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Resistencia eléctrica de contactores de CC en sistemas de almacenamiento de energía de alta tensión
Un contactor de CC puede funcionar normalmente durante miles de ciclos mecánicos en un entorno de prueba, pero esa cifra no lo dice todo.
En un sistema de almacenamiento de energía con baterías, el contactor puede tener que abrir o cerrar un circuito de CC bajo condiciones específicas de voltaje y corriente. Cada conmutación somete a los contactos y al sistema de control de arco a una tensión eléctrica.
Por este motivo, la resistencia eléctrica merece una atención aparte al evaluar un contactor de CC para aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS).
La vida útil mecánica y la vida útil eléctrica son diferentes.
La resistencia mecánica se refiere a la cantidad de veces que un contactor puede funcionar físicamente bajo condiciones específicas.
La resistencia eléctrica está relacionada con la conmutación de una carga eléctrica real.
Estas dos cifras no deben considerarse intercambiables.
Un contactor puede tener una larga vida útil mecánica porque su mecanismo puede funcionar repetidamente sin soportar una carga eléctrica significativa. Sin embargo, una vez que se introducen voltaje y corriente, el proceso de conmutación se vuelve más exigente.
La vida útil eléctrica real depende de las condiciones en las que se abren y cierran los contactos.
Por lo tanto, para las aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), los datos de resistencia eléctrica son más útiles cuando se evalúan en función del ciclo de conmutación real del sistema.
La corriente de conmutación tiene un efecto directo.
La corriente que fluye a través de un contactor afecta tanto a su temperatura normal de funcionamiento como a la tensión que experimenta durante la conmutación.
Cuando se interrumpe la corriente, la energía eléctrica en el circuito no desaparece sin más. El contactor debe controlar el arco resultante hasta que el circuito se interrumpa de forma segura.
Generalmente, una corriente más elevada crea condiciones de conmutación más exigentes.
Por eso, no se debe asumir automáticamente que un contactor diseñado para una corriente continua determinada tendrá la misma resistencia eléctrica al conmutar esa corriente repetidamente.
Es necesario tener en cuenta las condiciones reales de formación y ruptura.
El voltaje de CC hace que la interrupción sea más exigente.
La interrupción de la corriente continua es diferente a la interrupción de la corriente alterna porque la corriente no pasa naturalmente por cero durante cada ciclo.
Una vez que los contactos se separan, el contactor debe controlar y extinguir el arco de corriente continua.
A medida que aumenta la tensión del sistema, los requisitos que se imponen al diseño de gestión de arco del contactor se vuelven más exigentes.
Esto es particularmente relevante para las plataformas BESS de alto voltaje.
Por lo tanto, es necesario evaluar el contactor en función de las condiciones de tensión y corriente a las que estará sometido realmente durante la conmutación, en lugar de basarse únicamente en un valor de corriente nominal.
El perfil operativo importa
No todos los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) utilizan sus contactores de la misma manera.
Un sistema puede operar el contactor principal principalmente durante el arranque, la parada y el aislamiento para mantenimiento.
Otro sistema puede tener una frecuencia de conmutación mayor dependiendo de su estrategia de control y arquitectura del sistema.
Los eventos típicos pueden incluir:
- Inicio del sistema
- Apagado del sistema
- Conexión de la batería
- Aislamiento de la batería
- Mantenimiento
- Operación relacionada con la protección
Al evaluar la resistencia eléctrica, se debe tener en cuenta el número de operaciones de conmutación durante la vida útil prevista.
Un contactor diseñado para un aislamiento ocasional puede tener requisitos muy diferentes a los de uno que se espera que conmute repetidamente durante el funcionamiento normal.
Resistencia de contacto y calentamiento a largo plazo
La durabilidad eléctrica no se trata solo de lo que sucede cuando se abren los contactos.
Cuando el contactor permanece cerrado, la corriente fluye a través de los contactos y genera calor en función de la resistencia de contacto.
A medida que aumenta la corriente, incluso una pequeña resistencia puede provocar una disipación de potencia notable.
Esto convierte la resistencia de contacto en un parámetro importante para las aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de alta corriente.
La temperatura ambiente, las conexiones de los terminales, la disposición de los conductores y el diseño de la carcasa también pueden afectar la temperatura final del contactor.
Para un sistema que se espera que funcione de forma continua durante largos períodos, estos factores deben considerarse en conjunto, en lugar de analizar la capacidad de corriente del contactor de forma aislada.
El desgaste de los contactos puede afectar el rendimiento con el tiempo.
La conmutación eléctrica repetida puede afectar gradualmente a las superficies de contacto.
El grado de desgaste depende de factores como:
- Voltaje de conmutación
- Corriente de conmutación
- Características de carga
- Número de operaciones
- Duración del arco
- Diseño de contacto
A medida que cambian las condiciones de contacto, también pueden cambiar las características eléctricas.
Por lo tanto, para aplicaciones con conmutación frecuente, las pruebas de resistencia eléctrica en condiciones de funcionamiento representativas resultan valiosas a la hora de comparar diferentes soluciones de contactores.
El papel de los contactores en la protección de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés)
No cabe esperar que un contactor de CC interrumpa todas las corrientes de falla en el circuito de la batería.
En un sistema típico de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de alto voltaje, el contactor y el fusible tienen funciones diferentes.
El contactor proporciona conmutación y aislamiento controlados, mientras que un fusible de CC seleccionado adecuadamente puede interrumpir las corrientes de falla que superen la capacidad de conmutación prevista del contactor.
Esta distinción es importante al considerar la resistencia eléctrica.
Si el contactor se expone repetidamente a condiciones de falla que exceden su capacidad de funcionamiento prevista, sus contactos pueden sufrir un estrés eléctrico innecesario.
Por lo tanto, el sistema de protección debe coordinarse de manera que cada componente funcione dentro de la función para la que fue diseñado.
Frecuencia de control y conmutación del BMS
El BMS o controlador del sistema determina cuándo se debe activar el contactor.
Esto significa que la durabilidad del contactor está parcialmente relacionada con la estrategia de control del sistema de baterías.
Los cambios de conexión frecuentes e innecesarios pueden aumentar el número de operaciones eléctricas durante la vida útil del contactor.
Por otro lado, una estrategia de control que mantenga un contactor cerrado durante el funcionamiento normal y solo lo active cuando se requiera aislamiento puede dar como resultado un ciclo de trabajo muy diferente.
Por lo tanto, el contactor debe evaluarse junto con la lógica de control prevista, en lugar de hacerlo de forma independiente del sistema de gestión de edificios (BMS).
La precarga sigue siendo importante.
Los circuitos de precarga se utilizan habitualmente para limitar la corriente de irrupción cuando un bus de CC de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) se conecta a cargas capacitivas posteriores.
La secuencia de precarga puede influir en las condiciones eléctricas a las que está sometido el contactor principal.
Una secuencia controlada adecuadamente puede reducir el estrés asociado con la conexión del circuito principal de CC.
Esto no significa que la precarga elimine toda la tensión de conmutación. Aún es necesario evaluar la tensión, la corriente, la temporización y las condiciones reales del circuito.
Por este motivo, las características eléctricas del contactor deben considerarse junto con la estrategia completa de precarga y control del circuito principal.
Las condiciones de instalación pueden influir en la durabilidad.
El rendimiento eléctrico del contactor también se ve afectado por su entorno de instalación.
Un contactor instalado dentro de una caja de alta tensión compacta puede experimentar temperaturas ambiente más elevadas que el mismo dispositivo que funciona en un entorno más abierto.
Las conexiones de los terminales y la disposición de los conductores también pueden afectar a la generación de calor.
Estas condiciones son importantes porque el estrés térmico prolongado puede influir en el rendimiento a largo plazo de los componentes eléctricos.
Por lo tanto, el contactor debe evaluarse en condiciones que representen razonablemente la instalación final del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS).
Cómo evaluar la resistencia eléctrica
Para un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de alto voltaje, varias preguntas resultan útiles al evaluar un contactor de CC:
- ¿Cuál es la tensión máxima de funcionamiento?
- ¿Cuál es la corriente continua normal?
- ¿Qué corriente estará presente durante la conmutación?
- ¿Con qué frecuencia funcionará el contactor?
- ¿Cuáles son las condiciones previstas para la formación y la ruptura de la estructura?
- ¿Qué resistencia eléctrica se especifica para esas condiciones?
- ¿Cuál es la resistencia de contacto?
- ¿Cómo afecta la temperatura al funcionamiento continuo?
- ¿Cómo se coordina el contactor con el fusible de CC?
- ¿La estrategia de control genera operaciones de conmutación innecesarias?
Las respuestas proporcionan una imagen mucho más clara que una sola cifra de vida útil mecánica.
Selección del ciclo de trabajo real
No existe una única especificación de contactor que se adapte a todos los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS).
Un contactor utilizado en un sistema de baterías residencial puede tener un perfil de conmutación diferente al de uno instalado en un sistema de almacenamiento de energía comercial o industrial de alta potencia.
Es necesario tener en cuenta la tensión, la corriente, la frecuencia de conmutación, el comportamiento de la precarga, la coordinación de fallos y las condiciones térmicas.
Por lo tanto, el contactor más adecuado no es necesariamente el que tiene la mayor capacidad de corriente nominal ni el que tiene la mayor vida útil mecánica.
Es aquella cuyas características eléctricas coinciden con el ciclo de trabajo real del sistema de baterías.
La resistencia eléctrica garantiza la fiabilidad a largo plazo de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS).
Dado que se espera que los sistemas BESS funcionen de forma fiable durante largos períodos de servicio, los componentes de conmutación dentro del circuito de alta tensión deben evaluarse en función de algo más que sus características eléctricas básicas.
En el caso de los contactores de CC, la resistencia eléctrica depende de varios aspectos de la aplicación: tensión de conmutación, corriente, frecuencia de funcionamiento, resistencia de contacto, condiciones térmicas y coordinación con el sistema de protección.
Al considerar estos factores en conjunto, se proporciona a los ingenieros una base más realista para evaluar la fiabilidad de los contactores.
En los sistemas de almacenamiento de energía de baterías de alto voltaje, comprender la función eléctrica real de un contactor de CC es un paso importante para lograr una conmutación y un aislamiento fiables durante toda la vida útil del sistema.
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