Prueba de desempeño de rectificadores y convertidores: salida y transformador

Qué es

La prueba de desempeño de un rectificador o convertidor es una evaluación en campo del equipo que convierte la corriente alterna en corriente continua para un sistema de CC, como la fuente que mantiene en flotación la batería de una subestación y alimenta las cargas conectadas. El trabajo tiene tres partes. La primera examina el convertidor y su conjunto semiconductor: diodos o tiristores, disipadores de calor, fusibles, medios de enfriamiento, redes de amortiguamiento y de protección contra sobretensiones, y los circuitos de control y de disparo. La segunda examina el desempeño de la salida, es decir, qué tan estable y qué tan limpia es la corriente continua cuando cambian la carga, el voltaje de alimentación y el modo de operación. La tercera examina el transformador rectificador que alimenta la unidad, que se construye de manera distinta a un transformador de distribución común porque conduce una corriente rica en armónicas y con frecuencia usa conexiones de devanado de desfase o de múltiples pulsos. La prueba se exige en la aceptación, antes de confiar al sistema de CC un banco de baterías o el arranque y el sostenimiento de cargas críticas.

Por qué se realiza

Un sistema de CC es la última línea de defensa cuando se pierde la alimentación de corriente alterna: acciona relevadores de protección, bobinas de cierre y de disparo, controles y alumbrado de emergencia. Un rectificador que regula mal, deja pasar rizado o oscila bajo carga puede sobrecargar o subcargar la batería, acortar su vida, perturbar la electrónica sensible y, en el peor caso, dejarla descargada cuando más se necesita. Las fallas de los semiconductores suelen pasar inadvertidas hasta que dejan de hacerlo. Un diodo en cortocircuito, un capacitor envejecido, un indicador de fusible dañado o una vía de aire obstruida pueden reducir el margen sin ninguna alarma, y la unidad falla el primer día exigente. El transformador también importa, porque la corriente armónica calienta los devanados y la estructura más de lo que produciría la misma potencia en una carga común, y una unidad subdimensionada o mal especificada se sobrecalienta. La prueba de desempeño en la aceptación descubre errores de instalación, ajustes incorrectos y piezas defectuosas mientras el proveedor aún está en el sitio, y crea la referencia con la que se compararán los trabajos de mantenimiento posteriores.

El principio

Un rectificador emplea dispositivos semiconductores que conducen en un solo sentido, de modo que la onda alterna, que cambia de polaridad, se convierte en una onda continua pulsante. Los filtros suavizan esa pulsación, y un control de regulación ajusta la conducción de los dispositivos, por ejemplo disparando los tiristores antes o después en cada ciclo, para que la salida mantenga su valor objetivo cuando cambian la carga y la alimentación. De aquí se derivan tres ideas. La regulación describe cuánto se desplaza la salida cuando la carga pasa de ligera a plena o cuando la alimentación varía. El rizado describe el contenido alterno que permanece en la salida de corriente continua después del filtrado, y importa porque las baterías, la electrónica y los propios capacitores del filtro reaccionan a él. La limitación de corriente describe la forma en que el control protege la unidad al restringir la corriente de salida cuando la demanda excede la capacidad, por ejemplo mientras se recarga una batería descargada. El transformador que precede al convertidor tiene una segunda función además de convertir el voltaje: proporciona aislamiento, y las conexiones de sus devanados fijan el número de pulsos y el contenido armónico que regresa a la fuente. Como la corriente rectificada no es senoidal, el transformador debe dimensionarse para el calentamiento que esa corriente causa, y no solo para sus kilovoltamperios a la frecuencia fundamental.

Cómo se realiza

Primero se inspecciona el equipo desenergizado, bloqueado y comprobado sin tensión. Se revisan, contra los planos, el gabinete del convertidor, las columnas de semiconductores, la vía de enfriamiento, los fusibles, los componentes del filtro y las tarjetas de control, y se verifica el apriete y la limpieza de las conexiones. El transformador rectificador se inspecciona y se prueba con los métodos que corresponden a su construcción, en líquido o tipo seco, incluidas las verificaciones de aislamiento, la relación y la polaridad o el desfase, y la resistencia de los devanados, ya que sus conexiones determinan si el convertidor se comporta como se diseñó. Una vez energizada la unidad desde una fuente estable, el desempeño de la salida se mide con instrumentos calibrados. Se leen el voltaje y la corriente continuos de salida en vacío y luego mientras se aplica en pasos un banco de carga o la carga real del sistema, para observar la regulación. El rizado se mide con un osciloscopio o con un medidor adecuado, anotando el estado de la carga y de la batería, porque ambos cambian el resultado. El límite de corriente y cualquier límite de voltaje se ejercitan llevando la salida hacia el ajuste, y se observa la respuesta. Las alarmas, las transferencias entre los modos de flotación e igualación y el comportamiento del lado de entrada, incluido el efecto de una variación de la alimentación, se ejercitan según lo requiera la especificación. Si existe un segundo convertidor, una derivación o un módulo redundante, se verifican de igual modo su reparto de carga y su conmutación.

Qué se registra

El registro indica la identidad del convertidor y de su transformador, la disposición de la alimentación y de la salida, los instrumentos utilizados con su estado de calibración, y las temperaturas ambiente y del equipo. Contiene las magnitudes de salida medidas en las condiciones de carga aplicadas, el comportamiento observado de la regulación y del rizado, la respuesta de las funciones de límite de corriente y de voltaje, el estado de las alarmas y de las transferencias de modo, y los resultados de las verificaciones del transformador. Se anota la condición tal como se encontró, junto con cualquier ajuste que se haya modificado durante la prueba. También se registra el estado de la batería o de la carga conectada a la salida durante la medición, pues el comportamiento de la salida depende de ello.

Cómo se juzgan los resultados

Ningún valor aislado decide si un convertidor es aceptable, y esta página no ofrece ninguno. La forma de los criterios es la siguiente. El desempeño de la salida se compara con las características nominales de regulación, rizado y límite de corriente del fabricante y con los límites de desempeño escritos en la especificación del proyecto. Las clases de equipo se definen en las normas publicadas para cargadores de baterías y unidades rectificadoras, y el documento NEMA PE 5-1997 para cargadores de baterías de tipo utilitario y el documento NEMA PE 7-2018 para cargadores de baterías de tipo comunicaciones describen cómo se declara y se verifica el desempeño de la salida. El diseño y la aplicación del sistema de CC, incluida la manera en que se espera que cooperen el convertidor y la batería, se tratan en IEEE 946-2020. El transformador rectificador se juzga conforme a IEEE C57.18.10-2021 para transformadores rectificadores de potencia con semiconductores, con los requisitos generales para unidades sumergidas en líquido en IEEE C57.12.00-2021 y para unidades de tipo seco en IEEE C57.12.01-2020. Las lecturas se comparan entre fases, con la placa de características y con los datos de prueba de fábrica cuando existen. Para los límites y las tablas, consulte su propia copia con licencia de estos documentos, que siguen siendo la autoridad.

Variaciones

Aquí el énfasis está en la prueba de aceptación, porque un convertidor se caracteriza una sola vez, en su configuración instalada, y ese resultado se vuelve la referencia. Las verificaciones de mantenimiento posteriores son más ligeras y buscan la tendencia: el comportamiento de la salida, el rizado, las alarmas y el enfriamiento se comparan con el registro de aceptación. Las diferencias entre equipos se derivan del diseño. Un cargador monofásico o pequeño puede verificarse con un banco de carga modesto y pocas mediciones, mientras que un rectificador trifásico grande de tiristores con transformador dedicado exige una carga mayor, observación térmica y una prueba más completa del transformador. Las configuraciones de múltiples pulsos y de desfase imponen más exigencias a las verificaciones de los devanados del transformador. Las unidades que alimentan una batería difieren de las que alimentan directamente una carga, porque la batería carga al cargador de otra manera y establece su propio comportamiento según el estado de carga. Los convertidores redundantes, en paralelo o en espera añaden verificaciones del reparto de carga y de la conmutación. En todos los casos la prueba sigue el procedimiento del fabricante y la especificación para esa clase de equipo.