ES2917073A1 - Procedimiento para el mantenimiento del campo magnetico en maquinas de induccion trifasicas ante perturbaciones de las tensiones de la red - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el mantenimiento del campo magnético en máquinas de inducción trifásicas ante perturbaciones de las tensiones de la red. La invención describe un procedimiento para el mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas ante perturbaciones de tensiones de la red eléctrica mediante conexión de un dispositivo de mantenimiento del campo magnético. El procedimiento comprende: a) calcular las reactancias magnetizantes {IMAGEN-01} de cada fase de la máquina de inducción trifásica en base a los datos de catálogo del fabricante; b) obtener los fasores correspondientes a las componentes de secuencias positiva y negativa de las tensiones, a la frecuencia fundamental {IMAGEN-02} aplicando el teorema de Fortescue; c) determinar el grado de desequilibrio {IMAGEN-03} y el factor de reducción (FRV) de las tensiones de la red; d) calcular la capacidad (CY) de los condensadores del dispositivo; y e) determinar las impedancias de cada fase de la conexión en triángulo equivalente a la acción del convertidor electrónico del dispositivo sobre la máquina de inducción.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para el mantenimiento del campo magnético en máquinas de inducción trifásicas ante perturbaciones de las tensiones de la red
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere de manera general al campo de los dispositivos activos y pasivos encargados de mantener el campo magnético principal de las máquinas de inducción trifásicas ante perturbaciones de las tensiones de la red eléctrica trifásica en la que se encuentran instaladas dichas máquinas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El correcto funcionamiento y la estabilidad de las máquinas eléctricas de inducción trifásicas (por ejemplo, generadores, motores y transformadores) está determinado por el valor y la forma de su campo magnético giratorio. En presencia de tensiones sinusoidales y equilibradas, de valor nominal, y sin la existencia de defectos en sus devanados, el campo magnético giratorio es circular y el funcionamiento de estas máquinas es el más adecuado y estable. En estas condiciones de funcionamiento, las máquinas de inducción trifásicas absorben sólo potencias reactivas de frecuencia fundamental (50 - 60 Hz) y secuencia positiva para crear sus campos magnéticos.
Estas potencias reactivas deben suministrarse por una fuente externa, pues las máquinas de inducción son receptores inductivos.
El interés por la potencia reactiva de frecuencia fundamental y secuencia positiva queda patente en la introducción de la norma IEEE 1459-2010, en la que se establece que la potencia reactiva de secuencia positiva fundamental es de suma importancia en sistemas de energía; rige la magnitud de tensión fundamental y su distribución a lo largo de los elementos de alimentación y afecta a la estabilidad electromecánica así como a la pérdida de energía.
Las perturbaciones en las tensiones de la red eléctrica, tales como huecos de tensión, microcortes, fluctuaciones, entre otras, suelen ser causa de disminución de la potencia
reactiva de frecuencia fundamental y secuencia positiva y, por tanto, dar lugar a la desmagnetización de las máquinas de inducción trifásicas. Las consecuencias de esta desmagnetización son especialmente importantes en el caso de los generadores asíncronos o asincrónicos utilizados en las centrales eólicas. La presencia de huecos de tensión puede llevar a la desconexión de estos generadores de la red eléctrica, lo cual no está permitido por los códigos de red de numerosos países, tal como se estableció en los siguientes estudios :
- J. Montañana, V. León, etal. "Estimation of Wind Farms Working in Presence of Voltage Dips Using the IEEE Std. 1459-2000”. DOI: 10.1109/PSCE.2009.4839960.
- V. León, J. Montañana, et al. “Verification of the reactive power requirements in wind farms”. DOI: 10.1109/PTC.2009.5281874.
De todo lo anterior, se constata el interés por mantener invariable la potencia reactiva de frecuencia fundamental y secuencia positiva, de valor igual al nominal, con objeto de evitar inadecuados funcionamientos causados por la desmagnetización de las máquinas de inducción trifásicas en presencia de perturbaciones de las tensiones aplicadas a las mismas.
No obstante, los dispositivos actualmente conocidos en la bibliografía técnica son inadecuados para mantener el valor de la potencia reactiva fundamental de secuencia positiva y, por tanto, mantener el campo magnético de las máquinas de inducción ante disminuciones significativas de las tensiones de la red. En efecto, los dispositivos pasivos tales como los bancos de condensadores y el compensador de potencia reactiva de Jeon y Willems, descrito en el artículo: Jeon, S.-J.; Willems, J.L. "Reactive power compensation in a multi-line system under sinusoidal unbalanced conditions”. Int. Journal Circuit Theory Appl. 2010, vol. 39, págs. 211-224, DOI: 10.1002/cta.629, se usan como compensadores de la potencia reactiva total (cuyas componentes son las potencias reactivas de secuencias positiva, negativa y homopolar), pero la potencia reactiva que suministran estos dispositivos se ve afectada y disminuye con los valores de las tensiones de la red eléctrica. Lo mismo ocurre con los compensadores activos de potencia reactiva conocidos en la bibliografía técnica, tales como los SVC y los STATCOM.
Recientemente, se ha publicado el siguiente artículo:
- Elisa Peñalvo, Vicente León, Joaquín Montañana, et. al. "Passive Reactive Power Compensators for Improving the Sustainability of Three-Phase, Four-Wire Sinusoidal
Systems Supplied by Unbalanced Voltages”. DOI: 10.3390/su132011134.
En ese artículo, por primera vez en la bibliografía técnica, se han desarrollado dispositivos capaces de compensar por separado cada componente de la potencia reactiva (de secuencias positiva, negativa y homopolar) absorbida por las instalaciones eléctricas. Estos dispositivos son más selectivos en la compensación de la energía reactiva que los anteriormente existentes en la bibliografía técnica, ya que, si fuera necesario, podrían compensar cada componente de la potencia reactiva sin afectar a la totalidad. El artículo anterior se aplicó a la reducción de pérdidas en los transformadores de las redes de distribución. No obstante, ninguno de los dispositivos que se describen en ese artículo podría aplicarse para mantener invariable el campo magnético de esos transformadores (o de cualquier otra máquina de inducción, en general) frente a disminuciones en el valor de las tensiones de la red de distribución, dado que la potencia reactiva de secuencia positiva suministrada por algunos de los compensadores citados en el artículo anterior disminuye con el valor de la tensión.
Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de proporcionar un procedimiento para el mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas (por ejemplo, generadores, motores y transformadores) que supere los inconvenientes mencionados anteriormente.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Para superar los inconvenientes de la técnica anterior, un objetivo de la presente solicitud es proporcionar un procedimiento para el mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas (por ejemplo, generadores, motores y transformadores) mediante conexión de un dispositivo de mantenimiento del campo magnético. Este objetivo se consigue manteniendo invariable, en su valor nominal, la potencia reactiva de secuencia positiva propia de dichas máquinas, ante perturbaciones de las tensiones de la red eléctrica. Mediante el procedimiento según la presente invención, tal como se describirá más adelante, es posible:
1) o bien suministrar a la máquina la disminución de potencia reactiva de secuencia positiva producida como consecuencia de la reducción en el valor de las tensiones, por la perturbación,
2) o bien, absorber el exceso de potencia reactiva de secuencia positiva en el caso, menos frecuente, en que las perturbaciones ocasionen un aumento en el valor
de las tensiones de la red.
En una realización preferida de la presente invención, el dispositivo de mantenimiento del campo magnético está constituido por dos circuitos trifásicos, uno activo, formado por un convertidor electrónico, y el otro pasivo, constituido por condensadores. El efecto del convertidor sobre las bobinas de la máquina de inducción es equivalente al que produciría una conexión de impedancias, en triángulo desequilibrado, directamente conectada a la conexión en estrella equilibrada, que forman los condensadores.
La conexión en triángulo está formada por dos impedancias asociadas en serie, en cada fase, es decir, seis en el total del dispositivo. Tres de esas impedancias tienen aplicadas las tensiones de secuencia positiva de cada fase de la red eléctrica, en tanto que las otras tres, dispuestas en serie con las primeras, están sometidas a las componentes de secuencia negativa de esas tensiones. Las tres impedancias sometidas a tensiones de secuencia positiva absorben, en conjunto, la potencia reactiva nominal (de secuencia positiva) de la máquina de inducción, cuyo campo magnético se desea mantener invariable, aun cuando haya cambiado el valor de las tensiones de la red. La potencia reactiva de las tres impedancias sometidas a tensiones de secuencia negativa es cero, ya que cada fase de la conexión en triángulo se recorre por corrientes de secuencia positiva.
Cada fase de la conexión en estrella está formada por un condensador de impedancia igual a la reactancia magnetizante de cada fase de la máquina de inducción. La potencia reactiva total de esta conexión es exactamente igual, pero tiene signo contrario, a la que absorbe la máquina para las diferentes condiciones de las tensiones de la red. De esta manera, la potencia reactiva del conjunto dispositivo de mantenimiento del campo magnético-máquina es igual, de acuerdo con el teorema de Boucherot, a la potencia reactiva de secuencia positiva, nominal de la máquina de inducción, para cualquier valor de la tensión de la red eléctrica.
De forma general, la conexión en estrella de los dispositivos de mantenimiento del campo magnético de los generadores y motores de inducción no tiene conductor neutro. Asimismo, la conexión en estrella de los dispositivos de mantenimiento del campo magnético de los transformadores tampoco tiene conductor neutro, siempre que estos dispositivos se conecten en el devanado primario. No obstante, en otra aplicación preferida, la conexión en estrella de los condensadores debe estar equipada con un conductor neutro
si el dispositivo de mantenimiento del campo magnético se dispone en el secundario del transformador.
En aquellas aplicaciones en que la conexión en estrella de los dispositivos de mantenimiento del campo magnético no tiene conductor neutro, estos dispositivos pueden reducirse a una única conexión en triángulo, tras convertir la conexión en estrella de condensadores a triángulo equivalente, por aplicación del teorema de Kennelly.
Por tanto, para mantener invariable el campo magnético de las máquinas de inducción trifásicas, la presente invención da a conocer un procedimiento para el mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas ante perturbaciones de las tensiones de la red eléctrica mediante conexión de un dispositivo de mantenimiento del campo magnético, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
a) calcular las reactancias magnetizantes (Xm) de cada fase de la máquina de inducción trifásica en base a los datos de catálogo del fabricante a partir de la
ecuación
b) obtener los fasores correspondientes a las componentes de secuencias positiva y negativa de las tensiones, a la frecuencia fundamental (PRS+, PRS_), aplicando el teorema de Fortescue;
c) determinar el grado de desequilibrio (5) y el factor de reducción (FRV) de las tensiones de la red;
d) calcular la capacidad (CY) de los condensadores de la conexión en estrella del dispositivo, cuya reactancia (XY = - X m) es contraria a la reactancia magnetizante de la máquina de inducción; y
e) determinar las impedancias de cada fase de la conexión en triángulo equivalente a la acción del convertidor electrónico sobre la máquina de inducción;
en el que el grado de desequilibrio (5) se obtiene, en la etapa c), como un número complejo determinado por el cociente entre los fasores de dichas tensiones correspondientes a las secuencias negativa (inversa) y positiva (directa) a partir de las ecuaciones [2]:
y el factor de reducción de tensiones (FRV) se calcula, en la etapa c), como el cociente
entre las tensiones de línea de la red eléctrica, en cualquier instante, y las tensiones de línea nominales de la máquina de inducción, a partir de las ecuaciones [2] anteriores; en el que, además, en la etapa e), se calculan las impedancias correspondientes a las tensiones de secuencia positiva (ZRS+,ZST+,ZTR+), según la siguiente ecuación [4]:
ZRS+ = ZST+ = ZTR+ = 3Xm • (FRV)2 [4] así como las impedancias correspondientes a las tensiones de secuencia negativa (ZRS_,ZST_,ZTRJ), según las siguientes ecuaciones [5]:
ZRS~ = 3Xm • S • (FRV)2 ; ZST_ = a2ZRS_ ; ZTR_ = aZRS_ [5] que definen el funcionamiento de la máquina de inducción tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético.
Según una realización adicional preferida de la presente invención, el dispositivo de mantenimiento del campo magnético se reduce a una sola conexión en triángulo, sólo si la conexión en estrella no tiene conductor neutro.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención se entenderá mejor con referencia a los siguientes dibujos que ilustran realizaciones preferidas de la misma, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invención de ninguna manera:
La figura 1 representa esquemáticamente la constitución del dispositivo de mantenimiento del campo magnético según una realización preferida, con los condensadores configurados en estrella, y su conexión a una máquina de inducción trifásica sin conductor neutro.
La figura 2 representa esquemáticamente la constitución del dispositivo de mantenimiento del campo magnético según otra realización preferida, con los condensadores configurados en triángulo, y su conexión a una máquina de inducción trifásica sin conductor neutro.
La figura 3 representa esquemáticamente la constitución del dispositivo de mantenimiento del campo magnético según una realización preferida, con los condensadores conectados en estrella, y su conexión a una máquina de inducción trifásica con conductor neutro.
La figura 4 representa esquemáticamente, según una realización preferida del dispositivo
de mantenimiento del campo magnético de generadores de inducción trifásicos, el propio generador, así como la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre dicho generador y la configuración en estrella de los condensadores.
La figura 5 representa esquemáticamente, según otra realización preferida del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de generadores de inducción trifásicos, el propio generador, así como la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre dicho generador y los condensadores conectados en triángulo.
La figura 6 representa esquemáticamente, según una realización preferida del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de motores de inducción trifásicos, el propio motor, así como la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre dicho motor y la configuración en estrella de los condensadores.
La figura 7 representa esquemáticamente, según otra realización preferida del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de motores de inducción trifásicos, el propio motor, así como la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre dicho motor y los condensadores conectados en triángulo.
La figura 8 representa esquemáticamente, según una realización preferida del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de transformadores trifásicos, el propio transformador, así como la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre el primario de dicho transformador y la configuración en estrella de los condensadores.
La figura 9 representa esquemáticamente, según otra realización preferida del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de transformadores trifásicos, el propio transformador, así como la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre el primario del transformador y los condensadores conectados en triángulo.
La figura 10 representa esquemáticamente, según una realización preferida del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de transformadores trifásicos, el propio transformador, así como la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre el secundario de dicho transformador y la configuración en estrella de los
condensadores, con conductor neutro.
La figura 11 representa el circuito equivalente de las máquinas de inducción trifásicas (generadores, motores y transformadores), visto desde la red eléctrica, tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético según una realización preferida.
La figura 12 muestra un diagrama de flujo del procedimiento para la determinación de las impedancias de la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico del dispositivo de mantenimiento del campo magnético sobre cada máquina de inducción trifásica (generadores, motores y transformadores).
La figura 13 corresponde a un ensayo de laboratorio realizado para comprobar el funcionamiento del dispositivo de mantenimiento del campo magnético conectado al primario de un transformador trifásico de 2 kVA, 400/230 V, Xm = 982 ü, tal como se muestra en la figura 1, siendo: (1) autotransformadores para generar huecos de tensión; (2) pinzas del equipo de medida; (3) transformador; (4) convertidor electrónico; (5) condensadores; y (6) analizador Fluke 435.
La figura 14 muestra los gráficos de las corrientes reactivas de la máquina utilizada en el ensayo de laboratorio antes y después de la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético según una realización preferida, en presencia del hueco de tensión.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Según las realizaciones preferidas de la presente invención, se da a conocer un procedimiento para el mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas (por ejemplo, generadores, motores y transformadores) ante variaciones de la tensión aplicada, originadas por perturbaciones de la red eléctrica, mediante conexión de un dispositivo de mantenimiento del campo magnético. En concreto y de forma novedosa, el procedimiento sirve para determinar las características de los elementos de dispositivos de mantenimiento del campo magnético, que mantienen la capacidad de estas máquinas de suministrar potencia, hasta su valor nominal, aun cuando se produzcan reducciones muy significativas de la tensión de la red eléctrica.
Tal y como se muestra en las figuras 1, 2 y 3, el dispositivo de mantenimiento del campo
magnético está constituido por dos circuitos trifásicos, uno activo, formado por un convertidor electrónico, y el otro pasivo, constituido por condensadores.
Tal como se mencionó anteriormente, el procedimiento según la realización preferida de la presente invención comprende las etapas de:
a) calcular las reactancias magnetizantes (Xm) de cada fase de la máquina de inducción trifásica en base a los datos de catálogo del fabricante (es decir, los valores nominales de la máquina en cuanto a tensión y potencia reactiva de vacío), preferiblemente, a partir de la ecuación [1]:
Xm = 3
F
^
s2
r
+
= - j 3 -
V
^
&
~
.
[1]
b) tras medir las tensiones de la red eléctrica, procesando digitalmente las muestras obtenidas mediante sensores instalados en bornes de la máquina, obtener los fasores correspondientes a las componentes de secuencias positiva y negativa de las tensiones, a la frecuencia fundamental (PRS+, PRS_), aplicando el teorema de Fortescue;
c) determinar el grado de desequilibrio (S) y el factor de reducción (FRV) de las tensiones de la red;
d) calcular la capacidad (CY) de los condensadores del dispositivo, cuya reactancia (XY = - X m) es contraria a la reactancia magnetizante de la máquina de inducción; y
e) determinar las impedancias de cada fase de la conexión en triángulo equivalente a la acción del convertidor electrónico del dispositivo sobre la máquina de inducción.
Según la realización preferida de la presente invención, el grado de desequilibrio (5) se obtiene, en la etapa c), como un número complejo determinado por el cociente entre los fasores de dichas tensiones correspondientes a las secuencias negativa (inversa) y positiva (directa) a partir de las siguientes ecuaciones [2]:
y, además, el factor de reducción de tensiones (FRV) se calcula, en la etapa c), como el cociente entre las tensiones de línea de la red eléctrica, en cualquier instante, y las tensiones de línea nominales de la máquina de inducción, a partir de las ecuaciones [2] anteriores.
Según la realización preferida de la presente invención, en la etapa e), se calculan las impedancias correspondientes a las tensiones de secuencia positiva (ZRS+,ZST+,ZTR+), según la siguiente ecuación [4]:
ZRS+ = ZST+ = ZTR+ = 3Xm • (FRV)2 [4]
y también se calculan las impedancias correspondientes a las tensiones de secuencia negativa (ZRS_,ZST_,ZTRJ), según las siguientes ecuaciones [5]:
ZRS~ = 3Xm • S • (FRV)2 ; ZST_ = a2ZRS_ ; ZTR_ = aZRS_ [5] Estas impedancias correspondientes a las tensiones de secuencia positiva y negativa definen el funcionamiento de la máquina de inducción tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético.
Según una realización preferida de la presente invención, el dispositivo de mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas se aplica con los condensadores conectados en estrella, y además, en la etapa d), la reactancia compleja (Zy) y la capacidad (CY) de los condensadores se calculan a partir de las siguientes ecuaciones [3]:
Según otra realización preferida de la presente invención, el dispositivo de mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas se aplica con los condensadores conectados en triángulo, y además, en la etapa d), la reactancia compleja (ZA) y la capacidad (CA) de los condensadores se calculan mediante las siguientes ecuaciones [7]:
Esta realización es especialmente aplicable al caso de máquinas de inducción trifásicas sin conductor neutro, transformando los condensadores resultantes a una configuración en triángulo equivalente la configuración en estrella anterior, con objeto de simplificar el dispositivo a una sola configuración en triángulo.
Según otra realización preferida, en la etapa e), las impedancias (ZRS,ZST,ZTR), equivalentes al efecto que produce el convertidor electrónico del dispositivo de mantenimiento del campo magnético, se calculan mediante las siguientes ecuaciones [6]:
ZTR = 3Xm • (FRV)2 • (1 aS)
A continuación, se detallarán adicionalmente las ecuaciones a aplicar para la implementación de las etapas a) a e) anteriormente descritas del procedimiento según las realizaciones preferidas de la presente invención.
La reactancia magnetizante compleja (Xm) de cada fase de la máquina de inducción trifásica, en el caso más usual de máquinas simétricas, se obtiene, de forma muy aproximada, en función de los valores eficaces de las tensiones simples nominales (Vs+), entre fase y neutro, y de la potencia reactiva de vacío de la máquina (Qm), a partir de la ecuación [1]:
Xr,
^
3 ñ
2+- . ^ 2+
x*m - j 3 ñ xm ~ [1]
en donde el asterisco (*) denota el conjugado de la potencia reactiva compleja y j = 1z90° es la unidad imaginaria.
El grado de desequilibrio (5) y el factor de reducción (FRV) de las tensiones de línea de la red eléctrica, medidos en cada instante de funcionamiento de la máquina de inducción, se calculan, respectivamente, mediante las siguientes ecuaciones [2]:
FRV = Vrs+
[2]
en donde yRS+
las componentes de secuencias positiva (directa) y negativa (inversa) de los fasores de las tensiones de línea de la red eléctrica, medidas en cada instante. VRS+ es el módulo de VRS+ y V+ = V3 Vs+ es el valor eficaz de la tensión de línea nominal de la máquina.
La reactancia compleja (Zy) y la capacidad (CY) de los condensadores de la configuración en estrella del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de la máquina de inducción se obtienen a partir de las ecuaciones [3]:
siendo w = 2n f la pulsación de las tensiones de la red eléctrica, a la frecuencia fundamental (f = 50 ^ 60 Hz).
Las impedancias complejas del circuito equivalente de la máquina de inducción,
representado en la figura 11, tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético, correspondientes a las tensiones de secuencia positiva (ZRS+,ZST+,ZTR+), se calculan a partir de la ecuación [4]:
ZRS+ = ZST+ = ZTR+ = 3Xm • (FRV)2 [4]
Las impedancias complejas del circuito equivalente de la máquina de inducción, tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético, representado en la figura 11, correspondientes a las tensiones de secuencia negativa (ZRS_,ZST_,ZTRJ), se calculan a partir de las ecuaciones [5]:
ZRS~ = 3Xm • S • (FRV)2 ; ZST_ = a2ZRS_ ; ZTR_ = aZRS_ [5] en donde a = 1z120°.
Las impedancias complejas de la configuración en triángulo equivalente al efecto del convertidor electrónico del dispositivo sobre la máquina de inducción (ZRS,ZST,ZTR), se obtienen a partir de las ecuaciones [6]:
ZRS = 3Xm • (FRV)2 • (1 5)
ZST = 3Xm • (FRV)2 • (1 a2S) [6] ZTR = 3Xm • (FRV)2 • (1 aS)
En otra realización preferida, para máquinas de inducción sin conductor neutro, los condensadores del dispositivo de mantenimiento del campo magnético pueden estar dispuestos en una configuración en triángulo, cuyas reactancias complejas (X¿) y capacidades (CA) se deducen a partir de las siguientes ecuaciones [7]:
Las figuras 4, 6 y 8 muestran una realización preferida del circuito equivalente del dispositivo de mantenimiento del campo magnético para su uso en generadores y motores de inducción trifásicos, así como en el primario de transformadores trifásicos de distribución. Los elementos del circuito de potencia equivalente (F), de dichos dispositivos, están integrados en dos configuraciones directamente conectadas, una en estrella y la otra en triángulo. El procedimiento para la determinación de dichos elementos comprende las siguientes etapas:
- A partir de las características nominales de la máquina de inducción, obtenidas de la placa de características o de los datos de catálogo del fabricante, calcular la reactancia
magnetizante compleja, de cada fase de la máquina, aplicando la ecuación [1], anteriormente definida, así como la reactancia o la capacidad de los condensadores de la configuración en estrella del dispositivo, utilizando las ecuaciones [3].
- A partir de los valores de la reactancia magnetizante compleja de la máquina de inducción, obtenidas en la etapa anterior, determinar las impedancias de los elementos de cada fase de la configuración en triángulo, equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre la máquina, aplicando las ecuaciones [4], [5] y [6].
Las figuras 5, 7 y 9 muestran otra realización preferida del circuito equivalente del dispositivo de mantenimiento del campo magnético para su empleo en generadores y motores de inducción trifásicos, así como en el primario de transformadores trifásicos de distribución. Los elementos del circuito de potencia equivalente (G), de dichos dispositivos, están integrados en una sola configuración en triángulo. El procedimiento para la determinación de dichos elementos comprende las siguientes etapas:
- A partir de las características nominales de la máquina de inducción, obtenidas de la placa de características o de los datos de catálogo del fabricante, calcular la reactancia magnetizante compleja, de cada fase de la máquina, aplicando la ecuación [1], así como la reactancia o la capacidad de los condensadores de la configuración en triángulo del dispositivo, utilizando las ecuaciones [7].
- A partir de los valores de la reactancia magnetizante compleja de la máquina de inducción, obtenidas en la etapa anterior, determinar las impedancias de los elementos de cada fase de la configuración en triángulo, equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre la máquina, aplicando las ecuaciones [4], [5] y [6].
La figura 10 muestra una tercera realización preferida del circuito equivalente del dispositivo de mantenimiento del campo magnético para su uso en el secundario de los transformadores de distribución. Los elementos del circuito de potencia equivalente (H), de estos dispositivos, están dispuestos en dos configuraciones, una en triángulo, exactamente igual a la de los dispositivos de las figuras 4, 6 y 8, y la otra en estrella con conductor neutro, que es necesario para evacuar las corrientes de secuencia homopolar originadas por las tensiones de secuencia homopolar de las tensiones simples de la red eléctrica. El procedimiento para la determinación de dichos elementos comprende las siguientes etapas:
- A partir de las características nominales de la máquina de inducción, obtenidas de la placa de características o de los datos de catálogo del fabricante, calcular la reactancia
magnetizante compleja, de cada fase de la máquina, aplicando la ecuación [1], así como la reactancia o la capacidad de los condensadores de la configuración en estrella del dispositivo, utilizando las ecuaciones [3].
- A partir de los valores de la reactancia magnetizante compleja de la máquina de inducción, obtenidas en la etapa anterior, determinar las impedancias de los elementos de cada fase de la configuración en triángulo, equivalente al efecto del convertidor electrónico sobre la máquina, aplicando las ecuaciones [4], [5] y [6].
La figura 11 muestra con más detalle el circuito equivalente de las máquinas de inducción trifásicas (generadores, motores y transformadores), visto desde la red eléctrica, tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético.
La figura 12 muestra un diagrama de flujo para la realización del procedimiento para la implementación del dispositivo de mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas (generadores, motores y transformadores) frente a perturbaciones de las tensiones de la red eléctrica. El procedimiento comprende las siguientes etapas:
- Introducción manual de las características nominales (en D1), principalmente de las tensiones y potencias reactivas propias de la máquina de inducción (véase la figura 12). - Procesado digital (en D2) de las señales muestreadas obtenidas por el sistema físico de medida y adquisición de señales eléctricas del dispositivo, obteniéndose las matrices de valores eficaces y fases iniciales de las tensiones de línea de cada fase de la red eléctrica, a la frecuencia fundamental.
- Con estas matrices se determinan (en D3) los fasores correspondientes a las componentes de secuencias positiva y negativa de las tensiones de línea de la red eléctrica, a la frecuencia fundamental.
- A partir de los valores de las componentes de las tensiones de línea, se calculan (en D4) como coeficientes el grado de desequilibrio de las tensiones de línea y el factor de reducción de tensiones de la red eléctrica, según las ecuaciones [2].
- Los valores de los coeficientes obtenidos en la etapa anterior se usan finalmente para determinar (en D5) las impedancias de los elementos de los dispositivos de mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas, de acuerdo con las ecuaciones [3] o [6], [4] y [5].
Además de los circuitos de potencia (F, G y H), los convertidores electrónicos de los dispositivos de puesta en práctica del procedimiento para el mantenimiento del campo
magnético de las máquinas de inducción trifásicas disponen de circuitos de control, que ajustan el valor de las impedancias de la configuración en triángulo equivalente, según la reducción de tensiones que cause la perturbación. Estos circuitos de control se muestran en las figuras 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10, y están formados por un sistema de introducción manual de datos (A) (por ejemplo, un teclado), un sistema físico de medida y adquisición de señales eléctricas (B) (hardware) y un sistema procesador (C), así como por un programa de medida (D) y por un dispositivo de accionamiento (E).
El sistema de introducción de datos (A) está formado por un teclado, a través del cual se proporciona información al programa de medida acerca de las características nominales de la máquina de inducción.
El sistema físico se compone de unos acondicionadores de señal y una tarjeta de adquisición de datos. Los primeros adaptan los valores instantáneos de las tensiones del secundario de unos sensores de medida de tensión (B), de manera que las tensiones en sus salidas son aplicables a las entradas analógicas de la tarjeta de adquisición o dispositivo equivalente, que convierte las señales analógicas de tensión en una serie de muestras discretas que se utilizan como entrada en el programa de medida. Asimismo, hay un sistema procesador (C) con una placa base en la que se coloca la tarjeta de adquisición para que se puedan intercambiar las muestras discretas de las señales de tensión con el programa de medida (D). El sistema de accionamiento (E) ajusta, finalmente, el efecto del convertidor electrónico sobre la máquina, determinado por el valor de las impedancias de la configuración en triángulo.
El programa de medida (D) se compone de los siguientes módulos (véase la figura 12): - Módulo de introducción de las características nominales (D1) de la máquina de inducción. - Módulo de procesado digital de señal (D2), que adquiere muestras de las tensiones de línea de la red eléctrica, y las guarda en un vector para cada una de ellas, obteniéndose los valores eficaces y la fase inicial de las tensiones de línea de frecuencia fundamental. - Módulo de simétricas (D3), que obtiene las componentes de secuencias positiva (directa) y negativa (inversa), en valor eficaz, de las tensiones compuestas de la red eléctrica, a la frecuencia fundamental, a partir de las matrices obtenidas en el módulo anterior.
- Módulo de coeficientes (D4), encargado de obtener los valores del factor de reducción de tensiones y del grado de desequilibrio de las tensiones de línea, según las ecuaciones [2]. - Módulo de accionamiento (D5), que ajusta los valores de las impedancias de las
configuraciones en triángulo equivalentes a la acción de los convertidores electrónicos de estos dispositivos, según las ecuaciones [4], [5] y [6].
Tal como se mencionó anteriormente, la figura 13 muestra una fotografía de un ensayo de laboratorio llevado a cabo para comprobar el funcionamiento del dispositivo de mantenimiento del campo magnético conectado al primario de un transformador trifásico de 2 kVA 400/230 V, Xm = 982 ñ, tal como se muestra en la figura 1, siendo: (1) autotransformadores para generar huecos de tensión; (2) pinzas del equipo de medida; (3) transformador; (4) convertidor electrónico; (5) condensadores; y (6) analizador Fluke 435.
En la siguiente tabla y en la figura 14 pueden observarse los resultados de dicho ensayo de laboratorio llevado a cabo. En la tabla se muestran los valores de la potencia reactiva absorbida por la máquina en: a) condiciones nominales de tensión; b) frente a una reducción de la tensión del 38,8556%, producida por un hueco de tensión trifásico equilibrado; y c) tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético, en presencia del hueco de tensión.
A partir de la tabla puede apreciarse cómo la potencia reactiva absorbida por la máquina disminuye al producir un hueco de tensión en el primario del transformador con respecto a las condiciones nominales del transformador. Sin embargo, tras conectar un dispositivo de
mantenimiento del campo magnético según una realización preferida de la presente invención en presencia del hueco de tensión, la potencia reactiva vuelve al nivel de las condiciones nominales del transformador.
Asimismo, en la figura 14 se muestran las corrientes reactivas de la máquina antes y después de la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético según el ensayo de laboratorio anteriormente descrito.
La presente invención se ha descrito anteriormente haciendo referencia a realizaciones preferidas específicas de la misma, presentadas únicamente a modo de ejemplo. Sin embargo, los expertos en la técnica podrán aplicar fácilmente modificaciones y variaciones a dichas realizaciones sin por ello apartarse del alcance de protección de la presente invención, definido únicamente por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (4)
1. Procedimiento para el mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas ante perturbaciones de las tensiones de la red eléctrica mediante conexión de un dispositivo de mantenimiento del campo magnético, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
a) calcular las reactancias magnetizantes (Xm) de cada fase de la máquina de inducción trifásica en base a los datos de catálogo del fabricante a partir de la ecuación [1]:
Xm = 3
F
^
s2
r
+
= - j 3 -
V
^
&
~
.
[1]
b) obtener los fasores correspondientes a las componentes de secuencias positiva y negativa de las tensiones, a la frecuencia fundamental (PRS+, PRS_), aplicando el teorema de Fortescue;
c) determinar el grado de desequilibrio (S) y el factor de reducción (FRV) de las tensiones de la red;
d) calcular la capacidad (CY) de los condensadores del dispositivo, cuya reactancia (XY = - Xm) es contraria a la reactancia magnetizante de la máquina de inducción; y
e) determinar las impedancias de cada fase de la conexión en triángulo equivalente a la acción del convertidor electrónico del dispositivo sobre la máquina de inducción;
en el que el grado de desequilibrio (8) se obtiene, en la etapa c), como un número complejo determinado por el cociente entre los fasores de dichas tensiones correspondientes a las secuencias negativa (inversa) y positiva (directa) a partir de las ecuaciones [2]:
y el factor de reducción de tensiones (FRV) se calcula, en la etapa c), como el cociente entre las tensiones de línea de la red eléctrica, en cualquier instante, y las tensiones de línea nominales de la máquina de inducción, a partir de las ecuaciones [2] anteriores;
en el que, además, en la etapa e), se calculan las impedancias correspondientes a las tensiones de secuencia positiva (ZRS+,ZST+,ZTR+), según la siguiente ecuación [4]:
ZRS+ = ZST+ = ZTR+ = 3Xm • (FRV)2 [4]
así como las impedancias correspondientes a las tensiones de secuencia negativa (ZRS_,ZST_,ZTR_), según las siguientes ecuaciones [5]:
ZRS~ = 3Xm • S • (FRV}2 ; ZST_ = a2ZRS_ ; ZTR_ = aZRS_ [5] que definen el funcionamiento de la máquina de inducción tras la conexión del dispositivo de mantenimiento del campo magnético.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el dispositivo de mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas se aplica con los condensadores conectados en estrella, caracterizado por que, en la etapa d), la reactancia compleja (Zy) y la capacidad (CY) de los condensadores se calculan a partir de las siguientes ecuaciones [3]:
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el dispositivo de mantenimiento del campo magnético de máquinas de inducción trifásicas se aplica con los condensadores conectados en triángulo, caracterizado por que, en la etapa d), la reactancia compleja (ZA) y la capacidad (CA) de los condensadores se calculan mediante las siguientes ecuaciones [7]:
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, en la etapa e), las impedancias (ZRS,ZST,ZTR), equivalentes al efecto que produce el convertidor electrónico del dispositivo de mantenimiento del campo magnético, se calculan mediante las siguientes ecuaciones [6]:
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Non-Patent Citations (3)
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|---|
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| VISWAMBHARAN AMULYA; EROUISSI RACHID; SHAREEF HUSSAIN; STEPHEN SAMANTHA. A Robust Dynamic Compensator with Anti-windup Scheme for Grid-Interlinked Photovoltaic Inverter under Unbalanced Grid Voltages. IECON 2021 - 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, , 13/10/2021, Páginas 1-6 (DOI: 10.1109/IECON48115.2021.9589171) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| WO2023139300A1 (es) | 2023-07-27 |
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Legal Events
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| BA2A | Patent application published |
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