62 Revista ABB 1/2001

na forma de proteger las instalaciones

contra las perturbaciones de la red eléc-

trica es instalar un sistema UPS (Uninterruptible

Power Supply) de alimentación sin interrup-

ciones, de respuesta rápida y a gran escala. Para

muchas aplicaciones, sin embargo, el sistema UPS

es desproporcionado, ya que está diseñado para

compensar la pérdida total de energía eléctrica

pero la mayoría de los problemas se deben a per-

turbaciones muy breves que normalmente afectan

a una sola fase. La respuesta a este problema es

el restaurador dinámico de tensión o DVR. Un

restaurador DVR detectará y compensará instan-

táneamente las caídas de tensión, de forma que

no se notará que han sucedido.

ABB ha instalado recientemente dos restau-

radores DVR con nada menos que 22 MVA de

potencia nominal, con diferencia los más

potentes que se hayan construido. La tecnología

IGCT de ABB, de tiristores conmutados por puer-

ta integrada, ha permitido fabricar dichos disposi-

tivos confiriéndoles características especiales

como una gran rapidez de respuesta (<1 ms),

prestaciones superiores a las normales y una

extraordinaria fiabilidad.

En verano de 2000, solo ocho meses después

de la firma del contrato, ABB Industrie AG –en

colaboración con ABB High Voltage Technology

Ltd– entregó y puso en funcionamiento dos dis-

positivos de calidad de la energía eléctrica que se

encuentran entre los más grandes construidos

hasta ahora. Estos dispositivos, conocidos como

restauradores dinámicos de tensión (DVR), están

destinados a compensar las caídas temporales de

tensión causadas por las perturbaciones y fallos

que se producen en las redes eléctricas. Aunque

varios fabricantes han construido dispositivos de

este tipo durante los últimos años, estos restau-

radores DVR son únicos por su potencia nominal.

Proyectados para cargas de hasta 22,5 MVA cada

uno, son con diferencia las unidades de mayor

tamaño en su clase.

Importancia de corregir

las caídas de tensión

La mayor parte de las perturbaciones que se pro-

ducen en las redes eléctricas consisten en breves

caídas de tensión. Entre sus posibles causas están

las corrientes de conexión que se producen al

poner en marcha los grandes transformadores y

las corrientes de arranque de motores de grandes

dimensiones. Sin embargo, la inmensa mayoría

de las caídas de tensión se deben a los cortocir-

cuitos o a los fallos a tierra en algún punto de la

red que puede estar situado a muchos kilómetros

de distancia del lugar donde se experimenta la

caída. La caída tiene normalmente una duración

corta, aproximadamente el tiempo necesario para

desconectar de la red la línea en la que se ha

producido el fallo.

Podría aducirse que nadie se preocuparía por

una caída de tensión de solo 0,1 s. Si usted está

en su casa por la noche, leyendo un libro o vien-

do la televisión, apenas si percibirá el breve

parpadeo de la luz o la raya que se mueve por la

pantalla del televisor; un instante después todo

vuelve a ser normal y una hora más tarde incluso

lo habrá olvidado.

Pero el asunto es completamente distinto si

usted se encuentra en un ascensor y la caída

de tensión dispara el sistema de control, que,

por alguna razón no vuelve a ponerse en

marcha automáticamente. Usted tendrá que

accionar la alarma para avisar al operario de

servicio que tendrá que poner en marcha

manualmente el ascensor, con suerte en unos

pocos minutos. Durante el tiempo de espera es

probable que usted no se mantenga en una

tranquilidad total y sin duda no olvidará la

experiencia tan rápidamente. De todas formas

no se trata de un incidente grave y usted no

Dispositivos de calidad de laenergía eléctrica: más estabilidadpara los procesos de fabricación

Peter Daehler, Markus Eichler, Osvin Gaupp, Gerhard Linhofer

Si a usted le molesta volver a poner en hora su reloj digital tras un corte de corriente, imagínese

lo que sentirá al ver que todas sus instalaciones de fabricación se ven también afectadas.

Un corte de unas pocas décimas de segundo puede costar a una empresa miles de dólares.

U

Revista ABB 1/2001 63

habrá perdido más tiempo que el que perdió

en el último atasco de tráfico.

En el caso de una industria manufacturera, sin

embargo, una caída de tensión tiene una dimen-

sión bastante distinta que puede resumirse como

‘pérdida de producción, pérdida de beneficios’.

La búsqueda de más eficiencia de producción ha

acelerado la tendencia a la automatización, no

solo de los procedimientos y fases concretas de

fabricación sino también de las cadenas continuas

de producción que integran gran cantidad de

procesos y operaciones. Algunos de estos pro-

cedimientos, además, requieren un entorno muy

estable, totalmente libre de perturbaciones, para

garantizar máxima calidad con un mínimo de

paradas. En ambos casos, incluso una pertur-

bación de menos de 100 milisegundos puede

provocar la pérdida de producción durante varias

horas o al menos durante el tiempo necesario

para estabilizar las condiciones del proceso.

Una solución para proteger los procesos de

fabricación o las plantas industriales contra las

perturbaciones de la red eléctrica consiste en

instalar a gran escala sistemas de alimentación sin

interrupciones y de respuesta muy rápida. Sin

embargo, esta es una solución bastante cara,

tanto por la inversión inicial como por los costes

de explotación. Dado que la mayoría de las per-

turbaciones eléctricas no provocan una interrup-

ción total de la alimentación eléctrica sino solo

una caída temporal de la tensión en una sola fase

de la línea de alimentación, la compensación de

la caída proporcionaría una protección suficiente

para cerca del 90 % de todas las perturbaciones

que se producen en la red eléctrica.

Las condiciones que exigieron

corregir las caídas de tensión

Las instalaciones de fabricación en que se inte-

graron los dos restauradores DVR mencionados

son de naturaleza compleja y reciben la energía

eléctrica de dos circuitos de alimentación de

Media Tensión. Bajo condiciones meteorológicas

muy desfavorables, en la red pueden producirse

más de 15 contorneamientos y fallos entre línea y

tierra en un periodo de 24 horas. Las más de 150

caídas de tensión registradas en 1999 produjeron

daños muy importantes en la producción, hacién-

dose evidente la necesidad de encontrar urgente-

mente una solución. Se decidió instalar dos dis-

positivos de calidad de la energía eléctrica –uno

para cada circuito alimentador– con la mayor

rapidez posible. El cliente fijó por escrito un

plazo de 8 meses a partir de la fecha del pedido

para la instalación y puesta en funcionamiento.

Los dispositivos debían satisfacer las siguientes

especificaciones técnicas básicas:

■ Tensión nominal en el circuito de

alimentación: 22 kV

■ Carga nominal por circuito de alimentación:

15 MVA con un factor de potencia de 0,9 pu

■ Prestaciones:

– Proteger la carga nominal contra una caída de

tensión trifásica del 35% durante 500 ms

– Proteger una carga de 22,5 MVA contra una

caída de tensión trifásica del 35% durante

333 ms

– Proteger las cargas mencionadas contra las

caídas de tensión monofásicas superiores al

50% durante un máximo de 600 ms

– Tiempo de conmutación entre la posición de

reserva y la posición de refuerzo de tensión

inferior a 1 ms

El dispositivo tiene que ser también ‘ampliable’

para poder aumentar su capacidad nominal si en

algún momento es necesario.

Cumplimiento de los requisitos

Un plazo de entrega tan corto fue posible en

primer lugar gracias a la existencia de una

plataforma adaptada de hardware, que permitió

utilizar los módulos que ABB suele emplear en

AC 1

Rsym

DC+

DC–

CC+

CC–

AC 2

Rsym

DC+

DC–

CC+

CC–

=

Bloque constructivo básico del restaurador dinámico de tensión. Estos módulos

pueden combinarse para construir diversas configuraciones de convertidores y choppers

CC-CC de alta potencia.

1

64 Revista ABB 1/2001

sus grandes convertidores estándar de frecuencia

de fuente de tensión y en sus grandes sistemas

de accionamiento de Media Tensión (ACS 6000).

El módulo básico es una rama por fase para

convertidores de tres niveles unidos al neutro.

Con estos módulos se pueden formar distintas

combinaciones de convertidores e interruptores

choppers CC-CC de alta potencia. Esta platafor-

ma, que cuenta con interfaces de señales adap-

tadas y un sistema de control versátil y fácil de

programar, proporciona la gran flexibilidad y

adaptabilidad necesarias para construir unidades

destinadas a una amplia gama de aplicaciones sin

tener que hacer modificaciones fundamentales en

el diseño.

Como elementos de conmutación activos se

utilizan los tiristores conmutados por puerta

integrada (IGCT), un tipo avanzado de tiristor de

corte de puerta (GTO). En comparación con los

GTO, los IGCT tienen las ventajas de sus

menores pérdidas de conducción y conmutación,

además de sus mejores características de corte,

que hacen posible diseñar convertidores sin

amortiguamiento.

Lo verdaderamente característico de este pedi-

do era la cantidad de energía que se debía almace-

nar en la batería de condensadores de la conexión

de corriente continua. El reto no era tanto la canti-

dad de energía en si sino la necesidad de proyec-

tar el equipo para que ningún fallo interno –por

ejemplo los defectos en un condensador, un corto-

circuito o un fallo en el convertidor– pudiera pro-

ducir daños más allá del componente mismo en

que se había producido el fallo. No es esta una

cuestión trivial, ya que durante el funcionamiento

del dispositivo (cuando hay que compensar la

caída de tensión) la corriente extraída de la batería

de condensadores no es baja; si la corriente fuera

demasiado baja, o si llegara a tener valor nulo por

efecto del limitador, los efectos serían perjudi-

ciales. Una solución razonable consistiría a en

dividir la batería de condensadores en dos grupos

y situar en puntos estratégicos una combinación

de resistencias amortiguadoras y fusibles.

El dispositivo de

calidad de la energía

eléctrica

En la figura se observa un diagrama unifilar

del dispositivo de calidad de la energía eléctrica.

El circuito de potencia tiene los componentes y

funciones principales siguientes:

■ Conexión de corriente continua con batería

de condensadores (1). También se utiliza como

elemento para almacenar la energía.

■ Convertidor de fuente de tensión (2), para

compensar las caídas de tensión. Consiste en dos

ramas por fase NPC. La conmutación activa está a

cargo de los tiristores IGCT.

■ Transformador reforzador (3), que actúa

como interconexión entre las fases del alimenta-

dor y el convertidor de fuente de tensión.

■ Filtro pasa-alto amortiguado (4), conectado

a través de los terminales de final de línea del

transformador reforzador. Ayuda a ‘limpiar’

la forma de onda de la tensión inyectada ‘cor-

tocircuitando’ los armónicos residuales de alta

21

AuxDVR

1

8

2

3

4

7 7

5

6

Grid Load

+ –UDm

dUB

UDp

UG UH

Lim

it of

sup

ply

Lim

it of

sup

ply

~

Diagrama unifilar del dispositivo de calidad de la

energía eléctrica

1 Conexión de corriente continua con batería de condensadores

2 Convertidor de fuente de tensión

3 Transformador reforzador

4 Filtro pasa-alto amortiguado

5 Circuito de corte

6 Conmutador de by-pass

7 Seccionadores

8 Unidad de carga

UG Tensión de la red

UH Tensión de la carga

UDp Tensión de la conexión de corriente continua, carga positiva en punto medio

UDm Tensión en la conexión de corriente continua, carga negativa en punto medio

dUB Tensión de compensación (insertada) de la caída de tensión

2

Revista ABB 1/2001 65

frecuencia. Por lo tanto, la tensión está prácti-

camente exenta de rizado, tanto en la carga

como en la red eléctrica.

■ Circuito de corte (5), formado por tiris-

tores controlados que puentean (es decir,

cortocircuitan) los terminales de final de línea

del transformador reforzador en caso de pro-

ducirse un fallo en un dispositivo interno o

en un punto posterior (en el lado de carga) al

dispositivo. Esta última función es especial-

mente útil para evitar las interferencias con

los sistemas de protección existentes en el

sistema.

■ Conmutador de by-pass (6), que establece

una derivación para todo el dispositivo.

■ Seccionadores (7), para aislar el dispositi-

vo cuando se cierra el conmutador de by-

pass para proceder al mantenimiento, que no

precisa interrumpir la línea de alimentación.

■ Unidad de carga (8), para cargar la batería

de condensadores del enlace de corriente con-

tinua antes de poner en marcha el dispositivo

y para recargar los condensadores después de

haber compensado una caída de tensión.

En se muestra la disposición física de los

componentes del restaurador DVR. Las opera-

ciones de montaje y cableado, así como las

pruebas exhaustivas de las unidades, se reali-

zan en fábrica antes de expedir el dispositivo,

con lo que se reduce al mínimo el tiempo

necesario para la instalación in situ, para el

ajuste y para la puesta en marcha. El contene-

dor representado tiene 12,5 metros de longitud,

3 metros de anchura y 3 metros de altura. En

su mayor parte, la batería de condensadores de

almacenamiento de energía está alojada en un

segundo contenedor de dimensiones similares

(no representado en la figura).

Control y monitorización

El sistema de control, el cerebro del restaurador

DVR, ha de tener una respuesta rápida y muy

fiable.

El modulador y todas las funciones de

interbloqueo y monitorización relacionadas con

el convertidor exigen una gran velocidad de

procesamiento, es decir, tiempos de ciclo muy

cortos, razón por la cual se montan en una placa

especial equipada con un dispositivo lógico pro-

gramable eléctrico (EPDL) y con varios proce-

sadores de señales digitales. Dejando aparte algu-

nas pequeñas modificaciones se trata de la misma

placa estándar que ABB utiliza para controlar sus

sistemas ACS de accionamiento de Media

Tensión. El control de nivel superior lo ejecuta un

controlador programable de alta velocidad PSR

de ABB, que no solo garantiza una gran flexibili-

dad sino también la facilidad de adaptación a la

aplicación concreta y la posibilidad de realizar

modificaciones. Un tercer sistema, basado en un

ordenador personal, actúa como interfaz de

control para el operario y se utiliza también para

supervisar la función y el rendimiento del dispos-

itivo de calidad de la energía eléctrica. Se aplica

una tecnología avanzada de comunicaciones.

3

Disposición física del dispositivo de calidad de la

energía eléctrica.

3

66 Revista ABB 1/2001

En la eventualidad de que se produzcan pertur-

baciones en el interior del dispositivo se genera y

envía a las direcciones prefijadas un e-mail que

describe el problema. El personal autorizado a

acceder al sistema puede supervisar los controles

prácticamente desde cualquier lugar del mundo

y, si es necesario, cambiar los parámetros o modi-

ficar el programa. La capacidad de localizar las

averías a distancia es una característica funda-

mental del sistema.

Como ejemplo de esta función de super-

visión, en la figura se muestran las líneas de

registro de tensión e intensidad obtenidas durante

una caída real de tensión en la red.

Rendimiento operativo

Paralelamente al diseño y a la fabricación se

realizaron simulaciones por ordenador y diversas

pruebas en un simulador de hardware. Las simu-

laciones de software se utilizaron para comprobar

los parámetros de proyecto y las especificaciones

de los componentes, así como los algoritmos de

control y el ajuste de sus parámetros. El sistema

de control fue, más tarde, sometido a pruebas

muy completas en un simulador de hardware

para comprobar que el software y el hardware de

control, inclusive los puertos de E/S, habían sido

configurados correctamente y funcionaban de

forma apropiada.

Todos estos trabajos se revelaron como muy

útiles cuando, a finales del verano de 2000, los

dos dispositivos de calidad de la energía eléctrica

empezaron a funcionar tras una puesta a punto

extremadamente corta.

En la figura se muestran las líneas de

registro de las tensiones de entrada y de salida

obtenidas al simular la corrección de una caída

de tensión del 30%.

En se presentan las mismas líneas de

registro, pero en este caso se trata de las

6

5

4

Representación de la función de adquisición de datos. Esta información puede

estar también disponible en lugares situados a gran distancia.

4

Compensación de la caída de tensión, observada con el simulador. De arriba abajo:

tensiones de entrada, de salida (corregida), tensión del enlace de CC, señal de disparo.

5

Revista ABB 1/2001 67

obtenidas en la instalación real al producirse

una auténtica caída de tensión poco después de

la primera puesta en marcha. Si el dispositivo no

hubiera estado en funcionamiento, la caída de

tensión habría tenido consecuencias muy negati-

vas para la producción. También puede verse

que la compensación de la tensión es extraordi-

nariamente rápida –tarda menos de una milési-

ma de segundo–, superando lo que se considera

necesario y lo que de hecho se especifica. Esto

es posible gracias al exclusivo control anticipati-

vo utilizado en este tipo de aplicación. El retar-

do y el tiempo de estabilización, inevitable si se

utiliza un algoritmo de control más conven-

cional, se eliminan casi por completo.

Finalmente debe subrayarse que las especifi-

caciones se consideraron como líneas de refe-

rencia y como requisitos mínimos para los dis-

positivos. La compensación de las caídas de ten-

sión, por ejemplo, no se limita al valor especifi-

cado. También será compensada una caída de

tensión trifásica que supere el 35%, no durante

500 ms, sino mientras la batería de conden-

sadores suministre energía eléctrica. Si la caída

de tensión es menor, el sistema proporcionará

protección durante un máximo de 600 ms, com-

pensándose así numerosas caídas de tensión

consecutivas. Además, la tensión nominal de la

conexión de corriente continua es menor que el

valor máximo permitido, de modo que la batería

de condensadores de corriente continua puede

absorber también una cierta cantidad de

energía. De este modo no solo se compensan

las caídas de tensión sino también algunas

sobretensiones temporales (elevaciones de

tensión).

En se muestra la caída de tensión en

función de la posible duración de las perturba-

ciones del sistema cuando se producen caídas

de tensión monofásicas, bifásicas y trifásicas.

7

1.0

0.5

0

–0.5

–1.0

Uin

[pu

]

1.0

0.5

0

–0.5

–1.0

Uo

ut[

pu

]

140120100806040200–20

t [ms]

Compensación de la caída de tensión en la instalación real. La línea de registro

superior muestra la tensión de entrada y la línea inferior la tensión de salida corregida.

Uin Tensión de entrada

Uout Tensión de salida

t Tiempo

6

100

90

80

30

40

50

60

70

U[%

]

0 100 200 300 400 500 600

F [ms]

1-phase %2-phase %3-phase %

Capacidad de protección del sistema. Caída de tensión (U) en función de

la duración del fallo (F)

7

68 Revista ABB 1/2001

Conclusiones

Los dispositivos de calidad de la energía eléc-

trica con funciones DVR no están destinados a

sustituir a los sistemas de alimentación sin

interrupciones. Sin embargo, en los procedi-

mientos de fabricación complejos ofrecen una

excelente protección contra las perturbaciones

de la red eléctrica. Además son robustos,

fiables y de respuesta muy rápida, y no necesi-

tan prácticamente mantenimiento. Dado que es

posible construirlos para potencias relativa-

mente altas, pueden utilizarse en todos las

ramos de la industria, no solo en líneas de

producción sino también en fábricas enteras e

incluso en polígonos industriales. Y, lo que no

es menos importante, no producen interferen-

cia alguna con los programas de protección

existentes, limitando las corrientes de fallo

cuando se producen perturbaciones en puntos

posteriores de la línea. Es posible, por tanto,

instalarlos sin necesidad de modificar los

equipos existentes.

For further information please visit

http://www.abb.com/powerelectronics

Autores

Peter DaehlerMarkus EichlerOsvin GauppGerhard LinhoferABB Industrie AGCH-5300 TurgiSuizaAddress for questions and inquiriesE-mail: pes@ch.abb.comFax: +41 56 299 2090

Bibliografía[1] H. M. Stillmann: IGCTs, conmutador de semiconductores de alta potencia para tensiones medias. Revista ABB 3/97, 12-17.

[2] P. K. Steimer y otros: IGCT, nueva generación de tiristores para onduladores de alta potencia a menor coste. Revista ABB 5/98, 34-42.

[3] P. Daehler, R. Affolter: Requirements and solutions for dynamic voltage restorers. IEEE Power Engineering Society, Winter Meeting, Singapore,

Jan 2000.

[4] W. Raithmayr, et al: Customer reliability improvement with a DVR or a DUPS. Power World Conference, 1998.

Una breve caída de la tensión de alimentación, imperceptible

para la mayor parte de los consumidores de electricidad, puede

detener una línea entera de producción en los sectores industria-

les especialmente sensibles, como son la fabricación de chips

de ordenador, el refino de petróleo y el sector textil. Frecuente-

mente las condiciones meteorológicas desfavorables pueden

llegar a provocar la interrupción total durante horas de un sis-

tema de alimentación de energía eléctrica, inutilizando lotes

enteros de producción. ABB ha desarrollado y comercializado

con éxito sistemas para superar este tipo de obstáculos me-

diante la electrónica avanzada de potencia. Estos sistemas de

calidad de la energía eléctrica destacan por su fiabilidad y por su

capacidad de respuesta a las perturbaciones de la tensión.

El restaurador dinámico de tensión DVR es la solución

óptima para la mayoría de los clientes que necesitan protección

contra estas perturbaciones, es decir, las caídas y elevaciones

de tensión provocadas por fallos acaecidos a gran distancia en

el sistema. El restaurador DVR compensa de forma casi instan-

tánea estas alteraciones de la tensión siempre que los interrup-

tores automáticos situados más adelante no desconecten por

completo la red de alimentación.

Sistemas de calidad de la energía eléctrica, herramientas para aumentar la productividad

Booster transformer

Mains Load

Converter

Energystorage

Principio del restaurador dinámico de tensión con tiempo

de respuesta menor que un milisegundo