Sobretensiones
y supresión de transitorios en cargadores de vehículos eléctricos
Publicado Enero de 2024 por Jeffrey Jenkins en CHARGED EVs
Magazine
Todo lo que funcione con una fuente externa de electricidad debe
protegerse contra sobretensiones y transitorios de voltaje, ya que no se trata
de si tales peligros ocurrirán, sino de con qué frecuencia ocurrirán y de qué
gravedad serán.
Como era de esperar, existen regulaciones acordadas
internacionalmente para la inmunidad transitoria y sobretensiones
(específicamente codificadas en IEC 61000-4-5, que esencialmente se refleja en
los laboratorios de pruebas reconocidos a nivel nacional en los EE. UU.) los
mismos tienen la función de determinar la forma y valores máximos de las formas
de onda de voltaje y corriente que el EUT (Equipment Under Test) o el equipo
bajo prueba puede soportar. Sin embargo, a su favor está que estas formas de
onda se derivaron empíricamente a lo largo del tiempo, por lo que tienen algo
más que un parecido pasajero con sobretensiones y transitorios reales
encontrados en la naturaleza: un cargador diseñado para cumplir con IEC
61000-4-5 en realidad tendrá una. En teoría, hay más posibilidades de
sobrevivir a largo plazo. (Entonces, ¿por qué hay tantos de ellos fuera de
servicio? Bueno, tal vez sea un tema para otro día).
Transitorio y sobretensión son términos que a menudo se usan
indistintamente pero, más estrictamente, las sobretensiones generalmente son de
mayor duración pero tienen un voltaje máximo y/o amplitud de corriente pico más
bajos, mientras que los transitorios son de duración más corta y, generalmente,
una amplitud máxima más alta. Aunque ambos pueden ser causados por los mismos
fenómenos, los transitorios son
probablemente el resultado de rayos cercanos, mientras que las
sobretensiones son el resultado de los
mismos fenómenos que ocurren mucho más lejos (los equipos de red intermedios y
líneas de distribución suavizando las perturbaciones, por así decirlo).
La causa más obvia de falla por un transitorio o sobretensión
es la falla del aislamiento (incluidas uniones de semiconductores, dieléctricos
de capacitores, etc.), pero el calentamiento rápido debido al contenido de
energía en un transitorio o sobretensión, particularmente aquellos de mayor
duración, no debe descartarse como una causa.
Los transitorios de alto voltaje de corta duración con bajo
contenido de energía (algo parecido a una descarga de electricidad estática,
digamos) pueden crear fallas por orificios en el aislamiento (especialmente el
dieléctrico de dióxido de silicio en los circuitos integrados) que aumentan
gradualmente la posibilidad de una falla total más adelante. Mientras que los
transitorios de mayor energía, como los causados por la caída de un rayo
indirecto o la desconexión de un motor grande de la red, pueden abrir brechas
importantes en el aislamiento e incluso provocar la formación de arcos, los
cuales tienden a ser fatales de manera más inmediata. Por el contrario, las
sobretensiones generalmente causan fallas en los equipos más por un
calentamiento excesivo en los componentes protectores (¡qué ironía!) que por
una falla dieléctrica directa en capacitores, semiconductores, etc. Independientemente,
es el contenido de energía en un transitorio o sobretensión lo que en última
instancia causa la falla, y por lo tanto, una sobretensión con una amplitud
máxima de voltaje/corriente relativamente modesta pero que dura muchas decenas
de milisegundos podría ser tan dañina como un transitorio de amplitud máxima
más alta que solo dura unas pocas decenas de microsegundos.
Aunque no es práctico proteger completamente un dispositivo
electrónico contra un impacto directo de un rayo con amplitudes máximas en el
rango de los cientos de megavoltios y kiloamperios, las posibilidades de que
esto suceda también son extremadamente remotas, afortunadamente (incluso aquí
en Florida). Los rayos afectan más comúnmente a la red de manera indirecta
cuando impactan a cierta distancia al inducir corrientes en todas las líneas de
distribución por igual, o en modo común, en comparación con entre fases o fase
y neutro, que es el modo normal. En consecuencia, la supresión de
sobretensiones colocada entre los conductores de fase para protección contra
cambios de carga escalonados no servirá de nada contra transitorios o
sobretensiones de modo común, ya que requieren componentes protectores entre
los conductores de fase (incluido el neutro, si está presente) y la tierra.
Por lo tanto, es necesario abordar los fenómenos de modo común
y normal por separado, especialmente porque las normas de seguridad eléctrica
que el equipo también debe cumplir limitan la cantidad de corriente de fuga
entre los conductores de fase y tierra. Esto, como veremos pronto, puede
imponer serias restricciones a los tipos de componentes de protección que se
pueden usar, especialmente cuando se tiene en cuenta el inevitable filtro de
modo común para cumplir con los requisitos de EMC o Compatibilidad
Electromagnética (que en sí mismos aún no están disponibles) otro factor que
complica la situación.
La otra fuente común de transitorios/sobretensiones en la
red es un cambio de paso en la carga. El ejemplo más obvio de esto es cuando se
enciende o apaga un motor. La sobrecorriente consumida durante el encendido
almacena energía en la inductancia de la red de distribución, y esta se libera
una vez que el motor alcanza su velocidad. Otros ejemplos son los
reconectadores automáticos (el término de distribución eléctrica para un
disyuntor) que intentan volver a energizar una línea que podría haber estado
sobrecargada solo temporalmente y los cambiadores de tomas en los
transformadores de las subestaciones que compensan los cambios en la carga
aguas abajo. La gran mayoría, si no todas, las sobretensiones debidas a cambios
escalonados en la carga consisten en un voltaje pico relativamente modesto (en
comparación con los rayos, de todos modos) pero que tienden a durar períodos de
tiempo más largos debido a la L/R (es decir, inductancia sobre resistencia)
constante de tiempo involucrada.
Hay tres formas principales de lidiar con
transitorios/sobretensiones: blocking, clamping and crowbarring. El bloqueo
(blocking) de transitorios y sobretensiones se puede lograr con inductancia en
serie y/o capacitancia en derivación (o, en otras palabras, un filtro de paso
bajo) y como esto describe el filtro de modo común empleado ubicuamente para
cumplir con los requisitos de EMC en cualquier cosa con una fuente de
alimentación conmutada, dicho filtro es parte integral del esquema de protección
transitoria (ya sea por intención o accidente). Sin embargo, el filtro de modo
común será mucho menos efectivo (posiblemente ineficaz, incluso) contra las
sobretensiones, y los requisitos de seguridad eléctrica limitan la cantidad de
capacitancia en derivación entre los conductores de fase y tierra (para limitar
la cantidad de corriente de fuga continua inyectada) por ellos, lo que también
limita su potencial eficacia. Además, el aislamiento de los componentes del
filtro de modo común podría no ser lo suficientemente robusto como para
resistir sobretensiones repetidas, por lo que podría pasar de brindar
protección a necesitarla.
La sujeción (clamping) y crowbarring son medios relacionados
para desviar la energía transitoria o de sobretensión, lo que esencialmente
significa convertirla en calor. La principal diferencia es que una pinza se
mantiene estable cerca de su voltaje de ruptura cuando conduce, mientras que el
voltaje a través de un crowbarring cae a un valor bajo una vez que comienza a
conducir.
Los dispositivos de sujeción se reinician automáticamente
después de un evento de sobretensión, pero tienen que soportar picos de
potencia extremadamente altos (producidos por su alto voltaje de ruptura y la
sobre corriente). Los dispositivos crowbarring pueden manejar una sobretensión de energía
mucho mayor en virtud de su voltaje de ruptura relativamente bajo, lo que
resulta en una potencia máxima más baja cuando se multiplica por la corriente
de sobretensión, pero debido a que ese voltaje de ruptura es mucho más bajo que
el voltaje de "retención" cuando no conducen, lo harán. No se
“reinicia” hasta que se interrumpa la alimentación aguas arriba (ya sea por un
interruptor o, más comúnmente, por la apertura de un fusible).
Con diferencia, el componente más común utilizado para la
protección contra transitorios y sobretensiones es el MOV (Varistor de Oxido Metálico),
principalmente porque es eficaz y muy barato de fabricar, ya que es básicamente
un trozo compactado de partículas de óxido de zinc. Los MOV son dispositivos de
sujeción que no conducen (o no deberían, más sobre eso a continuación) ninguna
corriente hasta que se excede un cierto voltaje, momento en el cual su
resistencia efectiva cae en un intento (palabra clave, eso) de mantener el
voltaje a través manteniéndolo constantes al valor de ruptura. Cuanto menor sea
la resistencia dinámica durante la sujeción, más cerca estará el voltaje de
sujeción del voltaje de ruptura y menos potencia instantánea se disipará
durante la sujeción, todo lo cual se suma a una mejor protección y una vida
operativa más larga.
Sin embargo, como estos objetivos se logran mediante el uso
de un MOV de mayor volumen, existe un límite práctico en cuanto a la
optimización que se puede realizar aquí. Otra consideración insinuada
anteriormente es que los MOV tienen una vida operativa limitada (medida en Joules
de energía total fijada), porque su corriente de fuga aumenta después de cada
sobretensión, es decir, permiten que algo de corriente pase a través de ellos cuando
deberían estar apagados. , y esa corriente aumenta cada vez que se pide a un
MOV que haga su trabajo. El final real de la vida útil ocurre cuando la
corriente de fuga es lo suficientemente alta como para causar un
sobrecalentamiento debido a su disipación continua de energía (en lugar de la
disipación instantánea sostenida durante un evento de sobretensión), lo que
puede ser bastante más excitante de lo esperado si dicho sobrecalentamiento
resulta en un incendio. Una solución es conectar un MOV en serie con un
dispositivo crowbarring, ya que este
último tiende a bloquear mejor la corriente de fuga cuando no se activa la
conducción, mientras que el MOV restablecerá automáticamente el crowbarring
después de que haya pasado el evento de sobretensión.
Otro tipo de dispositivo de sujeción es el diodo supresor de
voltaje transitorio, o TVS, que es un dispositivo semiconductor construido de
manera similar a un diodo Zener, excepto que está optimizado para el manejo de
corriente máxima en lugar de la estabilidad de su voltaje de ruptura. Los
diodos TVS están disponibles en versiones bidireccionales adecuadas para su uso
en circuitos de CA, pero se implementan mucho más comúnmente en líneas de
suministro de CC donde su tensión de sujeción más precisa es una ventaja y su
menor clasificación energética no es tanto una desventaja.
Los dispositivos de protección crowbarring incluyen una de las tecnologías más antiguas y una de
las más nuevas: el GDT (Tubo de Descarga de Gas) y el tiristor "sin
puerta". El GDT es efectivamente una vía de chispas, que consta de dos o
más electrodos dentro de un tubo sellado. Cuando se aplica un voltaje
suficientemente alto a dos electrodos cualesquiera, se formará un arco, momento
en el cual la caída de voltaje cae a 30 V o menos.
Esto, y la construcción intrínsecamente robusta del GDT, le
permite manejar corrientes máximas muy altas, pero una desventaja importante es
un tiempo de respuesta relativamente lento que conduce a un voltaje de activación
impredecible. En consecuencia, los GDT rara vez se utilizan por sí solos. Estas
deficiencias se abordan con el tiristor sin puerta, que es un dispositivo
semiconductor de 4 capas (es decir, pnpn) que convierte un error del tiristor
con puerta convencional en una característica: activarse en conducción cuando se aplica una sobretensión a través de
sus principales terminales portadores de corriente. Los tiristores sin
puerta son mucho más rápidos que los GDT, pueden diseñarse para activarse a un
voltaje mucho más bajo (y mucho más consistente) y exhiben una caída de voltaje
aún menor cuando están en conducción (<10 V). Por otro lado, tienen una
capacidad de manejo de potencia (y energía) máxima mucho menor desde el punto
de vista del volumen unitario y del costo en comparación con un GDT.
La última consideración es la proximidad a la red (también
conocida como nivel de “exposición” o “categoría”). Una proximidad más cercana
experimenta un empeoramiento de las condiciones transitorias/sobretensiones.
Por lo tanto, un cargador de Nivel 1 enchufado a un
tomacorriente residencial tiene que cumplir condiciones menos estrictas que un
cargador de Nivel 2 conectado directamente a un panel de interruptores en un
edificio comercial o un cargador rápido de CC conectado directamente a un
transformador de distribución trifásico. En algunos aspectos, el mayor manejo
de energía que normalmente va acompañado de una mayor proximidad a la red
ofrece naturalmente más inmunidad a transitorios y sobretensiones, pero no cometa
el error de suponer que el mismo tamaño de MOV o GDT, etc., dependerá del
desafío a resolver!
