ES2349829T3 - Dispositivo de regulación de tensión. - Google Patents

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ES2349829T3 ES05773146T ES05773146T ES2349829T3 ES 2349829 T3 ES2349829 T3 ES 2349829T3 ES 05773146 T ES05773146 T ES 05773146T ES 05773146 T ES05773146 T ES 05773146T ES 2349829 T3 ES2349829 T3 ES 2349829T3
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Abstract

Dispositivo de regulación de tensión (20) que comprende un transformador (22) adaptado para conectarlo a un suministro eléctrico (11, 12, 13), unos medios de conmutación cíclica (23) conectados al transformador para controlar su tensión de salida, y unos medios (24) que reaccionan ante un aumento en la temperatura de funcionamiento del transformador y que están conectados a los medios de conmutación cíclica, a fin de controlar dicha temperatura de funcionamiento, caracterizado porque el transformador es un autotransformador (22) y porque dichos medios de conmutación cíclica aumentan dicha tensión de salida del autotransformador como reacción ante un aumento en dicha temperatura de funcionamiento para controlar así dicha temperatura de funcionamiento.

Description

La presente invención se refiere al control de la tensión en el suministro eléctrico de una propiedad con el objeto de ahorrar energía y mejorar el rendimiento y 5 prolongar la vida útil de los aparatos eléctricos conectados al suministro, y también se refiere a un dispositivo de regulación de tensión para dicho fin.
En muchas regiones del mundo, las compañías de distribución de electricidad suministran energía a los 10 consumidores en el límite superior de un intervalo de tensiones permitido. Por ejemplo, en el Reino Unido y en ciertas regiones del mundo, la tensión de alimentación típica puede ser de aproximadamente 240 voltios, mientras que el intervalo de tensiones permitido por la normativa 15 europea es de 216 a 252 V. Reducir la tensión suministrada hasta, pongamos por caso, 230 V no tendría ningún impacto negativo sobre el consumidor y, de hecho, se pueden obtener muchas ventajas manteniendo el suministro en 230 V. Entre estas ventajas se incluyen una reducción en el 20 coste de la energía consumida, un aumento en la vida media de los aparatos eléctricos y una reducción en el exceso de emisiones de CO2 causadas por suministrar electricidad a un nivel alto de tensión que resulta excesivo. Se ha demostrado que una reducción del 5% en la tensión 25 producirá una reducción media en el consumo de energía del 8%.
Los aparatos eléctricos más recientes que se fabrican para su uso en Europa están diseñados para funcionar a una tensión nominal de 230V. Si estos aparatos 30 se ponen en marcha a una tensión más alta, se reducirá su vida media. Con la tensión que se suministra normalmente, a un nivel de 240V o superior, esto supone no solo un despilfarro de energía, sino un acortamiento considerable de la vida media de, por ejemplo, las bombillas y de 35
artículos de consumo caros como pueden ser los televisores.
El ahorro de energía y la reducción de las emisiones de carbono se encuentran entre las principales prioridades para la mayoría de los gobiernos. Con el aumento de la 5 demanda a la que se someten las redes de energía eléctrica, los gobiernos buscan nuevas fuentes de generación de energía al tiempo que deben cumplir los acuerdos del Protocolo de Kyoto sobre reducción de emisiones de CO2. De este modo, la adopción generalizada 10 de un dispositivo de regulación de tensión particularmente, aunque no exclusivamente, para usos domésticos y comerciales daría lugar a un sistema de gestión de la energía distribuida que reduciría la demanda de energía que sufren las redes de energía eléctrica y 15 ayudaría a reducir las emisiones causadas por las centrales de energía.
Por lo tanto, la presente invención tiene por objeto proporcionar un dispositivo de regulación de tensión que se pueda instalar fácilmente en una propiedad y que sea lo 20 suficientemente compacto y barato de fabricar para animar a los consumidores a que adquieran y utilicen dicho dispositivo. Los dispositivos de regulación de tensión son conocidos. El documento EP-A-1294087 describe un dispositivo de regulación de tensión que comprende un 25 transformador adaptado para conectarlo a un suministro eléctrico, unos medios de conmutación cíclica conectados con el transformador para controlar su tensión de salida, y unos medios que reaccionan ante un aumento en la temperatura de funcionamiento del transformador y están 30 conectados con los medios de conmutación cíclica con el fin de controlar dicha temperatura de funcionamiento.
También se conocen mecanismos similares que consisten en un autotransformador conectado al suministro eléctrico y que incluye unos medios de conmutación de 35
modulación de anchura de impulsos (PWM) o ángulo de fase que se pueden usar para conectar y desconectar el autotransformador del circuito cuando se precise para determine y controlar la tensión de salida suministrada a los aparatos. El control PWM se usa para variar la 5 duración del periodo de tiempo en el que el autotransformador está conectado y desconectado del circuito para controlar su tensión de salida. El dispositivo de regulación de tensión se usa para conmutar cargas inductivas. Se suelen usar circuitos de 10 amortiguación con pérdidas para conmutar cargas inductivas, pero se puede usar un método de conmutación suave para mejorar la eficiencia del dispositivo de regulación de tensión. Tal dispositivo se describe en un artículo de Prasad N. Enjeti titulado “An approach to 15 realize higher power PWM ac controller”, publicado en las actas de conferencias APEC del IEEE celebradas en 1993, y en la patente de EE.UU. 5747972. Estas publicaciones describen el uso de un autotransformador en una formación de tipo reductor (“buck”) conectado a un suministro de 20 electricidad y controlado mediante un controlador PWM para determinar una tensión de consigna que, para Europa, puede ser de 230V. El autotransformador se usa para regular la tensión de uso doméstico reduciendo la tensión hasta un valor de consigna si es demasiado alta o aumentándola 25 hasta el valor de consigna si es demasiado baja. El dispositivo descrito en el documento US574972 se aplica conectándolo al suministro de electricidad entrante a una propiedad, de manera que el dispositivo regule todo el suministro de energía a esa propiedad que incluye cargas 30 predominantemente resistivas, tales como cocinas eléctricas y duchas eléctricas, así como cargas altamente inductivas, tales como calderas, frigoríficos, etc.
En la típica residencia del Reino Unido, la unidad del consumidor a menudo está protegida por un interruptor 35
conmutador de 100 amperios y, de este modo, en cualquier dispositivo de regulación de tensión adaptado para su conexión a todos los circuitos se debe establecer un valor nominal para la corriente máxima de 100 amperios. Esto requiere un autotransformador que posea un valor nominal 5 del orden de 24kVA, lo cual resulta muy grande físicamente, pesado y caro. Por ejemplo, puede tener un exceso de peso de 35 kg y, en muchos casos, su coste compensaría su valor para controlar los niveles de tensión en el ámbito doméstico. Por lo tanto, para que un 10 regulador de tensión resulte eficaz y económicamente viable, se debe reducir considerablemente su tamaño, peso y coste.
Los ensayos han confirmado que algunas cargas obtienen grandes beneficios de la regulación de tensión, 15 por ejemplo, los circuitos de iluminación, frigoríficos/congeladores y aparatos que contengan motores o transformadores, mientras que las cargas resistivas de calentamiento, tales como las duchas, calentadores de inmersión y cocinas eléctricas, no se benefician del 20 control de tensión. Las cargas que obtienen beneficios del control de tensión tienden a representar la mayoría de la carga base de una propiedad y son responsables de la mayor parte del consumo de energía eléctrica (kWh). El control de tensión de los circuitos que contienen estas cargas 25 logrará los mayores niveles de ahorro al tiempo que minimiza el tamaño del autotransformador. Las cargas que no se benefician del control de tensión constituyen la mayor parte de las cargas de pico de corta duración que dan lugar a que en la conexión de la propiedad a la red Se 30 establezca un valor nominal de corriente mucho más alto que el que se exigiría a la carga base. Por lo tanto, no se controlarían los circuitos específicos que contienen cargas tales como cocinas eléctricas, duchas eléctricas y calentadores de inmersión. 35
La reducción del tamaño del autotransformador se ha logrado de acuerdo con la presente invención, proporcionando las características de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.
Los medios de respuesta a la temperatura pueden 5 consistir en un termistor adaptado continuamente para medir la temperatura del autotransformador, o un cálculo de un modelo térmico para estimar la temperatura del núcleo del autotransformador, y, en el caso de que se produzca un aumento de dicha temperatura, para hacer que 10 la lógica de la conmutación aumente la tensión de salida del autotransformador.
El dispositivo puede incluir un conmutador de derivación de accionamiento automático para cortocircuitar el autotransformador si su tensión de salida es 15 sustancialmente igual a la del suministro eléctrico.
El dispositivo puede estar contenido en una unidad eléctrica de consumidor de tipo doméstico, en la que se proporcionan al menos dos terminales de salida, al menos uno de los cuales está destinado a suministrar energía 20 eléctrica a uno o más circuitos que se beneficiarán de la regulación de tensión, y al menos otro está destinado a suministrar energía eléctrica a uno o más circuitos que no se benefician de la regulación de tensión, y el dispositivo está conectado entre la red de suministro 25 eléctrico y el circuito o cada uno de los circuitos que se beneficiarán de la regulación de tensión.
Ahora se describirá una forma de realización de la invención, únicamente a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que: 30
la fig. 1 es una ilustración de la manera en que se puede incorporar el dispositivo de regulación de tensión de acuerdo con la invención a una unidad de consumidor de tipo doméstico; y
la fig. 2 es un diagrama de bloques de circuito del 35
dispositivo de regulación de tensión incorporado en el mismo.
En que respecta a la presente descripción, se supondrá que el dispositivo de regulación de tensión está adaptado para conectarlo a un suministro eléctrico 5 variable que opera en un intervalo de 230V más o menos 10%, que es el intervalo reglamentario exigido por la legislación europea sobre energía eléctrica, y también se supondrá que el dispositivo debe mantener una tensión de salida constante de 230V. 10
Haciendo referencia ahora a la fig. 1, una unidad de consumidor de tipo doméstico se representa con el número 10 y se alimenta con electricidad procedente de un contador 11 que posee unos terminales de salida activo y neutro 12 y 13 respectivamente. Dentro de la unidad del 15 consumidor 10, el suministro activo se divide para alimentar dos terminales de salida activos 14 y 15 y un terminal de salida neutro 16. Se incluyen MCB u otros dispositivos de seguridad 17 en la alimentación de cada uno de los terminales 14 y 15. Los terminales 14 y 16 20 están conectados mediante un seccionador 18 directamente con los terminales 12 y 13, a través de los MCB asociados 17, en el caso del terminal 14.
De acuerdo con la invención, el terminal de salida 15 está conectado con el terminal activo 12 a través de un 25 fusible 19 y, en esta forma de realización, un dispositivo de regulación de tensión 20 conectado con una unidad de medición de tensión 21 para proporcionar la realimentación para controlar el dispositivo 20. La unidad de medición de tensión 21 también se podría conectar entre el fusible 19 30 y el dispositivo de regulación de tensión 20, para proporcionar el control de anticipación de la alimentación del dispositivo 20.
Haciendo referencia ahora a la fig. 2, el dispositivo de regulación de tensión 20 comprende un 35
autotransformador conmutado 22, un microcontrolador 23, un dispositivo de medición de temperatura 24, el dispositivo de medición de tensión 21 y un conmutador de derivación 26.
El microcontrolador 23 incluye una lógica de 5 conmutación 25 y una unidad de modulación de anchura de impulsos (PWM)/control ángulo de fase 27. La lógica de conmutación está diseñada para producir una señal representativa de un valor de consigna de tensión apropiado para la aplicación del dispositivo cuya señal se 10 introduce en la unidad PWM 27 para controlar la conmutación cíclica del autotransformador 22.
Tal como se ha descrito, el dispositivo de regulación de tensión está adaptado para suministrar una tensión constante predeterminada (valor de consigna) a los 15 circuitos que se beneficiarán de la regulación de tensión conectados en el circuito, al terminal 15 de la unidad del consumidor. Los circuitos que no se beneficiarán de la regulación de tensión se conectan directamente al suministro en el terminal 14. 20
La corriente absorbida por el circuito regulado se encontrará normalmente en el entorno de los 3 amperios o menos, pero variará de acuerdo con el número de aparatos que se estén usando en un momento determinado. Se acepta generalmente que, aproximadamente, en el 30% de cada 25 periodo de veinticuatro horas, la demanda baja normalmente hasta los 0,5 amperios absorbidos por dispositivos tales como televisores y otros componentes eléctricos que se encuentran en modo de reposo. En otro 65% del tiempo, la carga se encuentra normalmente entre 1 y 4 amperios, pero 30 durante periodos cortos de aproximadamente una hora esta demanda puede aumentar hasta un valor del orden de 20 amperios, por ejemplo, cuando se estén usando lavadoras y secadoras. También se sabe que se pueden producir demandas momentáneas ocasionales de, posiblemente, hasta 40 35
amperios durante cortos periodos de tiempo de quizás quince minutos en cada periodo de veinticuatro horas.
De este modo, se puede establecer para el autotransformador 22 un valor nominal para una carga base de, pongamos por caso, 20 amperios, en lugar del valor 5 nominal completo o máximo del circuito de suministro, que podría ser, por ejemplo, de 100 amperios, es decir, menos de un cuarto del valor máximo que se puede obtener de un transformador aislante monofásico de 500VA reconfigurado para producir un autotransformador de 5kVA capaz de 10 suministrar 20 amperios de manera continua. Este dispositivo es compacto y tiene un peso del orden de 3,5 kg y, por tanto, resulta lo suficientemente pequeño y ligero para incorporarlo en una unidad de consumidor estándar. Este pequeño transformador es también 15 relativamente barato de fabricar.
Como se indica anteriormente, hay momentos en los que la demanda a la que se somete el dispositivo de regulación de tensión puede superar los 20 amperios y, en tales circunstancias, el autotransformador comenzará a 20 calentarse. Para ello, se proporciona un componente detector de temperatura tal como un termistor que esté conectado en un bucle de realimentación con el autotransformador a través de la lógica de conmutación 25 del microcontrolador 23. De este modo, la conmutación 25 cíclica del autotransformador, al aumentar su temperatura, se ajustará para aumentar la tensión de salida, reduciendo de este modo el esfuerzo que realiza el autotransformador y permitiendo que se enfríe. Se aumentará gradualmente el valor de consigna de tensión, de forma que se no se 30 produzcan cambios apreciables en el rendimiento de los aparatos eléctricos que estén funcionando en el momento en que se aumenta la tensión. Otra posibilidad consiste en usar un modelo térmico para estimar la temperatura del núcleo del autotransformador. La temperatura estimada se 35
puede usar del mismo modo que se describe anteriormente para ajustar la conmutación cíclica del autotransformador. Esto proporciona un mecanismo para reducir el esfuerzo realizado por el autotransformador, permitiendo que se enfríe. 5
En momentos de carga intensa, la temperatura del autotransformador puede aumentar hasta un nivel en el que la lógica de conmutación aumente su valor de consigna de la tensión hasta un nivel en el que se equipare sustancialmente a la tensión de entrada. En este punto, 10 la lógica de conmutación accionará automáticamente el conmutador de derivación 26 de este modo, para retirar el autotransformador del circuito hasta que se haya enfriado adecuadamente, lo cual se detectará mediante el termistor 24 o el modelo térmico. 15
Se observará que, mediante las suposiciones de carga estimada y controlando el autotransformador de esta manera en las raras ocasiones en las que se aplique una carga excesiva, es posible proporcionar un transformador mucho más pequeño y menos caro de lo que sería necesario para 20 soportar esas altas cargas sin un control de temperatura. Esto permite adoptar un transformador compacto, ligero y barato, que se puede alojar fácilmente en una unidad de consumidor estándar del tipo usado en un entorno doméstico. El control sobre la tensión suministrada por 25 dicha unidad de consumidor a los circuitos que se beneficiarán de la regulación de tensión da lugar a un considerable ahorro en los costes del consumo de energía y compensa con creces el coste añadido de una unidad de consumidor provista de tal dispositivo. A su vez, el 30 consumo de energía a una tensión global reducida sirve para garantizar una reducción en la demanda de energía global a la que se somete la red de suministro y una reducción en las emisiones de CO2 producidas por las centrales de energía. 35
No se pretende limitar la invención a los detalles descritos. Por ejemplo, un dispositivo de regulación de tensión compacto del tipo descrito puede situarse fuera de la unidad del consumidor pero junto a la misma, y por tanto, quizá disponible como dispositivo para conectarlo a 5 una unidad de consumidor existente con unos mínimos ajustes en los circuitos situados en su interior, para dividir los circuitos de suministro en dos partes, una para los circuitos que no se beneficiarán de la regulación de tensión, y otra para los circuitos que se beneficiarán 10 de la regulación de tensión, en los que una tensión reducida y constante ahorrará energía y prolongará la vida útil de los aparatos.
Además, el dispositivo se puede construir y accionar con diferentes niveles de tensión, como por ejemplo, los 15 propios de otros países.
Al tiempo que se proporciona un ahorro de energía, el dispositivo de regulación de tensión también proporcionará un nivel de corrección de factor de potencia para los circuitos que regula. La densidad de flujo en 20 circuitos de hierro es proporcional a la tensión, y cuanto mayor sea la densidad de flujo, mayores serán las pérdidas en el hierro en el circuito. Por lo tanto, al reducir la tensión se producirá una reducción en la densidad de flujo, y una reducción correspondiente en las pérdidas en 25 el hierro. Esto dará lugar a un factor de potencia mejorado para el circuito. Esta mejora en el factor de potencia beneficiará a las compañías de distribución, transmisión y generación.
30
REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIÓN
La presente lista de referencias citadas por el solicitante tiene el único fin de servir de ayuda al lector. No forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha prestado la mayor atención al recopilar las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones, y la EPO niega toda responsabilidad a este respecto.
Documentos de patente citados en la descripción
· EP 1294087 A [0005] · US 574972 A [0006]
· US 5747972 A [0006]
Literatura no patente citada en la descripción
· An approach to realize higher power PWM ac controller. Prasad N. Enjeti. Actas de la conferencia APEC del IEEE celebrada en 1993. [0006]

Claims (18)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de regulación de tensión (20) que comprende un transformador (22) adaptado para conectarlo a un suministro eléctrico (11, 12, 13), unos medios de 5 conmutación cíclica (23) conectados al transformador para controlar su tensión de salida, y unos medios (24) que reaccionan ante un aumento en la temperatura de funcionamiento del transformador y que están conectados a los medios de conmutación cíclica, a fin de controlar 10 dicha temperatura de funcionamiento, caracterizado porque el transformador es un autotransformador (22) y porque dichos medios de conmutación cíclica aumentan dicha tensión de salida del autotransformador como reacción ante un aumento en dicha temperatura de funcionamiento para 15 controlar así dicha temperatura de funcionamiento.
  2. 2. Dispositivo de regulación de tensión según la reivindicación 1, en el que los medios de conmutación cíclica funcionan mediante una modulación de anchura de 20 impulsos (27) o control de ángulo de fase.
  3. 3. Dispositivo de regulación de tensión según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el autotransformador posee un valor nominal establecido para 25 una carga base de un circuito alimentado en lugar del valor nominal de máxima corriente del circuito alimentado.
  4. 4. Dispositivo de regulación de tensión según la reivindicación 3, en el que el autotransformador posee un 30 valor nominal establecido de manera que la carga base no sea superior a un cuarto del valor nominal de máxima corriente del circuito alimentado.
  5. 5. Dispositivo de regulación de tensión según 35
    cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el autotransformador posee un valor nominal establecido para suministrar una corriente constante no superior a 50 amperios.
    5
  6. 6. Dispositivo de regulación de tensión según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el autotransformador posee un valor nominal establecido para suministrar una corriente constante no superior a 20 amperios. 10
  7. 7. Dispositivo de regulación de tensión según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los medios de conmutación cíclica comprenden un microcontrolador (23) que incluye un dispositivo de 15 modulación de anchura de impulsos o control de ángulo de fase (27) para conmutar cargas eléctricas sin necesidad de circuitos amortiguadores.
  8. 8. Dispositivo de regulación de tensión según 20 cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el ciclo de servicio de los medios de conmutación cíclica se puede ajustar para determinar un valor de consigna para dicha tensión de salida.
    25
  9. 9. Dispositivo de regulación de tensión según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los medios de respuesta a la temperatura (24) consisten en un termistor, o un modelo térmico, adaptados continuamente para estimar o medir la temperatura de trabajo del 30 autotransformador y, en el caso de que se produzca un aumento en dicha temperatura, para hacer que la lógica de conmutación aumente el valor de consigna del autotransformador.
    35
  10. 10. Dispositivo de regulación de tensión según la reivindicación 8, en el que los medios de conmutación cíclica están configurados para aumentar gradualmente el valor de consigna a lo largo de un periodo predeterminado para generar una rampa ascendente en la tensión de salida. 5
  11. 11. Dispositivo de regulación de tensión según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye un conmutador de derivación (26) de accionamiento automático para cortocircuitar el autotransformador si su 10 tensión de salida es sustancialmente igual a la del suministro eléctrico.
  12. 12. Dispositivo de regulación de tensión según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que 15 el ciclo de servicio de los medios de conmutación cíclica se modula mediante una medición (21) de la tensión de salida del autotransformador.
  13. 13. Dispositivo de regulación de tensión según una 20 cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el ciclo de servicio de los medios de conmutación cíclica se modula mediante una medición de la tensión de entrada del transformador.
    25
  14. 14. Unidad de consumidor (10) que comprende un dispositivo de regulación de tensión (20) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en la que la unidad de consumidor está adaptada para conectarla a una red de suministro eléctrico (11, 12, 13) para una propiedad y en 30 la que se proporcionan al menos dos conjuntos de terminales de salida (14, 15), al menos uno (14) de los cuales está destinado a suministrar energía eléctrica a uno o más circuitos cuyas cargas no se beneficiarán de la regulación de tensión, y al menos otro circuito (15) cuyas 35
    cargas se beneficiarán de la regulación de tensión, y el dispositivo de regulación de tensión está conectado entre la red de suministro eléctrico y los circuitos cuyas cargas se beneficiarán de dicha regulación de tensión.
    5
  15. 15. Unidad de consumidor según la reivindicación 14 contenida en una carcasa individual de la unidad del consumidor y que incluye en su interior al menos un interruptor miniaturizado (17) para circuitos no regulados por el dispositivo de regulación de tensión y al menos un 10 interruptor miniaturizado (17) para circuitos regulados por el dispositivo de regulación de tensión.
  16. 16. Unidad de consumidor según la reivindicación 14 o la reivindicación 15, en la que el dispositivo de regulación 15 de tensión posee un valor nominal establecido para la carga base en lugar del valor nominal de máxima carga del circuito o cada uno de los circuitos cuyas cargas se beneficiarán de la regulación de tensión.
    20
  17. 17. Unidad de consumidor según una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en la que la red de suministro eléctrico es monofásica.
  18. 18. Unidad de consumidor según una cualquiera de las 25 reivindicaciones 14 a 16, en la que la red de suministro eléctrico es trifásica.
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