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A C O P L A M I E N T O D E F R E C Acoplamiento de frecuencias completamente estático de 100 MW en BREMEN U E N C I A S aprovechamiento del gas de alto horno, practicada con gran éxito desde 1964, es también muy provechosa para el medio ambiente, ya que permite ahorrar carbón en otras centrales térmicas, lo que a su vez reduce las emisiones de dióxido de carbono. Sin embargo, y dado que la demanda de corriente eléctrica ferroviaria –corriente de tracción– suele disminuir los fines de semana, debía hasta ahora quemarse una parte del gas de alto horno. El acoplamiento completamente estático de frecuencias de 100 MW 1 , 2 , 3 , puesto ahora en servicio en Para el intercambio de energía entre una red eléctrica de ferrocarril y la red Mittelsbüren, permite a Stadtwerke Bremen nacional suelen utilizarse actualmente los convertidores estáticos de frecuen- convertir la corriente de tracción en corriente cias. El acoplamiento de frecuencias completamente estático Bremen, con trifásica y viceversa, optimizando así enor- una potencia nominal de 100 MW, es con ventaja la instalación de tecnología memente el uso del gas de alto horno. En el GTO más grande del mundo. El perfeccionamiento específico de los tiristores futuro podrá utilizarse casi la totalidad del GTO, el nuevo tipo de mando y la conexión en serie GTO han permitido cons- gas de alto horno para la generación de truir económicamente un acoplamiento de frecuencias completamente estáti- electricidad. La parte no utilizada por los fe- co de 16 Hz – 50 Hz de tan elevada potencia. El acoplamiento se caracteri- rrocarriles alemanes Deutsche Bahn AG, za por una curva de rendimiento muy superior a la de equipos anteriores en será transformada y devuelta a la red de toda la gama de potencias, así como por una elevada disponibilidad. Stadtwerke Bremen AG. 2/3 Hasta ahora, la ventaja ecológica resultan- P te de la cooperación entre acería, ferrocarriles Uso del acoplamiento de y central eléctrica ascendía a unas 750 000 del ferrocarril se explotan en muchos países frecuencias y protección del medio toneladas de CO2 al año, evitándose su emi- con corriente continua o bien con frecuencia ambiente sión en otras centrales eléctricas. Con el distinta que la red eléctrica nacional [1, 2, 3]. En la producción de hierro bruto de la acería nuevo convertidor, la carga ambiental será re- Por su parte, las compañías de ferrocarril po- Stahlwerke Bremen GmbH se obtienen consi- ducida en otras 150 000 t de CO2 por año. seen centrales eléctricas propias, aunque, derables cantidades de gas de alto horno, las El acoplamiento de red completamente debido a las oscilaciones del consumo eléc- cuales son conducidas por gasoductos con estático para la transmisión de energía entre trico a lo largo del tiempo, generalmente diámetro de hasta 1,8 metros hasta la central la red de 16 2/3 Hz y la red de 50 Hz y vice- están conectadas a la red eléctrica nacional. eléctrica cercana de Mittelsbüren y utilizadas versa aumenta además la seguridad de su- En Alemania hay unos 40 acoplamientos, por la compañía eléctrica municipal Stadtwer- ministro de ambas redes, dado que la falta esto es, enlaces entre la red eléctrica ferrovia- ke Bremen AG para generar corriente eléctri- de potencia en una red puede ser compen- ria y la alimentación pública de energía eléc- ca ferroviaria para los ferrocarriles alemanes sada por la otra. trica. A través de dichos acoplamientos, los Deutsche Bahn AG. Esta cooperación en el or motivos históricos, las redes eléctricas A través del acoplamiento de red, los blo- ferrocarriles cubren una cuarta parte aproxi- ques de electricidad de tracción de la central madamente de su demanda energética. Los eléctrica de Mittelsbüren pueden participar acoplamientos sirven especialmente para es- en la generación de corriente trifásica, o bien tabilizar la red eléctrica ferroviaria. Dado que Rüdiger Boeck puede alimentarse económicamente la red la mayoría de los acoplamientos de red per- Stadtwerke Bremen AG ferroviaria desde la red de 50 Hz cuando no miten el intercambio energético en ambas di- se dispone de gas de alto horno o hay esca- recciones, esto es desde la red nacional Osvin J. Gaupp sez del mismo, o si por otros motivos no hasta la red ferroviaria y viceversa, la genera- Peter Dähler puede contarse con la plena potencia de la ción de corriente de la red ferroviaria puede Eugen Bärlocher central eléctrica. Esto garantiza que todas las resultar más económica. Johannes Werninger centrales eléctricas puedan adaptarse a la si- ABB Industrie AG tuación respectiva de abastecimiento, combustibles y costes, cumpliendo siempre con Plinio Zanini sus compromisos de suministro frente a la ABB Kraftwerke AG compañía Deutsche Bahn AG, independientemente del suministro de gas de alto horno. 4 Revista ABB 9/10 1996 A C O P L A M I E N T O L d/ 2 1 D E 2 6 A F R E C U E N C I A S 3 + 7 8 CF Cf 9 B CD 112 kV 50 Hz 121 kV 16 2/3 Hz 13 Y Y D 5 LF Rf Lf 12 × D 4 L d/ 2 11/23 12 - 5/13 10 11 1 Esquema de conexiones del acoplamiento de frecuencias totalmente estático Bremen, de 100 MW A B Red de corriente trifásica Red de corriente ferroviaria 1 2 3 4 5 Convertidor de tiristores Circuito intermedio de tensión continua Convertidor GTO (12 veces) Equipo filtrador y compensador (11/23, 5/13: filtros) Circuito totalizador de desconexión (SLK) • 6 7 8 9 10 11 12 13 Inductancia de alisado Filtro de 33 Hz Filtro de paso alto Condensadores de circuito intermedio cercanos al convertidor Limitador de tensión Barras colectoras del circuito intermedio Transformador sumador, red de corriente ferroviaria Transformador de convertidor, red trifásica menos trabajos de mantenimiento y Bremen: elevada potencia con rotatorias a los convertidores tiempos de parada más cortos, lo que un solo convertidor estáticos supone una disponibilidad mayor, En 1991, la empresa eléctrica municipal servicio más sencillo, gracias al diseño Stadtwerke Bremen AG había encargado a entre las redes eléctricas ferroviarias y la red modular, con componentes fáciles de ABB Kraftwerke AG y ABB Industrie AG reali- eléctrica nacional estaban equipadas con manejar. zar un estudio de factibilidad para un conver- De los bloques de máquinas En el pasado, las estaciones de conversión • convertidores rotatorios. A medida que la Los acoplamientos de frecuencia estáticos tidor de alta potencia, de 16 2/3 Hz y 50 Hz electrónica de potencia iba demostrando su para redes ferroviarias utilizados hasta con conmutación en serie GTO y una poten- eficacia, y especialmente desde la introduc- ahora suelen consistir en unidades converti- cia de conversión de hasta 100 MW en ción exitosa de los tiristores desconectables doras de un máximo de 15 MVA. Un primer ambas direcciones. El estudio mostró que un (GTO), se recurre preferentemente a los paso hacia una potencia mayor fue logrado perfeccionamiento específico de los GTO, equipos de conversión estáticos, los cuales por ABB con el equipo de 2 veces 25 MVA una activación dura novedosa y la conmuta- ofrecen las siguientes ventajas: para la compañía de ferrocarriles Schweizer ción en serie de los GTO [4] permiten cons- • curva de rendimiento mejorada en apro- Bundesbahnen (SBB) en Giubiasco, explo- truir un acoplamiento económico y completa- ximadamente el 5% en toda la gama de tado comercialmente desde 1994 [1, 3]. potencias [2], • mente estático de frecuencias 16 2/3 – 50 Hz de elevada potencia. menores costes de inversión, pues se En la Tabla 1 se reúnen los datos principa- suprimen los complejos cimientos para les del acoplamiento de frecuencia Bremen. los equipos rotatorios, El equipo consiste en un solo convertidor de Revista ABB 9/10 1996 5 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S 100 MW/MVA. El gran aumento de potencia logrado con ello ha sido fruto de varios avan- Tabla 1: Datos principales del acoplamiento de frecuencias Bremen ces importantes de tecnología GTO, que a la vez garantizan una fiabilidad máxima. Potencia nominal permanente Transporte de energía en ambas direcciones, medido en el lado ferroviario 100 MVA, cos ϕ = 0,8 100 MVA, cos ϕ = 1,0 Red trifásica Tensión de servicio Frecuencia de servicio 112 kV ± 5 % 50 Hz ± 0,5 % Repercusión en la red de corriente trifásica Armónicos de tensión según VDEW Red ferroviaria Tensión nominal de servicio (S = 100 MVA) Gama de la tensión de servicio Gama de la frecuencia de servicio 121 kV 97...123 kV 16 2⁄3 Hz ± 2 % Repercusiones en la red ferroviaria Armónicos de tensión Distorsión total Pn DU 150 ≤ 0,5 % En comparación con los convertidores integrados por varias instalaciones parciales, la elevada potencia concentrada en un solo convertidor ofrece un rendimiento mayor. El número menor de componentes significa a la vez una disponibilidad más elevada y menores costes de inversión y explotación. Otra característica esencial del equipo Bremen es que la redundancia necesaria viene garantizada en el propio convertidor. Conmutación y disposición del acoplamiento de frecuencias Rendimiento garantizado Potencia en la barra colectora de 16,7 Hz, Dirección de la potencia 16 2⁄3 Hz ⇒ 50 Hz 72 MW, cos ϕ = 0,8 90 MW, cos ϕ = 1,0 El circuito de corriente principal del acoplamiento de red Bremen 1 consiste en primer 94,9 % 95,6 % lugar en el convertidor de tiristores en el lado de la corriente trifásica, el circuito intermedio 2 Proyección horizontal del acoplamiento de frecuencias con planta baja del edificio de convertidores 1 2 3 4 5 6 Sala de transformadores auxiliares Sala de filtros de 50 Hz Distribución de fuentes de corriente a prueba de interrupción (USV) y de corriente alterna (AC) Sala de baterías Instalación de distribución de 20 kV Distribución de corriente continua (DC) 7 8 9 10 11 12 13 14 Refrigerador de retorno de 50 Hz Intercambiador de calor agua/aire Sala del convertidor de 50 Hz y del SLK Refrigerador de retorno de 16 2/3 Hz Sala de convertidor de corriente de 16 2/3 Hz Ventilación Condensadores del filtro de 33 Hz Tubos de ventilación T11–T13 Transformadores de 16 2/3 Hz T01 Transformador de 50 Hz L210 Compensación de potencia reactiva de 50 Hz L401 Inductancia de alisado L433 Inductancia del filtro de 33 Hz 8 T 12 12 L 210 T 13 12 14 6 M P 10 M 4 3 1 P 7 9 13 5 2 11 L 401 T 11 6 Revista ABB 9/10 1996 L 433 T 01 Z 50 A C 1 O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C A S 4 3 2 I 3 Acoplamiento de frecuencias totalmente estático Bremen, de 100 MW 1 Edificio de convertidores 2 Inductancias de alisado de compensación 3 Intercambiador de calor agua/aire 4 Transformadores de 16 2/3 Hz de corriente continua y el convertidor GTO en de dos pisos alberga los convertidores, el el lado de la red de tracción, así como los mando, la regulación y la vigilancia. Asimismo, instalación aprovecha plenamente las venta- transformadores de convertidor. Se señalan debido al clima marítimo y a la polución cau- jas inherentes al diseño modular de los con- asimismo los dispositivos filtradores y de com- sada por la acería, todos los bancos de con- vertidores estáticos: mantenimiento fácil, sibilidad de sus componentes. Con ello, la pensación para la red de corriente trifásica y en densadores se encuentran alojados en el edi- bajos gastos de entretenimiento, cortos pe- el circuito intermedio, así como los aparatos ficio. Únicamente los transformadores, las bo- riodos de recambio y de reparación en caso protectores más importantes contra sobreten- binas de compensación, las inductancias de de averías, así como una disponibilidad exce- siones en el circuito intermedio y para la pro- alisado y las bobinas de circuito filtrante se lente. El local para el convertidor en el lado tección del equipo durante la inversión del con- encuentran instalados delante del edificio 2 . ferroviario ha sido dimensionado para garan- vertidor (SLK). En la red de Stadtwerke Bre- El edificio tiene una planta de 54 × 15 m. tizar una buena accesibilidad a todos los men AG, la tensión y la frecuencia son prác- La distribución de los locales en la planta su- componentes. En cada uno de los pisos se ticamente constantes. Por el contrario, en la perior es básicamente la misma que en la encuentra la mitad de los módulos de con- red de tracción puede haber oscilaciones pro- planta baja, dado que los componentes prin- vertidor y de limitadores de tensión. nunciadas de la tensión (97–123 kV) y de la fre- cipales (ambos convertidores, los condensa- Los armarios de control-mando se en- cuencia (16,3–17,0 Hz) durante el servicio nor- dores de circuito intermedio y los circuitos to- cuentran alojados en el piso superior, rodea- mal. La tensión y la corriente nominales del cir- talizadores de desconexión) se encuentran dos por los componentes de potencia, por lo cuito intermedio ascienden a 10 kV y 10,5 kA. repartidos en ambos pisos, dispuestos de que los recorridos de cables son cortos. Asi- El equipo fue instalado directamente de- forma idéntica. Esta disposición fue elegida mismo, en el piso superior se halla un puesto trás de la instalación de distribución de 110 para obtener los recorridos más cortos posi- para la interfaz hombre-máquina, para los kV de Stadtwerke Bremen AG, en posición bles de las barras de conexión. posibles casos de manejo local. adyacente a la instalación de distribución de Se atribuyó gran importancia a una dispo- Los transformadores así como las bobinas 110 kV de la Deutsche Bahn AG. Un edificio sición clara de la instalación y a la fácil acce- de compensación, filtración y alisado se en- Revista ABB 9/10 1996 7 A + _ C O P L M I E XT IB ∆U T PB QB SB GTO Ud A U Bi UB N T O D E F R E C U E N C Z Bk I A S I B maxX T B P ~ ∆UT + C E QB 0 ust F δ A a Principio funcional del convertidor GTO U Bi U B δ a Esquema equivalente E F Circuito intermedio de tensión continua Red ferroviaria Ud UBi XT ∆UT UB ZBk PB , QB , SB IB ust , δ U Bi max 4 Tensión continua Tensión interna del convertidor Reactancia de cortocircuito del transformador ferroviario Caída de tensión en XT Tensión de red ferroviaria en el punto de conexión Impedancia de cortocircuito de la red ferroviaria Potencias alimentadas en la red ferroviaria Corriente de salida del convertidor GTO Magnitudes de ajuste de la regulación IB PB + - b b Diagrama vectorial simplificado del convertidor GTO A, B, C Puntos de trabajo especificados cuentran fuera del edificio, en la proximidad La disponibilidad de potencia reactiva en que contiene los tres puntos de trabajo es- inmediata de los correspondientes elementos apoyo de la tensión está limitada por el valor pecificados, A, B y C, corresponde a la co- de potencia. máximo ajustable de la tensión interna. Este rriente máxima admisible del convertidor resulta de la tensión continua del circuito in- GTO. El circuito determina también la po- termedio y del procedimiento de regulación tencia máxima en caso de baja tensión en la Principio de funcionamiento y del convertidor GTO, que se describe a con- red ferroviaria. En la zona sobreexcitada se diseño del lado ferrocarril tinuación. A este respecto debe tenerse en determina, en el punto B, el límite de poten- La tensión continua del circuito intermedio cuenta que, debido a las restricciones del cia impuesto por la tensión máxima posible es mantenida a un nivel constante por el tiempo de conmutación, no puede aprove- del convertidor. convertidor del lado de corriente trifásica. El charse la plena tensión de mando ust (el fac- convertidor GTO genera una tensión interna tor máximo de modulación es de 0,96). Dado que existe un convertidor de tiristores antiparalelo de la misma potencia, los regulable libremente, cuya frecuencia es La potencia aparente SB está limitada por puntos de trabajo simétricos A’, B’, C’ son determinada por el servicio combinado. Los la corriente máxima IB que puede franquear el válidos para el flujo de energía desde la red valores de referencia para los magnitudes convertidor GTO y el transformador de con- eléctrica de tracción a la red de corriente trifásica. de ajuste son la tensión y la posición de vertidor (circuito pequeño en 4b ). Mientras fase en el punto de conexión de la red de que, en el transformador, este límite sólo está tracción. condicionado térmicamente, en el converti- En el diagrama vectorial 4b se muestra dor GTO ha de tenerse en cuenta también la Procedimiento de mando y el funcionamiento básico del convertidor capacidad de desconexión de los semicon- tensión de salida GTO. La reactancia de cortocircuito XT del ductores. Existe además un límite para la po- Para el mando se ha elegido un procedimien- transformador monofásico de convertidor tencia activa (límite vertical de la zona gris), to de modulación de duración de impulsos monofásico 4a desempeña un papel im- dado por el diseño de la alimentación del (MDI) de eficacia probada, conocido en la portante al respecto. La tensión interna del lado de corriente trifásica (convertidor de tiris- tecnología de accionamientos. Las órdenes convertidor UBi puede ajustarse libremente tores, etc.). de conmutación para los diferentes módulos dentro de determinados límites (en gris). Con El diagrama PQ del lado del ferrocarril 5 U se obtienen mediante comparación de los ello se fija la caída de tensión ∆UT y por tanto corresponde a los datos de rendimiento de- valores momentáneos de la tensión de la amplitud y fase de la intensidad IB. terminados (Tabla 2). El circuito UB = 121 kV, mando sinusoidal ust y de las tensiones por- 8 Revista ABB 9/10 1996 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S tadoras triangulares (tensiones auxiliares de mando uhm y uhp) 6 . La frecuencia portadora Tabla 2: Especificación de los datos de potencia en el punto de conexión de la red ferroviaria corresponde a tres veces la frecuencia de red eléctrica ferroviaria. Por consiguiente, cada GTO realiza tres ciclos de conmutación por Punto de trabajo B (sobreexcitado) A (subexcitado) periodo de la red eléctrica ferroviaria. Los doce puentes GTO son activados mediante este procedimiento MDI, de modu- Tensión ferroviaria UB lación de duración de impulsos, si bien las 121 kV Frecuencia ferroviaria fB señales portadores están desfasadas eléctri- Potencia activa PB camente en 15˚ (180/12˚ referido al periodo de la tensión portadora). Con ello resultan doce tensiones escalonadas desfasadas 121 kV 16,2 ...17 Hz 80 MW 80 MW Potencia reactiva QB – 60 MVAr + 60 MVAr Potencia aparente SB 100 MVA 100 MVA 0,8 0,8 cos ϕ entre si. La adición de dichas tensiones esca- 121 kV 16,2 ...17 Hz C 16,2 ...17 Hz 100 MW 0 MVAr 100 MVA 1 lonadas, hecha por la conmutación en serie en el transformador de la red de corriente fe- • rroviaria, suministra una tensión de salida Convertidor del aproximadamente sinusoidal con contenido lado ferroviario muy bajo de armónicos 7 . Por ello no se re- La tecnología GTO del convertidor del lado quieren filtros adicionales. ferroviario contiene los decisivos avances que mente, constituido por una barra colectora de baja inductancia y por condensado- cuatro limitadores de tensión en el circuito intermedio, El mando de la tensión de salida tiene han permitido la realización de la elevada po- lugar mediante regulación de la amplitud de tencia del acoplamiento de frecuencias Bre- la tensión de mando ust y de su posición de men. El convertidor comprende 1 : fase δ, respecto de la tensión de red ferrovia- • • un circuito intermedio acoplado directa- res de circuito intermedio, • la electrónica cercana al convertidor. doce puentes H, cada uno con dos mó- ria UB en el punto de conexión del acopla- dulos de fase (módulos U), conectados en miento de frecuencias. paralelo al circuito intermedio, Módulos de fase de baja inductividad En cada módulo de fase se encuentran co- Diagrama PQ del lado ferroviario PB QB UB fB A, B, C 5 nectados en serie seis GTO. El módulo de fase con barra al circuito intermedio y los Potencia activa, positiva para flujo energético 50 Hz ⇒ 16 2⁄3 Hz Potencia reactiva, positiva en caso de sobrexcitación Tensión de la red ferroviaria en el punto de conexión Frecuencia de la tensión de la red ferroviaria Puntos de trabajo especificados condensadores conectados directamente han sido diseñados con muy baja inductividad a fin de reducir al mínimo la energía acumulada en la inductancia de huida, y con ello las solicitaciones de tensión que surgen du- 120 rante la conmutación 8 . f B = 17 Hz 100 Como condensadores de circuito inter- U B = 110 kV MVAr U B = 121 kV 60 medio cercanos al convertidor se utilizan condensadores de alta tensión de inductivi- B dad muy baja (200 nH por unidad de 10 U B = 123 kV 40 kV). Las bobinas de condensadores han 20 QB sido concebidas en tecnología seca autoC 0 rregeneradora. En caso de un defecto interno de aislamiento, la capa metálica se eva- – 20 pora localmente sin que se produzca un – 40 cortocircuito. – 60 A – 80 La refrigeración de los semiconductores de potencia, de las resistencias de conmutación y de las bobinas de limitación de corrien- –100 te se realiza con agua pura desionizada. En el –120 –100 –60 – 20 0 PB 20 60 MW 100 convertidor no se requiere ventilación forzada mediante ventiladores, lo que a su vez aumenta la fiabilidad operacional. Revista ABB 9/10 1996 9 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S dores rápidos del convertidor de tiristores para la alimentación. A pesar de ello, los fau hm u st llos en las redes intervinientes pueden provocar sobretensiones transitorias. Por esta razón, y para proteger al convertidor GTO, u st u hp se ha incorporado un limitador de tensión que, al alcanzar la tensión límite admisible en el circuito intermedio, activa rápidamente una resistencia de potencia. Este limita- _ ud u st > u hm u st > u hp dor de tensión consiste en cuatro interrup- u st < u hp tores GTO paralelos con resistencias de u1 potencia. Se trata aquí de cuatro ramas li- u st < u hm iB geramente modificadas del módulo de fase del convertidor GTO, completados por la resistencia y los diodos de marcha libre. Protección Principio del procedimiento de mando MDI (modulación de duración de impulsos) 6 ud ust uhm , uhp Tensión continua Tensión de mando Tensiones auxiliares de mando u1 iB Tensión de salida de un escalón Corriente de salida del convertidor GTO El concepto de protección abarca tres niveles: prevención, encendido de protección y limitación de daños en caso de emergencia. Lo fundamental es percibir todas las posibilidades de evitar perturbaciones. Para Conexión en serie y redundancia en serie y a la redundancia incorporada, el ello se ha recurrido a GTO redundantes, así La conexión en serie de los GTO exige que las convertidor GTO tendrá un fallo total sólo como a la desconexión controlada en caso operaciones de conmutación estén muy bien cada siete años. Esto requiere realizar mante- de un fallo del segundo GTO de una rama. sincronizadas. Se requiere que todos los GTO nimientos anuales, en que se sustituyen los Además, el bloqueo de las dos ramas de conectados en serie conmuten en un intervalo componentes redundantes defectuosos re- una fase GTO impide que estas puedan de 200 ns. Con este fin, ABB ha desarrollado gistrados durante el servicio. Si estos se re- estar al mismo tiempo en situación de el llamado mando duro, caracterizado por una cambian a intervalos más cortos aumentará paso. corriente de compuerta con pendiente y am- la disponibilidad. En caso de fallo de las medidas preventivas, toda disrupción eléctrica será registra- plitud mucho mayores que las de los mandos da por un dispositivo medidor rápido y re- convencionales [4]. Para ello debe reducirse la inductividad de la unidad de mando en un fac- Barras del circuito intermedio dundante en unos pocos microsegundos. tor aproximado de 1000, lo que ha exigido un La necesidad de la ejecución de baja inducti- Para aliviar la fase GTO defectuosa se en- diseño completamente nuevo. El GTO y la uni- vidad rige también para la parte del circuito cienden las demás fases GTO del converti- dad de activación forman una unidad cons- intermedio cercana al convertidor. Los dos dor (encendido de protección). El converti- tructiva compacta. conductores del circuito intermedio están for- dor ha sido concebido de tal manera que La tensión continua nominal del circuito in- mados, por tanto, por dos barras planas ad- no surgirá daño alguno. Gracias a las medi- termedio es de 10 kV. Por ello serían suficien- yacentes separadas sólo por una capa ais- das preventivas, sólo en casos muy aisla- MICADUR®. te cuatro GTO conectados en serie en cada lante de rama del puente. En caso de seis GTO co- cuitos internos, pueden aparecer elevadas nectados en serie puede fallar un semicon- solicitaciones mecánicas. La construcción ha Por lo demás, el convertidor GTO ha ductor sin que ello perjudique el equipo. En sido concebida de tal manera que permite sido concebido de tal manera que también caso de fallo de un segundo GTO en la controlar todos los fallos imaginables. La soli- resiste a un fallo de la protección. Si la co- misma rama, el equipo se desconecta de citación fue calculada y simulada, pero ade- rriente entera de fallo fluye a través de un manera controlada. La incorporación de más fue comprobada en el laboratorio de alta punto defectuoso central, pueden quedar puestos de semiconductores redundantes tensión 9 . destruidos todos los semiconductores de la Si se producen cortocir- dos se produce el encendido de protección. permite reducir la carga de tensión de todos fase defectuosa (GTO y diodos), pero no se los componentes, prolongando con ello con- producirán daños secundarios mecánicos o Limitador de tensión térmicos. No se forma plasma alguno, ni Los cálculos basados en los datos de La tensión continua es mantenida en un tampoco habrá explosión de componentes campo muestran que, gracias a la conexión valor constante mediante circuitos regula- aislados. siderablemente la vida útil del equipo. 10 Revista ABB 9/10 1996 A C O P L A M I E N T O D E F R E Se han realizado los siguientes ensayos, Verificación C U E N C I A S Transformadores del lado Dado que el convertidor GTO Bremen cons- prescritos por las normas: ferroviario tituye la primera realización de una tecnología • Investigación de los fenómenos en la El transformador sumador del lado ferroviario en gran parte nueva, la verificación de todos gama de alta frecuencia durante los fa- está integrado por seis unidades bifásicas los elementos y grupos constructivos reviste llos transitorios de la red de corriente fe- con núcleo de retorno 10 . Este desacopla gran importancia. La protección tiene lugar rroviaria, magnéticamente las dos fases de modo que • Ensayos con choques de corriente: no los núcleos actúan como transformadores in- niveles: mediante simulación en modelos al- debe producirse daño mecánico alguno dividuales. Las bobinas secundarias de las tamente desarrollados y por comprobación de los componentes, incluso aunque fa- dos fases son alimentadas por puentes GTO en laboratorio de los componentes del equi- llen todos los niveles de protección. próximos en cuanto a modulación. Si bien sus Otros ensayos con choques de corriente, componentes fundamentales están en fase, el en forma recíproca y complementaria, en dos • po. Para la simulación se dispuso de un nuevo para comprobar que las características de patrón de impulsos, desfasado, hace que los programa de simulación con modelos optimi- los elementos semiconductores no se armónicos sean de fase desplazada, resultan- zados de los semiconductores de potencia. modifican ni siquiera después de 100 im- do durante el servicio estacionario un flujo Los parámetros necesarios fueron tomados pulsos de encendido de protección. magnético en el núcleo de reflujo con un valor • Ensayos de larga duración, de más de aproximado del 10% del flujo principal de los permitió asegurar, entre otras cosas, las dis- 100 h, con 150% de la corriente nominal, núcleos bobinados. A pesar de ello, el núcleo rupciones eléctricas y los encendidos protec- 120% de la tensión nominal, 150% de la de reflujo tiene las mismas dimensiones trans- ción, teniendo en cuenta tanto los componen- frecuencia nominal y supresión de la re- versales que los núcleos principales, con el fin tes como las redes. Asimismo pudo aclararse dundancia [4]. de permitir transitoriamente, por ejemplo en de mediciones especiales del hardware. Esto la influencia de las tolerancias dimensionales, caso de fallos de la red, una cadencia lo más realizándose investigaciones «worst case». independiente posible de los dos puentes 7 Formación de tensión del convertidor GTO a b Desarrollo de la tensión u1 de un escalón Tensión interior resultante de convertidor, uBi, a la salida del transformador sumador para una tensión de mando de ust = 0,9 uhm , uhp Tensiones auxiliares de mando 1.25 p.u. a u hp ust u1 0 u hm –1.25 1.25 u Bi b p.u. ust 0 –1.25 Revista ABB 9/10 1996 11 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S Se dedicó atención especial a conseguir una dispersión lo más pequeña posible de las impedancias de marcha en vacío de los diferentes sistemas de fases, ya que, si las válvulas GTO están bloqueadas, estas impedancias determinan el reparto de la tensión de la red ferroviaria a los transformadores y con ello a los puentes GTO. Un reparto muy desigual podría provocar que en los puentes con la mayor parte de la tensión la amplitud de la tensión alterna fuera mayor que la tensión del circuito intermedio, de modo que este resultaría sobrecargado a través de los diodos de los puentes H. Es bien conocido el problema de la com1 ponente de tensión continua en la tensión de salida de los puentes GTO, provocada por instantes de conmutación no ideales. Ya una proporción relativamente baja de esta com- 2 ponente de tensión continua puede provocar fenómenos de saturación en el transformador y cargar los puentes con corriente de magne- 3 tización, llegando incluso a impedir su funcionamiento. Este problema es más grave a medida que aumenta el tamaño del equipo y, además, se agrava con la conexión en serie de los GTO. En la instalación Bremen, un error constante de sólo 1 µs por fase produciría una parte de tensión continua de 33 mV, la cual premagnetizaría desequilibradamente el transformador con una inducción de 1,4 T aproximadamente. Efectivamente, la inducción de servicio con tensión de salida máxima es de 1,55 T. Para limitar una posible componente de tensión continua se ha desarrollado un nuevo sistema de registro y regulación que compensa tal componente a tiempo, reduciéndolo a valores bajos y admisibles. Diseño del circuito intermedio El circuito intermedio de corriente continua 8 Módulo de fase de baja inductividad 1 Unidad de mando 2 Pila de semiconductores 3 Modo de conexión debe desacoplar la red de corriente trifásica y la red eléctrica ferroviaria. Ha de alimentar el convertidor GTO con una tensión continua tan constante como sea posible, prote- GTO, sin que se produzcan fenómenos de dos. A cada núcleo se asignó un bobinado giendo asimismo la red de corriente trifásica saturación en el transformador. primario (del lado ferroviario) y un núcleo se- de armónicos de la red eléctrica ferroviaria. En consecuencia, para la unidad bifásica cundario, ambos concéntricos. Todos los A este respecto debe tenerse en cuenta se utilizó un núcleo convencional de trans- bobinados primarios fueron aislados para la que, por motivos de protección, la capaci- formador de corriente trifásica, de chapa de tensión total de ensayo. Cada par de unida- dad CD repartida y acoplada rígidamente en transformador de grano orientado, en el que des bifásicas se encuentran en un recipiente el convertidor GTO ha de reducirse a un mí- sólo los núcleos exteriores llevan bobina- común. nimo. 12 Revista ABB 9/10 1996 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S Como consecuencia del carácter monofásico de la red eléctrica ferroviaria se produce 1 una oscilación de potencia con frecuencia doble que la de la red de tracción. Por ello, el circuito intermedio cuenta con un filtro ajustado de 33 Hz. Su potencia resulta de la ondulación admisible de la tensión continua, en caso de una desviación máxima de frecuencia de la red eléctrica ferroviaria, y de un ajuste fino poco favorable del filtro. Debe ser posible utilizar el convertidor de corriente ferroviaria también en caso de una tensión ferroviaria con distorsión previa relativamente pronunciada. Especialmente el tercer y el quinto armónicos pueden tener valores elevados. Por lo tanto, el convertidor debe reaccionar a estos armónicos con tan poca sensibilidad como sea posible. Por esta razón, el circuito intermedio contiene, además 2 de un filtro de 33 Hz, un filtro amortiguado de 3 1 paso alto. Convertidor del lado de 9 Módulo de convertidor (1) con barra colectora de circuito intermedio (2) y condensadores de circuito intermedio CD (3) corriente trifásica y dispositivos de compensación rama. En caso de fallo de un segundo tiristor las ramas paralelas. Si una sola rama deja de La alimentación a partir de la red de la com- en la misma rama, se desconectará la ins- intervenir en el guiado de la corriente (por pañía municipal de Bremen tiene lugar a tra- talación entera. Esto tampoco supone peligro ejemplo a causa de un fallo en la excitación), vés de un convertidor de tiristores de 12 im- alguno para la parte intacta de la rama. Se vi- la corriente del circuito intermedio quedará li- pulsos, conmutado por la red. Es una solu- gila el reparto correcto de la corriente entre mitada correspondientemente. ción más económica que usar un convertidor de corriente de conmutación automática. Debido al denso cableado de la red, existe un exceso de potencia reactiva. En caso de 10 Esquema de una unidad de transformador sumador R, T Fases Φ Flujo de inducción carga reducida, esta debe ser compensada por reactancias. Las bobinas de inductancia también pueden permanecer conectadas R t2 v1 T cuando el acoplamiento de frecuencias no se ΦA encuentra en servicio. La gama exigida de potencia reactiva se consigue económicamente mediante reactancias y filtros de conmutación mecánica. Además, los filtros han sido diseñados de tal manera que pueden Φ1 Φ2 cumplirse los límites prescritos para la distorsión de la tensión (<1,5%). ΦA Los datos nominales del circuito interme- ΦA ΦA dio tienen consecuencias para el diseño del convertidor de tiristores: de un lado un aco- ΦA plamiento en serie de cuatro tiristores y del otro acoplamiento en paralelo de tres ramas. Análogamente al convertidor GTO, la instala- t1 v2 ción puede seguir funcionando sin restricción alguna en caso de fallo de un tiristor por Revista ABB 9/10 1996 13 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S Contrariamente a lo usual en los equipos convencionales de transmisión de corriente A B continua de alta tensión, con convertidores de corriente regulada a ambos lados de la red, 2 km no es posible controlar la corriente en diente 20 km de sierra en el circuito intermedio. Incluso si se ha diseñado prudentemente el mando del on- C dulador (ángulo de extinción) jamás pueden MMI ( DEC ALPHA ) excluirse totalmente los errores de conmutación, por ejemplo en caso de procesos transitorios en la red de corriente trifásica. El desenganche del ondulador es registra- Modem do por dos circuitos de medición independientes e inmediatamente después se bloRD quean ambos convertidores. La válvula del Control ( PSR ) ondulador de conducción errónea recibe una Protection ( PSR ) contracorriente negativa que la borra. Todo el proceso de extinción ocupa un periodo de red. Después de un intervalo de tiempo corto, de 1 s aproximadamente, requerido VBE 50 TM GM VBE 16 para restablecer la capacidad desbloquear, se reanuda automáticamente la transmisión de corriente. La disponibilidad de servicio del circuito totalizador de desconexión SLK es vigilada de modo continuo. F SLK DC link Sistema electrónico cercano al D 112 kV 50 Hz E 121 kV 16 2/3 Hz convertidor Cada convertidor de corriente cuenta con un sistema electrónico cercano al convertidor. Este genera los telegramas de impulsos 11 Jerarquía de la técnica de control-mando A B C D E F Central eléctrica de la compañía eléctrica municipal de Bremen Centro de reparto de cargas de la compañía eléctrica municipal de Bremen Técnica de control-mando del acoplamiento de frecuencias Instalación de distribución de la compañía eléctrica municipal de Bremen Estación de distribución de los ferrocarriles alemanes Filtro MMI RD PSR VBE TM, GM SLK DC Interfaz hombre-máquina con estación de trabajo DEC basada en procesador ALPHA Diagnóstico a distancia Sistema rápido de regulación programable (mando, regulación y protección) Electrónica cercana al convertidor del lado de 50 Hz y 16 2/3 Hz Control de fallos, protocolización del convertidor de tiristores o GTO Circuito totalizador de desconexión Circuito intermedio (tensión continua) a partir de las órdenes de encendido de la regulación y los transmite por medio de conductores de fibras ópticas hasta los diversos puestos de semiconductores, donde la electrónica de los tiristores los transforma en impulsos eléctricos de encendido (encendido óptico indirecto). Dicho sistema electrónico vigila también, con ayuda de mensajes de control de la electrónica de los tiristores, la redundancia de los semiconductores conectados en serie. Si se pierde redundancia, se produce una alarma o una señal de desconexión. Los semiconductores que fallan quedan registrados para ser sustituidos la próxima vez que se hagan trabajos de mantenimiento. Si la red eléctrica ferroviaria tiene energía Se concedió una especial atención a la en exceso, el excedente se alimentará a la red protección del convertidor en funciona- Adicionalmente, la electrónica cercana al de Stadtwerke Bremen a través de un segun- miento de ondulador. Para ello se empleó el convertidor de corriente controla en el con- do convertidor antiparalelo de tiristores que llamado circuito totalizador de desconexión vertidor GTO el limitador de sobretensión del actúa como ondulador. El mando del conver- (SLK), un equipo estático para la conmuta- circuito intermedio. Así se garantiza, además, tidor permite invertir rápidamente la potencia. ción forzada 1 . un registro redundante rápido de las disrup- 14 Revista ABB 9/10 1996 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S ciones eléctricas así como el disparo del en- gas de la compañía municipal de Bremen, cederse también, a través de una línea telefó- cendido de protección del convertidor GTO. que se encuentra a una distancia de unos 20 nica, a la superficie gráfica de programación En el convertidor de tiristores, este siste- kilómetros, pudiendo fijarse libremente la je- del sistema y al sistema de comunicación ma electrónico controla también el circuito rarquía de mando. La instalación en si misma hombre-máquina. totalizador de desconexión SLK. Sus contro- funciona sin necesidad de personal. El sistema de control es responsable de las secuencias de arranque y paro de la ins- les de ejecución permiten a la regulación re- El mando y la regulación, así como la pro- gistrar muy rápidamente los fallos de conmu- tección del acoplamiento de frecuencias, talación, mientras que el sistema de regula- tación en el régimen de ondulador. están basados en el sistema de regulación ción garantiza la estabilidad de funcionamien- rápido y programable PSR2 (Programmierba- to. El concepto de regulación se representa res Schnelles Regelungssystem) de ABB [5]. de manera simplificada en 12 . Técnica de control-mando Dicho sistema de control-mando fue desarro- La regulación del lado de 50 Hz desempe- Se utiliza un moderno sistema de comunica- llado especialmente para sistemas complejos ña básicamente la tarea de mantener cons- ción hombre-máquina (S.P.I.D.E.R. MicroS- de electrónica de potencia, prestándose por tante la tensión continua del circuito interme- CADA) basado en una estación de trabajo ello de manera ideal para el acoplamiento de dio. A fin de optimizar la dinámica, y también ALPHA 11 para vigilar y controlar la instala- frecuencias Bremen. El sistema combina una por motivos de protección, se aplicó una re- ción, así como para registrar las modificacio- elevada velocidad de procesamiento y un gulación en cascada con regulador de tensión nes de estado y los fallos. El mando puede lenguaje de programación gráfico, fácil de superior y regulador de corriente continua in- ejercerse desde un puesto local, desde la aplicar (FUPLA 2). La combinación de ambas ferior. Además, el sistema de regulación del cercana central eléctrica de Mittelsbüren o características garantiza un alto grado de fle- lado de 50 Hz controla la conmutación de los bien desde el centro de distribución de car- xibilidad. Para fines de diagnóstico puede ac- convertidores de tiristores en caso de inver- 12 Esquema del concepto de regulación del acoplamiento de frecuencias de 100 MW A B Lado de corriente trifásica Lado de red ferroviaria α Ángulo de encendido M ST Mediciones Dispositivo de mando del convertidor de tiristores MGTO Modulador del convertidor GTO PLL Circuito de regulación de fase Ud , Id Ust , δ UB , IB Ud ref ,PB ref ,QB ref Tensión y corriente en el circuito intermedio Tensión de mando y ángulo de fase (magnitudes de ajuste) Tensión y corriente de lado de la red ferroviaria Valores de referencia de tensión y potencia + A 112 kV 50 Hz B 121 kV 16 2/3 Hz Y M D ST PLL MGTO α Sync Sync α Control 50 Hz U d ref δ Id Ud U st UB Control 16 2/3 Hz P B ref PLL IB Q B ref Revista ABB 9/10 1996 15 A C O P L A M I E N T O D E F R E C U E N C I A S mando en el simulador físico, con los parámetros de circuito intermedio de 200 V / 250 mA. Antes de la entrega, los armarios 1 de control-mando 13 fueron incorporados al simulador y ensayados, en cooperación con la compañía municipal de Bremen, en 2 condiciones de servicio normal y defectuoso lo más reales posible. 3 Puesta en servicio 5 4 Durante la puesta en servicio se concedió gran importancia a proceder sistemáticamente en la verificación del diseño eléctrico, térmico y mecánico de todas las piezas de la instalación. Tras los ensayos habituales y antes de la puesta en servicio (ensayos de tensión, ensayos de la técnica de controlmando y de protección, etc.) se ensayaron los subsistemas, comenzando con la alimenArmarios de la técnica de control-mando del acoplamiento de frecuencias Bremen 1 2 3 4 5 13 Ordenador PSR y aparatos de interfaz Modulador del convertidor (MGTO) del lado ferroviario y aparatos I/O Bloque da mando del convertidor de tiristores (ST) e interfaz del conductor de fibras ópticas Diversos aparatos de vigilancia y alimentación Panel de mando local tación desde el lado de la corriente trifásica, en el siguiente orden: • Ensayo de marcha en vacío de la alimentación desde el lado trifásico Los dispositivos de filtración y compensación, el transformador del convertidor, el convertidor de tiristores y el circuito intermedio de tensión continua fueron puestos sión de la potencia. El bloque de mando está hombre-máquina. La sustitución de apara- bajo tensión por primera vez. Mediante sincronizado, como suele hacerse en las ins- tos, la parametrización y la comprobación de una carga óhmica elevada del convertidor talaciones de transmisión de corriente conti- las funciones protectoras puede realizarse en se comprobaron también los componen- nua de alta tensión, por medio de un circuito cualquier sistema protector con la instalación tes de control-mando cercanos al conver- regulador de fases (PLL). en funcionamiento. tidor (p. ej., el bloque de mando). • En el lado ferroviario se miden la corriente (IB) y la tensión (UB). A partir de estos valores Ensayo de cortocircuito de la alimentación desde el lado trifásico se calculan la potencia activa y la potencia re- Dimensionado y verificación Mediante un ensayo permanente con co- activa. La potencia activa es regulada confor- El dimensionado y la verificación del acopla- rriente continua máxima de 10,5 kA se de- me a una línea característica de frecuencia- miento de frecuencias Bremen se ha hecho mostró la adecuación del diseño térmico potencia, la potencia reactiva conforme a una con tres instrumentos distintos, aplicados en de todos los subsistemas y especialmente línea característica tensión-potencia reactiva. el siguiente orden: la del equipo refrigerador de 50 Hz. Tam- Se utiliza un circuito de regulación de fases • • • programas analíticos de ordenador, bién se ensayaron la regulación y la técni- programas de simulación por ordenador, ca de control-mando cercana al converti- (PLL), que sirve a la vez para medir la frecuencia ferroviaria y para sincronizar el modulador de duración de impulsos (MDI). La protección ha sido concebida como dor de tiristores. simulación física mediante el simulador de ABB, reducido a escala 50 W. • Ensayo de marcha en vacío del converti- Los dos primeros instrumentos citados se dor GTO sistema completamente redundante de dos distinguen por una elevada precisión y repro- La formación de tensión del convertidor canales. Si uno de los sistemas falla por ave- ducibilidad en una amplia gama de frecuen- GTO fue ensayada esta vez con tensión ría de un aparato, sus canales de disparo se cias; el simulador tiene la gran ventaja de fun- reducida del circuito intermedio y con inte- bloquean automáticamente. Sin embargo, la cionar en tiempo real, lo que permite ensayar rruptor automático abierto desde el lado instalación sigue estando protegida integral- el sistema entero, sin peligro alguno, con la ferroviario. mente. El fallo es comunicado al personal de técnica de control-mando original. • Ensayos de protección servicio con indicación del aparato defectuo- Con este fin se desarrollaron las funcio- Las funciones protectoras vitales, como el so a través del sistema de comunicación nes principales de la técnica de control- encendido de protección del convertidor 16 Revista ABB 9/10 1996 A C O P L A M GTO, la limitación de sobretensión en el • E N T O D E F R E C U E N C I A S corriente (id) del circuito intermedio, así como Bibliografía [1] Gaupp, O.; Linhofer, G.; Lochner, G.; circuito intermedio y la función del circuito la tensión (uB) y la corriente (iB) en el punto de totalizador de desconexión SLK durante la conexión de la red ferroviaria en el instante en Zanini, P.: Convertidores de frecuencia estáti- inversión del ondulador fueron ensayadas que se conmuta de régimen de transporte cos de alta potencia para el tráfico ferroviario bajo condiciones reales. normal a régimen de modificador de fases. a través de los Alpes. Revista ABB 5/95, Ensayo de cortocircuito del convertidor Esta secuencia se activa automáticamente si 4–10. GTO falla la red de corriente trifásica. En la parte [2] Lönard, D.; Northe, J.; Wensky, D.: Sta- Con un ensayo permanente, hecho con derecha del oscilograma se representa la se- tische Bahnstromrichter - Systemübersicht red eléctrica ferroviaria cortocircuitada y cuencia de inversión correspondiente, que ausgeführter Anlagen. Elektrische Bahnen corriente de carga máxima correspon- también se realiza automáticamente una vez 6/95, 179–190. diente a 100 MVA, se demostró la correc- que la red trifásica se encuentra de nuevo [3] Mathis, P.: Statischer Umrichter Giubias- ción del diseño térmico del convertidor, disponible. co der Schweizerischen Bundesbahnen. Un vez concluida con éxito la fase de del transformador del lado ferroviario y del • I Elektrische Bahnen 6/95, 194–200. equipo refrigerador. prueba, se entregó finalmente el acoplamien- [4] Steimer, P.; Grüning, H.; Werninger, J.; Ensayos de sistema en la red ferroviaria to de frecuencias a la compañía municipal de Dähler, P.; Linhofer, G.; Boeck, R.: Acopla- En el marco de estos ensayos se compro- Bremen para su explotación comercial. miento en serie de tiristores GTO para con- bó y optimizó la regulación del equipo bajo vertidores de alta potencia. Revista ABB condiciones de servicio reales. Asimismo 5/96, 14–20. se comprobaron todos los valores de ga- [5] Steimer, P.; Hartmann, P.; Perrin, Ch.; rantía, como datos de rendimiento, efi- Rufer, A.: PSR: el sistema de regulación más ciencia y repercusiones en la red. rápido del mundo, programable según esquema funcional. Revista ABB 2/93, 21–28. El oscilograma representado en la figura 14 muestra a título de ejemplo la tensión (ud) y la 14 Oscilograma de una interrupción corta de 700 ms en el lado de 50 Hz A B C D Transmisión de potencia a la red ferroviaria: 121 kV, 30 MW, 20 Mvar subexcitado Desconexión del convertidor de tiristores, conmutación automática en régimen de modificador de fase Lado trifásico desconectado: régimen de modificador de fase con 20 Mvar subexcitado Reconexión del lado trifásico, aumento automático de la potencia activa uB iB ud id Tensión del lado ferroviario Corriente del lado ferroviario Tensión del circuito intermedio de 10 kV, 1 unidad = 1,3 kV Corriente de circuito intermedio Redacción Dr. Hans-Peter Eggenberger Meilen, Suiza Direcciones de los autores Rüdiger Boeck Stadtwerke Bremen AG Theodor-Heuss-Allee 20 D-28215 Bremen, Alemania uB Fax: +49 (0) 421 359 2081 Osvin J. Gaupp Peter Dähler iB Eugen Bärlocher Johannes Werninger ABB Industrie AG ud CH-5300 Turgi, Suiza Fax: +41 (0) 56 299 2579 id Plinio Zanini A C 100 ms A ABB Kraftwerke AG Postfach B D t CH-5401 Baden, Suiza Fax: +41 (0) 56 466 66 81 Revista ABB 9/10 1996 17