FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE ALTA TENSIÓN (II)

En esta entrada veremos el resto de componentes de la fuente:

1.Filtro EMI.
2.Inductores o chokes de radiofrecuencia.
3.Descargador de seguridad.
4.Limitador de corriente.

1.El filtro EMI, o de interferencias electromagnéticas, no es  un elemento vital para el funcionamiento del montaje, pero sí para la seguridad de la instalación electrica y aparatos conectados en el lugar de donde se tomará la  alimentación, evitando  que se propaguen las altas frecuencias generadas en la bobina por el cableado de la instalación eléctrica, pudiendo llegar a alcanzar en ocasiones a domicilios vecinos. Para que funcione correctamente es importante que la conexión de red disponga de una buena toma de tierra de seguridad.

Yo me he fabricado el mio, porque los modelos disponibles que he visto en el comercio local son para bajas intensidades de corriente y los que podían ser aptos los tenía que encargar y eran muy caros (se trata de hacer una bobina con materiales reciclados y buscando soluciones económicas en la medida de lo posible). En mi caso disponía de gran variedad de condensadores, y los inductores los podía hacer...entonces, ¡manos a la obra!.
Es un diseño simple, reversible y soporta alta intensidad de corriente.

Filtro EMI casero.

Es un filtro de tipo pasivo, provisto solo de dos bobinas y diez condensadores, no lleva varistores ni resistencias y no está blindado por una envoltura metálica conectada a tierra como los comerciales...pero creo que puede ser bastante efectivo. Está montado sobre una plancha aislante de polietileno de una tabla de cortar. Las dos bobinas están fabricadas con cable aislado de 4mm² enrolladas sobre hierro dulce (se pueden emplear distintos tipos de hilo, pero que soporten la intensidad de corriente que requiere el montaje), el conductor de tierra de seguridad es un tubo de cobre y todo está soldado y conectado a dos regletas. Al ser totalmente simétrico es reversible, la entrada y la salida son indistintas.

     

 

Diseño del filtro EMI.
    
      

Simulación de respuesta entre 0  y 12.5Khz.

    

       

Simulación de respuesta entre 0  y 125Khz.

     

Como podemos ver con claridad en la primera gráfica, tiene su natural pico de resonancia sobre los 7.8Khz., luego a partir de aquí, a medida que aumenta la frecuencia aumenta su atenuación, descendiendo paulatinamente su pendiente. En esta franja más alta es donde más nos interesa que funcione mejor el filtro, recordemos que se estima una resonancia de la bobina sobre los 100Khz. y sus armónicos más potentes estarán cerca de esta frecuencia, los superiores no serán un gran problema gracias a la respuesta del filtro en alta, y los inferiores, los cercanos al pico resonante del filtro, ya no serán tan potentes por estar estas dos frecuencias resonantes bastante distanciadas entre sí.

Se aprecia también en las dos gráficas que a partir del pico resonante en sentido creciente de frecuencia, se produce un atraso en la fase de 180º (inversión), no interfiriendo en nada en el punto de 50Hz. de la alimentación de red.

Hay que tener en cuenta que las interferencias de alta frecuencia originadas por las oscilaciones y amortiguaciones que se dan en el circuito primario de la bobina ya serán previamente atenuadas  por los chokes  de RF que veremos en el siguiente punto. Como estas frecuencias se propagan por el lado de alta tensión de la fuente, serán inducidas en los primarios de los cuatro transformadores pero a un nivel más bajo (función transformador reductor), y de aqui intentarán atravesar el filtro EMI, que según observamos en las gráficas ofrece un camino de alta impedancia cuanto mayor es la frecuencia de la interferencia.

He realizado un pequeño ensayo en vacío para ver el grado de emisiones, solo de la fuente de AT, conectando y desconectando alternativamente la alimentación. Para ello me he servido de dos aparatos de radio seleccionando la banda de onda media conectados en la misma habitación y cerca del montaje de la fuente. Es conocido por todos, los ruidos a modo de "clicks" que se perciben en los receptores de radio de forma significativa en las banda de OC-OM y no tanto en FM (las emisiones de interferencias electromagnéticas el los aparatos domésticos no son de tan alta frecuencia) al encender un tubo fluorescente, al arrancar algún tipo de motor eléctrico sin filtraje (condensadores supresores) más acusado aún en los que tienen escobillas en su inducido, conectar y sobre todo desconectar un transformador, etc...Estas son emisiones electromagnéticas propagadas por la red de cableado electrico de la casa o "radiadas" directamente por los conductores como ondas. Pues bien, para tratarse de cuatro potentes transformadores conectados en paralelo a la red (elevada carga reactiva), al realizar la conmutación alternativamente y la activación y desactivación del balasto limitador, no se apreciaban interferencias relevantes a modo de chasquidos o ruidos. La desconexión es más crítica que la conexión porque las corrientes autoinducidas en los primarios, al cesar el campo magnético que las crea (cuando se desconecta de la red), tienden a mantenerlo, sumándose por ser del mismo sentido (extracorriente de apertura), esto se manifiesta en los secundarios con una elevación del voltaje de salida  muy breve, pero audible y visible entre las dos esferas del descargador de seguridad conectadas a los dos conductores de AT en forma de una  chispa eléctrica, que no se apreciaría si tuviese un condensador de alta tensión conectado a sus extremos y que absorviese esa energía.

2.Los chokes de radiofrecuencia son otros dos inductores fabricados en casa. Su valor es aprox. 10mH. y están compuestos de espiras de hilo de cobre de 1mm, dispuestas sobre núcleos de hierro dulce previamente aislados (se pueden construir con núcleo de aire, sobre tubos plásticos, pero en este caso el bobinado para conseguir la misma inductancia será bastante más largo). El diámetro del hilo conductor y de las espiras así como su separación, longitud  y  permeabilidad del núcleo, determinan su inductancia final (*). Su función es similar a la del filtro EMI, ofrecer alta impedancia a las altas frecuencias provenientes de la bobina y oponer mínima resistencia al paso de la alta tensión proveniente de los secundarios de los transformadores con su baja frecuencia de 50Hz. y así evitar daños, en lo posible, sobre todo en la fuente de AT.

Es recomendable incluir dos condensadores de unos 500-600 pF. en derivación a tierra de RF con los chokes para que aumente la eficacia del conjunto, pero en este emplazamiento, donde las tensiones son elevadas, se requiere que soporten unos 25 ó 30Kv. Con esto, los transitorios estarían más atenuados y se evitarían las manifestaciones producidas por la extracorriente de apertura. No los he podido conseguir por aquí y nuevos son bastante costosos y difíciles de encontrar, por lo que en principio no tengo pensado ponerlos. Juego con la ventaja de la robustez de los MOT's, todo lo contrario que con los NST, bastante más delicados. Si la fuente fuese constituida por uno o más NST, sería obligatorio poner un filtro de mucha más calidad y más elaborado como un "Filtro Terry".

Filtro Terry.

Disposición de los chokes de RF y del descargador de seguridad.

3.El descargador o spark gap de seguridad está constituido por tres esferas metálicas conformando un triángulo. Compradas en una ferretería son realmente tiradores de cajoneras macizos de Ø3,3cm. atornillados sobre una plancha de polietileno (material altamente aislante), que a su vez es la base para los chokes de RF (sujetos por bridas plásticas), aisladores, conexiones...todo ello en un bloque  que sirve de tapa al cajón de la batería de transformadores. La función de este descargador es derivar a tierra de RF (no a la de seguridad), los picos de tensión más elevados que se pueden producir por oscilaciones exageradas en el circuito primario o por el alcance de una descarga generada en el circuito secundario y que pudiera afectar a la fuente de AT o al condensador primario. La separación entre esferas es inicialmente de unos dos centímetros aprox., pudiéndose ajustar la distancia, separándolos más que la suma de las dos brechas del descargador rotativo principal para que no interfiera con éste.

Vista inferior de la tapa de la caja de transformadores.

Vista de la disposición de las conexiones.

4.El limitador de corriente se ha incluido para reducir el consumo de la fuente de AT y por tanto bajar su potencia al inicio de su puesta en marcha,  principalmente es para mitigar  de alguna manera la falta de un variac. Se puede  desconectar a voluntad mediante un pulsador situado en el mando de control y que activa un contactor que realiza un bypass en la línea de alimentación. Se trata concretamente de un balasto limitador de tipo inductivo, y que en el montaje no es más que otro MOT con su secundario en cortocircuito y su primario en serie con la línea de red, tras el filtro EMI.

Hay otras alternativas: balastos limitadores resistivos (poco recomendables por su gran pérdida de potencia en forma de calor) y capacitivos; para estos últimos  se usan condensadores de AT  de los que incorporan los hornos de microondas en sus dobladores de tensión. Esta disposición es muy efectiva porque apenas tienen pérdidas y no disipan casi calor, al contrario que el inductivo y el resistivo que prácticamente llegan a hervir. Si se opta por el capacitivo se suelen emplear  de seis a diez unidades dispuestas en dos series que pueden ser iguales o asimétricas, cuantos más se pongan en serie más limitación en la corriente que circulará por los secundarios y por tanto menor potencia aparente absorbida de la red y menor potencia activa en la salida de AT. Nunca se deben de poner menos condensadores en serie que unidades formen la batería de AT, pues se estaría sobrepasando peligrosamente su tensión de trabajo bajo condiciones de carga. Lo más usual es  que si tenemos cuatro Tr's se pongan como mínimo seis condensadores en dos series de tres, o siete en una serie de tres y otra de cuatro, luego se añaden o retiran viendo el resultado en potencia desarrollada por la bobina. En mi "almacén" no disponía de tantas unidades, y transformadores me sobraban, por lo tanto mi elección fue más forzosa que meditada. Un punto en contra del balasto capacitivo es que es más difícil de anular con el aparato en marcha para así poder efectuar su ejecución a máxima potencia, porque su disposición (están intercalados entre los devanados de alta), no permite su manipulación bajo tensión, y aplicar un bypass con contactores convencionales de BT no es muy recomendable debido a la fácil aparición de arcos eléctricos entre sus contactos abiertos.

Balasto limitador de tipo capacitivo.

      

   

    Esquema de la fuente de AT en su totalidad.

Los componentes de la fuente de AT se distribuyen dentro de una caja fabricada en DM de 19mm. de grosor, a la que se ha dotado de ruedas para su fácil movimiento (el conjunto es francamente pesado), y de dos rejillas de ventilación. En la parte superior se encuentra un conector tipo XLR macho de montaje en superficie  para alimentar la bobina del contactor de bypass. La tapa de la caja es de polietileno, y forma la base donde se emplazan el resto de conexiones; está sobreelevada 8mm. para que no cierre herméticamente y haga efecto chimenea, con esto se crea un flujo de aire por convección que ayuda a la refrigeración  si se genera el suficiente calor dentro.

El balasto inductivo, el contactor y el filtro EMI, están atornillados en la parte superior de las paredes laterales y los transformadores  están asentados en la base de la caja en recipientes pásticos individuales que se interconectan entre sí por terminales faston macho-hembra aislados, esto es bueno por si hay que sustituir un transformador, porque de esta manera se desconecta unitariamente y se saca con el recipiente en conjunto. Los contenedores se rellenan de aceite dieléctrico especial para transformadores (adquirido a granel en un taller local de bobinados), con esto se persigue mejorar su aislamiento eléctrico interno al distribuirse el aceite por todos sus huecos y también mejorar su disipación de calor, evitando la posible aparición de elevadas temperaturas puntuales.

La salida de alta tensión de los transformadores es por dos conductores con un aislamiento normal introducidos dentro de un tubo transparente de PVC de 2mm. de grosor de pared, esto nos asegura un excelente aislamiento ante posibles contactos con otros conductores internos. (Solución por no disponer de conductores con aislamiento para alta tensión).

Balasto inductivo (MOT) y contactor de bypass.

Filtro y contactor en primer plano.

Caja con los transformadores sumergidos en aceite.

Conductores de AT dentro de los tubos de PVC.

Caja de la fuente de AT con todo montado.

 
Probando la salida de alta tensión (Limitador ON).

Toda la potencia disponible (Limitador OFF).

Otra consideración importante es la de la corrección del factor de potencia. Por su constitución física se trata de un circuito inductivo y por tanto con consumo reactivo. En ningún caso la adición de condensadores para la corrección del Cos de φ es necesaria para su normal funcionamiento, pero lo que se pretende es mejorar su eficiencia reduciendo la corriente absorbida por el sistema y por tanto su consumo (ya elevado de por sí).

Por el momento no dispongo de ellos, veremos sobre la marcha si los necesito o no, y en su caso cuantos pueden hacer falta (de entrada la simulación de TeslaMap apunta que serían necesarios unos 270,8 µF a máxima potencia). Puesto que el montaje funcionará de forma esporádica y con ejecuciones de marcha breves espero no tener que emplearlos, de cualquier modo todo dependerá de la calidad y de la capacidad de la instalación eléctrica en donde se ejecute su funcionamiento. Su conexionado es en paralelo a la carga inductiva (primarios  de los transformadores), y una buena opción para situarlos sería dentro de la caja de la fuente de AT, justo a la entrada de alimentación proveniente del mando de control y antes del filtro EMI, así actuarían solo cuando se activara la fuente.

Condensadores para  la corección del Cos φ.