El cargador-rectificador convierte la corriente alterna de servicios auxiliares en corriente continua: alimenta las cargas permanentes de la subestación y mantiene la batería en flotación. Puede ser de tiristores, con transformador de 50/60 Hz, o conmutado de alta frecuencia en módulos; en ambos casos regula tensión, limita corriente, controla el rizado y avisa sus fallas.
Qué es y dónde está
El cargador-rectificador es el equipo que une los servicios auxiliares de corriente alterna con el sistema de corriente continua. Toma la alimentación de un circuito del tablero de corriente alterna y entrega corriente continua al tablero de distribución y a la batería, conectados en paralelo. En operación normal, el cargador alimenta todas las cargas permanentes; la batería solo entrega energía en los picos y cuando el cargador deja de funcionar.
Es una de las tres partes del sistema de corriente continua de subestación, junto con la batería y el tablero de distribución. La visión de conjunto está en la guía del banco de baterías y cargador.
Partes y cómo funciona cada una
Cargador de tiristores (SCR). Tiene un transformador de aislamiento a frecuencia de red, un puente de tiristores, casi siempre trifásico de seis pulsos, y un filtro de bobinas y condensadores. El control regula la tensión y limita la corriente variando el ángulo de disparo de los tiristores. Como trabaja a baja frecuencia, sus transformadores y filtros son grandes. Una especificación de un operador de transmisión europeo, por ejemplo, pide un puente trifásico de seis pulsos con transformador de aislamiento de entrada, conforme a IEC 60146-1-1.
Cargador conmutado (SMR). Rectifica la red, corrige el factor de potencia y convierte con transistores que conmutan a alta frecuencia, a través de un transformador pequeño. Se construye en módulos que trabajan en paralelo. Un fabricante reporta eficiencias típicas del 85 % para cargadores de tiristores y de 92 % o más para conmutados, y un factor de potencia de 0,7 a 0,8 frente a cerca de 0,99 con corrección activa. Son cifras de un fabricante: compare siempre las de su oferta.
| Aspecto | Tiristores (SCR) | Conmutado (SMR) |
|---|---|---|
| Conversión | Puente de tiristores, casi siempre trifásico de seis pulsos | Transistores que conmutan a alta frecuencia |
| Transformador y filtro | Grandes, porque trabajan a frecuencia de red | Transformador pequeño |
| Construcción | Transformador de aislamiento de entrada, puente y filtro | Módulos que trabajan en paralelo |
| Eficiencia típica (según un fabricante) | 85 % | 92 % o más |
| Factor de potencia (según un fabricante) | 0,7 a 0,8 | Cerca de 0,99 con corrección activa |
Controlador. Mide tensión y corriente de salida y de batería, aplica la característica de carga, registra eventos y maneja las alarmas y la comunicación.
Protecciones y salidas. Interruptor de entrada, interruptores de salida hacia las cargas y hacia la batería, fusibles rápidos de semiconductores y, en algunos diseños, diodos de caída y un contactor de desconexión por tensión mínima.
Modos de carga
El cargador trabaja con una característica IU: mantiene la tensión constante mientras la corriente de batería está por debajo del límite y, si la corriente llega al límite, baja la tensión para no superarlo. La norma alemana DIN 41773 describe esta característica para baterías de plomo-ácido.
- Flotación. Tensión permanente que compensa la autodescarga. Depende de la tecnología y del fabricante: un fabricante de plomo-ácido ventilada recomienda 2,23 V por celda a 20 °C, y uno de níquel-cadmio 1,40 a 1,42 V por celda.
- Carga rápida (boost). Tensión más alta para recargar después de una descarga. Puede iniciarse sola, por ejemplo cuando la corriente de batería llega al límite, y volver a flotación por tiempo o por corriente.
- Igualación. Carga a tensión elevada y por tiempo limitado para nivelar las celdas, según el manual de la batería.
- Carga inicial. La de puesta en servicio, normalmente manual y con las cargas desconectadas.
Durante la carga rápida o la igualación la tensión puede superar lo que aguantan los equipos. Por eso algunas especificaciones piden diodos de caída que se insertan automáticamente entre el cargador y las cargas en esos modos, o cargar con las cargas desconectadas.
Rizado. Es la componente alterna que queda sobre la tensión continua. Afecta a la electrónica y, en la batería, la corriente de rizado acelera el envejecimiento. Los límites cambian según quien los fije: un fabricante de plomo-ácido limita la corriente de rizado en flotación, una especificación de transmisión fija el rizado de tensión sin batería conectada y la norma NEMA PE 5 de cargadores para empresas de energía fija otro para cargadores filtrados de 125 V. Por eso el rizado se mide con y sin batería.
Cómo cambia según el nivel de tensión
- Media y baja tensión: cargadores monofásicos pequeños, a veces integrados en el gabinete de la batería, de 24 V a 125 V.
- Alta tensión: uno o dos cargadores trifásicos por banco.
- Extra alta tensión: al menos un cargador por sistema (A y B), y con frecuencia uno de reserva conmutable o redundancia N+1 en módulos.
- Plantas solares e industria: cargadores conmutados modulares y sistemas de 24 V y 48 V para control y comunicaciones.
Criterios de dimensionamiento
La corriente nominal debe cubrir la suma de las cargas permanentes más la corriente de recarga de la batería en el tiempo exigido. IEEE 946 trata el dimensionamiento del cargador (IEEE 485 lo excluye). El diseño del equipo lo cubre IEEE 2405-2022, norma de cargadores para baterías estacionarias que fija modos de operación, desempeño, condiciones ambientales, instrumentación y alarmas; fabricantes del sector la presentan como la actualización de NEMA PE 5. Se especifican además la tensión de entrada y sus tolerancias, el rango de ajuste de flotación e igualación, el límite de corriente a batería, el rizado con y sin batería y la redundancia. Los cargadores alimentados desde secciones distintas del tablero de corriente alterna evitan que una sola falla los deje fuera a ambos.
Conexión con protección, control y alarmas
Las alarmas típicas son falla de red, falla del cargador, tensión de salida alta o baja, batería en descarga, interruptor de batería abierto y falla a tierra en la distribución. Salen por contactos libres de potencial al controlador de bahía o la RTU, o por un puerto de comunicaciones. La alarma de tensión baja es la última defensa: si el cargador falla sin avisar, la batería se descarga hasta dejar sin fuente a las protecciones.
Fallas y qué revisar primero
- Tensión de salida baja: el cargador está en limitación de corriente o con un módulo fuera; revise la entrada de corriente alterna.
- Batería que se calienta o pierde agua rápido: tensión de flotación alta o sin compensación de temperatura cuando el fabricante la pide.
- Celdas sulfatadas: flotación demasiado baja durante meses.
- Disparos de equipos electrónicos o alarmas intermitentes: rizado alto por condensadores de filtro degradados.
- Cargador que se apaga al maniobrar: transitorios sin protección adecuada.
Pruebas y mantenimiento
Se verifica la tensión de flotación e igualación con un multímetro de referencia, la limitación de corriente con carga o con la batería descargada, el rizado con y sin batería, la transferencia automática entre modos, cada alarma hasta el SCADA y la termografía de la potencia. En los cargadores modulares se prueba retirar un módulo con carga. La prueba de la batería se resume en la guía de mantenimiento y pruebas de bancos de baterías.
Puesta en servicio de cargadores con Tiza Group
Nuestro equipo ajusta y prueba cargadores y bancos de baterías en subestaciones, industria y plantas solares, y verifica que cada alarma llegue al sistema de control (puesta en servicio). Si las alarmas del cargador llegan a un relé o a un controlador que hay que reconfigurar, también lo hacemos con configuración remota.
Referencias
- IEC 60146-1-1, convertidores de semiconductores: requisitos generales.
- DIN 41773, característica de carga IU para baterías de plomo-ácido.
- IEEE 2405, diseño de cargadores para aplicaciones de baterías estacionarias.
- NEMA PE 5, cargadores de baterías tipo empresa de energía (antecesora de IEEE 2405).
- IEEE 946, diseño de sistemas de corriente continua para aplicaciones estacionarias.
- IEEE 485, dimensionamiento de baterías de plomo-ácido.
- Manuales de instalación y operación de baterías estacionarias de los fabricantes.
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre flotación, carga rápida e igualación?
La flotación es la tensión permanente que compensa la autodescarga de la batería. La carga rápida (boost) usa una tensión mayor para recargar después de una descarga, y la igualación es una carga a tensión elevada y controlada para nivelar celdas. Los valores por celda los fija el fabricante de la batería.
¿Por qué el cargador entra en limitación de corriente?
Porque la batería está descargada y pide más corriente de la ajustada, o porque las cargas superan la capacidad del cargador. Durante la limitación la tensión baja; si se mantiene después de la recarga, revise el balance de cargas y el ajuste del límite.
¿Es mejor un cargador de tiristores o uno conmutado en módulos?
Depende de la especificación. El de tiristores es robusto y conocido, pero pesado y con menor factor de potencia. El conmutado es más eficiente y permite redundancia N+1 con módulos reemplazables en caliente. Muchas empresas de energía especifican uno u otro por norma interna.