Variadores de velocidad (VSD)

Energía Solar. ▫ Molinos de viento. ▫ Trafos reguladores. ▫ Hornos de arco. ▫ Rectificadores. ▫ Aplicaciones submarinas.
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Hernan

Escarria, PTI, Customer Day Santo Domingo – Punta Cana - Dominican Republic - August 2014

Transformadores para aplicaciones especiales

Variadores de velocidad (VSD) © ABB Group September 4, 2014 | Slide 1

Transformadores para aplicaciones especiales. Aplicación

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Transformadores para varios segmentos industriales Aplicación

Cemento, Minería & Minerales

Química, Petróleo & Gas

Marina

Metales

Energía

Pulpa & Papel

Agua

Aplicaciones especiales, ej. Tuneles de Viento

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Transformadores para aplicaciones especiales Nuestra experiencia mas alla de aplicaciones estándar

   

Reactores Energía Solar Molinos de viento Trafos reguladores

    

Productos © ABB Group September 4, 2014 | Slide 4

Hornos de arco Rectificadores Aplicaciones submarinas Accionamiento de velocidad Variable Corredores ferroviarios

que hace su sistema completo

Transformadores para aplicaciones especiales Trenes – Desde el lado de las vias Transformadores para trenes 

Autotransformadores



Transformadores Booster



Trafos rectificadores DC 12/24 pulsos



Trafos alimentadores AC



Trafos convertidores estáticos (AC/AC)



Trafos auxiliares and aislamiento

Customers 

EPC’s, Compañías ferroviarias

Características técnicas

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Dimensiones especiales para trenes



Alta capacidad de cortocircuito



Frecuencia 16,7, 25, 50 y 60 Hz



Sistemas de unico y doble voltaje



Procesos de precalificación

Railway



ABB - Productos y aplicaciones ferroviarias

SCADA Convertidores principales y auxiliares Transformadores potencia y tracción

Subestación Productos de alta tensión

Transformadores de Potencica Interruptor interior de MV Trafos de distribución y especiales

Motores de tracción

Protección y control

Productos de MV intemperie

SemiConductores Bajo Voltaje Subestaciones y SCADA

Calidad de energía

Interruptores AC Componentes de LV

Comunicaciones

Convertidores & Semiconductores Transformadores de tracción

Sistema de enclavamiento

Fusibles de Tracción Motores and Generadores

www.abb.com/railway © ABB Group © ABB Inc. September 2014 | Slide September 4, 4, 2014 | Slide 6 6

Señalización

Equipo en el coche

Transformadores para hornos y rectificadores Trafos para hornos y rectificadores 

Trafos para hornos de arco



Trafos rectificadores de alta corriente



Nuevas instalaciones o remplazos

Clientes 

Industria química y metalurgia

Características técnicas

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Alta corriente secundaria



Multiples partes activas en un tanque



Todos los grupos de conexión



Contenido armónico



Multiple voltajes de baja tensión



Soluciones con autotransformadores



Alta capacidad de corto-circuito

Transformadores Industriales. Descripción general de procesos

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Transformadores para aplicaciones especiales Variadores de velocidad

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Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes situaciones

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Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes situaciones

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Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos

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Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos Minería y transportadoras de minerales

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Los primeros medios mecanizados fueron las palancas, los rodillos y los planos inclinados. En el siglo VII A.C. aparecen las poleas



Después de la edad media los primeros elevadores de cargas fueron fabricados utilizando cadenas planas con cangilones metálicos espaciados a pocas pulgadas.



Hoy en día en su mayoría son utilizadas bandas de hule con cangilones plásticos.

Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos Minería y transportadoras de minerales

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Los aparatos y máquinas de elevación y transporte modernos de alta productividad que trabajan a elevadas velocidades y que poseen gran capacidad de carga aparecieron como resultado de la perfección gradual de las maquinas en el curso de mucho tiempo.



A las modernas líneas tecnológicas de producción en cadena y automatizadas se suma un sistema de variación de velocidad eficiente y confiable con control de torque asociado a las máquinas de elevación y transporte y permiten ejecutar eficazmente la continuidad y el ritmo de los procesos de elaboración

Por que controlar o variar la Velocidad? Diferentes procesos Pulpa y papel 

Propulsion de barcos

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El proceso de bobinado en la industria del papel es una buena aplicación de variación de frecuencia, donde es imprescindible la precisión y control del torque en cada bobina de papel.

Como controlar o variar la Velocidad? Variador de velocidad mecánico 

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Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.

Como controlar o variar la Velocidad? Variador de velocidad electrónico

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Un variador de velocidad mas eficiente consiste en un circuito electrónico que modifica la frecuencia de la energía eléctrica entregada al motor y de esa manera controla la velocidad del mismo (ondulador).



De la exactitud de la ondulación (numero de pulsos, simetría de las operaciones de los componentes y adecuada selección de los dispositivos electrónicos) dependerá la calidad de la onda entregada al motor

Cargas no lineales Influencia en los transformadores



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Las cargas no lineales son todas aquellas que generan corrientes no sinusoidales, es decir, corrientes que además de la componente fundamental tienen otras que son múltiplos enteros de la fundamental y que se conocen como armónicos.

Cargas no lineales Influencia en los transformadores 

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Este tipo de cargas ha existido en los sistemas eléctricos desde el principio, principalmente eran de tipo magnético, como las corrientes de excitación de los transformadores y los balastos magnéticos de luminarias tipo fluorescente. Su influencia en el sistema eléctrico era escasa.

Cargas no lineales Influencia en los transformadores 

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La aparición de la electrónica ha mejorado mucho las propiedades de los productos pero ha traído consigo, entre otros problemas, la generación de armónicos.

Cargas no lineales Influencia en los transformadores 

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RECTIFICADORES

Cargas no lineales Influencia en los transformadores

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Los fabricantes de variadores de frecuencia de motores de inducción explican como estos equipos mejoran la eficiencia de las máquinas permitiendo variar la velocidad de funcionamiento según las necesidades de la aplicación, pero advierten que éstos producen armónicos de orden 5, 7, 11, 13…



El orden característico de Armónicos (h) en el lado de la línea con relación al número de pulsos del rectificador (p) : h= n x p ±1 (n=1,2,3... Cualquier número entero),



Un rectificador de 6 pulsos produce 6-1=5°, 6+1=7°, 12-1=11°, 12+1=13° armónicos de corriente (en el caso ideal)



Un rectificador de 12 pulsos produce 12-1=11°, 12+1=13°, 24-1=23° and 24+1=25° armónicos de corriente (en el caso ideal)

Cargas no lineales Influencia en los transformadores H armon ics - Example 1.5

1

pu

0.5

0 0

0.005

0.01

-0.5

-1

-1.5 tim e

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0.015

fundam ental 3th harm onic 5th harm onic 7th harm onic total

Cargas no lineales Influencia en los transformadores

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Cargas no lineales Influencia en los transformadores

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Una manera de reducir armónicos es con conexiones del transformador



Número de pulsos se puede aumentar mediante la aplicación de varios grupos de 6 pulsos con un desplazamiento de la fase de las tensiones de alimentación.



30 grados de desfase se puede obtener mediante el uso de la conexión básica de grupos de bobinas (Y y D)



Desfases distintos de 0 °, 30 ° (o múltiplos) requiere un desfase especial. Las más comunes son las conexiones Z y "delta extendida“



A medida que la potencia de los armónicos aumenta el desempeño de la red se vuelve más crítico

Cargas no lineales Influencia en los transformadores / Conexiones 

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Cargas no lineales Influencia en los transformadores 

Problemas de los armónicos.



Se observó, que a medida que aumentaban las cargas electrónicas, los transformadores funcionaban con ruidos y un calentamiento excesivo, e incluso que se quemaban al cabo de uno o dos años.



Algunos se preguntaban:



¿Quizás los fabricantes de transformadores habían abaratado costos introduciendo materiales de baja calidad?. NO. Los transformadores eran los mismos, la causa estaba en los armónicos.

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Cargas no lineales Influencia en los transformadores

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Problemas de los armónicos.



Las corrientes armónicas elevan las pérdidas adicionales en los bobinados, barras de conexión, bridas del núcleo y paredes del tanque principal, que pueden conducir a problemas térmicos como el envejecimiento prematuro del transformador. Grado de severidad depende del tipo de unidad rectificadora, de carga y el diseño del transformador. El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal únicamente ("efecto final"). Los puntos calientes localizados se deben evitar y cada arrollamiento necesita ser analizado por separado. El aumento de la temperatura debido al aumento de las pérdidas a causa de las componentes armónicas debe estar dentro de los límites especificados para el aumento de la corriente de carga real

Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor Elevación de Temperatura

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El aumento de la temperatura con la corriente de carga real, incluyendo las pérdidas debidas a los armónicos debe estar dentro de los límites especificados.



Existe margen en el aumento de la temperatura con la corriente sinusoidal.



El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal ("efecto final").



Prueba de elevación de temperatura se puede hacer con la potencia equivalente, o con un cálculo más detallado, basado en la norma IEC 61378

Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada

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Los voltajes de modo común resultan de la operación de conmutación del inversor y aparecen a través del acoplamiento capacitivo en los devanados del transformador en el devanado de BT contra tierra (también llamado componente de secuencia cero).



Estas tensiones de modo común aumentan el esfuerzo dieléctrico en el aislamiento de los transformadores y deben ser considerados en el diseño del transformador (nivel de aislamiento se aumenta en comparación con los requisitos de IEC 60076)

Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada

6.0 5.5 5.0

VCommon

4.5 4.0 3.5 3.0

VSec

2.5 2.0 1.5 1.0

VOffset

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0

kV -3.5 -4.0

0

10

20

msec

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Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor ¿Por qué se necesitan transformadores convertidores? (temas principales) 

Adapta la tensión de alimentación de la red a la tensión de entrada del convertidor.



Aísla el convertidor de la red de alimentación y limita las corrientes de cortocircuito en el convertidor.



Alivia al motor y / o red de tensiones de modo común.



Reduce las radio interferencias (EMC) de la unidad a la red (pantalla especial).



Protege la unidad de los transitorios de voltaje de la red de alimentación.



Reduce los armónicos (impedancia del transformador y conexiones especiales para la operación multipulso).

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Transformadores en Presencia de Armónicos Incremento de esfuerzos mecánicos 

Alto di / dt, debido a la forma de onda del puente de diodos es causante de fuerzas mecánicas que no están presentes con carga normal con onda sinusoidal (es decir, el llamado "efecto martillo").



Normalmente, los rectificadores están protegidos con una función de “disparo rápido”, esta función hace un corto circuito pleno con el fin de que el interruptor de alta tensión dispare instantáneamente. Los transformadores de VSD se enfrentan a muchos más corto-circuitos durante su tiempo de vida que los transformadores de red normales.



Algunas aplicaciones de velocidad variable tienen carga muy cíclica, con continuos cambios rápidos de poco % a 100% de la carga (por ejemplo, los trenes de laminación)

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Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC La UE ha establecido límites para la radio frecuencia (RF) la contaminación del sistema de suministro eléctrico en el punto de conexión del sistema de alimentación de la unidad (incluyendo el transformador) EN 61800



La misma regulación se aplica también cada vez más fuera de Europa



Sistemas de accionamiento por lo general no cumplen con este requisito sin filtros.



La industria requieren que el sistema sea compatible EMC (rotulado CE) en cualquier lugar, aunque el requisito de la UE sólo es en el punto de conexión a la red pública o a una distancia de 10 metros de la valla de frontera.



3 2

1

4

Middle of transformer window



5

Metal foil Insulating cylinder

5

Indicación: Esta es la descripción La pantalla electrostática correctamente diseñada general de la pantalla en la es una manera rentable de cumplir el requisito para especificación del transformador, el paquete rectificador- transformador pero la fabricación real no es tan simple

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Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC 

La pantalla electrostática también protege contra los esfuerzos por voltaje de modo común y del sistema de alimentación (rayo y conmutación)



Potencias superiores a algunos MVA MVA con corrientes armónicas típicas , las pérdidas en la pantalla son importantes, el diseño debe permitir su enfriamiento.



Transformadores de alimentación de VSD con conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada (entrada activa), las pérdidas en la pantalla pueden ser dramáticas.



Tipo incorrecto de los cables de puesta a tierra de la pantalla puede hacer que la pantalla no sea funcional.

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Indicación: Esta es una foto de una pantalla de fabricación local de bajo costo para transformador VSD en el Lejano Oriente después de unas semanas de operación con el 25% de la carga con entrada activa y frecuencia de conmutación de 3.2 kHz

Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K

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Desclasificación de transformadores. El factor K.



En EEUU, en 1989, se pensó en cuantificar el calentamiento producido en los transformadores cuando se presentan armónicos. En esta situación el transformador no debe funcionar a su potencia nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o disminuirse la carga. El transformador se “desclasifica” asociándole una potencia equivalente.



Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor “K”.



Este factor “K” se define como aquel valor numérico que representa los posibles efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el transformador. Inicialmente se consideró llamar a este número “C”, de constante, pero se temió que hubiese confusión con la unidad grado centígrado y se optó por utilizar la letra “K”.

Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K

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En Estados Unidos la asignación de K a un transformador lo realiza Underwriter Laboratories (UL), no el fabricante.



El criterio UL1561 para establecer la clasificación es el siguiente: Inicialmente se prueba al transformador con una corriente sinusoidal de 60Hz para determinar las pérdidas en los devanados y en el núcleo. Del total de las pérdidas en los arrollamientos se restan las debidas al I2R, calculadas a 60Hz, y de este modo se deducen las pérdidas de dispersión que se consideran fundamentalmente producidas por corrientes de Foucault. Si el transformador es adecuado para un factor K determinado, las pérdidas por dispersión se multiplican por ese factor K y se suman a las debidas al efecto Joule a 60Hz. Si la elevación de la temperatura media en los devanados no supera la nominal el transformador es marcado como válido para trabajar con cualquier carga no linear de ese o menor factor K.



Los valores de K para transformadores catalogados por U.L. son: 1, 4, 9, 13, 20, 30 y 40.

Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K ANSI/IEEE C57.110-1996 nos proporciona una guía para la desclasificación en función del factor K de la carga y de las pérdidas de dispersión proporcionadas por el fabricante del transformador. Como puede verse en la figura, este método es muy conservador aún comparándolo con el indicado por UL

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Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K

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Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K Secondary winding h

q= fh(pu)

6

Ih(pu)rms

fh^2

fh^2*h^2

Ih(pu)^2

Ih^2*h^2

1

1.000

0.960

1.000

1.000

0.922

0.922

0.922

2

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

4

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

5

0.200

0.192

0.040

1.000

0.037

0.922

0.184

7

0.143

0.137

0.020

1.000

0.019

0.922

0.132

8

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0.000

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10

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0.000

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0.000

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0.000

11

0.091

0.087

0.008

1.000

0.008

0.922

0.084

13

0.077

0.074

0.006

1.000

0.005

0.922

0.071

14

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0.000

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16

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0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

17

0.059

0.056

0.003

1.000

0.003

0.922

0.054

19

0.053

0.051

0.003

1.000

0.003

0.922

0.049

20

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22

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0.000

23

0.043

0.042

0.002

1.000

0.002

0.922

0.040

25

0.040

0.038

0.002

1.000

0.001

0.922

0.037

29

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31

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35

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43

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47

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49

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0.000

0.000

0.000

0.000

1.041

9.000

1.000

8.300

1.573

0.078

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Ih*h^2

Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K HV (Primary)

LV (Secondary) 8.300 Eddy Loss multiplier 1.573 Stray loss multiplier

Eddy Loss multiplier Stray loss multiplier

8.300 1.573

0.077754887 TDD

LV Losses I2R Power TX designed

Eddy

22605

3.5

Rectifier

22605

791.1 6567

New Power

60094

/

Power TX designed Max Power appl

HV Losses I2R

Total Loss Eddy

30898

0

30898

76052

=

11250kVA 10000kVA

DISEÑO BASE OK

© ABB Group September 4, 2014 | Slide 41

Stray

27.9%

Stray 3.3

1019.6 8463

4780

7519

60094

76052

0.8889 Power Required Power new design

10000 11250

Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K HV (Primary)

LV (Secondary) 8.300 Eddy Loss multiplier 1.573 Stray loss multiplier

Eddy Loss multiplier Stray loss multiplier

8.300 1.573

0.077754887 TDD

LV Losses I2R Power TX designed

Eddy

22605

Stray 10

Rectifier

22605

2260.5 18763

New Power

63633

/

Power TX designed Max Power appl

27.9%

HV Losses I2R

Total Loss Eddy

30898

0

30898

105431

=

11250kVA 8740kVA

10 3089.8 25646

4780

7519

63633

105431

0.7769 Power Required Power new design

DISEÑAR TRAFO CON POTENCIA NEW DESIGN © ABB Group September 4, 2014 | Slide 42

Stray

10000 12872

Transformadores en Presencia de Armónicos Efecto de los armónicos/ Modelamiento térmico

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Transformadores en Presencia de Armónicos Resumen

© ABB Group September 4, 2014 | Slide 44



Modernas unidades de convertidores AC necesitan de transformadores con diseños especiales - transformadores normales no son factibles



El hecho anterior ha sido la razón para desarrollar normas independientes que han sido publicados por IEC e IEEE



Sin el apropiado diseño y fabricación del transformador, el rendimiento, la fiabilidad y la duración del sistema no se puede garantizar.



El diseño especial debe tener en cuenta sobre todo 

Aumento del esfuerzo dieléctrico



Problemas térmicos (en relación con los armónicos)



Aumento de los esfuerzos mecánicos



En muchos casos complejas conexiones internas para los desfases y diseños multi-bobina



Las consideraciones especiales se deben tener en cuenta especialmente para accionamientos de media tensión y en general de las unidades por encima de 1 MW



ABB tiene una posición única, ya que puede ofrecer la gama completa de un sistema de transmisión con sus productos.

Transformadores en Presencia de Armónicos Normas 

IEC 61378-1 Converter transformers, Part 1 Transformers for Industrial Applications



IEEE C57.18.10 IEEE standard Practices for Semiconductor Power Rectifier Transformers”



IEC no hace requerimientos sobre nivel de aislamiento (BIL) IEEE si lo hace



Los diseños deben cubrir

iu

2000



Incremento del esfuerzo dieléctrico en el lado del rectificador 

Voltajes de modo común



Alto DU/dt



Corrientes armónicas



Compatibilidad electromagnética EMC

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1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 -2000

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Colocar atención

© ABB Group September 4, 2014 | Slide 46



El cálculo de armónicos se basa en una red puramente inductiva y se refiere a una sola unidad.



Cables y las unidades de compensación de factor de potencia pueden generar frecuencias de resonancia que pueden aumentar la distorsión armónica de manera dramática si la unidad rectificadora genera componentes armónicas de la misma frecuencia.



Los sistemas de filtración de armónicos pueden resultar en un exceso de compensación y empeorar los resultados.



Evite las redes débiles, una red tiene una potencia razonable: SCmin > 25 * Peje

ACS 1000 – Transformador de alimentación

© ABB Group September 4, 2014 | Slide 47

ACS 1000 – Transformador de alimentación

Medium Voltage Supply Bus

Medium Voltage Supply Bus Main Feeder Breaker & Protection

I>> Prot

I>> Prot

Main Feeder Breaker & Protection

I>> Prot

24-pulse Converter Input Transformer

12-pulse Converter Input Transformer

24-pulse

Main Feeder Breaker & Protection

24-pulse Converter Input Transformer

Rectifier

Rectifier

Rectifier

12-pulse

Medium Voltage Supply Bus

24-pulse ACS 1000i

• 12-pulse or 24-pulse topology • Oil or dry type transformer  Conformity to IEC 61000-2-4 and IEEE 519/1992  Total power factor: 0.95 constant over speed range  Transformer can be placed inside the building or outdoor © ABB Group September 4, 2014 | Slide 48

ACS 1000 – 24-pulsos Transformador de alimentación

Two separate 3-winding transformer

One 5-winding transformer U

U

L

I PN

L

I PN Screen

P D

A

P2 C

D

Uv0/2

Uv0/2

Uv0/2

Uv0/2

ISN/2

ISN/2

ISN/2

ISN/2

Id/2

P1

Screen

B

Uv0/2 ISN/2

Screen

C

B

Uv0/2 ISN/2

Uv0/2 ISN/2

Id/2

Id/2

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U

di0 Técnicamente comprometidp (no hay armónicos caracteristicos)



Mas compacto y costo inferior.

Uv0/2 ISN/2 Id/2

Id

Id



A

Udi0 

Técnicamente ideal y solución “segura”



Mas costoso y mas grande en tamaño.

Transformador rectificador de 12 pulsos Parte activa

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ACS 6000 ”Doble ARU” con pasatapas Pfisterer

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Solicitud del cliente Especificación de requerimiento técnico

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Doble ARU transformer



Dos partes activas Un tanque común

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ACS 5000 Amabilidad con las redes

Voltaje linea- linea Scc = 500MVA, Xsc = 10%

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THD = 1.19%

Corriente de fase TDD = 2.95%

Transformador para ACS 5000 Pruebas de rutina

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ABB Transformadores especiales(PG SPT) Mapa de asignación de mercado

Lead Center Vaasa

South Boston

Pereira

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Zhongshan Shanghai

ABB Transformadores especiales(PG (PG SPT) Fabricas para Transformadores VSD Vaasa, Lead Center • Marketing & Sales • Market Intelligence • Engineering • R&D • Production • All VSD

Shanghai Marketing & Sales • Production

Zhongshan • Marketing & Sales

Pereira • Marketing & Sales

South Boston

• Engineering • Production • all VSD (excl. ACS5000)

• Engineering • Production • up 10MVA (excl. ACS5000)



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  

• LV VSD, ACS 1000 Engineering Production LV VSD, ACS 1000

ABB Pereira, Colombia Fábrica de Transformadores Especiales Región SAM

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Fabrica enfocada en trafos hasta 63 MVA y 172 kV para la región LAM



Localización geográfica estratégica



Tecnología ABB totalmente implementada



Mas de 40 años de experiencia en la fabricación de transformadores



Cultura de fabricación basada en excelencia operacional.



Tasa de fallas en sala de pruebas de talla mundial.