transformador de alta frecuencia con conmutación

ÓPTIMO RENDIMIENTO Y FLEXIBILIDAD DE USO
TRANSFORMADOR DE ALTA FRECUENCIA CON CONMUTACIÓN
AUTOMÁTICA
Una de las muchas exigencias de los inversores modernos son unos rangos de entrada y de tensión MPP
perfectamente sincronizados entre sí con un alto rendimiento más o menos constante en todo el rango de
trabajo del inversor.
A fin de dar respuesta a esta exigencia, Fronius utiliza para la mayor parte de sus inversores actuales un
concepto que se basa en el uso de un transformador de alta frecuencia (abreviado transformador AF). Este
transformador AF posee también la denominada conmutación automática que permite obtener un alto
rendimiento constante en todo el rango de tensión de entrada.
En contra de lo que suele creerse, no es el máximo rendimiento a una sola tensión concreta, sino el alto
rendimiento más o menos constante en todo el rango MPP el responsable de un buen rendimiento anual. Tanto
el Fronius IG Plus como el Fronius CL ofrecen, gracias a sus transformadores AF conmutables, el máximo
rendimiento prácticamente con cualquier longitud admisible de serie fotovoltaica.
Principios de las tecnologías de inversores
Por lo general existen tres tecnologías de inversor diferentes que se describen brevemente a continuación:
/ Inversor con un transformador de 50 Hz.
/ Inversor sin transformador.
/ Inversor con transformador de alta frecuencia (AF).
Tecnología de 50 Hz
La tensión CC aplicada se dirige a través de un puente integral (S1...S4) hacia una tensión alterna de 50 Hz.
Luego se transmite por medio de un transformador de 50 Hz y después se suministra a la red de corriente
pública.
Ventajas:
/ Alta seguridad contra averías gracias al reducido número de componentes.
/ Seguridad gracias a la separación galvánica entre el lado CC y el CA.
Desventajas
/ Bajo rendimiento debido a las altas pérdidas del transformador.
/ Elevado peso y volumen (por ejemplo, debido al transformador de 50 Hz).
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Tecnología de inversor sin transformador
La corriente continua aplicada se convierte, a través de un puente integral (S1...S4), en una corriente alterna
cuadrada de 50 Hz, para entonces ser purificada mediante los estranguladores (L1+L2) hasta conseguir una
tensión alterna senoidal de 50 Hz que se suministra a la red pública.
Ventajas:
/ Compacto y ligero debido a la ausencia del transformador.
/ Rendimiento muy alto (por ejemplo, porque no se producen pérdidas del transformador).
Desventajas:
/ Se requieren medidas de seguridad adicionales (interruptor de protección FI). Por motivos de seguridad, en
algunos países no se permite la falta de separación galvánica entre el lado CC y el CA.
/ Sofisticada protección contra rayos.
/ No es compatible con módulos que necesitan ser conectados a tierra (por ejemplo, algunas tecnologías de
capa fina o celdas con contacto en el lado posterior).
Tecnología de Alta Frecuencia
Esta tecnología aúna todas las ventajas de las tecnologías mencionadas anteriormente.
El puente integral (S1...S4) genera una señal cuadrada de alta frecuencia con 20 - 24 kHz que se transmite
mediante el transformador AF (Tr1). El puente del rectificador de corriente (D1...D4) vuelve a convertir la señal
rectangular en una tensión continua que se almacena en el circuito intermedio (L1+C2). Un segundo puente
integral (S5...S8) genera entonces una tensión alterna de 50 Hz que se purifica mediante los estranguladores
(L2+L3) hasta conseguir una tensión alterna senoidal de 50 Hz que luego se suministra a la red pública.
Ventajas:
/ Compacto y ligero, ya que el transformador AF es muy pequeño y ligero.
/ Alto rendimiento gracias a la reducción de las pérdidas del transformador.
/ Seguridad gracias a la separación galvánica entre el lado CC y el CA.
/ Adecuada para todas las tecnologías de módulos ya que permite una puesta a tierra de módulo (positiva y
negativa).
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Conmutación automática del transformador
En función de la tensión de entrada se obtienen los siguientes gráficos de rendimiento para las diferentes
tecnologías:
En caso del inversor con transformador de 50 Hz siempre existe una relación de transformación fija entre el
lado primario y el secundario. Cuanta más alta es la tensión de entrada, menor es el rendimiento.
Entre otros aspectos, esto depende del grado de aprovechamiento del transformador, ya que disminuye a
voltajes más elevados y, por tanto, las pérdidas aumentan.
En caso de un inversor sin transformador, como la tensión del generador solar debe ser mayor que la amplitud
de la tensión de red, el máximo rendimiento se sitúa en una tensión de entrada de unos 350 V teniendo en
cuenta las tolerancias. Ésta se obtiene con una tensión de red de 230 V, siendo la tensión de cresta de 325
voltios y las pérdidas de semiconductor adicionales de unos 10 V. Si se abandona este rango de tensión, se
activa un elevador o reductor que eleva o baja la tensión de entrada al valor necesario, lo que implica un
empeoramiento del rendimiento.
En caso del concepto del transformador AF con una relación de transformación fija, el rendimiento también se
reduce con una mayor tensión de entrada. Pero cambiando la relación de transformación (conmutación
automática del transformador), como el transformador se aprovecha de forma óptima, se consiguen varios
picos de rendimiento y, de este modo, también un alto rendimiento prácticamente constante en todo el rango
de entrada.
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Principios de la conmutación automática del transformador
En la práctica, al configurar el sistema muy raras veces puede seleccionarse el mejor rango de tensión de
entrada del inversor, es decir, el rango en el que el rendimiento de conversión es el mejor según la ficha de
datos. Por lo tanto, para conseguir unos rendimientos óptimos con cada conmutación admisible resulta
imprescindible que el rendimiento de conversión esté constantemente alto en todo el rango de trabajo del
inversor.
Funcionamiento
El transformador AF tiene tres bobinados (U1, U2 y U3) en el lado primario. En función de la tensión de entrada
se utiliza un bobinado diferente para la transmisión, por lo que cambia la relación de transmisión.
Ejemplo: 230 - 280 V = U1, 280 - 370 V = U2, 370 - 500V = U3
A fin de garantizar siempre una transmisión óptima, se desplazan los límites de conmutación con la tensión de
salida (por ejemplo, para las redes norteamericanas).
De este modo se consigue que siempre haya una tensión constante (U) en el lado secundario, que se
reduzcan las pérdidas de transmisión y que, por tanto, el rendimiento sea constantemente alto en toda la curva
de tensión.
En cada proceso de conmutación entre dos espiras, la potencia se conmuta a cero durante un tiempo muy
corto, a continuación se conmuta la espira siguiente y finalmente se vuelve a conectar la potencia. De esta
forma se reducen las pérdidas por conmutación prácticamente a cero.
Ventajas de la conmutación automática del transformador
Gracias a la conmutación automática del transformador se obtiene un alto rendimiento constante en todo el
rango de tensión de entrada. No es el máximo rendimiento de una sola tensión, sino el alto rendimiento más o
menos constante en todo el rango MPP el responsable de un buen rendimiento anual. Tanto el Fronius IG Plus
como el Fronius CL ofrecen, gracias a sus transformadores AF conmutables, el máximo rendimiento
prácticamente con cualquier longitud admisible de la serie fotovoltaica.
Por lo tanto, durante la planificación no es necesario prestar atención a si la instalación está diseñada para
tensiones altas o bajas. Además, la variación de la tensión debido a las diferentes condiciones de temperatura
durante una operación normal queda compensada por la conmutación automática del transformador.
Desventaja de la conmutación automática del transformador
Debido al tiempo de conmutación de relé, durante la conmutación a otro bobinado del transformador se
requiere una breve pausa (200 ms). En este pequeño período de tiempo aumenta la tensión de entrada hasta
alcanzar la tensión en circuito abierto, por lo que los componentes secundarios deben soportar brevemente
una tensión mayor.
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Detalles sobre la conmutación automática del transformador
Cada etapa de potencia de la serie de inversores Fronius IG Plus y Fronius CL está equipada con un
transformador AF con diferentes relaciones de transmisión que se activan en función de la tensión de entrada.
Hay tres rangos diferentes con tres relaciones de tensión diferentes por lo que los inversores Fronius con
transformador AF también tienen tres picos de rendimiento.
De este modo se consigue un alto rendimiento constante en todo el rango de tensión de entrada. En primer
lugar este aspecto es importante para la planificación, pero también en caso de cambios en la temperatura
durante el funcionamiento de la instalación, ya que la tensión de los módulos varía en función de la
temperatura.
Ejemplo de módulo de capa fina
Debido a la estructura especial de los módulos de capa fina, éstos tienen habitualmente corrientes más bajas y
tensiones de módulo más altas que los módulos cristalinos. Para permitir que la longitud de las cadenas o la
configuración del campo se vea favorecida con el mejor factor de forma posible, el inversor necesita amplios y
coordinados rangos de tensión de entrada y MPP, junto a una eficacia en la conversión consistentemente alta
a lo largo de todo el rango de operación.
Debido a las propiedades de módulo descritas, y en comparación con los módulos cristalinos, a priori se
consiguen pocas longitudes de serie fotovoltaica que puedan funcionar bien dentro del rango de trabajo de un
inversor.
La siguiente ilustración muestra a modo de ejemplo que sólo tres longitudes de cadena son posibles en caso
de un módulo de capa fina con una tensión de circuito abierto y una tensión MPP de 95 V y de 65 V
respectivamente, siendo el rango MPP del Fronius IG Plus de 230 V a 500 V. Debido al coeficiente de
temperatura de los módulos y a la gama de temperaturas de entre -10 °C y +60 °C, se obtienen los siguientes
rangos MPP que se muestran en función de la longitud de serie fotovoltaica:
Se puede observar perfectamente que debido al constante alto rendimiento de conversión, es factible realizar
cualquier configuración de módulos, e incluso aquella que cubra todo el rango de voltaje MPP del inversor.
Si se comparan estos resultados con otras tecnologías de inversores, se llega a la conclusión de que
habitualmente sólo es posible una única longitud de serie fotovoltaica con un rendimiento óptimo, mientras que
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las demás longitudes de serie fotovoltaica implican unas pérdidas de rendimiento considerables y por lo tanto
una menor producción.
En caso de un inversor con transformador pero sin conmutación automática, como el que se muestra en la
siguiente ilustración, el rendimiento desciende según aumenta la tensión CC en todo el rango de tensión MPP
del inversor.
Por lo tanto, sólo la configuración en el rango de tensión MPP más bajo (zona roja) permite obtener el máximo
rendimiento.
Un inversor con un concepto sin transformador consigue su rendimiento óptimo sólo con una tensión CC. Para
todas las tensiones CC que se encuentran por debajo o por encima, necesita un reductor o elevador y esto
implica también una pérdida de rendimiento (ver la siguiente ilustración).
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De este modo, la longitud de serie fotovoltaica óptima se encuentra en el rango de tensión MPP medio (zona
azul). Utilizar un rango de tensión MPP inferior o superior implica pérdidas de rendimiento.
Resumen
Además de las ventajas indicadas con respecto a la separación galvánica y unas pérdidas del transformador
inferiores, los inversores Fronius con tecnología de transformador AF tienen, gracias a la conmutación
automática del transformador en el lado de la tensión de entrada, un alto rendimiento prácticamente constante
en todo el rango de tensión de entrada.
De este modo, al estar perfectamente preparados, no sólo para los módulos cristalinos sino también de cara a
las exigencias de los módulos de capa fina, pueden ser utilizados con todos los tipos de módulos.
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Austria.
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