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