ES2232896T3 - Sistema para la estabilizacion de una red de suministro de corriente. - Google Patents

Abstract

SE TRATA DE CREAR UN SISTEMA PARA LA ESTABILIZACION DE UNA RED DE SUMINISTRO DE CORRIENTE QUE COMPRENDE UNA BOBINA, QUE UNE LA RED DE SUMINISTRO DE CORRIENTE CON UNA RED DE ALIMENTACION DE CORRIENTE, Y UN SISTEMA CONVERTIDOR CONECTADO A LA RED DE SUMINISTRO DE CORRIENTE, CON UNA MAQUINA CONVERTIDORA COMPUESTA POR UN ROTOR Y AL MENOS UN DEVANADO DE CORRIENTE TRIFASICA, QUE ESTE EN SITUACION DE ESTABILIZAR LA TENSION DE LA RED DE SUMINISTRO DE CORRIENTE A UN VALOR DETERMINADO. EN LA INVENCION SE PROPONE QUE EL SISTEMA CONVERTIDOR COMPRENDA UN VOLANTE ACUMULADOR DE ENERGIA CON UNA MAQUINA SINCRONICA Y UN VOLANTE ACOPLADO CON ESTA, QUE EL SISTEMA CONVERTIDOR TENGA UN SISTEMA CONVERTIDOR ESTATICO DE FRECUENCIA CON EL CUAL EL VOLANTE ACUMULADOR DE ENERGIA SE ACOPLE CON LA MAQUINA CONVERTIDORA DE MANERA QUE EL VOLANTE ACUMULADOR PUEDA TOMAR POTENCIA DE LA MAQUINA CONVERTIDORA O CEDERSELA A ESTA, Y QUE SE PREVEA UN CONTROL QUE DETECTE LA TENSION DE LA RED DE SUMINISTRO DE CORRIENTE Y GOBIERNE EL SISTEMA CONVERTIDOR DE MODO QUE LA MAQUINA CONVERTIDORA ESTABILICE LA TENSION DE LA RED DE SUMINISTRO DE CORRIENTE A UN VALOR ESPECIFICABLE MEDIANTE LA ACEPTACION O LA CESION DE POTENCIA.

Description

Sistema para la estabilización de una red de suministro de corriente.

La invención se refiere a un sistema para la estabilización de una red de suministro de corriente que comprende una bobina de choque, que une la red de suministro de corriente con una red de alimentación de corriente, un sistema de conversión conectado a la red de suministro de corriente con una máquina de conversión que presenta un inducido y al menos un devanado trifásico, en el que el sistema de conversión comprende un almacenamiento de rueda volante con una máquina eléctrica y una rueda volante acoplada a ésta, en el que en el sistema de conversión, el almacenamiento de rueda volante está acoplado eléctricamente con la máquina de conversión de tal manera que el almacenamiento de rueda volante puede consumir potencia de la máquina de conversión, o bien puede proporcionársela.

Un sistema de este tipo que trabaja con un generador de corriente continua para el accionamiento de una rueda volante se conoce, por ejemplo, del documento DE-A-2041924. Este sistema, sin embargo, representa únicamente una estabilización incompleta de la red de suministro de corriente, ya que sólo es capaz de amortiguar caídas de tensión en la red de suministro de tensión de un modo limitado.

Así pues, la invención se basa en el objetivo de proporcionar un sistema para la estabilización de una red de suministro de corriente que sea capaz de estabilizar la tensión en la red de suministro de corriente a un valor determinado.

Este objetivo se alcanza con un sistema del tipo descrito al comienzo, según la invención, gracias al hecho de que el sistema de conversión presente un sistema de conversión, que acople de modo eléctrico un devanado trifásico de la máquina de conversión con una máquina síncrona del almacenamiento de rueda volante, y gracias al hecho de que esté previsto un control que registre la tensión de la red de suministro de corriente y de la red de alimentación de corriente y que controle el sistema de conversión de tal manera que la máquina de conversión por medio del consumo de potencia o del suministro de potencia estabilice la tensión de la red de suministro de corriente a un valor prefijado.

El sistema conforme a la invención tiene la ventaja de que es capaz tanto de consumir potencia de la red de suministro de corriente como de proporcionarla, y con ello, es capaz de compensar cualquier tipo de oscilaciones de potencia en la red de suministro de corriente, y de estabilizar completamente la tensión por lo que se refiere al valor efectivo y a la posición de fase.

Una buena estabilización de la red de suministro de corriente ha de ser capaz, en este caso, de consumir potencia y de proporcionar potencia en pequeños intervalos. Esto se consigue según la invención por medio de un almacenamiento de rueda volante, que, para ello, debido a su muy elevada rigidez de carga variable está predestinado a una vida útil elevada, ofreciendo esta combinación con el sistema de conversión la ventaja adicional de que son posibles cambios rápidos entre el consumo de potencia y el suministro de potencia.

Por lo que se refiere al control empleado en el sistema conforme a la invención, está previsto que el control registre y compare la tensión en la red de alimentación de corriente y la tensión en la red de suministro de corriente. Con ello, el control es capaz de registrar también la diferencia de tensión y de fase entre la red de suministro de corriente y la red de alimentación de corriente, y de controlar de un modo preciso el acoplamiento de potencia provocado por el sistema de conversión entre el almacenamiento de rueda volante y la máquina de conversión.

En particular, un control de este tipo del acoplamiento de potencia se lleva a cabo por medio de la especificación de un ángulo de disparo para el convertidor.

Una construcción especialmente adecuada del control prevé que éste determine además, adicionalmente, la corriente del circuito intermedio de corriente continua del circuito convertidor respectivo para el control.

El sistema de conversión puede estar construido, en principio, de un modo arbitrario, siempre y cuando haga posible de un modo rápido y fiable un cambio entre el consumo de potencia y el suministro de potencia del almacenamiento de rueda volante. Una solución especialmente adecuada prevé en este caso que el sistema de conversión comprenda al menos un circuito convertidor con dos convertidores acoplados por medio de un circuito intermedio de corriente continua. Un sistema de conversión de este tipo se puede operar de modo sencillo y adicionalmente permite la posibilidad , con una capacidad de regulación extraordinaria, de regular la potencia consumida o suministrada por el almacenamiento de rueda volante con la precisión requerida que es necesaria para una buena estabilización.

Para poder trabajar entonces en el caso más sencillo con un circuito convertidor, está previsto, preferentemente, que cada uno de los convertidores se pueda invertir entre una función de rectificación y una función de rectificación inversa. Con ello, se puede controlar tanto el consumo de potencia como el suministro de potencia del almacenamiento de rueda volante de un modo sencillo.

Para evitar funcionamientos incorrectos del circuito convertidor, está previsto, preferentemente, que el convertidor sólo pueda ser controlado por parte del control de tal manera que en un circuito convertidor funcione uno de los convertidores en la función de rectificación y el otro en la función de rectificación inversa. Con ello se garantiza una disponibilidad de funcionamiento constante del circuito convertidor, bien para el consumo de potencia o bien para el suministro de potencia.

Debido a la reversibilidad del convertidor de un circuito convertidor, en principio es suficiente con que el sistema de conversión trabaje con un convertidor.

Sin embargo, una forma de realización ventajosa prevé que el sistema de conversión comprenda varios circuitos convertidores conectados en paralelo. En esta solución, en principio no sería necesario conformar los circuitos convertidores de manera que cada uno de los convertidores fuera reversible. Sería posible, por ejemplo, diseñar un circuito convertidor de tal manera que sólo se pudiera emplear para el suministro de potencia del almacenamiento de rueda volante, y conformar el otro circuito convertidor de tal manera que sólo se pudiera emplear para el consumo de potencia del almacenamiento de rueda volante.

Sin embargo, es especialmente ventajoso que también cada uno de los circuitos convertidores del sistema de conversión esté provisto de convertidores reversibles, ya que con ello se consigue la posibilidad de integrar un sistema redundante que siga funcionando incluso en el caso de fallo de un circuito convertidor.

Otra solución ventajosa prevé que los convertidores de un circuito convertidor se puedan emplear por parte del control, preferentemente para el suministro de potencia a la máquina de conversión o para el consumo de potencia de la máquina de conversión. Este modo de empleo preferido, sin embargo, no excluye una reversibilidad de los convertidores del circuito convertidor. De esta manera, se puede emplear la reversibilidad ventajosamente para el mantenimiento de una redundancia del sistema.

En el caso de varios circuitos convertidores, también se puede considerar, de un modo ventajoso, diseñar éstos de tal manera que sólo sean capaces de acoplar la mitad de la potencia efectiva máxima, de modo que mientras que únicamente se haya de acoplar la mitad de la potencia efectiva máxima del almacenamiento de rueda volante en la máquina de conversión, o viceversa, se pueden emplear los circuitos convertidores en su modo de trabajo preferido, mientras que cuando se haya de acoplar una potencia de la máquina de conversión al almacenamiento de rueda volante, o viceversa, que sea mayor que la mitad de la potencia efectiva máxima, los convertidores de uno de los circuitos convertidores se han de invertir, de manera que en este caso, los dos circuitos convertidores trabajan entonces en paralelo. Un sistema de este tipo tiene adicionalmente la ventaja de que puede trabajar entonces hasta la mitad de la potencia efectiva máxima de modo redundante, es decir, en caso de que se produzca un fallo del circuito convertidor es posible al menos una estabilización de la red de suministro de corriente en los casos en los que sea necesaria como máximo la mitad de la potencia efectiva máxima.

Adicionalmente, está previsto de un modo ventajoso que en el circuito intermedio de corriente continua de cada circuito convertidor esté dispuesta una bobina de choque. Una bobina de choque de este tipo tiene la ventaja de que con ésta se pueden minimizar las variaciones de corriente debidas a diferencias de los valores momentáneos de tensión que están condicionados por la conexión o la inversión de los dos convertidores.

Con relación a la explicación realizada hasta ahora del sistema conforme a la invención, se ha partido únicamente del hecho de que está prevista una bobina de choque entre la red de alimentación de corriente y la red de suministro de corriente. Una solución especialmente ventajosa prevé en este caso que la bobina de choque esté conformada entre la red de alimentación de corriente y la red de suministro de corriente como bobina de choque de acoplamiento, y que la máquina de conversión esté unida con una toma intermedia de la bobina de choque de acoplamiento. Una bobina de choque de acoplamiento tiene la ventaja de que los efectos de las variaciones de tensión en la red de alimentación de corriente para la misma red de suministro de corriente se compensan parcialmente, y con ello se apoya el efecto de la máquina de conversión para la estabilización de la corriente en la red de suministro de corriente.

En este caso, una solución especialmente apropiada prevé que la reactancia mutua de la bobina de choque de acoplamiento se corresponda aproximadamente con la reactancia subtransitoria de la máquina de conversión. En este caso se consigue un ajuste óptimo entre la máquina de conversión y la bobina de choque de acoplamiento, de manera que la bobina de choque de acoplamiento apoya de un modo óptimo el efecto de la máquina de conversión para la estabilización de la red de suministro de corriente.

Por lo que se refiere a la capacidad de control de la máquina de conversión conforme a la invención, no se han dado indicaciones más detalladas conjuntamente con la explicación hasta el momento de la solución conforme a la invención. De este modo, un ejemplo de realización ventajoso prevé que la tensión generada por la máquina de conversión se pueda controlar por medio de un devanado excitador del inducido, en el que por medio de este devanado excitador del inducido se puede controlar el valor de la tensión, si bien no se puede controlar su ángulo de fase. El control del ángulo de fase se lleva a cabo del modo que ya ha sido descrito por medio del control preciso del sistema de conversión, en particular el control del ángulo de disparo en éste.

Para poder disparar la excitación de la máquina de conversión de un modo especialmente adecuado, está previsto que el devanado excitador se pueda excitar sin escobillas.

Para el control de la tensión generada por la máquina de conversión está previsto, preferentemente, que la excitación de la máquina de conversión se controle de modo correspondiente a la tensión en la red de suministro de corriente.

Preferentemente, este control de la excitación de la máquina de conversión es independiente del control para el sistema de conversión, de manera que independientemente del trabajo del sistema de conversión es posible un control automático de la máquina de conversión, en particular incluso en forma de una regulación.

Por lo que se refiere a la construcción de la máquina de conversión misma, no se han dado indicaciones más detalladas con la explicación hasta el momento de los ejemplos de realización individuales. De este modo, un ejemplo de realización ventajoso prevé que la máquina de conversión presente un único devanado trifásico, que esté unido con la red de suministro de corriente y con el sistema de conversión. Ésta es la posibilidad más sencilla de la construcción de una máquina de conversión de este tipo, la cual, sin embargo, por lo que se refiere a la calidad de la tensión que está en la red de suministro de corriente, presenta desventajas, en particular ya que adolece de los picos e interrupciones de la conexión del sistema de conversión.

Por esta razón, una solución ventajosa prevé que la máquina de conversión presenta un primer y un segundo devanado trifásico, de manera que la red de suministro de corriente se pueda acoplar con un devanado trifásico, y el almacenamiento de rueda volante se pueda acoplar con el otro devanado trifásico, respectivamente.

En este caso es especialmente ventajoso el hecho de que el primer devanado trifásico y el segundo devanado trifásico presenten el mismo número de polos.

En principio, una máquina de conversión de este tipo puede estar construida con dos devanados trifásicos en forma de dos máquinas acopladas entre ellas de modo mecánico por medio de un árbol. Esta solución tiene, ciertamente, desventajas por lo que se refiere al tamaño constructivo de la máquina. Sin embargo, también tiene otras ventajas, ya que por ejemplo el devanado trifásico acoplado con la red de suministro de corriente puede estar conformado como devanado para alta tensión, mientras que el otro devanado trifásico puede estar diseñado para media tensión o baja tensión.

Una ventaja particular de dos devanados trifásicos, independientemente de la cuestión de la tensión existente, se ha de ver, sin embargo, en el hecho de que gracias a ello es posible un desacoplamiento galvánico de la red de suministro de tensión y del sistema de conversión con el almacenamiento de rueda volante.

Por lo que se refiere al tamaño constructivo y al modo de funcionamiento, es especialmente adecuado el hecho de que el primer devanado trifásico y el segundo devanado trifásico estén dispuestos en un paquete de soporte común. Una solución de este tipo tiene la gran ventaja de que, por un lado, la máquina se construye con un tamaño reducido en relación con la potencia requerida, y adicionalmente presenta una resistencia interna reducida.

Preferentemente, en una solución de este tipo no se realiza ninguna transformación de la potencia alimentada en uno de los devanados trifásicos en energía mecánica y a continuación de nuevo una transformación inversa de energía mecánica en energía eléctrica en el otro devanado trifásico, sino que por el contrario, se produce una transmisión de transformación directa de la energía eléctrica por medio del concatenamiento de flujo entre los dos devanados trifásicos.

Una solución especialmente adecuada prevé en este caso que el primer devanado trifásico y el segundo devanado trifásico estén dispuestos en ranuras especiales.

Otra solución ventajosa de la máquina de conversión conforme a la invención prevé que el inducido presente un devanado amortiguador. Un devanado amortiguador de este tipo tiene la ventaja de que cortocircuita las ondas armónicas de la tensión existente de un modo efectivo, y con ello las elimina en el flujo, de manera que se transmite la frecuencia fundamental desde uno de los devanados trifásico al otro devanado trifásico.

Por lo que se refiere a la conformación del almacenamiento de rueda volante mismo, no se han dado indicaciones más detalladas conjuntamente con la descripción hasta el momento de las soluciones individuales. De esta manera, un ejemplo de realización ventajoso prevé que el almacenamiento de rueda volante presente una rueda volante que rote alrededor de un eje vertical. Una disposición de este tipo de la rueda volante tiene las mismas ventajas por lo que se refiere al alojamiento, ya que existe la posibilidad de apoyar la rueda volante en la dirección axial únicamente por medio de un cojinete. De este modo, una posibilidad ventajosa prevé que la rueda volante esté sujeta en la dirección de su eje de giro en un cojinete, en donde este cojinete, por ejemplo, puede ser un cojinete previsto en la región de un extremo inferior de un árbol que lleva la rueda volante.

De modo alternativo, está previsto, ventajosamente, que la rueda volante esté dispuesta de modo colgante, es decir, que la rueda volante esté en la dirección de su cojinete que apoya el eje de giro de modo vertical por encima de la rueda volante, este alojamiento de la rueda volante se puede estabilizar de un modo sencillo también en el caso de un número elevado de revoluciones por unidad de tiempo de la rueda volante.

El cojinete que estabiliza la rueda volante en la dirección axial puede estar conformado, en principio, como cojinete de deslizamiento.

Sin embargo, de modo alternativo, un ejemplo de realización ventajoso prevé que este cojinete esté conformado como cojinete magnético, lo que tiene la ventaja de que se producen fuerzas de fricción del cojinete más reducidas.

Una solución especialmente adecuada, en particular también por lo que se refiere a la seguridad de elección, prevé que el cojinete magnético esté conformado como cojinete magnético pasivo.

Por lo que se refiere a la disposición de un inducido de la máquina síncrona relativo a la rueda volante, hasta el momento no se ha dado ninguna indicación más detallada. De este modo, un ejemplo de realización ventajoso prevé que un inducido de la máquina síncrona esté asentado directamente sobre un árbol de la rueda volante, de manera que no se requiera ningún elemento del engranaje entre estos dos, y con ello se produzca una unidad especialmente sencilla y estable en su funcionamiento.

En este caso es especialmente adecuado que la rueda volante esté dispuesta en una parte del inducido opuesta al cojinete magnético, de manera que tanto el inducido como la rueda volante estén dispuestas de modo colgante de modo relativo respecto al cojinete magnético, y con ello se pueda conseguir una estabilización sencilla, también por lo que se refiere a los momentos de inversión.

Adicionalmente, la máquina de sincronización está provista preferentemente con una de estas máquinas excitadoras asignadas, las cuales, así mismo, ofrecen la posibilidad de controlar de un modo exacto la excitación de las máquinas síncronas, y con ello también la potencia extraída de éstas o suministrada a éstas.

Conjuntamente con la explicación hasta el momento de los ejemplos de realización individuales del sistema conforme a la invención se ha hecho referencia a la finalidad primaria de empleo de este sistema, en concreto a la estabilización de una tensión en una red de suministro de corriente.

Sin embargo, el sistema conforme a la invención también puede estar conformado adicionalmente de tal manera que el sistema de conversión, en caso de fallo de una alimentación de corriente, entregue por parte de la red de alimentación de corriente la potencia total consumida en la red de suministro de corriente, es decir, que en este caso, el sistema de conversión esté disponible al mismo tiempo como suministro de corriente libre de interrupciones para la red de suministro de corriente en un intervalo de tiempo determinado. En este caso es necesario dimensionar el almacenamiento de rueda volante de modo correspondiente a la carga permitida en la red de suministro de corriente.

Con ello, el sistema conforme a la invención proporciona no sólo una estabilización constante de la tensión en la red de suministro de tensión con la red de alimentación de corriente en funcionamiento, sino que también es capaz de puentear incluso un fallo de la red de alimentación de corriente durante un periodo de tiempo determinado.

En caso de que esté previsto un puenteado que dure un tiempo elevado de un fallo de la red de alimentación de corriente, entonces el sistema conforme a la invención también se puede ampliar haciendo que la máquina de conversión del sistema de conversión se pueda acoplar con un accionamiento por motor, por ejemplo con un motor diesel, que, entonces, por medio del accionamiento del inducido de la máquina de conversión, accione a ésta como generador que suministra la tensión para la red de suministro de corriente. En este caso, el sistema de conversión, sin embargo, sigue sirviendo como antes para la estabilización de la corriente en la red de suministro de la corriente, en donde, en particular, el sistema de conversión y el almacenamiento de rueda volante son capaces, por un lado, de compensar cambios de carga en la red de suministro de corriente o, por otro lado, de compensar también las oscilaciones de potencia del motor que acciona la máquina convertidota.

Otras características y ventajas de la invención son objeto de la siguiente descripción así como de la representación esquemática de algunos ejemplos de realización.

En los dibujos se muestra:

Fig. 1 una representación esquemática de un primer ejemplo de realización de un sistema conforme a la invención;

Fig. 2 una sección vertical a través de una representación esquemática de un ejemplo de realización preferido de un almacenamiento de rueda volante conforme a la invención;

Fig. 3 una sección longitudinal vertical a través de un ejemplo de realización preferido de una máquina de conversión conforme a la invención;

Fig. 4 una sección a lo largo de la línea 4-4 de la Fig. 3 con representación de los devanados trifásicos;

Fig. 5 una representación esquemática similar a la Fig. 1 de un segundo ejemplo de realización;

Fig. 6 una representación esquemática similar a la Fig. 1 de un tercer ejemplo de realización;

Fig. 7 una representación esquemática similar a la de la Fig. 1 de un cuarto ejemplo de realización y

Fig. 8 una representación esquemática similar a la de la Fig. 1 de un quinto ejemplo de realización.

Un primer ejemplo de realización de un sistema conforme a la invención para la estabilización de una red de suministro de corriente 10 que está unida por medio de una bobina de choque 12 con una red de suministro de corriente 14 comprende un sistema de conversión designado en su conjunto con el número 20, que presenta una máquina de conversión 22.

La máquina de conversión 22 presenta, por su lado, un primer devanado trifásico 24 y un segundo devanado trifásico 26, así como un inducido 28, que está provisto de un devanado excitador 30. El devanado excitador 30 está conformado preferentemente como devanado de corriente continua que se puede excitar por medio de una máquina excitadora 32 con un devanado de corriente continua 34 estacionario.

El devanado de corriente continua 34 que proporciona la corriente inductora para la excitación de la máquina de conversión 32 está controlado por un regulador de tensión 36 que, por su parte, registra un valor teórico de tensión prefijado por un indicador del valor teórico 38, y por otro lado, por medio de un detector de tensión 39, detecta la tensión de la red de suministro de corriente 10.

El segundo devanado trifásico 26 está unido con un sistema de conversión designado en su conjunto con el número 40, el cual comprende, por ejemplo, un circuito convertidor 42 que está provisto de un convertidor 44 unido con el segundo devanado trifásico 26 y con un convertidor 46, en el que los dos convertidores 44, 46 están acoplados por medio de un circuito intermedio de corriente continua 48. En el circuito de corriente continua 48 está prevista además una bobina de choque 49.

La bobina de choque 49 en el circuito de corriente continua 40 sirve para compensar variaciones de corriente, y con ello diferencias de los valores momentáneos de tensión, condicionados por la conexión de los dos convertidores.

El convertidor 46, por su lado, está provisto de un almacenamiento de rueda volante designado en su conjunto con el número 50, que presenta una máquina síncrona 52 y una rueda volante 54 acoplado con ésta.

La máquina síncrona 52 comprende en este caso un devanado trifásico 56 estacionario, así como un inducido 58 con un devanado excitador 60, que se puede solicitar con corriente continua sin escobillas por medio de una máquina excitadora 62. La máquina excitadora 62 comprende en este caso un devanado de corriente continua 64 estacionario para el control de la corriente excitadora en el devanado excitador 60.

Para la solicitación del devanado de corriente continua 64 está prevista una regulación de excitación 66, que por un lado compara un valor teórico de tensión prefijado por el indicador de valor teórico 68 con la tensión en el devanado trifásico 56 que se puede registrar por medio de un detector de tensión 70.

El sistema de conversión 40, por su lado, se puede controlar con un control designado en su conjunto con el número 80, que presenta un regulador de frecuencia 82 que registra la tensión de la red de suministro de corriente 10 y la tensión de la red de alimentación de corriente 14 y las compara, y además controla un regulador de corriente 84 conectado a continuación de éste que registra una corriente en el circuito intermedio de corriente continua 48 adicionalmente a la señal de salida del regulador de frecuencia 82, y que por su parte controla controles de encendido 86 y 88 para los convertidores 44 y 46. Por medio de los dispositivos de encendido 86 y 88 se puede determinar, respectivamente, que uno de los convertidores 44 ó 46 trabaja como rectificador, y el otro convertidor 46 ó 44 trabaja como ondulador, y adicionalmente, por medio de los dispositivos de encendido 86 y 88 se puede prefijar otro ángulo de disparo de los dos convertidores.

El sistema conforme a la invención funciona ahora de tal manera que la red de suministro de corriente alimentada por la red de alimentación de corriente 14 por medio de las bobinas de choque 12 se estabiliza gracias al hecho de que el sistema de conversión 20 o bien extrae potencia de la red de suministro de corriente 10, o bien suministra potencia a ésta, dependiendo de en qué dirección se produce una variación de la tensión que se ha de estabilizar de la red de suministro de corriente 10. Por ejemplo, en caso de que la tensión alimentada por la red de alimentación de corriente 14 se haga menor, entonces el sistema de conversión 20 alimenta potencia a la red de suministro de corriente 10, para mantener constante la tensión en la red de suministro de corriente 10. Al mismo tiempo también se alimenta potencia cuando, por ejemplo, en la red de suministro de corriente 10 se produce una conexión de una carga o, por ejemplo, se desconecta un generador de energía en la red de suministro de corriente 10.

Adicionalmente, en el sistema conforme a la invención, se toma potencia de la red de suministro de corriente 10 cuando, por ejemplo, se produce en ésta una descarga de potencia o una conexión de un generador de energía, que llevarían a que la tensión en la red de suministro de corriente 10 subiera por encima de la tensión deseada.

La extracción de potencia y la alimentación de potencia por medio del sistema de conversión 20 se realiza por un lado por medio del control de la tensión generada por la máquina de conversión 22, gracias al hecho de que el regulador de tensión 36 registre la tensión en la red de suministro de corriente 10, y la compare con el valor teórico prefijado por el indicador de valor teórico 38. Según esto, se realiza un control de la excitación en el devanado excitador 30 en el inducido 28.

Adicionalmente, el regulador de frecuencia 82 registra la tensión en la red de suministro de corriente 10 y la tensión en la red de alimentación de corriente 14, así como la corriente en el circuito intermedio de corriente continua 48, y controla de modo correspondiente los dispositivos de encendido 86 y 88 de los convertidores 44 y 46 de tal manera que el circuito 42, como consecuencia del convertidor 44 unido con el segundo devanado trifásico 26, extrae potencia efectiva por medio de la máquina de conversión 22 de la red de suministro de tensión 10, y la almacena por medio de la máquina síncrona 52 en la rueda volante 54, es decir, acelera la rueda volante 54 a un mayor número de revoluciones por unidad de tiempo, o bien de manera que el circuito convertidor 42 extraiga potencia efectiva del almacenamiento de rueda volante 50 por medio del frenado de la rueda volante 54 por medio de la máquina síncrona 52 y alimente a través de la máquina de conversión 22 la red de suministro de corriente 10.

Debido al hecho de que el almacenamiento de rueda volante 50 presenta una elevada rigidez de carga variable, existe con ello la posibilidad de extraer o alimentar potencia efectiva de la red de suministro de corriente 10 o a la red de suministro de corriente 10 también en intervalos de tiempo muy pequeños.

En cada tipo de estabilización de la red de suministro de corriente 10, la máquina de conversión 22 alimenta la red de suministro de corriente 10 no sólo potencia efectiva, o bien la extrae de ésta, sino que adicionalmente alimenta potencia reactiva a ésta o bien la extrae de ésta, de manera que existe la posibilidad de compensar grandes oscilaciones de tensión, preferentemente oscilaciones de tensión de hasta 50%, con una extracción o alimentación reducida de potencia efectiva, ya que la máquina de conversión 22 es capaz de alimentar además de potencia efectiva, potencias reactivas muy elevadas a la red de suministro de corriente 10, o bien extraerlas de ésta, para a continuación sumarlas a la tensión alimentada de modo convencional por la red de suministro de corriente 14 de tal manera que en la red de suministro de corriente 10 la tensión siempre se mantiene fundamentalmente constante.

Adicionalmente, entre la red de alimentación de corriente 14 y la bobina de choque 12 está previsto un interruptor 16 que se abre en caso de que se produzca una caída de la tensión de la red de alimentación de corriente. Con ello se puede evitar, por ejemplo, en caso de un cortocircuito en la red de alimentación de corriente, un consumo innecesario de potencia por medio del cortocircuito.

Tal y como se representa en la Fig. 2, una forma de realización ventajosa del almacenamiento de rueda volante 50 conforme a la invención prevé que la misma rueda volante 54 esté dispuesta de modo colgante, y en concreto en un cojinete magnético pasivo designado en su conjunto con el número 100, que fija de modo colgante un árbol de la rueda volante 102 unido preferentemente de una pieza con la rueda volante 54 en la dirección de su eje, en donde adicionalmente, el árbol de la rueda volante 102 está alojado en el cojinete magnético 100 del cojinete radial 106 contiguo y en cojinetes radiales 108 asignados a un extremo inferior del árbol de la rueda volante 102, en donde los cojinetes radiales 106 y 108 son preferentemente cojinetes mecánicos que están expuestos únicamente a cargas reducidas.

Entre el cojinete magnético 100 y la rueda volante 54 está asentado directamente sobre el árbol de la rueda volante el inducido 58 de la máquina síncrona 52 y está rodeado por un soporte 110 de la máquina síncrona 52 en el que está dispuesto el devanado trifásico 56.

Adicionalmente, entre el cojinete magnético 100 y la máquina síncrona 52 está asentada la máquina excitadora 62, en la que un inducido 112 de la misma está asentado así mismo sobre el árbol de la rueda volante 102, y está unido con un rectificador 114 que rota con él asentado así mismo sobre el árbol de la rueda volante 102, el cual proporciona la corriente continua para el devanado excitador 60 del inducido 58.

En el almacenamiento de rueda volante 50 representado en la Fig. 2, la rueda volante 54 está asentada cerca de un extremo inferior del árbol de la rueda volante 102 que está alojado en el cojinete radial 108. Adicionalmente, la rueda volante 54 está alojada en una atmósfera de gas que reduce la fricción, preferentemente a una presión negativa.

Un ejemplo de realización preferido de una máquina de conversión conforme a la invención, representado en las Fig. 3 y 4, comprende una carcasa 120 con placas de cojinete 122, en las que está alojado de modo giratorio un árbol 124. El árbol 124 lleva en este caso el inducido 28 con el devanado excitador 30.

Adicionalmente, en la carcasa 120 está dispuesto un paquete de soporte designado en su conjunto con el número 126, en el que, tal y como se representa en la Fig. 4, tanto el primer devanado trifásico 24 como el segundo devanado trifásico 26 están arrollados, y en concreto de manera que el primer devanado trifásico 24 y el segundo devanado trifásico 26 están conformados de modo idéntico, y están dispuestos en el paquete de soporte 126 desplazados de modo relativo entre ellos en un paso de ranuras. Las fases del devanado del primer devanado trifásico 24 están representadas en este caso en la Fig. 4 con líneas enteramente trazadas, mientras que las fases de devanado del devanado trifásico 26 de la Fig. 4 están representadas a trazos. Los devanados trifásicos 24 y 26 están representados en este caso en la Fig. 4 en una máquina con una realización de cuatro polos y tres fases con un paso de devanado reducido de 5/6 de paso polar, y por razones de simplicidad, en forma de un devanado de una capa.

Adicionalmente, el inducido 28 está provisto además de devanados amortiguadores en forma de varillas amortiguadoras 128, que están cortocircuitadas en la región de extremos frontales del inducido 28 por medio de chapas de cortocircuito 130. Por medio de estos devanados amortiguadores en el inducido 28 se cortocircuitan de un modo efectivo todas las ondas armónicas de la tensión existente en el primer devanado trifásico 24, y con ello se eliminan en el flujo. Con ello existe la posibilidad de transmitir la frecuencia fundamental del primer devanado trifásico 24 al segundo devanado trifásico 26.

Por medio del inducido 28 se arrastra el campo magnético giratorio del primer devanado trifásico 22, en donde en caso de una máquina de conversión conformada como máquina síncrona, el arrastre del inducido se realiza de modo síncrono. Adicionalmente, en la máquina de conversión 22 no se produce ninguna transformación de la potencia alimentada al primer devanado trifásico 24 en energía mecánica. Por el contrario, se lleva a cabo una transmisión directa de transformación de la energía eléctrica por medio del concatenamiento de flujo entre los dos devanados trifásicos 24 y 26.

Preferentemente, el diseño de la máquina de conversión de realiza de modo correspondiente a las potencias sumadas del primer y del segundo devanado trifásico 24 y 26, es decir, para el doble de potencia para la que hay que diseñar el motor y el generador en el caso de una máquina de una carcasa conocida de la misma potencia. Gracias a ello se llega a una reducción considerable de la relación de potencia/peso, y además se consigue un incremento del rendimiento.

En la conformación de la máquina de conversión 22 como máquina síncrona, el primer devanado trifásico 24 entrega una tensión sinusoidal constante independiente de oscilaciones de carga en la red de suministro de corriente 10, que permanece no influenciada por todos los procesos en la red de alimentación de corriente 14, en la que el regulador de tensión 36 se ocupa de que el flujo magnético de la máquina de conversión se realice por medio de la excitación de corriente continua del inducido 28 de tal manera que la tensión permanezca fundamentalmente constante en el primer devanado trifásico 24.

Por lo demás, por lo que se refiere a la descripción de otras características del ejemplo de realización ventajoso de la máquina de conversión empleada, se hace referencia a la solicitud de patente europea 0 071 852 en todo su contenido, que da a conocer otras peculiaridades de una máquina de conversión de este tipo.

En un segundo ejemplo de realización del sistema conforme a la invención, representado en la Fig. 5, aquellas piezas que son idénticas a las del primer ejemplo de realización están provistas de los mismos símbolos de referencia, de modo que por lo que se refiere a su descripción se puede referir en todo su contenido a la descripción del primer ejemplo de realización.

Al contrario de lo que ocurre en el primer ejemplo de realización, en el segundo ejemplo de realización según la Fig. 5, la bobina de choque 12' no está conformada como una bobina de choque sencilla, sino como bobina de choque de acoplamiento con un primer devanado 12a' opuesto a la red de alimentación de corriente 14, un segundo devanado 12b' opuesto a la red de suministro de corriente 10 y una toma intermedia 12c' que está unida con el primer devanado trifásico 24 de la máquina de conversión 22 del sistema de conversión 20. Una bobina de choque de acoplamiento 12' tiene la ventaja de que con ésta también se pueden controlar cortocircuitos en la red de alimentación de corriente 14 por medio del sistema de conversión 20, y se abre la posibilidad de mantener fundamentalmente constante la tensión por medio del sistema de conversión 20 en la red de suministro de corriente 10, incluso con este tipo de cortocircuitos. En particular, esto es posible de un modo ventajoso, cuando la reactancia mutua entre los devanados 12a' y 12b' se corresponda aproximadamente con la reactancia subtransitoria de la máquina de conversión 22, y con ello la reactancia mutua compense en caso de un cortocircuito en la red de alimentación de corriente 14 una caída de tensión de la máquina de conversión debida a su resistencia interna.

Por lo demás, el segundo ejemplo de realización según la Fig. 5 es idéntico al primer ejemplo de realización, de manera que a este respecto se puede referir en todo su contenido a las realizaciones del primer ejemplo de realización.

En un tercer ejemplo de realización del sistema conforme a la invención, representado en la Fig. 6, los elementos que son idénticos a los elementos del primer ejemplo de realización y del segundo ejemplo de realización están provistos de los mismos símbolos de referencia, de manera que por lo que se refiere a la descripción de estos elementos, se puede referir a las realizaciones de los ejemplos de realización precedentes. A diferencia de los ejemplos de realización precedentes, el sistema de conversión 40 comprende dos circuitos convertidores 42a y 42b dispuestos de modo paralelo entre ellos, en donde cada uno de los circuitos convertidores presenta un convertidor 44a, 44b, que está unido con el segundo devanado trifásico 26, y un convertidor 46a, 46b que está unido con el devanado trifásico 56 de la máquina síncrona 52 del almacenamiento de rueda volante 50. Adicionalmente, en los dos circuitos convertidores 42a y 42b los dos convertidores 44a, 46a y 44b, 46b están acoplados entre ellos por medio de circuito intermedio de corriente continua 48a y 48b.

El control 80 está conformado en este caso de tal manera que es capaz de controlar los dispositivos de encendido 86a, 88a y 86b, 88b en los dos circuitos convertidores 42a, b.

Preferentemente, los dos circuitos convertidores 42a, 42b están conformados de tal manera que son capaces de conectar aproximadamente la mitad de la máxima potencia efectiva posible. Por ejemplo, el circuito convertidor 42a está operado por el control 80 primariamente de tal manera que se éste se puede emplear para el acoplamiento de potencia efectiva de la máquina de conversión al almacenamiento de rueda volante 50, mientras que el circuito convertidor 42b se opera primariamente de tal manera que éste se puede emplear para el acoplamiento de potencia efectiva del almacenamiento de rueda volante 50 a la máquina de conversión 22. Esto es suficiente siempre y cuando se haya de conectar como máximo la mitad de la máximo potencia efectiva posible entre la máquina de conversión 22 y el almacenamiento de rueda volante 52. Hasta esta mitad de la potencia efectiva máxima, la solución según el tercer ejemplo de realización ofrece la ventaja de que los tiempos de conmutación son más rápidos, ya que no se requiere una conmutación de los convertidores 44a, 46a ó 44b, 46b, sino que los dos circuitos convertidores 42a y 42b, como consecuencia de su configuración básico, son operados por el control en direcciones opuestas, respectivamente.

En caso de que, sin embargo, se haya de acoplar la máxima potencia efectiva del almacenamiento de rueda volante 50 a la máquina de conversión 22, o viceversa, entonces aquel circuito convertidor 42a ó 42b que trabaje en su configuración básica en la dirección contraria es invertido por el control 80, de manera que en este caso los dos circuitos convertidores 42a, 42b trabajan en paralelo.

Esta reversibilidad de los convertidores 44a, b, 46a, b tiene además la ventaja de que hasta la mitad de la potencia efectiva está disponible un sistema redundante, ya que en caso de fallo de uno de los circuitos convertidores 42a, 42b, el otro circuito convertidor 42b, 42a, por medio de la inversión del convertidor entre la función de rectificador y la función de ondulador se puede emplear para la transmisión de potencia efectiva en las dos direcciones.

En un cuarto ejemplo de realización de un sistema conforme a la invención, representado en la Fig. 7, la máquina de conversión 22' está conformada en forma de dos máquinas síncronas 22a' y 22b' separadas, en donde cada una de estas máquinas síncronas presenta un devanado excitador 30a ó 30b, y cada devanado excitador se puede regular por medio de un regulador de tensión 36a ó 36b previsto para ello. En el caso del regulador de tensión 36b, se realiza una regulación de modo correspondiente a la tensión que aparezca en el segundo devanado trifásico 26.

En un quinto ejemplo de realización, representado en la Fig. 8, la máquina de conversión 22'' está conformada en forma de una máquina simplificada, y presenta únicamente el devanado trifásico 24, que está unido tanto con la toma intermedia 12c' de la bobina de choque de acoplamiento 12' como con el convertidor 44 del circuito convertidor 42, de manera que se puede prescindir del segundo devanado trifásico 26, y al mismo tiempo está conformado por medio del primer devanado trifásico 24.

El sistema conforme a la invención para la estabilización de la tensión en la red de suministro de corriente 10 también se puede emplear preferentemente para trabajar como suministro de corriente libre de interrupciones. Preferentemente el almacenamiento de rueda volante 50 está dimensionado de tal manera que su energía es suficiente para mantener la tensión en la red de suministro de tensión 10 en caso de un fallo de la red de alimentación de tensión 14 durante un intervalo de tiempo de hasta 10 segundos. Puesto que el 97% de todas las caídas normales de red en la red de alimentación de corriente están en intervalos de tiempo que son menores de 10 segundos, la energía en el almacenamiento de rueda volante 50 es suficiente para el 97% de todos los fallos de la red de alimentación de corriente 14.

En caso de que el fallo de la red de alimentación de corriente dure más de 10 segundos, entonces en una forma de realización del sistema conforme a la invención puede estar previsto un control adicional que sirva para la desconexión de la red de suministro de corriente.

De modo alternativo, se puede considerar el hecho de acoplar la máquina de conversión 22 con un grupo diesel, y en caso de un fallo de la red de alimentación de corriente 14 de más de 10 segundos, arrancar el grupo diesel, que entonces acciona el inducido 28 de la máquina de conversión 22, para garantizar la tensión en la red de suministro de corriente 10 durante un intervalo de tiempo mayor. En este caso, la energía almacenada en el almacenamiento de rueda volante 50 sirve en un fallo de este tipo de la red de alimentación de corriente 14, en primer lugar, para puentear el tiempo hasta que el grupo diesel ha alcanzado la máxima potencia.

Tan pronto como el grupo diesel se haya hecho cargo de modo primario del accionamiento del inducido 28, el sistema de conversión 40 con el almacenamiento de rueda volante 50 sigue sirviendo del modo descrito anteriormente para estabilizar la tensión en la red de suministro de corriente, por ejemplo en saltos de carga en la red de suministro de corriente, y con ello, sirve para apoyar al grupo diesel.

Claims (26)

1. Sistema para la estabilización de una red de suministro de corriente, que comprende

una bobina de choque (12) que une la red de suministro de corriente (10) con una red de alimentación de corriente (14),

un sistema de conversión (20) conectado a la red de suministro de corriente (10) con una máquina de conversión (22) que presenta un inducido (28) y al menos un devanado trifásico (24),

en el que el sistema de conversión (20) comprende un almacenamiento de rueda volante (50) con una máquina (52) eléctrica y una rueda volante (54) acoplada con ésta,

en el que en el sistema de conversión (20) el almacenamiento de rueda volante (50) está acoplado eléctricamente con la máquina de conversión (22) de tal manera que el almacenamiento de rueda volante (50) puede consumir potencia de la máquina de conversión (22), o bien puede proporcionársela,

caracterizado porque el sistema de conversión (20) presenta un sistema de conversión (40) que acopla eléctricamente un devanado trifásico (24, 26) de la máquina de conversión (22) con una máquina síncrona (52) del almacenamiento de rueda volante (50), y porque está previsto un control (80) que registra la tensión de la red de suministro de corriente (10) y de la red de alimentación de corriente (14), y controla el sistema de conversión (40) de tal manera que la máquina de conversión (22), por medio del consumo de potencia o del suministro de potencia, estabiliza la tensión de la red de suministro de corriente (10) a un valor prefijado.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de conversión (40) comprende al menos un circuito convertidor (42) con dos convertidores (44, 46) acoplados por medio de un circuito intermedio de corriente continua (48).

3. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada uno de los convertidores (44, 46) se puede conmutar entre una función de rectificador y una función de ondulador.

4. Sistema según la reivindicación 3, caracterizado porque los convertidores (44, 46) se pueden controlar por medio del control (80) de tal manera que en un circuito convertidor (42) uno de los convertidores (44, 46) trabaja en la función de rectificador, y el otro (46, 44) trabaja en la función de ondulador.

5. Sistema según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el sistema de conversión (40) comprende varios circuitos convertidores (42a, b) conectados en paralelo.

6. Sistema según la reivindicación 5, caracterizado porque los convertidores (44, 46) de un circuito convertidor (42) se emplean por el control (80) preferentemente para la entrega de potencia a la máquina de conversión (22) o para el consumo de potencia de la máquina de conversión (22).

7. Sistema según una de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque en el circuito intermedio de corriente continua (48) de cada circuito convertidor (42) está dispuesta una bobina de choque (49).

8. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la bobina de choque está conformada entre la red de alimentación de corriente y la red de suministro de corriente como bobina de choque de acoplamiento (12), y porque la máquina de conversión (22) está unida con una toma intermedia (12c) de la bobina de choque de acoplamiento (12').

9. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado porque la reactancia mutua de la bobina de choque de acoplamiento (12') se corresponde aproximadamente con la reactancia subtransitoria de la máquina de conversión (22).

10. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tensión generada por la máquina de conversión (22) se puede controlar por medio de un devanado excitador (30) del inducido (28).

11. Sistema según la reivindicación 10, caracterizado porque el devanado excitador (30) se puede excitar sin escobillas.

12. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la excitación de la máquina de conversión (22) se controla de modo correspondiente a la tensión en la red de suministro de corriente (10).

13. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la máquina de conversión (22) presenta un único devanado trifásico (24) que está unido con la red de suministro de corriente (10) y con el sistema de conversión (40).

14. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la máquina de conversión (22) presenta un primer y un segundo devanado trifásico (24, 26).

15. Sistema según la reivindicación 14, caracterizado porque el primer devanado trifásico (24) y el segundo devanado trifásico (26) presentan el mismo número de polos.

16. Sistema según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque el primer devanado trifásico (24) y el segundo devanado trifásico (26) están dispuestos en un paquete de soporte (126) común.

17. Sistema según la reivindicación 16, caracterizado porque el primer devanado trifásico (24) y el segundo devanado trifásico (26) están dispuestos en ranuras especiales.

18. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el inducido (28) presenta un devanado amortiguador (128).

19. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el almacenamiento de rueda volante (50) presenta una rueda volante (54) que rota alrededor de un eje (104) vertical.

20. Sistema según la reivindicación 19, caracterizado porque la rueda volante (54) está dispuesta en un cojinete (100) de modo colgante.

21. Sistema según la reivindicación 20, caracterizado porque el cojinete (100) está conformado como cojinete magnético.

22. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un inducido (58) de la máquina síncrona (52) está asentado sobre un árbol (102) de la rueda volante (54).

23. Sistema según la reivindicación 22, caracterizado porque la rueda volante (54) está dispuesta en la parte del inducido (58) opuesta al cojinete magnético (100).

24. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la máquina síncrona (52) está asignada a una máquina excitadora (62).

25. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema de conversión (20), en el caso de un fallo de una alimentación de corriente por medio de la red de alimentación de corriente (14) entrega toda la potencia consumida en la red de suministro de corriente (10).

26. Sistema según la reivindicación 25, caracterizado porque la máquina de conversión (22) se puede accionar con un accionamiento motor, para puentear un fallo de la red de alimentación de corriente (14).