ES1080205U - Dispositivo sincronizador para motores de inducción asíncronos, de un único devanado y rotor de jaula de ardilla - Google Patents

Abstract

1. Dispositivo sincronizador para motores de inducción asíncronos, de un único devanado y rotor de jaula de ardilla, que estando destinado a permitir que un motor de inducción asíncrono estándar, de un solo devanado, con rotor de jaula de ardilla, genere electricidad a diferentes velocidades de rotación, se caracteriza porque el mismo se conecta en paralelo con el devanado del estator, sincronizándose la frecuencia del campo magnético del estator y el número de revoluciones del rotor, medidas en tiempo real mediante un sensor cuentarrevoluciones, y las diferencias de intensidad entre el devanado del estator, medidas mediante un sensor de intensidad, y la etapa de potencia del sincronizador, que formada por un banco de condensadores y un conjunto de seis IGBT's cuenta también con un diodo conectado al bus de corriente continua para permitir el inicio de la carga del banco de condensadores a partir de una pequeña descarga, contando con una unidad de control asistida por un software y hardware específicos para el cambio de frecuencia del campo magnético del estator, siendo el dispositivo retroalimentado eléctricamente, asistido únicamente por una batería de 24 Vcc para la alimentación de la unidad de control electrónica.

Description

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo electrónico que permite que un motor de inducción asíncrono estándar, de un único devanado y rotor de jaula de ardilla, se convierta en un generador eléctrico de velocidad variable, a partir de energía mecánica o cinética a diferentes velocidades de rotación, no precisando de ninguna fuente de energía externa para su funcionamiento.

El objeto de la invención es conseguir la sincronización entre la frecuencia del campo magnético del estator correspondiente al motor asíncrono y las revoluciones del rotor de dicho motor, utilizando para ello un dispositivo electrónico especial.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica o cinética en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos, del

mismo modo se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para

aprovechar las ventajas de su reversibilidad.

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha, que será de sentido contrario si el motor está siendo utilizado como generador.

Motor asíncrono o de Inducción.

Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 1200 en el espacio. Según el Teorema de F erraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120°, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday:

e= _NdiJ? dt

Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión.

El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento.

Rotor de Jaula de ardilla.

Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas).

Regulación de velocidad.

En los motores asíncronos trifásicos existen actualmente dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la polaridad gracias al diseño del motor y la otra variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial. La primera sólo es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander, y la segunda sólo es posible en motores de inducción de rotor devanado.

Por otro lado, existen generadores de velocidad variable, ya sean de corriente continua o de corriente alterna, en este segundo caso asíncronos y síncronos.

Pues bien, para generar electricidad con velocidades de giro inferiores a los valores nominales de los motores, y teniendo la velocidad de giro el rotor impuesta por la frecuencia de la red eléctrica, el par mecánico aprovechado en la conversión disminuye, con la consiguiente disminución del rendimiento de la máquina.

A partir de esta idea, se plantean diversas estrategias encaminadas a aumentar el rendimiento de la máquina cuando la velocidad de giro es inferior a la nominal. Para ello se realizará un análisis de las distintas soluciones posibles en función de la máquina eléctrica a utilizar.

El generador de corriente continua tiene pocas posibilidades debido

a que la mayoría de las cargas eléctricas actuales consumen energía alterna,

con la aparición de la electrónica de estado sólido y más concretamente de los convertidores estáticos de corriente continua a corriente alterna (inversores) se hace posible la conexión de una máquina de éste tipo a la red eléctrica.

El sistema compuesto por un generador de corriente continua, a cuyo colector se conecta un inversor trifásico, es totalmente capaz de operar a la velocidad variable mediante el control de su corriente de excitación y del ángulo de disparo de los tiristores que componen el puente del inversor.

Una ventaja de éste sistema es que haciendo funcionar el inversor como rectificador (conversión de corriente alterna a continua) puede la máquina comportarse como motor facilitando el proceso de arranque del generador. El utilizar sistemas de conversión de potencia para la conexión de la máquina eléctrica a la red facilita la estabilidad del sistema incluso ante fallos de red pero como inconveniente toda la potencia generada tiene que pasar por el convertidor con la consiguiente pérdida de rendimiento. Además, si el convertidor es de una potencia razonable, se deberá realizar mediante tiristores (inversor conmutado por red) el cual es incapaz de funcionar aislado de la red, consume potencia reactiva y además genera armónicos de corriente que deben ser filtrados.

Los anteriores inconvenientes sumados a que el precIO de una máquina de continua es alto y sus costes de mantenimiento también hacen que este tipo de sistemas no sea casi utilizado.

Generador de corriente alterna síncrono funcionando a velocidad variable: En éste sistema, el acoplamiento entre el alternador síncrono y la red eléctrica de frecuencia fija se establece a través de un convertidor de frecuencia, situado directamente entre el estator de la máquina y la red.

La potencia total generada por la máquina eléctrica debe pasar a

través de dicho convertidor y en consecuencia, sus elementos deben estar dimensionados para las mismas condiciones nominales que el generador.

En el lado del convertidor unido al generador, la frecuencia tiene una relación lineal con la velocidad de giro del eje, mientras que, en el lado unido a la red, la frecuencia es constante.

En éste tipo de sistemas se suele utilizar un convertidor de frecuencia que dispone de un circuito intermedio de corriente continua. La tensión del estator se rectifica mediante un puente de diodos o tiristores. Este rectificador está conectado a un circuito de corriente continua que contiene una bobina de alisado. Un segundo puente de tiristores, entre dicho circuito intermedio de corriente continua y la red, actúa como inversor de conmutación natural alimentado en fuente de corriente. Se suele emplear la disposición en puente trifásico de Graezt, tanto para el rectificador como para el inversor, aunque en sistemas donde se desee reducir el contenido de armónicos, se usan puentes de 12 pulses. No obstante, ésta solución incrementa mucho el coste, pues obliga a disponer de un transformador especial en la red. Este sistema necesita unidades de compensación de reactiva, que al trabajar por escalones, hacen que los factores de potencia estén por debajo de la unidad. Además la eficacia de las unidades de filtrado de armónicos dependerá de la potencia de cortocircuito de la red. Con potencias bajas de cortocircuito de la red, cosa que puede darse fácilmente ya que los generadores no suelen conectarse en zonas muy malladas, pueden presentarse problemas de resonancias y perturbaciones en la red. Por último, éste tipo de equipos suelen ser sensibles a los descensos de la tensión de red y a variaciones bruscas, las cuales pueden afectar a la fiabilidad del generador.

Actualmente, debido al desarrollo de los semiconductores, se

dispone de dispositivos de conmutación denominados IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de potencia que son transistores bipolares excitados por un pequeño MOSFET que combina la baja caída de tensión de los primeros con la escasa energía de excitación de los segundos. Se han desarrollado IGBT de hasta 400 A Y 1200 V. Mediante éstos dispositivos se puede realizar el puente del inversor (inversor autoconmutado) de manera que opere a frecuencias de conmutación altas (KHz) y mediante el uso de modulación de ancho de pulso (PWM), como consigna de disparo de la IGBT, realizada por el sistema de control, se puede hacer que la señal de salida del inversor sea perfectamente senoidal evitando suministrar a la red corrientes armónicas, salvo las debidas a la frecuencia de conmutación, las cuales se filtran con un pequeño filtro Le. Su tiempo de actuación es muy corto, su rendimiento es más alto y no necesitan baterías de compensación de reactiva. Además, este tipo de inversor es independiente del valor de la potencia de cortocircuito de la red en el punto de conexión. El único inconveniente de éste tipo de convertidores es su precio.

Respecto al rectificador utilizado, el diseño más sencillo es el no controlado, compuesto únicamente por diodos. En este tipo de rectificador, la tensión continua de salida dependerá de la velocidad del giro, mientras que la corriente dependerá del sistema de control de inversor, si es de tiristores será mediante la variación del ángulo de disparo de los mismos y si es de IGBT's de la modulación de corriente utilizada por el control. Recuérdese que controlando la corriente continua que circula entre el rectificador y el inversor se controla el par electromagnético del generador síncrono.

Las características nominales del generador síncrono vienen determinadas por su operación con la máxima velocidad de giro del eje. En esas condiciones la tensión será superior a la de la red y no habrá ningún problema para transmitir la potencia. En el caso de que la velocidad de giro sea baja, la tensión de salida del generador será baja y salvo que se actúa sobre el circuito de excitación, el inversor puede tener problemas de funcionamiento, ya que en el inversor con tiristores el ángulo de disparo se acercará a 90 y en este caso el factor de potencia será muy bajo. El inversor autoconmutado tiene la limitación en el índice modulación máximo si la tensión continua en su entrada es baja puede no lograr mantener un nivel de potencia adecuado. Por ello si el rectificador es de diodos se deberá actuar sobre la excitación de la máquina para mantener un nivel de tensión continua adecuado.

Si el rectificador utilizado es controlado (puente de tiristores), éste puede mantener la tensión continua proporcional a la tensión de red, sin necesidad de que la máquina síncrona disponga de un circuito de excitación regulable. Actuando sobre el ángulo de disparo de los tiristores del puente rectificador, se podrá ejercer control sobre la potencia reactiva. Además podrá actuar como elemento de protección de la máquina eléctrica y permitirá al sistema ser bidireccional, o sea que permitirá funcionar a la máquina síncrona como motor. Obviamente, este rectificador será más caro que el compuesto por diodos. Se puede incluso alcanzar un compromiso intermedio mediante un rectificador con puente semicontrolado (diodos+tiristores).

Entre las ventajas de este sistema de generación de velocidad variable se pueden incluir la fácil sincronización a la red eléctrica, la mejora en la estabilidad del sistema, el amplio margen de funcionamiento en función de la velocidad del eje y por lo tanto el aumento de rendimiento energético (se evalúa en el 4%) frente a sistemas de velocidad constante.

Como inconvenientes, en pnmer lugar el aumento de los costes debido a la inclusión de equipos convertidores que deben soportar toda la potencia generada (sobre un 30% más). Además la máquina eléctrica deberá sobredimensionarse en función del rendimiento de los equipos electrónicos (rectificador+inversor+filtros) la posible disminución de fiabilidad, el aumento

de costes de mantenimiento, el sobrecoste que supone poder hacer que la

máquina funcione como motor.

Con éste sistema el rendimiento a potencia nominal disminuye frente al rendimiento del generador síncrono, por ello como conclusión, éste sistema es útil en el caso de que las revoluciones del eje varíen en un rango amplio (40 -120% del valor nominal) ya que la frecuencia de la red eléctrica y la velocidad de rotación de la máquina están totalmente desacopladas.

Generador de corriente alterna asíncrono funcionando a velocidad variable: En este caso una solución es mediante generador con rotor cortocircuitado, y otro caso es mediante generador con rotor bobinado.

En el caso de generador con rotor cortocircuitado, una opción para mejorar el rendimiento a bajas velocidades de giro, es diseñar el generador con dos máquinas eléctricas acopladas al eje. Una de las máquinas será de baja potencia nominal y mayor número de polos, de manera que su velocidad de sincronismo sea menor. Esta máquina estará conectada a la red eléctrica para velocidades de giro bajas. Cuando la velocidad ascienda, aumentará el par mecánico producido. Si debido a éste aumento de par, se logra superar la potencia nominal del generador, el control desconecta a éste y conecta a la red eléctrica el generador de mayor potencia y menos polos, por lo que su velocidad de sincronismo es mayor. Si desciende la velocidad de giro, obviamente el control realizará el proceso inverso. A este tipo de generación no se le puede denominar velocidad variable, en realidad es generación a velocidad constante con dos velocidades de sincronismo.

Otra opción es mediante cambio de polos, existiendo varias formas

de efectuar el cambio de polos en un generador de inducción.

El pnmer método analizado es el denominado de polos consecuentes. Este método es bastante antiguo y se basa en el hecho de que el número de polos del devanado del estator de un generador de inducción se puede cambiar fácilmente en relación 2: I mediante sencillas modificaciones en las conexiones de las bobinas. El rotor deberá ser de jaula de ardilla, ya que por inducción siempre se crean en él tantos polos como los que tenga el estator y así se podrá adaptar perfectamente cuando cambie el número de polos del estator. La desventaja de éste método es que las velocidades deben guardar siempre la relación 2: 1.

Otro método que supera la limitación del anterior, es diseñar el estator del generador con devanados múltiples, los cuales disponen de diferentes números de polos y donde se energiza sólo uno de ellos cada vez. Por ejemplo, un generador puede devanarse con dos arrollamientos, uno para cuatro polos y otro para seis polos, así cuando se alimenta con tensión alterna de 50 Hz de frecuencia, su velocidad de sincronismo puede cambiar de 1500

r.p.m. a 1000 r.p.m., simplemente suministrando potencia al otro conjunto de bobinas. Desafortunadamente, los estatores de devanados múltiples son excesivamente caros.

Otra técnica para modificar el número de polos, basada en una teoría más complicada, pero más viable económicamente que la anterior es la denominada modulación de la amplitud polar (PAM). Esta técnica se basa en combinar dos señales senoidales de distinta frecuencia (deberán ser múltiplos entre sí) en un dispositivo denominado mezclador, la salida resultante contiene componentes con frecuencias iguales a la suma y a la diferencia de las dos frecuencias originales a la entrada. De manera que si una señal de 100 KHz se multiplica (se modula) mediante una señal de I KHz, las frecuencias a la salida del mezclador son 99 KHz y 10 1KHz.

Como ejemplo consideramos un generador asíncrono convencional con ocho polos en el estator. Los devanados de este estator se modulan mediante una onda trifásica espacial de dos polos. Esta onda espacial puede producirse mediante la inversión en las conexiones de la mitad de las fases cada medio giro del campo magnético (1800). Mediante este efecto se obtendrán seis polos magnéticos alrededor del estator, cuatro del mismo tamaño anterior y dos de doble tamaño. Si a la onda resultante se analiza por series de F ourier, se puede separar en dos distribuciones sinusoidales, una de ellas de seis polos (la diferencia) y la otra de diez polos (la suma). La respuesta del generador a esta señal que simultáneamente presenta dos números de polos diferentes depende de la distribución y el acortamiento de los devanados del estator. Como inconvenientes de éste método están los transitorios que se producen en el proceso de cambio de polos y las altas puntas de par que aparecen, a menos que se diseñe para grandes deslizamientos, en cuyo caso aumentan las pérdidas.

Anderson y otros, utilizando generadores de inducción basados en este principio de modulación de amplitud de polos (PAM) con dos o tres velocidades de sincronismo, calcularon un incremento del rendimiento del 12,6% Y el 18,6% respectivamente.

En el caso de utilizar generador con rotor bobinado, la generación puede llevarse a cabo mediante convertidor de frecuencia bidireccional. En cuyo caso una máquina asíncrona de rotor cortocircuitado (jaula de ardilla), suministra corriente eléctrica por el estator si el deslizamiento es negativo, o sea si el rotor de la misma gira a una velocidad superior a la del campo magnético giratorio (velocidad de sincronismo).

El deslizamiento en este caso era relativamente pequeño (5-10%) e igual al cociente entre las pérdidas por efecto Joule en el devanado rotórico y la potencia del campo en el entrehierro.

De ahí, que si en una máquina asíncrona se bobina el rotor, y en vez de cortocircuitarlo lo conectamos mediante unos anillos rozan tes a un circuito exterior, podemos aumentar la resistencia del rotor manteniendo el mismo par. El deslizamiento será mayor, ya que se aumentan las pérdidas óhmicas en el circuito rotórico, pero el rendimiento será menor debido precisamente a estas pérdidas. Pero SI la potencia eléctrica que se absorbe, la recuperamos entregándola a la red eléctrica, el rendimiento se mantendrá constante, cualquiera que sea el deslizamiento.

Este proceso no es fácil, ya que la frecuencia de las corrientes rotóricas, salvo en reposo, es distinta a la de la red eléctrica y varía con el deslizamiento, mientras que la frecuencia de la red es constante.

Mediante un dispositivo electrónico de potencia denominado cicloconvertidor o convertidor de frecuencia, se puede en todo momento y para casi todas las frecuencias transferir energía de las corrientes del rotor de frecuencia f2~fl a la red eléctrica, cuya frecuencia es fl (50 Hz).

En esenCia, este sistema tratará de extraer corriente del circuito rotórico de magnitud y fase apropiadas, además de regulables siempre con frecuencia constantemente igual a la del circuito rotórico. Esto capacita al generador para liberar potencia por encima y por debajo de la velocidad de

. .

slllcromsmo.

El equipo denominado cicloconvertidor es un sistema de conversión estática a base de tiristores, que conectado a una fuente de tensión alterna mono o polifásica de una determinada frecuencia, la convierte sin pasar por un circuito de continua, en otra señal alterna de distinta frecuencia.

Físicamente, un cicloconvertidor trifásico está compuesto por dos puentes de Graetz completos, de tiristores en paralelo opuesto o antiparalelo. Su principio de funcionamiento está en lograr, a partir de señales alternas de tensión a la entrada, variando el ángulo de disparo de los tiristores, trocear dichas señales obteniendo unas señales alternas de salida de la frecuencia deseada. Estas señales influirán en la señal del rotor bobinado logrando que la velocidad del generador se ajuste a las frecuencias de las mismas.

Por su propIO pnnClplO de funcionamiento, el cícloconvertidor puede actuar en los dos sentidos, es decir, ceder energía a la red o tomar energía de ésta, lo que equivale a decir que permite el funcionamiento de la máquina en los cuatro cuadrantes. Por ello a este tipo de generadores de velocidad variable se les denomina también generadores de doble paso.

El sentido de la corriente determinará el funcionamiento de uno u otro de los puentes montados en antiparalelo y el módulo y la fase de la tensión se fijará mediante el retardo en el encendido de los tiristores. Para ángulos de disparo inferiores a 900, el puente suministra tensión positiva (rectifica) y para ángulos entre 90 y 1800 el puente suministra tensión negativa (inversor).

El rotor constituye la parte de baja frecuencia del convertidor. La limitación de la relación entre las frecuencias del cicloconvertidor hace que la frecuencia rotórica sea como máximo 113 de la frecuencia de la red. Para valores superiores, aparecen importantes distorsiones en las señales de tensión y corriente del rotor. El margen típico es ±15% de la velocidad de sincronismo. Variaciones de la frecuencia del 25% (12,5 Hz a 50 Hz) las posibles distorsiones de la señal pueden dar lugar a armónicos de baja frecuencia que pueden entrar en resonancia con los modos de vibración de baja frecuencia. Así, se pueden utilizar métodos de amortiguación que logren atenuar las vibraciones, pudiendo permitir armónicos de corriente del orden del 5%. (Para

mantener la distorsión armónica de la señal sinusoidal dentro de éste límite,

partiendo de señales cuadradas se necesitan al menos 12 escalones).

Para evitar la inyección de armónicos de corriente, debidos a la conmutación de los tiristores, en la red eléctrica se deberá disponer de un filtro Le paso bajo, a poder ser sintonizado con los armónicos más importantes en la etapa de conexión de la red.

El control del inversor podrá efectuar tareas de regulación de la potencia reactiva consumida por el generador asíncrono, reduciendo su demanda de la red eléctrica.

Una cuestión a tener en cuenta en el dimensionado de estos sistemas es que el generador eléctrico deberá ser de una potencia algo mayor, al empleado en acoplamiento directo, como consecuencia del rizado introducido en el par, por la acción del convertidor (se diseña para un 15% más de potencia).

Una vez evaluado el rango medio de variaciones de velocidad de giro en la localización del sistema, se elige el margen en el cual se va a regular la velocidad y se dimensiona la potencia del cicloconvertidor, la cual será una fracción de la potencia nominal del generador (alrededor del 15%). Evidentemente, éste sistema será óptimo, siempre que se cumpla que el rango de variaciones de la velocidad sea estrecho.

Los eqUipos de conversión de potencia son actualmente caros, debido al gran número de tiristores que hacen falta (por ejemplo, 36 tiristores en un cicloconvertidor de 6 pulsos) y además deben disponer de un sistema de control muy complejo, con gran cantidad de transductores de medida. La tendencia a la disminución de costes de los sistemas electrónicos y el progreso

en las técnicas de conversión encaminadas al aumento de rendimiento, hacen

cada día más viables estos sistemas.

Una segunda forma de llevar a cabo la generación puede ser mediante cascada hipersónica, en cuyo caso la característica par-deslizamiento de una máquina asíncrona depende directamente del valor de la resistencia de su rotor. Mediante el incremento de esta resistencia la pendiente de la característica par-deslizamiento disminuye, por lo que si el par resistente del generador se mantiene constante, éste cederá más energía por su rotor y aumentará su velocidad de giro.

Utilizando un generador asíncrono de rotor bobinado y conectado a través de sus anillos rozan tes una resistencia variable externa se podría realizar la generación a velocidad variable, pero se aumentarían las pérdidas, disminuyendo el rendimiento.

Mediante un eqUipo convertidor electrónico, se puede realizar el efecto de la resistencia, pero además recuperando la energía extraída. Este equipo estaría compuesto por un rectificador de diodos, una bobina de alisado y un inversor trifásico conmutado por red o autoconmutado similar al analizado en el generador de velocidad variable con máquina síncrona.

Mediante el control del inversor se incrementa la tensión en el circuito de continua, el rotor del generador se acelera para que al aumentar el deslizamiento aumente la fuerza electromotriz inducida y polarice en sentido directo los diodos del rectificador, de ésta manera podrá circular la intensidad necesaria para crear par. La corriente solo podrá ir desde el rotor en dirección al inversor, ya que el rectificador de diodos hace que el sistema sea unidireccional. Por lo tanto, para que esta corriente pueda circular, el rotor deberá girar siempre a velocidad superior a la de sincronismo. Por esta razón

se denomina a este sistema "cascada hipersíncrona o supersíncrona".

Mediante este sistema no se puede efectuar ninguna compensación de potencia reactiva, por lo cual estos sistemas necesitan, al igual que los generadores asíncronos a velocidad constante, una batería de condensadores que compense la potencia reactiva demandada en vacío.

En función del margen de velocidades que se quieran regular, se seleccionará la potencia de los equipos convertidores, siendo el valor más normal el 50% de la potencia nominal del generador asíncrono. Al manejar potencias más pequeñas que en el sistema de generación a velocidad variable con máquina síncrona, es más integrable el inversor autoconmutado (puente de IGBT's), aún siendo más caro que el inversor conmutado por red (puente de tiristores).

Con este sistema se pueden alcanzar deslizamientos del 20%, ya que el margen de velocidad de giro superior se establece por consideraciones mecánicas y económicas.

Una vez examinados los distintos sistemas de generación de electricidad, debemos hacer especial mención a sistemas parecidos aunque diferentes al dispositivo aquí promulgado.

En el año 1985 se patentó un dispositivo que conseguía la sincronización entre la frecuencia del campo magnético del estator y el número de revoluciones del rotor, de manera que detectando el número de revoluciones del rotor se permitía el cambio de frecuencia del campo magnético del estator. Dicho sistema, a diferencia del dispositivo de la presente invención, necesitaba que el estator del motor tuviese un doble devanado, donde el primer devanado del estator estuviese conectado a una fuente de energía AC y el segundo

devanado estuviese conectado a una fuente de frecuencia variable.

Por otra parte, el dispositivo sincronizador aquí presentado, nunca funciona como un variador de frecuencia para motor de inducción, puesto que dicho variador tiene como único uso la variación de velocidad de un motor, transformando la energía eléctrica en energía cinética rotativa y no al contrario, y donde el usuario decide la velocidad de giro del motor.

El dispositivo sincronizador permite mantener un campo magnético inducido en el rotor, independientemente de las revoluciones generadas mediante un par mecánico, cuyo software y hardware es exclusivo para esta finalidad, sin que ningún usuario decida velocidad de giro alguna, puesto que los datos de entrada son recogidos por sensores, que miden las variables de entrada del sistema. Como anteriormente se indica no se precisa "Power In", pues la energía eléctrica se genera en el motor y retroalimenta el sistema.

En definitiva, las ventajas de los sistemas de velocidad constante son:

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Sistema electrónico simple y barato.

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Alta fiabilidad.

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Baja posibilidad de aparecer resonancias estructurales.

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Distorsión armónica nula en las señalas eléctricas obtenidas.

Las ventajas de los sistemas de velocidad variable son: -Mayor energía eléctrica generada. -Inexistencia de puntas de par transitorias. -Caja multiplicador más barata. -No se demandan sistemas de amortiguación mecánica. -Alto rendimiento. -No hay problemas de sincronización.

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Buena calidad de la potencia eléctrica obtenida.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Mediante el presente dispositivo electrónico que se precolllza, se consigue una sincronización de la frecuencia del campo magnético del estator con el número de revoluciones del rotor, independientemente de si dichas revoluciones son fijas o variables, pudiendo ser dicha variación superior o inferior a la velocidad de sincronismo, aunando las ventajas de uno y otro tipo de sistemas.

De esta manera se consigue la generación de electricidad, desde energía mecánica o cinética de cualquier índole, utilizando motores de inducción asíncronos estándar, de un único devanado con rotor de jaula de ardilla, a diferentes velocidades de rotación sin necesidad de estar conectado a una fuente de energía externa para su funcionamiento.

El dispositivo electrónico especial que se incorpora, está conectado en paralelo con el motor asíncrono de inducción de jaula de ardilla, siendo su función la de detectar en tiempo real el número de revoluciones del rotor y las diferencias de intensidad entre el devanado del estator y la etapa de potencia del sincronizador, para mediante software poder cambiar la frecuencia del campo magnético del estator, manteniendo la relación V/F ideal para que el par del motor sea el justo y el devanado del estator no pueda sufrir daños.

El dispositivo consta de dos partes diferenciadas: etapa de potencia y circuito de control.

La etapa de potencia está formada por un banco de condensadores y

un conjunto de seis IGBT's cuya función es cambiar la frecuencia del campo

magnético del estator a partir de la técnica SPWM de modulación por ancho de pulso. Asimismo, la etapa de potencia también cuenta con un diodo conectado al bus de corriente continua del banco de condensadores, que permite el inicio de la carga de los condensadores a partir de una pequeña descarga, lográndose junto al movimiento cinético del rotor la creación del campo magnético en el estator para la generación de energía eléctrica.

El circuito de control está formado por un microcontrolador cuyos puertos de entradas, salidas y comunicaciones, se encuentran aislados galvánicamente, siendo su función gestionar la información recibida por los sensores de intensidad, revoluciones del rotor y temperatura del estator, para mediante un software específico definir las señales a aplicar a la etapa de potencia.

En definitiva, se consigue mediante este dispositivo electrónico, un generador de electricidad fiable, robusto y que además permite la generación a diferentes revoluciones del motor, resolviendo la necesidad de conexión a fuente de energía externa para su funcionamiento.

En cualquier caso, las ventajas derivadas de la aplicación del presente dispositivo electrónico especial, y que se intercala en paralelo con el propio motor asíncrono de inducción de jaula de ardilla, son las siguientes:

No es necesario utilizar motores de diseño especial, por lo que posibilita generar electricidad de forma barata y con coste de mantenimiento prácticamente nulos. No necesita red para toma de energía, por lo que tampoco consumirá potencia reactiva.

Las velocidades de sincronismo son tantas como se programen, con lo que aumenta el rendimiento de los generadores.

No tiene pérdidas de rendimiento 111 necesita aumentar la

resistencia con anillos rozan tes. No es necesario instalar mayor potencia de la requerida 111 mantener la frecuencia del rotor. No produce distorsiones en las señales de tensión. El generador no precisa actuar como motor.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, dos dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.-Muestra el esquema correspondiente a la generación de electricidad que se consigue mediante la incorporación del dispositivo electrónico preconizado en un sistema aislado de red eléctrica.

La figura 2.-Muestra el diagrama de sistema del sincronizador.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.

A la vista de las figuras reseñadas, puede observarse como el dispositivo electrónico (1), permite que un motor de inducción asíncrono estándar, de un solo devanado, con rotor de jaula de ardilla (2), genere electricidad a diferentes velocidades de rotación. Mediante dicho sincronizador se consigue la sincronización entre la frecuencia del campo magnético del estator y el número de revoluciones del rotor, medidas en tiempo real mediante un sensor cuentarrevoluciones (3), y las diferencias de intensidad entre el devanado del estator, medidas mediante un sensor de intensidad (6), y la etapa de potencia del autosincronizador (7) para que en combinación con un software y hardware específicos, ubicados en la unidad de control (8), permitir el cambio de frecuencia del campo magnético del estator, manteniendo una relación V /F ideal para que el par motor sea el justo y el devanado del estator no pueda sufrir daños.

La etapa de potencia, formada por un banco de condensadores y un conjunto de seis IGBT' s, cuya función es cambiar la frecuencia del campo magnético del estator, también cuenta con un diodo (12) conectado al bus de corriente continua del banco de condensadores, que permite el inicio de la carga de los condensadores a partir de una pequeña descarga.

El sincronizador, conectado en paralelo con el devanado del motor, permite utilizar el generador de inducción asíncrono estándar, de un solo devanado, con rotor de jaula de ardilla, tanto con una toma de energía AC como sin dicha toma (figura 1), es decir, no precisa de ninguna fuente de energía externa para su funcionamiento, puesto que es un sistema retroalimentado, necesitando únicamente una batería de 24 Vcc (10) para la alimentación de la unidad de control electrónica.

En la configuración del sistema aislado de red eléctrica (figura 1), se puede observar la total independencia del sistema a la existencia de red eléctrica, comprendiendo un dispositivo de captación de energía (4) y una caja multiplicadora (5) opcional porque depende del número de revoluciones óptimas a conseguir.

Tal y como se puede observar en la figura 2, la configuración del diagrama de sistema del Sincronizador comprende un generador de la señal

(11) dentro del dispositivo electrónico y un regulador de carga (9) externo al dispositivo, encargado de retroalimentar el sistema.

Claims (2)

1. REIVINDICACIONES
2. 1.-Dispositivo sincronizador para motores de inducción asíncronos, de un único devanado y rotor de jaula de ardilla, que estando destinado a 5 permitir que un motor de inducción asíncrono estándar, de un solo devanado, con rotor de jaula de ardilla, genere electricidad a diferentes velocidades de rotación, se caracteriza porque el mismo se conecta en paralelo con el devanado del estator, sincronizándose la frecuencia del campo magnético del estator y el número de revoluciones del rotor, medidas en tiempo real mediante 10 un sensor cuentarrevoluciones, y las diferencias de intensidad entre el devanado del estator, medidas mediante un sensor de intensidad, y la etapa de potencia del sincronizador, que formada por un banco de condensadores y un conjunto de seis IGBT's cuenta también con un diodo conectado al bus de corriente continua para permitir el inicio de la carga del banco de 15 condensadores a partir de una pequeña descarga, contando con una unidad de control asistida por un software y hardware específicos para el cambio de frecuencia del campo magnético del estator, siendo el dispositivo retroalimentado eléctricamente, asistido únicamente por una batería de 24 V cc para la alimentación de la unidad de control electrónica.

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   FIG. 1

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   FIG.2