ES2204313B1 - Generador de funciones trifasicas. - Google Patents
Generador de funciones trifasicas.Info
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Abstract
Generador de funciones trifásicas. Dispositivo electrónico, perteneciente a la clase de instrumentos virtuales, formado por una o varias tarjetas de generación de señales analógicas, controladas por un ordenador personal (PC). El dispositivo genera funciones programables arbitrarias de tipo trifásico, que simulan las obtenidas de la red eléctrica a la salida de los transductores de tensión e intensidad. Se pueden simular las variaciones de frecuencia de las señales de red, el grado de distorsión de dichas señales y le simetría entre las mismas (equilibrio entre las fases R, S y T). El dispositivo permite, además, la simulación de una carga eléctrica, lineal o no lineal, evitando utilizar costosos bancos de resistencias y reactancias patrones, ganando además en flexibilidad. Los diagramas de barras (datos espectrales de entrada) y las funciones generadas (ondas temporales de salida) se visualizan en la pantalla del PC.
Description
Generador de funciones trifásicas.
El objeto de la presente invención es un
generador de funciones trifásicas que permite generar
simultáneamente, en paralelo, dos grupos de señales trifásicas,
similares a las de tensión e intensidad de una línea eléctrica. Se
pueden simular las variaciones de frecuencia de las señales de
red, el contenido armónico de dichas señales y la simetría entre
las mismas (equilibrio entre las fases R, S y T). Se proporciona al
sector de ingeniería eléctrica un instrumento versátil, barato y
de fácil realización y uso, consistente en una o varias tarjetas
de generación de señales analógicas, controladas por un ordenador
personal (PC).
En sistemas eléctricos de potencia existe un
conjunto de magnitudes tales como: Tensión, Intensidad, Frecuencia,
Desequilibrio entre las N-fases, Armónicos,
Transitorios y Sobre/sub tensiones, que permite evaluar lo que se ha
denominado calidad de la potencia eléctrica (Electric Power Quality
(EPQ)).
La simulación de ésta EPQ, o bien de la falta de
calidad, se realiza mediante la generación de señales perturbadas,
semejantes a las existentes en la red trifásica. Este tipo de
generadores específicos ha alcanzado gran importancia en test de
fallos en sistemas eléctricos, calibración de analizadores de
potencia y equipos electrónicos de medida, enseñanza e
investigación. Es necesario realizar pruebas de comportamiento de
los equipos ante señales distorsionadas por armónicos y
desequilibrios entre las fases de la red. Las oscilaciones y
cambios de la frecuencia de la señal de red juega un papel
importante en sistemas de temporización y alarmas.
La instrumentación actual de generadores
trifásicos es escasa, poco versátil y muy costosa. Las pocas
empresas norteamericanas que los fabrican ofrecen modelos que
generan tres ondas de tensión, controladas en amplitud, con
frecuencia y THD ajustables, y con un software opcional para añadir
algunos tipos de perturbación (p.e. transitorios) a las señales de
tensión.
Sin embargo, en la instrumentación existente hoy
día en el mercado no se ha encontrado la generación simultánea de
las señales de tensión e intensidad, reivindicadas en esta patente,
ni en sus formas de presentación, control y número de parámetros
variables.
De todo lo anterior se desprende que no existen
antecedentes de un dispositivo con las características enumeradas
en el resumen, si bien existe un trabajo [J.C. Montaño y R.
Aparicio, "Harmonic Analyzer/Generator", IEEE Trans. Instrum.
Meas., vol. IM-32, Junio 1983, pp.
312-315] referente a la generación de grupos de
ondas modulados en amplitud, fase y duración del grupo, y una
patente ["Generador de impulsos miniaturizado". N° solicitud
PO417225] de un circuito operacional de generación de impulsos
utilizando un número muy reducido de componentes analógicos.
El objeto de la presente invención es un
generador de funciones trifásicas consistente en un circuito
electrónico de conversión digital-analógico, D/A,
controlado por un programa residente en la memoria de un ordenador,
que permite introducir datos complejos (módulo, fase) de los
componentes armónicos de una función, visualizar en pantalla la
forma de onda de la función y generarla a continuación en forma
simultánea con las de los otros canales de salida del circuito
D/A.
El generador genera simultáneamente las señales
fase-neutro de tensión (V_R, V_S, V_T) e
intensidad de línea (I_R, I_S, I_T) correspondientes a los
datos de frecuencia fundamental y componentes armónicos
introducidos inicialmente y tiene un programa, residente en su
circuito de memoria, que le permite programar los fasores armónicos
de las señales trifásicas de tensión e intensidad que simulan las
detectadas en la red por los sistemas transductores.
El programa permite:
- -
- controlar la frecuencia fundamental de las ondas generadas, siendo esta frecuencia constante en el tiempo o variando según una función de amplitud estable o aleatoria.
- -
- desplazar convenientemente los datos corregidos de las fases S y T, de la tensión e intensidad, de acuerdo con la definición de las componentes simétricas, y sumarlos con los corregidos de la fase R para obtener las componentes simétricas instantáneas (secuencias positiva, negativa y cero) de tensión e intensidad.
- -
- generar y visualizar en pantalla las formas de onda de las tensiones e intensidades trifásicas, correspondientes a los datos de frecuencia fundamental y componentes armónicos introducidos inicialmente.
- -
- generar y visualizar en pantalla las formas de onda de las tensiones e intensidades de secuencias positiva, negativa y cero.
- -
- generar las funciones en intervalos de tiempo ajustables o en ciclos repetitivos.
- -
- la edición independiente de las fases R, S, T de tensión e intensidad, mediante síntesis de los correspondiente primeros 50 armónicos, utilizando una pantalla de edición de armónicos, desglosada en 5 pantallas de 10 armónicos cada una.
- -
- definir cada armónico en forma módulo/fase, no permitiéndose armónicos repetidos, ni armónicos sin amplitud, ni amplitud sin el orden del armónico.
- -
- la edición cómoda de las ondas utilizando las operaciones de copiar y pegar.
- -
- la conversión automática a señales trifásicas (secuencia directa o inversa) una vez editados de forma independiente los tres conjuntos de fasores armónicos; o bien, ajuste del desfase de las señales R, S, T.
- -
- el almacenamiento de ondas en disco y la lectura de las ondas desde el disco.
- -
- la disponibilidad de 10 bancos de señales V-I de uso frecuente y de las ondas preestablecidas: cuadrada, triangular, rampa y rampa inversa tanto en monofásica como en trifásica.
- -
- la programación en frecuencia fija o variable. En frecuencia fija ésta se puede establecer en un rango de \pm20% de la frecuencia nominal de la red (50Hz). En frecuencia variable la variación temporal de frecuencia se programa en un submenú.
- -
- la visualización independiente para la tensión e intensidad, con flexibilidad en la representación de las señales a generar: forma temporal (siendo ajustable el número de ciclos), tanto con señal trifásica como con señal monofásica, o en forma espectral.
- -
- la generación en forma de grupos de ondas, siendo posible el ajuste de la frecuencia de las ondas en cada grupo (\pm20% del valor nominal) y el número de grupos de ondas a generar, pudiendo cancelarse la generación en cualquier momento y mostrar el último grupo generado.
Figura 1: Módulos electrónicos de que consta el
dispositivo:
DAC: Tarjetas de conversión
digital-analógico.
PC: ordenador personal.
Consiste en un dispositivo electrónico,
presentado como instrumento virtual, que genera funciones
programables arbitrarias de tipo trifásico, que simulan las
obtenidas de la red eléctrica a la salida de los transductores de
tensión e intensidad. Dicho instrumento genera seis funciones
periódicas (tres simulan las tensiones y otras tres las
intensidades) tras introducir como datos de entrada sus respectivas
componentes espectrales. La introducción de los datos se realiza,
de forma cómoda e intuitiva, utilizando diagramas de barras
módulo/fase similares a un diagrama espectral convencional.
Asimismo, se introduce como dato inicial el valor de la frecuencia
fundamental o la expresión matemática de su evolución
temporal.
El programa de control del dispositivo, conducido
por menús, permite:
- \bullet
- Edición independiente de las fases R, S, T de tensión e intensidad, mediante síntesis de los correspondiente primeros 50 armónicos, utilizando una pantalla de edición de armónicos (5 pantallas de 10 armónicos cada una). Cada armónico se puede definir en forma módulo/fase, no permitiéndose armónicos repetidos, ni armónicos sin amplitud, ni amplitud sin el orden del armónico.
- \bullet
- Definición de la componente de contínua para cada fase.
- \bullet
- Edición cómoda de las ondas utilizando las operaciones de copiar y pegar.
- \bullet
- Conversión automática a señales trifásicas (secuencia directa o inversa) una vez editados de forma independiente los tres conjuntos de fasores armónicos; o bien, ajuste del desfase de las señales R, S, T.
- \bullet
- Almacenamiento/lectura de ondas V-I en/de disco.
- \bullet
- Disponibilidad de 10 bancos de señales V-I de uso frecuente.
- \bullet
- Ondas preestablecidas: cuadrada, triangular, rampa y rampa inversa tanto en monofásica como en trifásica.
- \bullet
- Visualización independiente para la tensión e intensidad y flexibilidad en la representación de las señales a generar: temporal (ajustable el número de ciclos), tanto trifásica como monofásica, o espectral.
- \bullet
- Programación en frecuencia fija o variable. En frecuencia fija ésta se puede establecer en un rango de \pm20% de la frecuencia nominal de la red (50Hz). En frecuencia variable la variación temporal de frecuencia se programa en el submenú ``Editar Frec. Variable''.
- \bullet
- Generación en forma de paquetes de ondas, siendo posible el ajuste de la frecuencia de las ondas en cada paquete (\pm20% del valor nominal) y el número de paquetes de ondas a generar. Se puede cancelar la generación en cualquier momento y muestra el último paquete generado.
El sistema utiliza una o varias tarjetas DAC para
generar hasta 8 salidas analógicas, controladas por PC. Se emplea
como software de control una aplicación basada en un entorno de
programación gráfica. Como condiciones de ajuste iniciales, se
utiliza el valor de la frecuencia, bien como constante o como
ecuación que define su evolución temporal, y los datos (módulos y
fases) de los componentes armónicos de las señales de tensión e
intensidad. Estos datos de entrada corresponden a un periodo, de
cada una de las funciones básicas del conjunto: {u_R(t),
u_S(t), u_T(t), i_R(t), i_S(t),
i_T(t)}, siendo las tres primeras las tensiones
fase-neutro y las tres últimas las intensidades de
línea. El resultado es la generación precisa, en forma continua y
repetitiva, del anterior conjunto de funciones.
Una forma de realizar la circuitería de la
invención es la indicada en la figura 1, donde hemos representado
dos tarjetas de conversión digital-analógica (DAC),
enchufables en los ``slots'' del bus de expansión de un ordenador
(PC), con capacidad para controlar simultáneamente los seis
canales de salida, 12 bits de resolución y 6400 muestras por
segundo en cada canal. Las tarjetas contienen, por cada canal de
salida, una pareja circuitos de memoria tipo FIFO, un chip de
conversión digital-analógica y un filtro de pasa
baja para reconstrucción de la señal. Las operaciones de control de
los canales de la(s) tarjeta(s) se realiza con un
circuito de reloj externo a la frecuencia de 1MHz. Estas
operaciones consisten en relleno de datos procedentes del ``bus''
del PC en los bancos de memoria FIFO, el inicio de la conversión
D/A y la generación de las formas de onda sin pérdida de muestras
e ininterrumpidamente.
Se emplea como software de control una aplicación
basada en el entorno de programación LabView 5.0. Los algoritmos de
control de los circuitos que componen el diseño permiten la
generación del conjunto de funciones propuesto, se activan al
introducir un conjunto de datos, como el que se describe a
continuación en forma genérica.
En el caso concreto de señales con ancho de banda
limitado a 2000Hz, se realizan las siguientes operaciones, tras la
carga del programa y la visualización en pantalla del diagrama de
espectros en módulo y
\hbox{fase:}
- a)
- introducir mediante teclado los módulos de los fasores de tensión (V_R, V_S, VT)_k e intensidad (I_R, I_S, I_T)_k correspondientes al armónico de orden k, eligiendo para k valores desde 0 hasta 50. El valor k= 0 corresponde a una componente de continua. Previamente se activa en pantalla la barra del diagrama de módulos, correspondiente a la posición k.
- b)
- introducir mediante teclado las fases de los fasores de tensión V_{R,k} e intensidad I_{R,k} correspondientes al armónico de orden k, eligiendo para k valores desde 1 hasta 50. Previamente se activa en pantalla la barra del diagrama de fases, correspondiente a la posición k.
- c)
- introducir el dato de la frecuencia, en forma de constante numérica o función temporal.
- d)
- repetir a) y b) para los restantes fasores V_{S,k}, V_{T,k}, I_{S,k}, e I_{T,k}.
- e)
- aceptar la configuración de espectros introducida y cambiar a la visualización de diagramas temporales.
- f)
- Iniciar el programa de generación.
Se visualiza en pantalla las formas de onda
generadas en el puerto de salidas analógicas de la(s)
tarje-
ta(s) DAC.
ta(s) DAC.
El estudio de la calidad de las señales de
suministro eléctrico y, sobre todo, el efecto que la falta de
calidad tiene sobre los equipos y sistemas eléctricos y
electrónicos, es un tema de la máxima importancia. Se necesita
estudiar la tolerancia de estos equipos y sistemas, por lo general
en configuración trifásica, a señales de tensión distorsionadas con
contenido variable de armónicos y perturbaciones. La
instrumentación requerida para estos ensayos de tolerancia en
sistemas trifásicos consiste en asociar tres generadores de
funciones monofásicos sincronizados y programar, si es posible, su
contenido armónico y perturbaciones. Existen algunos generadores
trifásicos, de importación y con precios muy elevados, poco
flexibles en los aspectos de control de las formas de
onda.
onda.
La síntesis de formas de ondas en la pantalla del
PC, a partir de ondas senoidales ajustables en amplitud, fase y
frecuencia, permite generar cualquier forma de señal trifásica
simulando las de tensión e intensidad de las redes de distribución.
Estas señales pueden ser posteriormente amplificadas para excitar
el sistema de prueba.
En el aspecto educativo y de investigación, la
invención proporciona un instrumento versátil, barato y de fácil
implementación y uso. Cualquier carga trifásica o monofásica,
lineal o no lineal, puede ser simulada a partir de las señales de
tensión e intensidad.
Por lo tanto, los fabricantes de instrumentación,
equipos eléctricos, electrónicos y electromecánicos, los centros
técnicos educativos, de investigación, diseño y desarrollo de
convertidores, reguladores de motores, actuadores, plantas
industriales de producción, etc. son los más directamente
implicados en esta invención.
Claims (17)
1. Generador de funciones trifásicas consistente
en un circuito electrónico de conversión
digital-analógico, D/A, controlado por un programa
residente en la memoria de un ordenador, que permite introducir
datos complejos (módulo, fase) de los componentes armónicos de una
función, visualizar en pantalla la forma de onda de la función y
generarla a continuación en forma simultánea con las de los otros
canales de salida del circuito D/A.
2. Generador de funciones trifásicas, según la
reivindicación 1, caracterizado por generar simultáneamente
las señales fase-neutro de tensión (V_R, V_S,
V_T) e intensidad de línea (I_R, I_S, I_T)
correspondientes a los datos de frecuencia fundamental y
componentes armónicos introducidos inicialmente.
3. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por tener un
programa, residente en su circuito de memoria, que le permite
programar los fasores armónicos de las señales trifásicas de
tensión e intensidad que simulan las detectadas en la red por los
sistemas transductores.
4. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque el programa
permite controlar la frecuencia fundamental de las ondas generadas,
siendo esta frecuencia constante en el tiempo o variando según una
función de amplitud estable o aleatoria.
5. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizado porque el
programa permite desplazar convenientemente los datos corregidos de
las fases S y T, de la tensión e intensidad, de acuerdo con la
definición de las componentes simétricas, y sumarlos con los
corregidos de la fase R para obtener las componentes simétricas
instantáneas (secuencias positiva, negativa y cero) de tensión e
intensidad.
6. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5, caracterizado porque el
programa permite generar y visualizar en pantalla las formas de
onda de las tensiones e intensidades trifásicas, correspondientes a
los datos de frecuencia fundamental y componentes armónicos
introducidos inicialmente.
7. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 y 6, caracterizado porque el
programa permite generar y visualizar en pantalla las formas de
onda de las tensiones e intensidades de secuencias positiva,
negativa y cero.
8. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque
el programa permite generar las funciones en intervalos de tiempo
ajustables o en ciclos repetitivos.
9. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8, caracterizado
porque el programa permite la edición independiente de las fases R,
S, T de tensión e intensidad, mediante síntesis de los
correspondiente primeros 50 armónicos, utilizando una pantalla de
edición de armónicos, desglosada en 5 pantallas de 10 armónicos
cada una.
10. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, y 9, caracterizado
porque el programa permite definir cada armónico en forma
módulo/fase, no permitiéndose armónicos repetidos, ni armónicos sin
amplitud, ni amplitud sin el orden del armónico.
11. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, y 10,
caracterizado porque el programa permite la edición cómoda de
las ondas utilizando las operaciones de copiar y pegar
12. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11,
caracterizado porque el programa permite la conversión
automática a señales trifásicas (secuencia directa o inversa) una
vez editados de forma independiente los tres conjuntos de fasores
armónicos; o bien, ajuste del desfase de las señales R, S, T.
13. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y 12,
caracterizado porque el programa permite el almacenamiento de
ondas en disco y la lectura de las ondas desde el disco.
14. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 y 13,
caracterizado porque el programa permite la disponibilidad
de 10 bancos de señales V-I de uso frecuente y de
las ondas preestablecidas: cuadrada, triangular, rampa y rampa
inversa tanto en monofásica como en trifásica.
15. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 y 14,
caracterizado porque el programa permite la programación en
frecuencia fija o variable. En frecuencia fija ésta se puede
establecer en un rango de \pm20% de la frecuencia nominal de la
red (50Hz). En frecuencia variable la variación temporal de
frecuencia se programa en un submenú.
16. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 y
15, caracterizado porque el programa permite la
visualización independiente para la tensión e intensidad, con
flexibilidad en la representación de las señales a generar: forma
temporal (siendo ajustable el número de ciclos), tanto con señal
trifásica como con señal monofásica, o en forma espectral.
17. Generador de funciones trifásicas, según las
reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
y 16, caracterizado porque el programa permite la generación
en forma de grupos de ondas, siendo posible el ajuste de la
frecuencia de las ondas en cada grupo (\pm20% del valor nominal)
y el número de grupos de ondas a generar, pudiendo cancelarse la
generación en cualquier momento y mostrar el último grupo
generado.
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| ES200202110A Expired - Fee Related ES2204313B1 (es) | 2002-09-13 | 2002-09-13 | Generador de funciones trifasicas. |
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- 2002-09-13 ES ES200202110A patent/ES2204313B1/es not_active Expired - Fee Related
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