La electricidad de las plantas de energía solar y las turbinas eólicas no se puede alimentar directamente a la fuente de alimentación. Tienes que usar un inversor para convertir. Los IGBT son interruptores de potencia de alta velocidad que ‘flotan’ a altos potenciales y deben estar aislados galvánicamente de la electrónica de control. Al igual que un dique que mantiene las aguas de la inundación alejadas de la tierra que se encuentra detrás, los convertidores de CC/CC altamente aislados aseguran que las instalaciones cuenten con soporte previo contra las “inundaciones”.
La electricidad de las plantas de energía solar y las turbinas eólicas no se puede alimentar directamente a la fuente de alimentación. Tienes que usar un inversor para convertir. Los IGBT son interruptores de potencia de alta velocidad que ‘flotan’ a altos potenciales y deben estar aislados galvánicamente de la electrónica de control. Al igual que un dique que mantiene las aguas de la inundación alejadas de la tierra que se encuentra detrás, los convertidores de CC/CC altamente aislados aseguran que las instalaciones cuenten con soporte previo contra las “inundaciones”.
Fukushima ha acelerado la transición a las energías renovables, al menos en Alemania, pero lamentablemente ni el viento ni el sol nos proporcionan la electricidad que necesitamos. El sol no brilla todo el tiempo, solo durante el día. Hace viento por la noche, pero no puede programar su industria de acuerdo con la escala de Beaufort. Aparte de eso, los parques eólicos marinos están lejos de donde se necesita la energía. Esto requiere nuevas formas de transportar y almacenar energía, que es solo una cara de la moneda. La otra es introducir energía eólica y solar en la red eléctrica con el voltaje, la frecuencia y la fase adecuados. Implica mucha ingeniería seria.
Convertir la energía solar y eólica en las principales fuentes de energía
Los generadores de turbinas eólicas ya producen CA, pero el problema es que, incluso con palas de turbina variables, no pueden sincronizar su frecuencia o voltaje con la red eléctrica. Lo mismo se aplica a los sistemas solares. Sin mencionar el hecho de que las células solares producen CC, el voltaje del colector caerá a cero cuando el sol se ponga detrás del horizonte a más tardar. Esto significa procesar la energía eléctrica producida por dos sistemas completamente diferentes de manera que pueda suministrarse a la red con pérdidas mínimas. En principio, esto requiere dos pasos. El primero convierte la entrada de energía en alta corriente continua y el segundo convierte la CC en la CA requerida por la red.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques del sistema solar. El convertidor elevador (mitad izquierda) convierte el voltaje variable de la celda solar en una corriente continua de alto voltaje constante dependiendo de la intensidad del sol. Aquí es donde entran en juego los IGBT o transistores bipolares de puerta aislada, controlados por señales moduladas por ancho de pulso. El ciclo de trabajo se ajusta para garantizar la corriente continua requerida en el capacitor aguas arriba del rectificador. Los dos pares de IGBT que proporcionan el inversor (mitad derecha) se controlan en fase opuesta a una señal PWM que opera a una frecuencia de al menos 10 kHz. El ciclo de trabajo varía a un ritmo de 50 Hz para garantizar un voltaje sinusoidal de 230 V/50 Hz sincronizado en fase con el voltaje de la red.
h1.IGBT – ¿El arma secreta de la electrónica de alta potencia?
Técnicamente hablando, el IGBT es un híbrido, que actúa como un MOSFET en el lado de entrada y un transistor bipolar en el circuito colector-emisor. Hay poca necesidad de controlar la corriente, al menos para la corriente que cambia. En el estado ON exhibe una baja caída de voltaje típica de los transistores bipolares en el lazo colector-emisor. Esto los hace ideales para conmutar voltajes y corrientes altos manteniendo las pérdidas relativamente bajas. Perfecto para inversores y convertidores elevadores.
Controlar los IGBT no es fácil. La electrónica de control y el procesador funcionan a bajo voltaje y están físicamente conectados a tierra. Por otro lado, los IGBT individuales del inversor ‘flotan’ a diferentes potenciales y están conectados a tierra, por lo que ambos requieren un aislamiento galvánico eficaz. Sin algunos aspectos adicionales que requieran atención, los optoaisladores pueden resolver el problema fácilmente. Los IGBT requieren un voltaje positivo para encender el interruptor y un voltaje negativo para descargar rápidamente la capacitancia de la puerta cuando el interruptor se apaga. Los bordes de conmutación proporcionados por la electrónica de control no son lo suficientemente pronunciados para garantizar una conmutación IGBT eficiente. Además, un IGBT que dice ser controlable de potencia cero en realidad requiere más potencia de la que puede proporcionar el procesador o el optoaislador, por lo que es necesario instalar controladores adicionales en el medio. IGBT y otros componentes.
h1 Necesidad de aislamiento galvánico mediante convertidor CC/CC
El controlador acelera los bordes de conmutación a más de 1000 V/µs para generar la corriente necesaria para cargar la capacitancia de entrada del IGBT. El controlador en sí requiere un suministro de voltaje de +15V. Para apagar el interruptor, la capacitancia de la puerta debe descargarse rápidamente. Esto se maneja aplicando un voltaje negativo. En la práctica, -9V ha demostrado ser adecuado. Un convertidor CC/CC con aislamiento galvánico adecuado suministra ambos voltajes.
A voltajes moderados como 600 V, el aislamiento puede parecer un problema menor. Para voltajes superiores a 1 kV, es suficiente un transformador relativamente simple con alambre esmaltado aislante y devanados superpuestos. Sin embargo, si desea que su sistema dure mucho tiempo, debe mirar más a fondo. Esta es un área complicada.
Por ejemplo, la resistencia de aislamiento en los convertidores CC/CC se especifica comúnmente en 50 Hz, mientras que los circuitos IGBT normalmente funcionan a frecuencias superiores a 10 kHz debido a las ganancias de eficiencia. No sabemos del todo cómo se comportarán los componentes electromagnéticos a esa frecuencia, por lo que los cálculos deben tener en cuenta un margen de seguridad. Además, se debe recordar que el circuito opera con bordes muy afilados para minimizar las pérdidas, pero un dV/dt alto de 1000 V/µs o más afectará en otros lugares. Los bordes afilados afectan la capacitancia parásita que se ve alrededor de los IGBT y los transformadores convertidores. Una sonda de osciloscopio le dará una lectura de pico general más baja que lo que realmente sucede en la vida real.
Estos efectos gravan constantemente a los convertidores CC/CC. Superar el límite especificado normalmente no daña los convertidores de CC/CC, pero este castigo a largo plazo es para garantizar que el dique permanezca intacto durante años antes de que se rompa después de ablandarse por una inundación prolongada. No hay garantías aquí, ya que no hay forma de evaluar con precisión los límites. Los inversores tienen una larga vida útil y son caros de mantener y apagar. Por lo tanto, tiene sentido tener siempre en cuenta los aspectos de seguridad al elegir un convertidor adecuado, como elegir un convertidor CC/CC que pueda soportar los picos esperados en funcionamiento constante.
h1 Herramientas útiles para la comparación de datos
No es difícil ver por qué el límite de aislamiento para movimiento constante es mucho más bajo que para picos de corta duración. No hay reglas generales para esta situación, pero RECOM proporciona a los usuarios datos de comparación que son muy útiles en discos de tamaño CD y proporciona valores de comparación para todos los valores de referencia.
Como ejemplo, al seleccionar el voltaje de prueba de 4000 V CC durante 1 segundo especificado en RECOM RK-0515S, como se muestra en la Figura 3, se mostrarán los límites permitidos para 1 minuto o un funcionamiento constante a 3200 V CC y 1800 V. DC, respectivamente a la derecha. En pocas palabras, un convertidor CC/CC especificado en 4000 V CC solo puede manejar hasta 1800 V CC en funcionamiento de estado estable. Los cálculos siempre deben incluir la diferencia como margen de seguridad para garantizar la protección contra futuros desafíos eléctricos y mecánicos. Debido al menor costo, muchos usuarios eligen convertidores con un aislamiento más efectivo. Esto se debe especialmente a que la nueva tecnología de transformadores no tiene impacto en el diseño o tamaño del convertidor. Puede probar nuestra práctica Calculadora de aislamiento en nuestro sitio web. www.recom-electronica.com Puede solicitarlo de forma gratuita a [email protected].
h1 Amplia gama de productos para aplicaciones IGBT
Hasta ahora, cada controlador ha requerido dos convertidores CC/CC para el IGBT y la fuente de alimentación asimétrica, que tiene principalmente voltajes positivos y negativos de +15 V y -9 V. Ejemplos exitosos de la gama RECOM incluyen pares de convertidores RK-xx09S/RK-xx15S (1 W) con un voltaje de prueba de 4000 V CC/1 s o pares de convertidores RP-xx09S/RP-xx15S (1 W) a 5200 V CC/1 s. incluido. Sin embargo, el uso de los pares de convertidores RxxP09S/RxxP15S (1 W) y RxxP209S/RxxP215S (2 W) con un voltaje de prueba de 6400 V CC/1 s proporciona un aislamiento aún más efectivo. Todos los modelos están alojados en una carcasa compacta SIP7 y utilizan refrigeración natural con temperaturas ambiente de hasta 85 °C sin reducción de potencia.
En mayo de 2013, entró en el mercado una nueva generación de convertidores con salidas duales. Hay cuatro gamas de productos disponibles con los mismos voltajes de aislamiento que los pares de convertidores anteriores, pero ambos generan los voltajes de +15 V y -9 V necesarios para las aplicaciones IGBT. En el futuro solo habrá un convertidor CC/CC para cada controlador. Todos los modelos están disponibles con entradas seleccionables de 5 V, 12 V y 24 V, están certificados según EN-60950-1 y EN60601-1 y son completamente libres de plomo según RoHS 6/6. Viene con una garantía de 3 años.
