La precarga de los voltajes de la línea eléctrica en una aplicación de CC de alto voltaje es un modo preliminar que limita la corriente de entrada durante el procedimiento de encendido.
Un sistema de alto voltaje con una gran carga capacitiva puede estar expuesto a alta corriente eléctrica durante el encendido inicial. Esta corriente, si no está limitada, puede causar una tensión considerable o daños a los componentes del sistema. En algunas aplicaciones, la ocasión de activar el sistema es poco frecuente, como en la distribución de energía de los servicios públicos comerciales. En otros sistemas, como las aplicaciones de vehículos, la precarga se producirá con cada uso del sistema, varias veces al día. La precarga se implementa para aumentar la vida útil de los componentes electrónicos y aumentar la confiabilidad del sistema de alto voltaje.
Antecedentes: corrientes de irrupción en los condensadores
Las corrientes de irrupción en los componentes capacitivos son una preocupación clave en la tensión de encendido de los componentes. Cuando se aplica potencia de entrada de CC a una carga capacitiva, la respuesta al escalón de la entrada de voltaje hará que se cargue el capacitor de entrada. La carga del condensador comienza con una corriente de entrada y termina con una caída exponencial hasta la condición de estado estable. Cuando la magnitud del pico de irrupción es muy grande en comparación con la clasificación máxima de los componentes, es de esperar la tensión del componente. Se sabe que la corriente en un condensador es: el pico de corriente de irrupción dependerá de la capacitancia C y la tasa de cambio de voltaje (dV / dT). La corriente de irrupción aumentará a medida que aumenta el valor de capacitancia, y la corriente de irrupción aumentará a medida que aumenta el voltaje de la fuente de alimentación. Este segundo parámetro es de interés principal en los sistemas de distribución de energía de alta tensión. Por su naturaleza, las fuentes de energía de alto voltaje entregarán alto voltaje al sistema de distribución. Las cargas capacitivas estarán sujetas a altas corrientes de irrupción en el momento del encendido. La tensión en los componentes debe entenderse y minimizarse.
El objetivo de una función de precarga es limitar la magnitud de la corriente de irrupción en cargas capacitivas durante el encendido. Esto puede tardar varios segundos dependiendo del sistema. En general, los sistemas de voltaje más alto se benefician de tiempos de precarga más largos durante el encendido.
Condensador Powerline de 11.000 μF | Pico de corriente de entrada en el encendido de una alimentación de 15 A | |||
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1 ms | 10 ms | 100 ms | 1 s | |
v = 28 V | 310 A | 31 A | 3,1 A | 0,31 A |
v = 610 V | 6710 A | 671A | 67A | 7A |
___ = Alto riesgo de disparar el disyuntor |
___ = Selección cuidadosa de la clasificación del interruptor |
___ = Bueno |
Considere un ejemplo en el que una fuente de alto voltaje enciende una unidad de control electrónica típica que tiene una fuente de alimentación interna con una capacitancia de entrada de 11000 μF. Cuando se alimenta desde una fuente de 28 V, la corriente de entrada en la unidad electrónica se acercaría a 31 amperios en 10 milisegundos. Si ese mismo circuito es activado por una fuente de 610 V, entonces la corriente de entrada se acercaría a 670 A en 10 milisegundos. Es aconsejable no permitir corrientes de irrupción ilimitadas de la activación del sistema de distribución de energía de alto voltaje en cargas capacitivas: en cambio, la corriente de irrupción debe controlarse para evitar la tensión de encendido en los componentes.
Definición de una función de precarga
El requisito funcional del circuito de precarga de alto voltaje es minimizar el pico de corriente que sale de la fuente de energía reduciendo el dV / dT del voltaje de energía de entrada de modo que se cree un nuevo "modo de precarga". Por supuesto, las cargas inductivas en el sistema de distribución deben apagarse durante el modo de precarga. Durante la precarga, el voltaje del sistema aumentará de forma lenta y controlable y la corriente de encendido nunca excederá el máximo permitido. A medida que el voltaje del circuito se acerca al estado estacionario, la función de precarga se completa. El funcionamiento normal de un circuito de precarga es terminar el modo de precarga cuando el voltaje del circuito es 90% o 95% del voltaje de funcionamiento. Una vez completada la precarga, la resistencia de precarga se desconecta del circuito de alimentación y vuelve a una fuente de alimentación de baja impedancia para el modo normal. A continuación, las cargas de alto voltaje se encienden secuencialmente.
El sistema limitador de corriente de entrada más simple, utilizado en muchos dispositivos electrónicos de consumo, es una resistencia NTC . Cuando está frío, su alta resistencia permite que una pequeña corriente precargue el condensador del depósito . Después de que se calienta, su baja resistencia pasa más eficientemente la corriente de trabajo.
Muchos sistemas de corrección del factor de potencia activa también incluyen un arranque suave .
Si el circuito de ejemplo anterior se usa con un circuito de precarga que limita el dV / dT a menos de 600 voltios por segundo, entonces la corriente de entrada se reducirá de 670 amperios a 7 amperios. Esta es una forma "más amable y gentil" de activar un sistema de distribución de energía de CC de alto voltaje.
Beneficios de la precarga
El principal beneficio de evitar el estrés de los componentes durante el encendido es lograr una larga vida útil del sistema gracias a los componentes fiables y duraderos.
Hay beneficios adicionales: la precarga reduce los peligros eléctricos que pueden ocurrir cuando la integridad del sistema se ve comprometida debido a daños o fallas en el hardware. La activación del sistema de CC de alto voltaje en un cortocircuito o una falla a tierra o en personal desprevenido y su equipo puede tener efectos no deseados. El arco eléctrico se minimizará si una función de precarga ralentiza el tiempo de activación de un encendido de alto voltaje. Una precarga lenta también reducirá el voltaje en un circuito defectuoso que se acumula mientras los diagnósticos del sistema están en línea. Esto permite un diagnóstico de apagado antes de que la falla se realice por completo en las peores proporciones.
En los casos en que la corriente de irrupción ilimitada sea lo suficientemente grande como para disparar el disyuntor de la fuente , incluso puede ser necesaria una precarga lenta para evitar el disparo molesto.
La precarga se usa comúnmente en aplicaciones de vehículos eléctricos con batería . La corriente al motor está regulada por un controlador que emplea condensadores grandes en su circuito de entrada. [1] Estos sistemas suelen tener contactores (un relé de alta corriente ) para desactivar el sistema durante períodos inactivos y para actuar como una desconexión de emergencia si el regulador de corriente del motor falla en un estado activo. Sin precarga, el alto voltaje a través de los contactores y la corriente de entrada pueden causar un arco breve que provocará picaduras en los contactos. La carga previa de los condensadores de entrada del controlador (normalmente entre el 90 y el 95 por ciento del voltaje aplicado a la batería) elimina el problema de las picaduras. La corriente para mantener la carga es tan baja que algunos sistemas aplican la precarga en todo momento, excepto cuando se cargan las baterías, mientras que los sistemas más complejos aplican la precarga como parte de la secuencia de arranque y pospondrán el cierre del contactor principal hasta la precarga. El nivel de voltaje de carga se detecta como suficientemente alto.
Aplicaciones en sistemas eléctricos de alta tensión
Referencias
- ^ "Li-Ion BMS - Precarga" . liionbms.com . Consultado el 1 de marzo de 2019 .