El campo de la automatización industrial continúa avanzando rápidamente, impulsando la eficiencia, la productividad y la reducción de costos. Sin embargo, todos los componentes asociados ejercen mayor presión sobre la red eléctrica, lo que hace que la tecnología de conversión de energía eficiente sea una necesidad. En este documento técnico de YAGEO GROUP, explore la función crítica de los componentes microelectrónicos pasivos en aplicaciones de suministro de energía para la automatización industrial.
Introducción
El cambio hacia la automatización industrial ha provocado un aumento exponencial de la demanda de energía, lo que requiere soluciones de conversión de energía robustas y eficientes. Como los sistemas de automatización dependen en gran medida de la electrónica de potencia, abordar los desafíos de eficiencia y confiabilidad es crucial. Los componentes pasivos son esenciales para garantizar un funcionamiento estable, minimizar las pérdidas y mitigar las perturbaciones eléctricas que podrían afectar las operaciones industriales y la red eléctrica en general.
1 Desafíos de la conversión de energía en la automatización industrial
1.1 Problemas de tensión en la red y calidad de la energía
Las líneas de fabricación automatizadas, los sistemas robóticos y los variadores de frecuencia (VFD) introducen distorsiones armónicas, picos transitorios y cargas desequilibradas, lo que genera problemas de calidad de la energía. Esta mayor demanda y distorsión generan ineficiencias en la red, caídas de tensión y posibles fallas en los equipos.
1.2 Eficiencia y consumo energético
Las etapas de conversión de energía deben minimizar las pérdidas y garantizar una alta eficiencia energética. La clave para lograr esto radica en la supresión efectiva de EMI, la corrección del factor de potencia, la conversión CC-CC y el filtrado de salida.
2 Componentes pasivos en las etapas de conversión de potencia
2.1 Mitigación de interferencias electromagnéticas (EMI)
Los equipos de automatización industrial generan un ruido de alta frecuencia significativo que puede afectar a los sistemas electrónicos cercanos y generar incumplimiento normativo. Componentes pasivos como:
- Los capacitores de supresión de EMI (de clase X e Y) ayudan a filtrar el ruido conducido. Estos condensadores están diseñados para manejar picos de voltaje transitorios y suprimir el ruido diferencial y de modo común.
- Los choques de modo común son fundamentales para reducir las emisiones electromagnéticas en las líneas de alimentación. Constan de dos devanados sobre un núcleo magnético, que cancela el ruido de modo común permitiendo al mismo tiempo el paso de señales diferenciales. Su selección y ubicación adecuadas inciden significativamente en el cumplimiento de los estándares EMI.
- Los filtros inductivos evitan que el ruido no deseado se propague a través de las líneas eléctricas, reduciendo las emisiones conducidas y radiadas.
Los capacitores avanzados de película y cerámica multicapa (MLCC) cumplen una función clave en la reducción de EMI, sin sacrificar la confiabilidad en los entornos industriales. El diseño y la selección adecuados de estos componentes garantizan el cumplimiento de las regulaciones EMI, como las normas CISPR e IEC.
2.2 Corrección del factor de potencia (PFC) para la eficiencia de la red
Un factor de potencia bajo, causado por cargas inductivas y sistemas de automatización industrial no lineales, genera una potencia reactiva excesiva, mayores pérdidas en la red y posibles sanciones para la empresa de servicios públicos.
- Los condensadores de corrección del factor de potencia mejoran el factor de potencia de desplazamiento al compensar las cargas inductivas, garantizando así una utilización más eficiente de la energía eléctrica.
- Los inductores y los choques PFC suavizan las formas de onda de la corriente, reduciendo los armónicos y mejorando la eficiencia de la conversión de CA a CC. Estos inductores ayudan a dar forma a la forma de onda de la corriente para seguir la forma de onda del voltaje, reduciendo la distorsión armónica total (THD).
- Las redes de amortiguación pasiva ayudan a estabilizar los circuitos PFC, evitando oscilaciones y picos de voltaje que pueden degradar la vida útil de los componentes y el rendimiento del sistema.
- Las redes de amortiguamiento activo remodelan dinámicamente la forma de onda de la corriente, lo que permite una corrección del factor de potencia más eficiente y con bajas pérdidas.
Los sistemas de automatización pueden reducir la carga sobre la red, minimizar pérdidas de energía y garantizar el cumplimiento normativo al integrar componentes pasivos de PFC optimizados. Las aplicaciones industriales de alta potencia generalmente implementan PFC activo combinado con filtrado pasivo para lograr una mayor eficiencia.
2.3 Conversión CC-CC: Regulación y estabilidad del voltaje
Las aplicaciones de automatización industrial frecuentemente requieren múltiples niveles de tensión de CC para las funciones de control y accionamiento de motores. La conversión CC-CC eficiente es fundamental para un funcionamiento estable.
- Los inductores de potencia permiten un almacenamiento y una transferencia de energía eficientes en convertidores buck y boost, ya que controlan la corriente de rizado y mejoran la respuesta transitoria.
- Los MLCC y los condensadores electrolíticos de aluminio garantizan una regulación de voltaje estable y reducen la ondulación en los circuitos CC-CC. Los MLCC ofrecen una resistencia en serie equivalente (ESR) baja, lo que mejora la respuesta transitoria y filtra el ruido de alta frecuencia.
- Las matrices de capacitores de potencia son esenciales para las aplicaciones de alta frecuencia y los convertidores de potencia resonantes. Estos conjuntos de capacitores ofrecen baja resistencia en serie equivalente (ESR) y alta densidad de capacitancia, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta potencia que requieren una transferencia de energía eficiente. Su capacidad para manejar altas corrientes de ondulación y fluctuaciones de voltaje mejora la eficiencia del sistema, reduce las pérdidas y mejora el rendimiento térmico en circuitos de conversión de potencia resonante.
- Los transformadores para convertidores resonantes LLC son cruciales en la conversión CC-CC de alta eficiencia. Al integrar el inductor dentro del transformador, los diseñadores pueden reducir la cantidad de componentes, mejorar la densidad de potencia y mejorar la eficiencia al minimizar las pérdidas parásitas. Esta integración permite un mejor acoplamiento magnético, reduciendo así las corrientes circulantes y mejorando el rendimiento general de los convertidores resonantes en aplicaciones de automatización industrial.
La selección de componentes pasivos de alta eficiencia y baja pérdida en los convertidores CC-CC minimiza la disipación de calor, mejora la confiabilidad y garantiza una distribución eficiente de la energía. La elección de los materiales del núcleo de los inductores, como la ferrita o el hierro en polvo, afecta directamente la eficiencia y el rendimiento térmico.
2.4 Filtrado de salida para un suministro de potencia estable
En la etapa final de conversión de potencia, los filtros de salida aseguran una entrega estable de tensión y corriente a los sistemas de automatización, lo que evita fluctuaciones que podrían interrumpir las operaciones.
- Los filtros LC (filtros de inductancia y capacitancia) cumplen una función clave en la reducción de la tensión de rizado y el ruido de alta frecuencia en las fuentes de alimentación. Estos filtros mejoran la respuesta transitoria, minimizan la interferencia electromagnética y mejoran la estabilidad del voltaje para los equipos de automatización industrial. El inductor de un filtro LC bloquea los componentes de CA de alta frecuencia, mientras que el capacitor suaviza la salida de CC, lo que garantiza un suministro de energía más limpio para cargas sensibles.
- Los capacitores de bajo ESR, como los de película, cerámica Clase 1 (MLCC), polímero de aluminio y polímero híbrido de aluminio, se utilizan para reducir el rizado y los tiempos de respuesta transitoria, lo que garantiza una tensión de salida de CC estable para los equipos de automatización sensibles.
- Los inductores de potencia ayudan a suprimir el ruido y estabilizar el voltaje al reducir las emisiones electromagnéticas y evitar el zumbido en los circuitos de potencia.
El filtrado de salida adecuado garantiza que el equipo de automatización industrial funcione dentro de los estándares de calidad de energía requeridos, mejorando así la eficiencia y la longevidad. La implementación de un filtrado de múltiples etapas, que combine técnicas de supresión de ruido de modo diferencial y modo común, puede mejorar el rendimiento.
Conclusión
A medida que avanza la automatización industrial, la conversión de energía eficiente y confiable se vuelve cada vez más crítica. Los componentes pasivos juegan un papel crucial en la mitigación de EMI, mejorando el factor de potencia, facilitando una conversión CC-CC eficiente y estabilizando el filtrado de salida. Al integrar tecnologías avanzadas de componentes pasivos, los sistemas de automatización industrial pueden optimizar el consumo de energía, reducir la tensión de la red y mejorar la eficiencia operativa. Los futuros desarrollos en componentes pasivos de alta eficiencia seguirán apoyando la evolución de la automatización industrial y la electrónica de potencia.