet, que refleja la pantalla del sistema en un PC remoto, CAN Bus 2.0 (100 Hz) y Modbus TCP. Interfaces opcionales , son el bus CAN de alta velocidad (1 kHz), EtherCAT, Profibus DP, Profinet y analógicas de alta velocidad así como opciones para NI LabVIEW y MathWorks.

MATLAB y Simulink. Otras opciones incluyen el soporte de SCPI y una VPN accesible por AMETEK para mantenimiento remoto.

También es opcional el modo de prueba dedicado para test y simulación de baterías que encuentra aplicación en entornos de motores eléctricos, inversores y cargadores de baterías.

Este modo de simulación añade condensadores de salida y otros componentes para proporcionar resistencia interna ajustable, estabilidad del alto voltaje y tiempos de respuesta cortos después de un cambio de carga.

Esto permite que el sistema i-BEAM responda como lo haría una batería real. Hay una versión de la opción del simulador de batería que es compatible con los modelos MATLAB y Simulink.

Aplicaciones Típicas

Un sistema multicanal incluye un bus DC interno que transporta la corriente desde el rectificador a cada convertidor CC/CC, esto permite a los canales compartir corriente sin consumir energía adicional de la red.

figura 2 Adler Instrumentos
Figura 2

Un sistema multicanal permite una flexibilidad que no es posible con un modelo monocanal.

Supongamos que cada canal en la Figura 2 está configurado para 1000A.

En tal caso, dos grupos de dos canales independientes se puede combinar en dos canales de 2000 A, o los cuatro canales independientes de 1.000 A se pueden combinar en uno de 4.000 A, teniendo en cuenta que no existe aislamiento galvánico entre los distintos convertidores DC/DC en estos sistemas multicanal.

Figura 2. Un sistema i-BEAM multicanal aumenta la flexibilidad.

Además, los modelos multicanal ofrecen flexibilidad en el manejo de la regeneración.

 

 

 

La Figura 3a podemos ver dos sistemas i-BEAM de un solo canal, el de la parte superior alimenta a un motor que, a su vez, mecánicamente impulsa a un generador. El segundo modelo monocanal devuelve la potencia de salida del generador a la línea AC.

Figura 3 Adler Instrumentos
Figura 3. Dos sistemas de un solo canal (a) enrutan la energía regenerada a la línea AC, mientras que un único sistema de dos canales (b) puede redirigir alimentación a través del bus DC interno que conecta los dos canales.

La configuración i-BEAM de dos canales en la Figura 3b realiza una prueba similar, con el canal 1 alimentando a la combinación motor-generador y el canal 2 absorbiendo la potencia de salida del generador. En lugar de reinyectar la potencia de salida del generador a la línea  lo que hace el convertidor CC/CC del canal 2 es inyectarla al bus DC interno, desde donde puede volver al canal 1 sin incurrir en las pérdidas de eficiencia debidas al doble paso por el rectificador de entrada.

i-BEAM también puede realizar pruebas eficientes de ciclado de baterías en dos baterías con diferentes rangos. La Figura 4 muestra un i-BEAM de dos canales realizando pruebas de ciclado en una batería de 1000 kWh y 800V y  otra de 150 kWh y 100 V.

La prueba comienza con ambas baterías en un estado de carga bajo.

 

 

 

 

 

 

En la Figura 4a, el canal 1 del i-BEAM comienza a cargar la batería de 1000 kWh desde la red AC, en la figura 4b la batería de 1000 kWh ha completado la carga, el rectificador y el convertidor CC/CC del canal 1 invierten su funcionamiento y el convertidor CC/CC del canal 2 comienza a cargar la batería de 150 kWh con parte de la energía regenerada desde el canal 1. La energía restante del canal 1 vuelve a la línea.

Finalmente en la Figura 4c, la batería de 150 kWh ha completado su carga, y el rectificador y los convertidores CC/CC nuevamente invierten el proceso descargando la batería de 150 kWh y recargando la de 1.000 kWh con energía regenerativa combinada con energía de  la red. El proceso puede repetirse así el número de ciclos de carga/descarga que sean necesarios, este enfoque da como resultado una menor pérdida de energía eléctrica y reducción de los picos de consumo.

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Figura 4 Un sistema i-BEAM de dos canales puede manejar todas las etapas de una prueba de ciclado de dos baterías con rangos diferentes.

Los sistemas i-BEAM también admiten otros muchos casos de uso. Por ejemplo la Figura 5a muestra un sistema i-BEAM funcionando como simulador de batería. La figura 5b muestra un sistema funcionando como probador o simulador de baterías. Esta última operativa requiere una versión de la opción de simulación de batería que permita cambiar entre los modos de prueba de batería y simulación de batería. La Figura 5c muestra el i-BEAM utilizado para  test de pilas de combustible en ese caso el i-BEAM trabaja únicamente en modo carga. Un diodo en la salida proporciona protección  adicional para la pila de combustible bajo prueba.

 

 

 

 

 

 

 

 

Finalmente, la Figura 5d muestra el i-BEAM realizando tres pruebas diferentes simultáneamente: prueba de un motor con regeneración, prueba de pila de combustible y prueba de batería.

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Figura 5

Un i-BEAM de un solo canal puede realizar simulación de batería (a), simulación y prueba de batería con conmutación (b) o prueba de pila de combustible (c). mientras que un sistema de cuatro canales puede realizar múltiples tipos de test simultáneamente.

Conclusión

La fuente de alimentación de CC regenerativa, bidireccional y programable es fundamental para evaluar dispositivos y subsistemas de DC en aplicaciones de automoción, potencia y energía, aeroespacial y otras muchas industrias. AMETEK Programmable Power tiene una amplia experiencia en todas estas aplicaciones y su modelo de fuente DC regenerativa programable de la serie i-BEAM ofrece precisión, fiabilidad y repetibilidad para la simulación y prueba de baterías,  prueba de motores de CC, prueba de inversores, pilas  de combustible y otras muchas aplicaciones.

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