sobretensiones v1
TRANSCRIPT
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
1/66
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
2.2 Sobretensiones
2.3 Protecciones
2016
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
2/66
SOBRETENSIONES
Calidad de la Energía Eléctrica (Power Quality)
El consumo de energía eléctrica está creciendo en la
actualidad de forma considerable y continuada en todos los
países del mundo.
Históricamente el desarrollo tecnológico ha estado unido a la
utilización de la energía eléctrica, siendo cada vez mayor el
porcentaje de utilización de la electricidad en el conjunto del
consumo energético total.
Las alteraciones en la “calidad de la onda” tienen lugar en los
propios procesos de generación, transporte y distribución, así
también como en la utilización de determinados usuarios que
generan perturbaciones. Son, por tanto, inevitables y se han
convertido en un motivo de preocupación.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
3/66
SOBRETENSIONES
Calidad de la Energía Eléctrica (Power Quality)
Dentro del marco socio-económico actual las empresas de
generación y distribución de energía eléctrica tienen que
afrontar dos importantes retos:
• Aumentar la capacidad de generación y distribución de
energía eléctrica para responder a la demanda creciente.
• Asegurar la calidad de la energía eléctrica suministrada
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
4/66
SOBRETENSIONES
Calidad de la Energía Eléctrica (Power Quality)
Definición:
Las definiciones genéricas empleadas en los más importantes
estándares internacionales de medida de la calidad de la energíaeléctrica, son:
El estándar IEC 61000-4-30 define power qualtiy como las
“características de la electricidad en un punto dado de una red
de energía eléctrica, evaluadas con relación a un conjunto de
parámetros técnicos de referencia”
El estándar IEEE 1159-1995 define la calidad de la energía
eléctrica como “una gran variedad de fenómenos
electromagnéticos que caracterizan la tensión y la corriente en
un instante dado y en un punto determinado de la red eléctrica”
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
5/66
SOBRETENSIONES
Calidad de la Energía Eléctrica (Power Quality)
Definición:
En general, la calidad del suministro de energía eléctrica se
puede considerar como la combinación de:
• La disponibilidad del suministro eléctrico
• La calidad de la tensión y de la corriente eléctrica suministrada
Entendiendo la falta de calidad como la desviación de esas
magnitudes de su forma ideal, de forma que cualquier
desviación se considera como una perturbación o como una
pérdida en su calidad.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
6/66
SOBRETENSIONES
Los equipos electrónicos Industriales de Potencia
o de control, están expuestos a sobrecargas
transitorias y permanentes de tensión, por parte
de la alimentación o por parte de su respectiva
carga.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
7/66
SOBRETENSIONES
ORIGEN
DE LASSOBRETENSIONES
PROTENCCIÓN CONTRA
LAS SOBRETENSIONES
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
8/66
SOBRETENSIONES: Origen
A. Transitorio debido al corte de una corriente de imanación
8 o 10 Vp
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
9/66
SOBRETENSIONES: Origen
Es el efecto más importante, especialmente en ausencia de carga y con
filtro inductor de entrada.
El choque de entrada impide la descarga del transitorio en la carga o en
el Capacitor del filtro, y la totalidad de la sobretensión debe ser
absorbida por los diodos de potencia polarizados inversamente.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
10/66
Cuando se desconecta el
primario del transformador, la
tensión y la corriente
magnetizante disminuyen con
una amortiguación debida a la
inductancia y la capacidad
repartida del bobinado, junto con
las pérdidas del circuito
SOBRETENSIONES: Origen
Según sea el valor instantáneo de la corriente en el instante inmediatamente
anterior a la interrupción de corriente, el pico transitorio de tensión puede
alcanzar entre 8 y 10 veces el valor pico de la tensión sinusoidal. Se debe a la
baja capacidad repartida del transformador Se deben agregar capacidades en
paralelo con los diodos y/o con el transformador
A
B
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
11/66
B. Transitorios debida a la conexión del primario del transformador
SOBRETENSIONES: Origen
El valor máximo del transitorio ocasionado por la conexión del
transformador es el doble del valor pico de la tensión secundaria.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
12/66
C. Transitorio debido a la conexión de un transformador reductor
SOBRETENSIONES: Origen
Al conectar un transformador reductor, el máximo valor del transitorio es
igual a la tensión de pico del primario.
Solución: Colocar una pantalla electrostática (Lámina de Cu) entre los
devanados a masa.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
13/66
D. Transitorio debido a una inductancia en paralelo con la entrada
Es parecido al caso "A". La máxima energía magnética disponible J=
(siendo IPK el valor pico de la corriente magnetizante)2
. 2 PK I L
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
14/66
SOBRETENSIONES: Origen
E. Transitorio debido a la desconexión de una carga inductiva
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
15/66
F. Transitorios cíclicos debido a fenómenos de recuperación inversa
Estas sobretensiones se producen con cargas altamente inductivas.
Dependen de la frecuencia de alimentación, de la carga y de la inductancia
de fuga del transformador
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
16/66
Tanto la conmutación de motores, como el
funcionamiento de un contactor y la fusión de un
fusible en circuitos adyacentes pueden ocasionar
sobretensiones transitorias.
G. Transitorios originados en circuitos paralelos
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
17/66
También se producen transitorios, cuando se enciende una
luz.
Pueden originarse sobretensiones importantes puramente
por fenómenos inductivos, la manera de evitar esto es
montar supresores a la entrada de la línea.
H. Perturbaciones aleatorias a la red
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
18/66
F. Perturbaciones aleatorias a la red
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
19/66
F. Perturbaciones aleatorias a la red
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
20/66
F. Perturbaciones aleatorias a la red
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
21/66
F. Perturbaciones aleatorias a la red
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
22/66
F. Perturbaciones aleatorias a la red
SOBRETENSIONES: Origen
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
23/66
Protección contra las sobretensiones
Normalmente se utilizan tres tipos de supresores de tensión:
a. Los que almacenan la energía transitoria de la
sobretensión y la disipan mas tarde en forma de calor.
b. Los que convierten la energía de la sobretensión
directamente en calor, la cual se disipa.
c. Los que convierten la sobretensión en sobrecorriente, yentonces utilizan técnicas para protegerse de ellas.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
24/66
Los Capacitores se utilizan para almacenar la energía de las
sobretensiones transitorias, que luego se disipan en resistencias.
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
25/66
Los supresores R-C se conectan entre las líneas de alimentación
trifásica, así como en bornes de la carga CC.
Protección contra las sobretensiones
Parte de la tensión transitoria se disipa en las impedancias de la
línea, en las resistencias en serie, y el resto aparece como un
incremento de la tensión en el condensador.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
26/66
• Cuanto mayor sea el capacitor, menos subirá esta tensión.
Protección contra las sobretensiones
• Las resistencias en serie con los condensadores de supresión
limitan la corriente de carga y también amortiguan las
oscilaciones, que resultan de la resonancia entre estos
capacitores y las inductancias de las líneas, que pueden dar lugar a sobretensiones.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
27/66
Protección contra las sobretensiones
Disposición alternativa
que utiliza un puente
auxiliar de baja
potencia.
Si la inductancia
(serie) de la
capacidad es alta,
no será capaz de
suprimir transitorios
de subida rápida.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
28/66
Los componentes de supresión que convierten la energía del transitorio
de tensión directamente en calor, son componentes semiconductores, los
diodos Zener (baja potencia) y TVS
Protección contra las sobretensiones
Circula muy poca
corriente a travésdel dispositivo
hasta que se
alcanza la tensión
de ruptura Vb.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
29/66
Los TVS y Zener están disponibles en un rango de tensiones máximas
fijas, y no pueden adaptarse a los cambios de las tensiones de
funcionamiento del circuito, como las redes RC.
Protección contra las sobretensiones
Circula muy poca corriente a través del dispositivo hasta que se alcanza
la tensión de ruptura Vb.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
30/66
El componente de fijación de tensión se puede conectar en bornes de las
líneas de alimentación, o en los bornes de los componentes a proteger.
El componente deber tener una curva tensión - corriente plana una vez que
haya ocurrido la ruptura, pero también debe ser capaz de absorber altas
energías durante períodos cortos.
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
31/66
El diodo zener tiene la característica mostrada en la figura (a), y se puede
utilizar como supresor.
Tiene una característica plana, es decir, una resistencia diferencial baja, pero
sólo es capaz de absorber pequeños niveles de energía, por lo que se utiliza
en aplicaciones de baja potencia.
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
32/66
Los transitorios de sobretensión normalmente tienen un alto valor de tensión pero duran muy poco tiempo, o tienen una tensión relativamente baja pero
con más duración.
Por lo tanto, los requisitos de energía están bastante definidos, y los
componentes de supresión normalmente están especificados en vatio -
segundo de energía disipada.
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
33/66
Los TVS (Transient Voltage Surge Supressors),
son semiconductores especiales para este fin.
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
34/66
Protección contra las sobretensiones
Los TVS (Transient Voltage Surge Supressors) aplicación
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
35/66
(Zener transient Voltage Suppressors : TVS)
P6KE6.8 de ON semi (ex Motorola).
Ppk 600 W (no repetitivos, @ 25 ºC)
Potencia en CC 5 W.
Tensión pico inversa de trabajo (rangos) = 5.8 a 171 V
Bajas perdidas directas (< 5 μA en 10 V)
Respuesta típica < 1 ns
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
36/66
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
37/66
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
38/66
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
39/66
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
40/66
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
41/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Zener (usado como supresor de transitorios)TVS [
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
42/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Zener (usado como supresor de transitorios)TVS [
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
43/66
Como ejemplo de supresores que convierten la
sobretensión en sobrecorriente:
Circuito Crown-bar (anticorona)
Protección contra las sobretensiones
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
44/66
Dispositivos para supresión de transitorios
Electrodos de descarga de carbón:
Este es el mas viejo y mas usado método de supresión
de transitorios en distribución de potencia y sistemas
de telecomunicación
Consiste en dos electrodos de carbón, separados por aire
(3 ó 4 mm). Uno de los electrodos a tierra y el otro al
conductor que se quiere proteger.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
45/66
Dispositivos para supresión de transitorios
Está construido por dos conductores metálicos separados
10 o 15 mm, encapsulados en un cilindro usualmente de
vidrio, el cual es rellenado con varios gases, a baja
presión, este dispositivo tiene una alta capacidad de
corriente y una mayor vida útil, comparada con el de
carbón.
• Supresores gaseosos.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
46/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Supresores gaseosos.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
47/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Supresores gaseosos.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
48/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Supresores gaseosos.
Tensión de arco (sobretensión aplicada) 3000 ± 25 % V
Impulso de sobretensión típica < 4500 V
Impulso nominal de corriente de descarga 25 kA
Descarga nominal al 50 Hz 20 A
Resistencia de aislación a 100 V > 10 GΩ
Tensión de arco a 1 A 30 V
Peso 9 G
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
49/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Rectificadores de selenio.
Los TVS son una aplicación de ellos, los antiguos han quedado
obsoletos.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
50/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
Un MOV es una resistencia No lineal, cuyo valor depende de la
tensión a la que es sometida.
Está construido con óxidos metálicos, tales como óxido de zinc
con la adición de otros materiales para el control de sus
características.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
51/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
52/66
Dispositivos para supresión de transitorios
Las características eléctricas del MOV son principalmente
controladas por las dimensiones físicas de la estructura
policristalina , puesto que la conducción ocurre entre los granos
de óxido de zinc y el limite intergranular el cual se distribuye
completamente en el volumen del dispositivo.
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
53/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• El rango de tensión por el espesor.
• La capacidad de manejo de corriente por su área.
• Puesto que la energía disipada en el dispositivo es difundida
enteramente en el óxido de metal, la capacidad de manejo de
energía , dependerá de su volumen .
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
54/66
Dispositivos para supresión de transitorios
Es un material cerámico resistor de impedancia variable que
presenta un elevado comportamiento no-lineal corriente-
voltaje. Esta característica los convierte en materiales propicios
para la protección frente a sobretensiones transitorias.
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
Son dispositivos semiconductores cerámicos similares a los
diodos TVS, pero con mayores capacidades en el manejo de
corriente y energía.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
55/66
Dispositivos para supresión de transitorios
El cuerpo policristalino del MOV, usualmente tiene forma de
disco.
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
56/66
Dispositivos para supresión de transitorios
El MOV es un buen sustituto para supresión de transitorios de
pulsos únicos de gran potencia, donde una buena capacidad de
enclavamiento no es necesaria.
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
57/66
Dispositivos para supresión de transitorios
La mayor desventaja con el uso de MOV, son que estos
únicamente pueden disipar una pequeña cantidad del
promedio de potencia y no se puede utilizar donde se prevea
pulsos repetitivos.
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
58/66
Dispositivos para supresión de transitorios
•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).Región I: la región de bajacorriente (
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
59/66
Dispositivos para supresión de transitorios
•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
Región II: La región nolineal intermedia o región
de ruptura es el corazón delvaristor.
En esta región el varistor
conduce una gran cantidad de
corriente con sólo un pequeñoincremento en el voltaje.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
60/66
Dispositivos para supresión de transitorios
•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
Región III: La región dealta corriente (> 103
A/cm2) o región de
posruptura.
El comportamiento V-I
permanece aproximadamente
lineal, de forma similar a la
región de prerutptura de
baja corriente pero conincrementos de voltaje y
corriente de crecimiento más
rápido.
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
61/66
Dispositivos para supresión de transitorios
•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
62/66
Dispositivos para supresión de transitorios
•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
63/66
Dispositivos para supresión de transitorios
•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
Tensión de Operación
[V]
Diámetro del Disco
Ø [mm]
I MAX [A]
250 5 400250 7 1200
250 10 2500
250 14 4500
250 20 6500TABLA II
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
64/66
Dispositivos para supresión de transitorios
•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
Corriente Permisible
[A]
Número de Pulsos de corriente
(8x20µs)
6500 1
4000 2
1000 100
200 10000
Tabla III
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
65/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).
Tensión de
operación
[V]
Diámetro del disco
(sin recubrimiento)
Ø [mm]
Energía
[J]
250 5 10
250 7 21
250 10 40
250 14 72250 20 130
Tabla V
-
8/16/2019 Sobretensiones v1
66/66
Dispositivos para supresión de transitorios
• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).