Sobretensiones y supresión de transitorios en cargadores de vehículos eléctricos

 

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).

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 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!

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