ES2338607T3 - Sistema de suministro de tension variable. - Google Patents
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Abstract
Aparato para controlar una tensión trifásica suministrada a una carga, que comprende: un transformador multifásico que tiene un bobinado primario y un bobinado secundario para cada fase, estando cada secundario conectado en serie entre una línea de entrada y una salida conectada a la carga; y el primario es configurable por conmutadores para poner el primario entre algunas de las diferentes fases, de manera que la fase de la tensión del secundario es diferente de la línea a la que éste está conectado mediante una fase diferente de 0 y 180 grados.
Description
Sistema de suministro de tensión variable.
La presente invención trata de la provisión de
una tensión variable, por ejemplo de un sistema de tensión variable
adecuado para arrancar un motor y para hacer funcionar un motor bajo
carga reducida.
Los motores de inducción suministran una tensión
de fuerza contraelectromotriz cuando están en funcionamiento.
Durante el arranque, sin fuerza contraelectromotriz, la impedancia
de entrada de los motores es relativamente baja y la sobrecarga de
tensión es alta. Esto provoca la absorción innecesaria de corrientes
desde la fuente (línea). Esto no solo requiere que el motor esté
diseñado para soportar estas líneas, sino que la línea debe tener
disponibles estas grandes corrientes.
Se han propuesto una serie de soluciones y están
en uso, para proporcionar una tensión menor durante el arranque e
incrementar la tensión a medida que se incrementa la velocidad del
motor.
Un método es la configuración de
"estrella-triángulo" en la que el motor es
alimentado desde un transformador trifásico y los bobinados del
motor son conmutados desde una conexión de estrella a la línea de
potencia hasta una conexión en triángulo, a medida que se acelera
el motor. Esto proporciona dos niveles de tensión para arrancar el
motor. Este método acusa las siguientes desventajas:
- 1.
- Solo hay dos niveles de tensión y hay efectos de conmutación que provocan picos de tensión durante el traspaso desde una configuración a la otra.
- 2.
- Se necesitan 6 cables entre el controlador de potencia y el motor.
- 3.
- La corriente de la línea del motor es idéntica a la corriente en la línea de alimentación, incluso durante el arranque.
- 4.
- Los contactores que conmutan entre los 2 modos transportan toda la corriente del motor.
- 5.
- La necesidad de grandes resistencias auxiliares para permitir un flujo continuo de corriente durante la conmutación.
Un segundo método utiliza un autotransformador
en derivación para variar la tensión. En este método, la tensión
hasta el motor es suministrada a través de un autotransformador
reductor que tiene múltiples tomas. El motor es conectado primero a
la toma más baja y, a medida que el motor se acelera, la entrada
del motor es transferida sucesivamente a tensiones mayores mediante
cambiar la toma que suministra la tensión. Este método acusa una
serie de diferentes deficiencias. Una es la necesidad de conmutar
toda la tensión que se está utilizando, cada vez que se cambia la
tensión. Una segunda deficiencia es que la bobina y el núcleo del
transformador deben estar diseñados para transportar la corriente de
arranque del motor. Esto hace el transformador muy grande y
costoso, siendo comunes tamaños similares a los del propio motor.
Una tercera deficiencia es que hay serios problemas de conmutación,
puesto que la salida es desconectada cada vez que se cambia la
toma. Por esta razón, esta metodología no se utiliza extensivamente.
En cuarto lugar, los contactores han de llevar toda la corriente
cuando se conmutan las
tensiones.
tensiones.
Un tercer método utiliza el control de fase para
variar la tensión. En este método se utilizan tiristores para
controlar la tensión, y la fase de encendido de los tiristores se
utiliza para variar la tensión distribuida a una salida. Este
método no distribuye una tensión sinusoidal y son bien conocidas sus
ineficiencias en los motores de arranque. En concreto, hay un
retardo de fase intrínseco, especialmente durante el arranque y los
transitorios de recuperación de potencia cuando se enciende el
tiristor. Además, generalmente no es posible utilizar condensadores
para mejorar el factor de potencia con control de fase.
Otra cuestión que surge con el control de los
motores de inducción es que su máxima eficiencia es a plena carga.
Cuando la carga se reduce, las pérdidas del núcleo siguen siendo
elevadas y la eficiencia cae. Es sabido que reducir la tensión en
los motores de inducción cuando la carga es menor que el valor
nominal tiene como resultado un funcionamiento más eficiente. Sin
embargo, no se conoce ninguna forma práctica de implementar tal
cambio.
La patente de Israel 133307 presentada el 5 de
diciembre de 199_, describe un sistema para el control de la
iluminación en el que un transformador primario es situado a través
de la entrada (entre las conexiones de "línea" y
"retorno") y el secundario está en serie entre la carga y la
línea. El secundario está enrollado y montado para oponerse a (y
por lo tanto reducir) la tensión de línea suministrada a la carga.
Esto proporciona a la carga una tensión reducida. Cuando se
necesita la tensión máxima, la entrada del transformador es
desconectada del retorno y cortocircuitada, forzando a cero la
tensión en el secundario. A continuación el secundario puede ser
cortocircuitado. Pueden suministrarse múltiples etapas de
transformador para proporcionar una mayor variación en tensiones de
carga. Para tres fases, esta configuración se repite tres veces.
Un aspecto de algunas realizaciones de la
presente invención está relacionado con suministrar una tensión
variable a una carga, con lo que se proporcionan más de dos
tensiones diferentes a la carga, sin la utilización de elementos
activos y sin problemas sustanciales de conmutación.
Tal como se utiliza en el presente documento, el
término "sin la utilización de elementos activos" o similar,
significa que los dispositivos activos tales como los transistores y
los tiristores no son utilizados en el circuito de potencia entre
la entrada y la carga.
En un aspecto general de la invención, la
entrada de potencia es una entrada de potencia trifásica y el
circuito de potencia incluye un secundario de un transformador
trifásico cuyo primario es configurable, de tal modo que la fase de
la tensión del secundario es diferente respecto de la línea a la que
está conectado, mediante una diferencia de fase entre 0 y 180
grados.
En una realización de la invención los primarios
son conmutables entre por lo menos dos posiciones, por lo menos una
de las cuales es (1) una posición en la que el primario está
conectado entre dos fases; (2) una posición en la que el primario
está conectado entre una primera fase de entrada y neutro; y (3) una
posición en la que el primario está conectado entre una segunda
fase de entrada y neutro. Preferentemente, en una cuarta
configuración (4) el primario está desconectado y el secundario está
opcionalmente cortocircuitado. Esta configuración puede
proporcionar como mínimo 4 tensiones de salida diferentes. Tal como
se utiliza en el presente documento, el término "neutro"
significa un neutro real o bien virtual, es decir un punto de
tensión casi cero formado cuando se conecta conjuntamente un
extremo de las fases.
En una realización de la invención, cuando se
arranca un motor, el primario está conectado entre la misma fase
que alimenta el secundario y una segunda fase. La tensión de salida
para la fase concreta es la suma de la tensión de entrada para esa
fase y la tensión transformada entre fases. Esta tensión puede ser
mayor que la tensión de entrada o menor que la tensión de entrada.
Para el arranque del motor se utiliza la configuración del bobinado
que reduce la tensión. Asumiendo como ejemplo que la tensión de
entrada es de 400 voltios (tensión entre fases) y que la relación
de transformación es de 400 a 110 V, la tensión de salida entre
fases resultante es de 253 V (sin carga). Si el primario es
conmutado entre la segunda fase y neutro, la tensión de salida
entre fases se incrementa a 289 V (sin carga). Se observa que,
puesto que el secundario permanece conectado entre la entrada y la
salida, no hay tensiones de conmutación generadas por el cambio.
Opcionalmente, a través de los primarios se utiliza un dispositivo
de retención u otro circuito de reducción de picos.
A continuación, el primario se conmuta a través
de una segunda fase y neutro. La tensión de salida entre fases
resultante es de 356 V (sin carga). A continuación, el primario se
desconecta de la entrada y el secundario es cortocircuitado. La
tensión de salida es ahora igual que la tensión de entrada, a saber
400 V.
Escogiendo otras relaciones de transformación
puede conseguirse otros niveles de tensión. Además, cambiando el
sentido de conexión del primario, pueden conseguirse tensiones
adicionales mayores que la tensión de entrada. En los casos
descritos, podría conseguirse una tensión de 600, 515, y 460 V,
además de 400 V. Asimismo pueden conseguirse otras tensiones
mediante otras conexiones.
Se observa que el transformador transforma solo
un pequeño porcentaje de la tensión utilizada por la carga. Así, el
transformador puede ser más pequeño que los transformadores
utilizados en los métodos de variación de potencia de la técnica
anterior, como son los métodos de autotransformador de
estrella-triángulo y en derivación.
En la segunda realización de la invención se
realizan menos conmutaciones y se consiguen niveles de tensión de
entrada menores.
En algunas realizaciones de la invención, como
se ha indicado anteriormente, los primarios están conectados
directamente a través de las líneas de entrada y los bobinados
secundarios están conectados en serie en el lado de carga de la
conexión de los primarios en paralelo. En realizaciones alternativas
de la invención, los bobinados secundarios están conectados en
serie al lado de la línea y la conexión paralela de los primarios
está en el lado de la carga, tras los bobinados secundarios. En otra
realización alternativa de la invención, un lado de cada primario
está conectado en el lado de la línea de los bobinados secundarios y
el otro lado del bobinado primario está conectado en el lado de
carga de los bobinados secundarios.
Un aspecto de algunas realizaciones de la
invención está relacionado con el ajuste de la tensión a un motor
para proporcionar un funcionamiento más eficiente cuando cambia la
carga. Es sabido que un motor de inducción puede funcionar a una
tensión menor que su tensión nominal cuando la potencia mecánica
suministrada por el motor es menor que su potencia nominal. Cuando
se maneja a esta tensión menor, el factor de potencia del motor se
incrementa teniendo como resultado unas pérdidas menores en el motor
y en los transformadores, y una menor disrupción del sistema de
potencia.
En una realización de la invención, se mide la
potencia suministrada al motor que es alimentada por la fuente de
alimentación. A continuación se reduce la tensión, opcionalmente
utilizando la tecnología descrita anteriormente, hasta una tensión
que proporcione un factor de potencia mejorado, mientras se sigue
suministrando potencia a una corriente por debajo de la corriente
nominal del motor y del transformador.
Si bien la invención se ha descrito en el
contexto de sistemas trifásicos, algunos elementos de la invención
son también aplicables (con menos niveles de tensión) a sistemas de
dos fases y también a cambios de tensión de la potencia en sistemas
de una fase.
De este modo se proporciona, de acuerdo con una
realización de la invención, aparatos para controlar la tensión
suministrada a una carga, que comprenden:
- un transformador multifásico que tiene un bobinado primario y un bobinado secundario para cada fase, estando conectado cada secundario en serie entre una línea de entrada y una salida conectada a la carga; y
- el primario es configurable mediante conmutadores, de modo que la fase de la tensión del secundario es diferente respecto de la línea a la que está conectado, mediante una diferencia de fase entre 0 y 180 grados.
En una realización de la invención, el
conmutador comprende:
- una pluralidad de conmutadores, conmutables para conmutar la entrada de cada uno de los primarios de modo que estos son selectivamente conectados en más de una de una serie de configuraciones que incluyen por lo menos una configuración en la que los diversos primarios están conectados entre:
- (a)
- la fase de entrada a la que está conectado su secundario, y otra fase de entrada;
- (b)
- la fase de entrada a la que está conectado su secundario, y un neutro o un neutro virtual;
- (c)
- dos fases diferentes respecto de la fase de entrada a la que está conectado su secundario; y
- (d)
- una fase diferente respecto de la fase de entrada a la que está conectado su secundario y un neutro o un neutro virtual.
En una realización de la invención, la
pluralidad de conmutadores es capaz asimismo de (e) cortocircuitar
los primarios. Opcionalmente, para (e), el secundario respectivo es
también cortocircuitado.
En una realización de la invención, los
primarios y los secundarios están configurados de modo que la
tensión a la salida es menor que la tensión de línea para cada uno
desde (a) hasta (d).
En una realización de la invención, la
pluralidad de conmutadores es conmutable para conmutar la entrada de
cada uno de los primarios de manera que estos son conectables
selectivamente entre dos, tres o la totalidad de (a) a (d).
En una realización de la invención, la
conmutación para (a) a (d) tiene lugar solo con respecto a los
primarios de los transformadores.
En una realización de la invención, para
conmutar entre cualesquiera de (a) a (d) no es necesaria ninguna
conmutación en las líneas entre la entrada y la carga.
En una realización de la invención, la tensión a
la salida es mayor que la tensión de línea para por lo menos una
configuración de los conmutadores.
En una realización de la invención, los
conmutadores pueden invertir la polaridad de por lo menos una de las
conexiones.
En una realización de la invención, el
transformador multifásico es un transformador trifásico y la entrada
es una fuente de tensión trifásica.
En una realización de la invención, los
bobinados primarios están conectados directamente a través de las
entradas de línea y los bobinados secundarios están conectados en
serie a las líneas, en el lado de carga de la conexión en
paralelo.
En una realización alternativa de la invención,
los bobinados secundarios están conectados en serie con las
entradas de línea y los bobinados primarios están conectados en
paralelo a las líneas en el lado de carga de los bobinados
secundarios.
En otra realización alternativa de la invención,
un lado de cada primario está conectado en el lado de la línea de
los bobinados secundarios y el otro del bobinado primario está
conectado en el lado de carga de los bobinados secundarios.
Además, de acuerdo con una realización de la
invención se proporciona un método de variación de la tensión a una
carga, que comprende:
- conectar aparatos acordes con la invención entre una entrada multi-fase y una carga;
- variar la tensión de salida en por lo menos una etapa, conmutando secuencialmente los primarios entre configuraciones diferentes correspondientes a diferentes tensiones a través del secundario.
Opcionalmente, la tensión de salida se varía
por etapas desde una tensión menor a una tensión mayor.
Opcionalmente, se miden las características de
la carga y el incremento de tensión se detiene cuando las
características alcanzan un criterio dado.
Opcionalmente, la carga es un motor de
inducción.
Además se proporciona, de acuerdo con una
realización de la invención, un método de variación de la tensión a
un motor de inducción, que comprende:
- conectar un aparato para controlar la potencia a una carga entre una entrada y un motor de inducción;
- medir las características del motor de inducción bajo una tensión dada;
- determinar si aumentar o reducir la tensión en función de las características; y
- variar la tensión de salida en respuesta a la determinación.
Opcionalmente, el aparato es un aparato acorde
con la invención.
Opcionalmente, la tensión de la línea de salida
es mayor que 270 voltios RMS.
Opcionalmente, la carga es un motor
trifásico.
Se proporciona la siguiente descripción
detallada de ciertas realizaciones no limitativas de la invención,
para aclarar la invención y para presentar el mejor modo conocido
por el inventor para llevar a cabo la invención.
La descripción detallada debe leerse junto con
los dibujos listados a continuación. Cuando procede, se utilizan
los mismos números de referencia en las diversas figuras para
referirse a elementos iguales o similares.
La figura 1 es un dibujo esquemático de un
circuito de un sistema de accionamiento que activa un motor, de
acuerdo con una realización ejemplar de la invención;
la figura 2 es un dibujo de un circuito de un
transformador y conmutadores asociados en el sistema de
accionamiento, de acuerdo con una realización de la invención;
las figuras 3A y 3B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama de fasores
para una primera configuración en la que se consigue una tensión
menor;
las figuras 4A y 4B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama de fasores
para una segunda configuración en la que se consigue una primera
tensión mayor;
las figuras 5A y 5B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama de fasores
para una tercera configuración en la que se consigue una segunda
tensión mayor;
las figuras 6A y 6B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama de fasores
para una cuarta configuración en la que la tensión de línea es
distribuida al motor;
la figura 7 es un dibujo de un circuito de un
transformador y los conmutadores asociados en el sistema de
accionamiento, de acuerdo con una realización de la invención;
la figura 8 es un dibujo de un circuito de un
transformador y los conmutadores asociados en el sistema de
accionamiento, de acuerdo con otra realización de la invención;
y
la figura 9 es un diagrama de flujo de una
metodología de control de la tensión de un motor de inducción para
adaptar la tensión a la carga en el motor.
La figura 1 es un dibujo esquemático de un
circuito de un controlador de potencia (sistema de accionamiento)
100 que activa un motor 102, de acuerdo con una realización ejemplar
de la invención. Tal como se muestra, el controlador de potencia
100 recibe potencia trifásica en las fases L1, L2 y L3 a una primera
tensión, y distribuye potencia al motor 100 a una tensión de salida
variable en las fases U, V y W. El motor activa una carga 104.
Puede proporcionarse un neutro N al motor. Un controlador 106
controla el funcionamiento de los controladores de potencia y puede
ser sensible a entradas procedentes de un módulo de medición 108
opcional, como se explica posteriormente.
La figura 2 muestra algunos detalles de los
circuitos del controlador 100 de potencia, en una realización
ejemplar de la invención. En su forma más simple, el controlador de
potencia comprende un transformador trifásico que tiene primeros
bobinados designados como P1, P2 y P3 y bobinados secundarios S1, S2
y S3. Los bobinados secundarios están conectados en serie entre las
entradas de línea y la carga. Además, el controlador de potencia
incluye una serie de conmutadores trifásicos K1, K2, K3 y K4, que
son eficaces para conectar los bobinados primarios a través de
líneas de entrada de diferentes modos.
Adicionalmente, se utiliza un conmutador
trifásico opcional K6 para cortocircuitar los bobinados secundarios
bajo ciertas circunstancias.
Las configuraciones principales de los
conmutadores están ilustradas en las siguientes figuras.
Las figuras 3A y 3B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama vectorial para
una primera configuración en la que se distribuye una tensión mínima
a la carga.
La figura 3A muestra el circuito de la figura 2
cuando los conmutadores K1 y K3 están cerrados y los otros
conmutadores están abiertos. En esta configuración, P1 está
conectado entre las fases 1 y 2 de la línea, P2 está conectado
entre las fases 2 y 3 de la línea y P3 está conectado entre las
fases 3 y 1 de la línea.
Puesto que la fase de la tensión aplicada a los
primarios es de 30º de desfase con la línea a la que está conectado
el secundario, se tiene como resultado el diagrama de fases mostrado
en la figura 3B. A modo de ilustración, y sin limitar la invención,
se asume una relación primario a secundario de 400/100 y se asume
que la tensión de entrada es de 400 voltios.
Para las direcciones de los bobinados mostradas,
las tensiones de salida U, V, W entre fases resultantes son 253
voltios.
Las figuras 4A y 4B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama de fasores
para una segunda configuración en la que se distribuye a la carga
una siguiente tensión superior.
La figura 4A muestra el circuito de la figura 2
cuando los conmutadores K1 y K4 están cerrados y los otros
conmutadores están abiertos. En esta configuración, cada uno de los
P1, P2 y P3 está conectado entre su propia fase y neutro.
Opcionalmente, la conexión puede ser a un neutro real o a un neutro
virtual N' formado por la conexión de un extremo de los
transformadores a un mismo punto.
Puesto que la fase de la tensión aplicada a los
primarios está en fase con la línea a la que está conectado el
secundario, se tiene como resultado el diagrama de fases mostrado en
la figura 4B. A modo de ilustración, y sin limitar la invención, se
asume una relación primario a secundario de 400/100 y se asume que
la tensión de entrada es de 400 voltios. Puesto que la tensión de
cada uno de los bobinados P es de 253 voltios, las tensiones
secundarias son de 63 voltios, desfasadas respecto de las tensiones
de la línea de entrada. Entonces las tensiones U, V, W entre fases
son de 289 V.
Se observa que cuando se conmuta (es deseable un
contacto no cortocircuitante) entre las configuraciones de las
figuras 3A y 4B, la corriente del motor no se interrumpe, aunque los
bobinados secundarios proporcionan momentáneamente una impedancia
elevada, puesto que el primario está en circuito abierto.
Opcionalmente, a través de los primarios se utiliza un dispositivo
de retención u otro circuito de reducción de picos.
Las figuras 5A y 5B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama de fasores
para una tercera configuración en la que se distribuye a la carga
una siguiente tensión superior.
La figura 5A muestra el circuito de la figura 2
cuando los conmutadores K2 y K3 están cerrados y los otros
conmutadores están abiertos. En esta configuración, cada uno de los
P1, P2 y P3 está conectado entre otra fase y neutro.
Puesto que la fase de la tensión aplicada a los
respectivos primarios es de 60º de desfase con la línea a la que
está conectado el secundario, se tiene como resultado el diagrama de
fases mostrado en la figura 5B. A modo de ilustración, y sin
limitar la invención, se asume una relación primario a secundario de
400/100 y se asume que la tensión de entrada es de 400 voltios.
Puesto que la tensión en cada uno de los bobinados P es de 253 V,
las tensiones secundarias son de 63 voltios. Entonces las tensiones
U, V, W entre fases son de 356 V.
Las figuras 6A y 6B son respectivamente las
conexiones del circuito de la figura 2 y un diagrama de fasores
para una cuarta configuración en la que la tensión de línea de
entrada es distribuida a la carga.
La figura 6A muestra el circuito de la figura 2
cuando los conmutadores K2 y K4 están cerrados y los otros
conmutadores están abiertos, excepto que K6 puede opcionalmente
estar cerrado. En esta configuración, cada uno de los P1, P2 y P3
están desconectados de la línea y cortocircuitados y los secundarios
opcionalmente están también cortocircuitados. De este modo, ninguna
tensión sustancial se opone a la tensión de la línea de entrada y
dicha tensión, a saber 400 V, se aplica directamente al motor.
Debe entenderse que cortocircuitar los
secundarios no es absolutamente necesario. Sin embargo,
preferiblemente son cortocircuitados para evitar pérdidas en el
núcleo y/o en la conducción en el transformador.
Si se requiere menos etapas de tensión, entonces
se puede reducir el número de conmutadores en el lado del primario.
Por ejemplo, si K3 y K4 son sustituidos por cortocircuitos, cerrar
K1 y mantener al mismo tiempo abiertos K2 y K6 tendrá como
resultado la configuración de la figura 3A y suministrará una
tensión de 253 voltios a la carga. Abrir K1 y cortocircuitar K2 y
opcionalmente K6 tendrá como resultado la configuración de la
figura 6A y distribuirá la tensión de la línea de entrada a la
carga.
De este modo, la presente invención ha sido
descrita en el contexto de proporcionar a la carga tensiones
inferiores o iguales a las de la tensión de línea, como por ejemplo
para arrancar un motor de inducción. Sin embargo, puede utilizarse
una configuración similar para proporcionar a la carga una o más
tensiones superiores a la tensión de la línea, si son invertidos
los bobinados en el transformador (o las conexiones primaria o
secundaria), por ejemplo mediante invertir las conexiones del
primario. Dichas configuraciones pueden ser útiles cuando se
requiere para el arranque una tensión mayor que la tensión de marcha
o cuando se consideran deseables más etapas de tensión.
Proporcionar etapas intermedias puede requerir más conmutadores.
Análogamente, pueden conseguirse más etapas
intermedias conmutando los primarios de diferentes formas, por
ejemplo, conectando los primarios entre una fase diferente desde el
secundario. Sin embargo, se observa que en las realizaciones
preferidas mostradas, toda la conmutación es en el lado de baja
corriente y no hay conmutadores en el circuito principal de
corriente.
En la realización 100 descrita anteriormente y
mostrada en las figuras 2 a 6, los primarios están conectados
directamente a través de las líneas de entrada y los bobinados
secundarios están conectados en serie en el lado de carga de la
conexión paralela de los primarios. En realizaciones alternativas de
la invención, los bobinados secundarios están conectados en serie
al lado de la línea y la conexión paralela de los primarios está en
el lado de la carga, tras los bobinados secundarios.
La figura 7 muestra una conexión semejante, para
un controlador de potencia 200, en la que cada una de las
referencias para los bobinados y los conmutadores es igual que en la
figura 2. El funcionamiento del controlador de potencia 200 es
análogo al del controlador de potencia 100 y las mismas
conmutaciones tienen como resultado las mismas tensiones que se ha
descrito anteriormente. En algunas realizaciones de la invención, el
controlador 200 sustituye al controlador 100 de la figura 1.
En algunas realizaciones de la invención, el
objetivo es adaptar la tensión en un motor de inducción u otra
carga, cuando la carga se reduce. Para un motor de inducción, para
cualquier carga mecánica dada, la velocidad de rotación y la
corriente absorbida se ajustan por si mismas automáticamente para
adaptarse a la carga mecánica. Cuando se reduce la carga, la
velocidad se incrementa de manera que está más próxima a la
velocidad síncrona y la corriente cae, cayendo asimismo el factor
de potencia y la eficiencia. En una realización de la invención, la
tensión aplicada es ajustada de manera que el motor funciona casi a
corriente y potencia nominales plenas para dicha tensión de
entrada.
entrada.
En otra realización alternativa de la invención,
un lado de cada primario está conectado en el lado de la línea de
los bobinados secundarios y el otro lado del bobinado primario está
conectado en el lado de carga de los bobinados secundarios.
La figura 8 muestra una conexión semejante, para
un controlador de potencia 300, en la que cada una de las
referencias para los bobinados y los conmutadores es igual que en la
figura 2. El funcionamiento del controlador de potencia 300 es
análogo al del controlador de potencia 100 y las mismas
conmutaciones tienen como resultado las mismas tensiones que se ha
descrito anteriormente. En algunas realizaciones de la invención, el
controlador 300 sustituye al controlador 100 de la figura 1.
Si bien el funcionamiento de las realizaciones
de las figuras 7 y 8 es similar en general a la figura 2, las
tensiones (y las relaciones preferidas del transformador) pueden ser
algo diferentes, dependiendo de la utilización de la invención. Por
ejemplo, para la realización de la figura 7, con un primario nominal
de 230 V y un secundario de 110 V, las tensiones de salida son de
220 V, 250 V, 300 V y 400 V para el cortocircuitado de K1, K3; K1,
K4; K2, K3; y K2, K4 y K6, respectivamente. Por ejemplo, para la
realización de la figura 8, con un primario nominal de 280 V y un
secundario de 120 V, las tensiones de salida son de 230 V, 260 V,
320 V y 400 V para el cortocircuitado de K1, K3; K1, K4; K2, K3; y
K2, K4 y K6, respectivamente. Se destaca que para la totalidad de
las tres realizaciones, está disponible una amplia variedad de
relaciones primario/secundario y puede ser ajustada para
proporcionar una variedad de valores de tensión en las diversas
etapas.
El ajuste de la tensión puede realizarse
automáticamente en respuesta a una medición de las RPM del motor, o
de la corriente absorbida o de la fase de la corriente.
Volviendo a la figura 1, el módulo de medición
108 se utiliza para medir uno o más indicadores de la carga del
motor 102. Dichos indicadores incluyen la potencia al motor, la fase
de la corriente (con respecto a la tensión) de la entrada de
potencia al motor, la velocidad de rotación del motor y la
corriente. Alternativamente, las características eléctricas del
motor pueden ser medidas más arriba del controlador de potencia.
Cada uno de estos indicadores puede ser
utilizado para calcular si el motor está funcionando a una tensión
apropiada para la carga mecánica o si la tensión distribuida al
motor es demasiado elevada para el funcionamiento más
eficiente.
En concreto, cuando la entrada de potencia del
motor está por debajo del umbral dado para cualquier tensión de
entrada dada, entonces se asume que la tensión se puede reducir de
manera segura (con un incremento concomitante de corriente) para
suministrar la misma carga mecánica. Si la fase de la corriente se
retrasa respecto de la fase de la tensión es más de un valor dado,
entonces puede alcanzarse la misma asunción. Análogamente, una
velocidad de rotación que está más próxima que cierto valor a la
velocidad síncrona del motor indica que el motor está a baja carga
para la tensión de entrada al motor.
En cada uno de estos casos, el controlador 106
determina si el motor puede distribuir la potencia requerida a la
siguiente tensión disponible y seguir dentro de un límite de
corriente que sea el característico del motor. Si puede, entonces
la tensión suministrada por el controlador de potencia 100 es
ajustada a la siguiente tensión inferior disponible. Análogamente,
el controlador 106 puede determinar, en función de características
operativas suministradas por el módulo de medición 108, que el motor
está cerca de la máxima potencia que puede conseguir a la tensión
que está siendo suministrada. En este caso, el controlador 106 puede
cambiar los patrones de conmutación en el controlador de potencia
100, 200 o 300 para suministrar una tensión superior al motor.
La figura 9 es un diagrama de flujo de una
metodología 700 de control de la tensión de un motor de inducción
para adaptar la tensión a la carga en el motor. En 702 se determinan
las características del motor. En 704, las características del
motor son comparadas con criterios para determinar si la tensión
puede ser incrementada o disminuida, como se ha descrito
anteriormente. Si la tensión es la tensión "correcta" para la
carga, el módulo 108 y el controlador 106 siguen monitorizando si
es deseable un cambio en la tensión. Si se determina que la tensión
es reducible, entonces se reduce 106. Si se determina que debería
incrementarse, entonces se incrementa 708. En cada caso, las
características son monitorizadas para determinar si la tensión es
apropiada.
Opcionalmente, el controlador 106 incorpora
información relacionada con las características operativas del
motor y utiliza estas características para determinar si conmuta el
motor a la siguiente tensión superior o inferior.
Debe entenderse que cuando se arranca el motor,
las mediciones de las características operativas del motor pueden
indicar que el motor no necesita la máxima tensión disponible para
suministrar la potencia requerida por el motor. Bajo estas
circunstancias, opcionalmente no se llevan a cabo una o más de las
operaciones de conmutación a las tensiones superiores.
Si bien se ha explicado el uso de un controlador
de potencia para reducir o controlar la tensión suministrada al
motor en función de características de funcionamiento del motor
utilizando el controlador de potencia 100, 200 o 300 descrito
anteriormente, pueden utilizarse para este propósito otros
controladores de potencia conocidos en la técnica.
También deberá entenderse que, si bien es
deseable monitorizar las características del motor para determinar
cuándo conmutar las tensiones, en algunas realizaciones de la
invención la conmutación se lleva a cabo automáticamente durante el
arranque del motor, teniendo lugar la conmutación en un tiempo dado
después de la conmutación previa o después de que la corriente de
entrada caiga por debajo de cierto valor o por debajo de un
porcentaje de su valor inicial. En este caso, puede considerarse
que el controlador consiste en un temporizador o en un simple
aparato de medición de corriente.
Se apreciará que los métodos descritos
anteriormente puede variarse de muchas maneras, incluyendo cambiar
el orden de las etapas y/o llevar a cabo simultáneamente una serie
de etapas. También se apreciará que la descripción de los métodos y
aparatos descritos anteriormente debe interpretarse incluyendo
aparatos para llevar a cabo los métodos, y métodos de utilización
de los aparatos. La presente invención ha sido descrita utilizando
descripciones detalladas no limitativas de realizaciones de la
misma, que se proporcionan a modo de ejemplo y no están concebidas
para limitar el alcance de la invención. Debe entenderse que las
características y/o las etapas descritas con respecto a una
realización pueden ser utilizadas con otras realizaciones, y que no
todas las realizaciones de la invención tienen la totalidad de las
características y/o de las etapas mostradas en una figura concreta
o descritas con respecto a una de las realizaciones. A los expertos
en la materia se les ocurrirán variaciones de realizaciones
descritas. Además, los términos "comprende", "incluye",
"tiene" y sus conjugados significan, cuando se utilizan en las
reivindicaciones, "incluye pero no necesariamente se limita
a".
Debe observarse que algunas de las realizaciones
descritas anteriormente pueden describir el mejor modo contemplado
por los inventores, y por lo tanto pueden incluir estructuras,
actos, o detalles de estructuras y actos, que pueden no ser
esenciales para la invención y que se describen como ejemplos. Las
estructuras y actos descritos en el presente documento son
sustituibles por equivalentes que llevan a cabo la misma función,
incluso si la estructura o los actos son diferentes, tal como es
sabido la técnica. Por lo tanto, el alcance de la invención está
limitado solo por los elementos y las limitaciones según se utilizan
en las reivindicaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet IL 133 307 [0008]
Claims (15)
1. Aparato para controlar una tensión trifásica
suministrada a una carga, que comprende:
- un transformador multifásico que tiene un bobinado primario y un bobinado secundario para cada fase, estando cada secundario conectado en serie entre una línea de entrada y una salida conectada a la carga; y
- el primario es configurable por conmutadores para poner el primario entre algunas de las diferentes fases, de manera que la fase de la tensión del secundario es diferente de la línea a la que éste está conectado mediante una fase diferente de 0 y 180 grados.
2. Aparato acorde con la reivindicación 1, en el
que los conmutadores comprenden:
- una pluralidad de conmutadores, conmutables para conmutar la entrada de cada uno de los primarios de modo que estos son conectados selectivamente en más de una, de una pluralidad de configuraciones que incluyen por lo menos una configuración en la que los diversos primarios están conectados entre:
- (a)
- la fase de entrada a la que está conectado su secundario, y otra fase de entrada;
- (b)
- la fase de entrada a la que está conectado su secundario, y un neutro o un neutro virtual;
- (c)
- dos fases diferentes respecto de la fase de entrada a la que está conectado su secundario; y
- (d)
- una fase diferente respecto de la fase de entrada a la que está conectado su secundario y un neutro o un neutro virtual.
3. Aparato acorde con la reivindicación 2, en el
que la pluralidad conmutadores es también capaz de (e)
cortocircuitar los primarios.
4. Aparato acorde con la reivindicación 3, en el
que para (e), el secundario respectivo está también
cortocircuitado.
5. Aparato acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que los primarios o secundarios están
configurados de manera que la tensión a la salida es menor que la
tensión de línea para cada uno desde (a) hasta (d).
6. Aparato acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 5, en el que la pluralidad de conmutadores es
conmutable para conmutar la entrada de cada uno de los primarios de
manera que estos son conectables selectivamente entre dos o más de
(a) a (d).
7. Aparato acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 6, en el que la pluralidad de conmutadores es
conmutable para conmutar la entrada de cada uno de los primarios de
manera que estos son conectables selectivamente entre tres o más de
(a) a (d).
8. Aparato acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 7 en el que la conmutación para (a) a (d) tiene
lugar solo con respecto a los primarios de los transformadores.
9. Aparato acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 8, en el que para conmutar entre cualesquiera
de (a) a (d) no es necesaria conmutación en las líneas entre la
entrada y la carga.
10. Aparato acorde con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la tensión a la salida es
mayor que la tensión de línea para por lo menos una configuración de
los conmutadores.
11. Aparato acorde con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que los conmutadores pueden
invertir la polaridad de como mínimo una de las conexiones.
12. Método para variar la tensión a una carga,
que comprende:
- controlar el aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 entre una entrada multifásica y una carga;
- variar la tensión de salida en por lo menos una etapa, conmutando secuencialmente los primarios entre configuraciones diferentes correspondientes a diferentes tensiones a través del secundario.
13. Método acorde con la reivindicación 12, en
el que la tensión de salida se varía por etapas desde una tensión
menor a una tensión mayor.
14. Método acorde con la reivindicación 13, en
el que se miden las características de la carga y en el que se cesa
el incremento de tensión cuando las características alcanzan un
criterio dado.
15. Método de variación de la tensión en un
motor de inducción, que comprende:
- conectar un aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para controlar la tensión a una carga entre una entrada y un motor de inducción;
- medir las características del motor de inducción bajo una tensión dada;
- determinar si aumentar o reducir la tensión en función de las características; y
- variar la tensión de salida en respuesta a la determinación.
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