¿Qué impulsa la necesidad de la conmutación de alta tensión?
Aunque es relativamente nuevo, el sector de los vehículos eléctricos (VE) ya ha conseguido un importante grado de penetración y de ventas. Además la electrificación está generando debates acerca del futuro del transporte personal y público. Según Statista.com:
• Se prevé que en 2025 el volumen de negocio de los VE alcance la impresionante cifra de 784.200 millones de dólares en todo el mundo.
• Se espera que el mercado experimente un crecimiento medio interanual del 6,01% entre 2025 y 2029 hasta alcanzar un valor de 990.400 millones de dólares en 2029.
• Las ventas de VE serán del orden de 17,36 millones de unidades en 2029.
La arquitectura del bus en los automóviles actuales suele ser de 400V, pero se están presentando sistemas con buses de 800V para incrementar la potencia y/o reducir la corriente. Algunos fabricantes de coches se están planteando utilizar tensiones aún más elevadas, al igual que los fabricantes de vehículos industriales o destinados al transporte público; también se están diseñando sistemas de baterías de más de 1000V.
Otros mercados nuevos también están aumentando las tensiones del sistema. Por ejemplo, la energía renovable procedente de las instalaciones solares exige la capacidad de manejar altas tensiones durante la conversión, la transmisión y el almacenamiento. La medicina confía cada vez más en equipos de diagnóstico por la imagen de alta tensión, como escáneres de TC y máquinas de rayos X. Además, las aplicaciones tradicionales de alta tensión, como el aislamiento de cables, el aislamiento de placas de circuito impreso y los comprobadores de semiconductores siguen necesitando altas tensiones de funcionamiento.
¿Por qué 500V?
El punto a partir del cual se puede considerar que un sistema es de “alta tensión” parece ser algo arbitrario. No obstante, los fabricantes de equipos tienden a estar de acuerdo en que es como mínimo de 400V. ¿Por qué esta cifra? Lo cierto es que los sistemas que funcionan a 250VCA, el estándar del sector, alcanzarán un pico de unos 350V. Los fabricantes de productos modulares de conmutación a menudo exigen que todas las unidades que superen los 500V incorporen una función de enclavamiento por hardware para garantizar un funcionamiento seguro. A estos niveles es necesario utilizar una circuitería de supresión y generalmente es aconsejable emplear conectores de alta tensión. Por tanto, parece razonable calificar 500V como “alta tensión”.
En el extremo de la escala, los relés reed (que como veremos más adelante de forma detallada son muy adecuados para conmutación de alta tensión), pueden ofrecer unas tensiones de separación o ruptura de hasta 15kV e incluso superiores en determinados diseños.
Ventajas de los sistemas modulares de test para aplicaciones de alta tensión
Antes de profundizar en la conmutación de alta tensión vale la pena recordar por qué la elección de una plataforma modular basada en las tecnologías y los estándares convencionales disponibles en el mercado ayudará a reducir el coste de un sistema de test, acortar el tiempo de desarrollo y suministrar un sistema que haga exactamente lo que exige cada aplicación en concreto. Un sistema así también ayudará a reducir el tiempo de test ya que se puede integrar y automatizar por completo tanto el hardware como el software, lo cual optimiza los procesos de test y permite ejecutar varios procesos de test en paralelo.
PXI es una plataforma estándar de test, medida y control basada en una arquitectura abierta de la PXI Systems Alliance (PXISA) que cuenta con el apoyo de más de 60 proveedores que fabrican, venden e integran soluciones de hardware y software basadas en PXI. Dado que son tantos los suministradores que ofrecen equipos compatibles, los diseñadores de sistemas pueden seleccionar los bloques funcionales más adecuados de diferentes empresas, dependiendo de los requisitos de la aplicación, en lugar de verse limitados a utilizar los productos de un solo proveedor.
El uso de una arquitectura estandarizada también disminuye el tiempo necesario para configurar un sistema de test destinado a productos y requisitos emergentes. Debido a la naturaleza flexible y escalable de los sistemas basados en PXI, tanto de hardware como de software, a medida que aumenta la complejidad del sistema también puede crecer el sistema modular. Los elementos modulares se pueden añadir según las necesidades con el fin de incrementar la funcionalidad o la capacidad, de modo que minimiza la inversión inicial pero protege el valor de la inversión porque no se desaprovechará cuando los requisitos de test sean mayores.
Lo mejor de todo es que los ingenieros de test no se ven limitados a utilizar sistemas preconfigurados de un solo proveedor. Tales soluciones suelen quedarse cortas a la hora de cumplir todos los requisitos del sistema, o bien están sobredimensionados y son complejos, superan la corriente necesaria con el sobrecoste correspondiente. En cambio, un sistema de test basado en el estándar PXI puede ser flexible pero no complicado.
Seguridad, fiabilidad y repetibilidad
Volviendo a la cuestión de la alta tensión, la seguridad, la fiabilidad y la repetibilidad son los tres pilares básicos sobre los cuales se deben asentar los sistemas de conmutación de alta tensión. Veamos cada uno de los tres de forma detallada:
Seguridad
Cuando las tensiones pueden ser del orden de kilovoltios, la seguridad debe ser prioritaria. Por tanto, los productos de conmutación de alta tensión deberían incluir un enclavamiento de hardware funcional que pueda aislar sus salidas en el panel frontal, asegurando para ello que todos los relés estén desactivados. Por ejemplo, se pu4ede utilizar un enclavamiento de hardware en el interruptor de una puerta para deshabilitar el funcionamiento de un relé si la puerta del armario del sistema test está abierta. Hay muchas configuraciones posibles cuando se utilizan tarjetas una sobre otra: de pueden interconectar varias tarjetas, de modo que una de ellas gestione la línea de interrupción del hardware o bien se pueden instalar por separado. Generalmente se trata de un interruptor en la puerta de un armario: si la puerta está abierta, las tarjetas funcionan en modo seguro, incluso si se aplican 5kV. De igual manera, cuando la puerta está abierta, y por tanto el operador no puede tocar nada que esté alimentado con corriente, las tarjetas pasan a modo activo y el sistema de puede utilizar con normalidad.
La presencia de una tensión alta también significa que los elementos parásitos, las interferencias y los picos son más dañinos, por lo que pueden crear problemas de seguridad y fiabilidad. Por tanto se debería incluir una circuitería de supresión. Hablaremos más sobre esto en la siguiente sección.
Como es natural, todos los equipos diseñados para altas tensiones deben cumplir las normas internacionales, como IEC 62271-200 para aparamenta de alta tensión.
Fiabilidad
La fiabilidad de los sistemas de conmutación de alta tensión depende de la calidad y de los componentes seleccionados. El propio interruptor es el elemento más importante que se ha de tener en cuenta; es probable que sea un relé. Aunque hay diversos tipos de relés, los relés reed ofrecen varias ventajas que los hacen idóneos para aplicaciones de alta tensión.
En los relés electromecánicos (EMR), los contactos están abiertos al exterior. Esto significa que el polvo y otras partículas pueden ensuciar las superficies de los contactos y afectar negativamente a su rendimiento. En cambio, los relés reed incorporan un interruptor sellado herméticamente cuyos contactos funcionan en el vacío. Por tanto, es mucho menos probable que los contactos sufran degradación alguna y su rendimiento siempre será más elevado. Además, la distancia de detección puede ser mucho más corta que en los dispositivos EMR que funcionan al aire libre. Y dado que los contactos están en un vacío sellado herméticamente, la ionización, que se produce con tensiones altas, no afectará al rendimiento del interruptor reed.
Figura 2. Relé electromecánico.
Figura 2b: Relé reed de alta tensión
Los relés reed de alta tensión tienen una velocidad de conmutación de 0,5-1 milisegundos, mucho más rápida que los EMR, cuya velocidad es de 3 milisegundos. Por último, los relés reed sufren un bajo desgaste mecánico porque no contienen piezas móviles excepto unas pequeñas láminas de conmutación. Si se utilizan correctamente y dentro de los valores especificados, los relés reed pueden alcanzar una vida útil superior a 1.000 millones de operaciones (dependiendo de la carga). En cambio, para los EMR es de apenas 10 millones de operaciones.
Existen, desde luego, muchos tipos de relés reed para aplicaciones de alta tensión; básicamente, cuanto más alta es la tensión, más grande es el dispositivo. Los relés reed con una tensión de ruptura (pico de CC o CA) de 1500V pueden ser muy compactos y medir, por ejemplo, tan solo 12,5x3,7x6,6mm. Los relés reed de alta calidad para estos niveles de tensión incorporan contactos de rutenio pulverizado para ofrecer un excelente rendimiento con bajos niveles de corriente. Los relés reed se caracterizan por unas tensiones de ruptura de hasta 15kV. Estos dispositivos de mayor tamaño tienen contactos recubiertos de tungsteno que ofrecen resiliencia frente al calor generado por la conmutación con potencias altas.
Hay que tener en cuenta varios factores que afectan al rendimiento y la vida útil del relé. Para obtener unos resultados óptimos siempre es mejor conmutar en frío, es decir, activar los contactos del relé sin aplicar tensión. Cuando se necesita conmutar en caliente, es fundamental asegurarse de que el producto de la tensión por la corriente en el interruptor no supere la potencia máxima de conmutación establecida para el relé. La conmutación en caliente afectará negativamente, desde luego, a la vida útil del relé y reducirá su tensión de ruptura ya que se generan arcos eléctricos cuando se degrada su recubrimiento. De ahí que las fichas técnicas de los módulos de conmutación especifiquen una tensión de funcionamiento reducida hasta en un
40-50% cuando conmutan en caliente.
Incluso si no se aplica tensión a los contactos del relé, es posible que la conmutación no sea “fría”. El principal motivo de fallo de los relés de alta tensión es que no se evalúa correctamente la capacidad en el circuito.
Figura 3. Capacidad transitoria en el interruptor y diagrama del circuito.
Observemos la Figura 3. Si existe una capacidad en el circuito, puede cambiar cuando esté presente haya una tensión alta. Si la capacidad está en el interruptor sin una carga que la limite, se descargará instantáneamente por el interruptor cuando se cierre. Muchas aplicaciones de alta tensión utilizan condensadores para almacenar las tensiones. Incluso los condensadores cargados con tensiones bastante bajas pueden provocar corrientes transitorias del orden de decenas de amperios cuando se cierra el interruptor, lo cual puede dañar los contactos del relé de manera significativa. Por tanto es necesario tener en cuenta la naturaleza de la capacidad en el circuito bien incluir protección frente a descargas. Está cuestión es analizar con gran detalle en la Guía Técnica Breve para Relés Reed de Pickering.
Los fabricantes clasifican los relés en función de un cierto nivel de rendimiento pero, especialmente en el caso de los componentes >10kV, no es aconsejable llevar el dispositivo a sus límites. Cuando el dispositivo es nuevo, su rendimiento será el especificado pero a lo largo de su vida útil, especialmente si se usa una conmutación en caliente, se producirán arcos eléctricos y transferencia de metal entre los contactos. Esto puede provocar la acumulación en un contacto, reduciendo así la distancia entre contactos, que a su vez afecta a la tensión de ruptura. Si se permite un margen de al menos el 10% en las especificaciones operativas, el relé funcionará de manera fiable a lo largo de toda su vida útil.
Otra ventaja de los relés reed en aplicaciones de alta tensión es su elevada resistencia de aislamiento y sus corrientes de fuga mucho más reducidas del orden de nanoamperios, por tanto varios órdenes de magnitud más bajas que en los relés de estado sólido o SSR (solid-state relays). La elevada corriente de fuga de los SSR puede dificultar la medida de valores de corriente del orden de miliamperios.
El conector es otro componente primordial que exige una especial atención al evaluar productos de conmutación para tensiones altas. Los conectores de tipo D para alta tensión, cuya tensión nominal es de hasta 1000V, se encuentran disponibles con facilidad y por un coste económico. Sin embargo, en aplicaciones por encima de 1000V se deben utilizar conectores especiales para alta tensión como los suministrados por Redel. Estos conectores de Redel son, pese a que cabría imaginar lo contrario, más pequeños que los de tipo D aunque puedan funcionar con tensiones más altas, y utilizan aislamiento de plástico y lacado dentro del conector con el fin de proporcionar el aislamiento necesario para manejar tensiones extremadamente elevadas.
Figura 4. Módulo de conmutación PXI de Pickering para 9kV
Figura 4b: Conector de alta tensión de Redel correspondiente (dcha.).
Otro factor significativo para aumentar la fiabilidad y minimizar los efectos de picos, transitorios, sobrecorrientes y sobretensiones en las tarjetas de conmutación modulares. Para tensiones altas se pueden emplear dos tipos de circuitos de supresión: uno para proteger la bobina, que si el relé es lo bastante grande se puede incluir en la carcasa del relé, y dispositivos adicionales de supresión montados en las tarjetas LXI/PXI para proteger los contactos del relé frente a los daños provocados por picos.
Repetibilidad
Las mejores prácticas ayudan a asegurar que los resultados del test sean exactos y repetibles. Por ejemplo, es fundamental asegurar que la carga sea tan puramente resistiva como sea posible y que no incluya elementos dañinos de tipo capacitivo e inductivo. Ambas pueden dañar el recubrimiento sobre los contactos del relé y disminuir su rendimiento hasta el punto de que fallen. Por tanto es necesario evitar los sobreimpulsos, la inductancia generada por el cableado y la capacidad almacenada, ya que pueden llevar a una conmutación en caliente incluso cuando la alimentación de la tarjeta está desconectada.
También hay que evitar errores de software. El software de enrutamiento automático de la señal puede ayudar a gestionar la temporización y el enrutamiento de las señales en los sistemas de conmutación teniendo en cuenta el tiempo de descarga, impidiendo así que se produzcan errores secuenciales difíciles de detectar y conexiones de señal potencialmente perjudiciales.
Existen desde luego otras técnicas pata mejorar el rendimiento de las medidas. Reducir los niveles de tensión hasta unos niveles manejables mediante divisores de tensión es una práctica habitual en el sector y también se pueden aplicar métodos de acondicionamiento de la señal para sistemas más complejos.
Resumen
Conocer a fondo los factores que inciden sobre la conmutación a alta tensión se ha convertido en algo de gran importancia debido al aumento exponencial de la demanda, impulsada principalmente por los VE, pero también sistemas de energía renovables y las nuevas generaciones de equipos médicos, así como en aplicaciones de alta tensión más tradicionales como el test de semiconductores, placas de circuito impreso y cables. La seguridad siempre es de máxima prioridad, y los proveedores de sistemas de test suelen incluir la funcionalidad de enclavamiento de hardware en sus productos. La fiabilidad está garantizada cuando se utilizan los componentes de alta calidad más apropiados y procesos de diseño estándar. En cuanto a la repetibilidad, se puede obtener cuando se siguen las mejores prácticas de programación del test. La tensión de ruptura es una ventaja significativa de la tecnología de conmutación mediante relés reed en aplicaciones de alta tensión. Pocas aplicaciones conmutan tensiones altas si pueden evitar hacerlo, y si lo hacen, serán bajos niveles para proteger la vida útil del interruptor. Una elevada tensión de ruptura y una baja resistencia de contacto permiten la elección de interruptores reed cada vez más en aplicaciones cuya principal misión sea la transmisión de corriente, especialmente si se trata de pulsos de corriente. Al usar tensiones más altas puede resultar más fácil generar corrientes que no se vean afectadas por cambios en la resistencia del circuito y cuyos pulsos sean más “limpios”, es decir, que la forma del pulso sea mejor.
