ES2924807T3 - Procedimientos e instalaciones para una red AC con rendimiento de potencia elevado - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para aumentar la potencia de una red de CA por medio de los conductores (4) que conectan las bobinas de red (3), (5) del transformador de red (2), (6), en el que el conductor- las tensiones de tierra (Ule) y la tensión de fase CA (Uac) se mantienen por debajo de un valor de tensión (Ulex). Las tensiones de fase sinusoidales (Uhac) de la red expandida se incrementan hasta en un 25% en comparación con las tensiones de fase AC (Uac), mientras que las corrientes de fase (lac) siempre se mantienen sinusoidales. Para ello, los generadores Δ (13), (14) acoplan tensiones armónicas ΔU entre los conductores (4) y tierra (7) y reducen la amplitud de las tensiones conductor-tierra hipersinusoidales resultantes (Uhac) de manera que siempre quedan por debajo de el valor Uix. Además, los generadores Δ controlan la energía de la red transferida (red inteligente). El método se puede utilizar en instalaciones de CA existentes que tengan conductores aéreos o cables de tierra sin modificar la línea para transferir de manera redundante un 25 % más de energía y con un 44 % menos de pérdida de transmisión. La potencia de un generador Δ equivale solo al 1% o al 10% de la potencia de la red. Los sistemas para acoplar una red de CA a una red expandida y el sistema para implementar los generadores de Δ también se describen por medio de diferentes diagramas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimientos e instalaciones para una red AC con rendimiento de potencia elevado

El procedimiento y la instalación para su funcionamiento tienen como objetivo aumentar la potencia de una red AC existente o nueva a crear hasta en un 25 % mediante el aumento de la potencia de transmisión y reducir las pérdidas de potencia específicas de las redes AC hasta en un 44 %. La potencia instalada de las instalaciones, que se necesitan para la aplicación del procedimiento, debe ser menor de un 1% a 10% de la potencia de la red AC.

La energía eléctrica se transfiere en redes AC con tensiones de fase sinusoidales Uac y de las corrientes de fase nominales sinusoidales Iac. Los conductores necesarios para ello se realizan como cables subterráneos, que se entierran, o como conductores aéreos, que se portan mediante mástiles. La corriente de fase y las pérdidas de potencia están predeterminadas por la sección transversal del conductor. La amplitud de la tensión de fase nominal Uac, que se aplica en la salida de los transformadores de red, es igual a la amplitud de las tensiones de fase - tierra Ule, que se aplican entre los conductores de la red AC y tierra. Los aislantes de fase - tierra están diseñados para la tensión de aislamiento Ulex.

La amplitud de la tensión de fase Uac está limitada igualmente por la tensión de aislamiento Ulex, dado que, según el estado de la técnica, las amplitudes de la tensión de fase Uac y la amplitud de la tensión de fase - tierra Ule son iguales.

La potencia de la red AC Pac, que corresponde al producto Iac*Uac, está limitada por la sección transversal de los conductores y por la tensión de aislamiento Ulex. La tensión de aislamiento máxima necesaria Ulex determina el coste del aislamiento de los conductores, es decir, la altura de los mástiles y la longitud de los aislantes en las redes de líneas aéreas o el espesor del aislante y la sección transversal de los cables.

Se conocen varios procedimientos que aumentan las áreas de tiempo de las tensiones de fase con amplitud constante y por lo tanto generan más potencia con la misma corriente y con la misma amplitud de la tensión de fase. En todos los procedimientos se utilizan inversores completos (I completo) cuya potencia es mayor o igual a la potencia de red P ac.

A esta categoría de procedimientos pertenecen la transmisión de corriente continua de alta tensión (transmisión HVDC) y la modulación trapezoidal. En la transmisión HVDC, las corrientes AC y las tensiones AC se convierten en tensión continua o tensión DC mediante un inversor completo (I completo), se transmiten y a continuación se convierten de nuevo a corrientes AC y tensiones AC mediante un segundo inversor completo. Los costes de un inversor completo son altos y se añaden los costes de los filtros sinusoidales que se necesitan para alisar los armónicos de las corrientes y tensiones modulados. Por motivos de costes, la transmisión HVDC solo se utiliza de forma puntual.

Se conocen intentos de implementar redes híbridas con conductores aéreos. Una parte de los conductores aéreos están cargados con tensiones AC y corrientes AC, y la fracción restante de los conductores aéreos están cargadas con tensiones DC y corrientes de CC. Las redes híbridas no se utilizan hasta la fecha por razones de costes.

La modulación trapezoidal genera tensiones de fase trapezoidales Uac o UIe. La modulación trapezoidal se puede extender hasta una modulación de bloque completo. Tanto las tensiones de fase trapezoidales como el tipo bloque no son sinusoidales y presentan áreas de tiempo más grandes que las tensiones de fase sinusoidales con la misma amplitud. Estos procedimientos necesitan igualmente un inversor completo, lo que es muy costoso. Los armónicos de tensión y corriente son inaceptablemente altos para la transmisión de energía AC. Por lo tanto, la modulación trapezoidal o de bloque completo se usa principalmente solo en accionamientos de motor. Los armónicos tercero, noveno, etc. de las tensiones trifásicas trapezoidales y de bloque completo no pueden ser transmitidos por los transformadores de red, por lo tanto, estas tensiones no se utilizan para la transmisión de energía eléctrica con red AC y como máximo son aplicables para suministros de islas locales sin transformadores de red AC.

La llamada modulación superseno cambia la tensión de fase y la tensión de fase - tierra. Un inversor completo modula las tensiones de fase sinusoidal Uac a partir de una tensión DC y el tercer armónico U3 la tensión de fase. La amplitud U3 corresponde aprox. a un 16 % de la amplitud Uac, y es igual para todas las fases. La amplitud de la tensión de fase resultante es un 16 % menor que la amplitud Uac y se llama superseno. Un inversor completo puede generar una tensión entre fases UII 16 % más alta a partir de la tensión DC predeterminada con modulación de superseno o un 16 % más potencia que con una modulación sinusoidal. El transformador de red, que alimenta las tensiones AC a la red AC, no puede transformar el armónico U3 de las tensiones de fase. Solo las tensiones de fase sinusoidales Uac aparecen en las bobinas de red (secundarias) del transformador de red.

La modulación de superseno tiene el objetivo es reducir la potencia de inversor completo instalada o los costes del inversor. Esto no se aplica con el objetivo de aumentar la potencia de la red AC conectada y reducir las pérdidas de las líneas eléctricas, tal como se pretende esto con esta presente invención.

Por esta razón, la tensión de red Uac no se transforma a un valor superior en la salida de los transformadores de red, la clase de aislamiento de los transformadores de red y su clase de potencia permanecen sin cambios, a diferencia de en el procedimiento propuesto. En las bobinas de red (secundarias) de los transformadores de red y en las líneas asociadas, que están cargadas con alta tensión y transmiten la energía a largas distancias, no aparecen tensiones de fase - tierra hipersinusoidales o supersinusoidales, a diferencia de en el procedimiento propuesto aquí.

Las instalaciones solares y eólicas están conectados a la red AC de bajo tensión con inversores completos. Los inversores completos generan una tensión supersinusoidal trifásica. La potencia instalada del inversor completo se reduce a este respecto en un 16 %. Las tensiones que se transforman a la red de media tensión son sinusoidales debido a que los transformadores de red no pueden transmitir tensiones supersinusoidales. La transmisión de energía también se realiza en estas instalaciones con las tensiones sinusoidales Ule y U^ac, conforme al estado de la técnica.

Los procedimientos presentados hasta ahora para aumentar el área de tiempo de las tensiones de red tienen la desventaja de que se utilizan inversores completos y los transformadores de red no pueden o no deben transformar estas tensiones, lo que es indispensable para la transmisión de energía con redes AC.

En conjunto, los siguientes documentos se pueden considerar como estado de la técnica relevante:

• Patente US 3,211,914, octubre de 1965

• Artículo IEE Transactions Vol. 32 N.° 1, febrero de 2017, The Operation of Power Transmission

• Documento para publicación de patente 2509177, número de expediente P 250177.4

• Patente US 3,970,914, 10 de julio 1976

• DE 000001238094 A

• Patente US 1,363,707, 28 de diciembre de 1920

En la Patente de US 3,211,914 y en IEE Transactions Vol. 32 N.° 1, febrero de 2017 «The Operation of Power Transmission» se propone superponer las tres tensiones Ule de una red AC trifásica con el tercer armónico U3 de la tensión de fase. A este respecto, las bobinas de red de los transformadores deben estar conectadas en Y, y un generador adicional se conecta entre el punto de estrella de las bobinas de red y la tierra para alimentar la tensión U3. El resultado es una tensión supersinusoidal Ule, que presenta una amplitud un 11 % menor que la tensión de fase sinusoidal Uac. Según la patente US 3,211,914, la amplitud de la tensión U3 se fija a aprox. el 25 % de la tensión de fase Uac. Esto permite aumentar las tensiones Uac y Ule de modo que se supere el valor máximo Ulex de la tensión fase - tierra. La red resultante puede transportar un 11 % más de potencia de red que la red AC original.

El artículo IEE Transactions Vol. 32 N.° 1, febrero de 2017 The Operation of Power Transmission fija la magnitud de la tensión U3 a un 16 % de la tensión de fase Uac, y la amplitud de la tensión Ule resultante debe disminuir a este respecto en aprox. un 16 %. Esto permite aumentar las tensiones Uac y Ule en un 16 % sin que se sobrepase el valor máximo Ulex de la tensión del aislante para transmitir un 16 % más de energía.

En el mismo artículo se comprueba que está limitada la distancia entre dos generadores U3 debido al desplazamiento de fase de la tensión U3 respecto a la tensión Uac. Este desplazamiento de fase aumenta con la longitud de conductor y eleva la tensión de fase - tierra Ule. La tensión de fase Uac y la potencia de la red se debe reducir por lo tanto. Por este motivo, la longitud de los conductores del procedimiento U3 está limitada según el estado de la técnica. Las longitudes permitidas de los conductores entre dos generadores U3 son de aprox. 30-40 km para redes de líneas aéreas y de aprox. 3-4 km para redes de cables subterráneos.

En la patente US 1,363,707 se presenta un procedimiento para la transmisión de una potencia principal con una frecuencia de red baja F1 de aprox. 25 Hz por una red AC trifásica junto con una potencia auxiliar de alta frecuencia con una frecuencia mayor de 40 Hz. La potencia principal se necesita para la tracción de un tren, la potencia auxiliar de alta frecuencia se necesita para la iluminación sin parpadeos. Tanto la potencia principal como también la auxiliar son potencias activas. Con esta posibilidad se propone la extensión de la red AC trifásica con un cuarto conductor (H). La característica principal del procedimiento según este patente US 1,363,707 es una red AC trifásica, que se extiende con un cuarto conductor. Las tres corrientes principales de baja frecuencia con la frecuencia de red F1 fluyen entre los tres conductores de fase de la red AC trifásica y transmiten la potencia principal, como es el caso de una red AC convencional. Una corriente monofásica con tres veces la frecuencia de red transfiere la potencia auxiliar y fluye adicionalmente a través del cuarto conductor y a través de los tres conductores de fase. El cuarto conductor es necesario porque la corriente monofásica transmite la potencia activa para alimentar las luces. No obstante, este procedimiento según la patente US 1,363,707 difiere esencialmente del presente procedimiento, tanto en términos del objetivo como en la implementación. El documento US 1363 707 A se considera como el estado de la técnica más cercano al problema a resolver. Da a conocer un procedimiento para aumentar la potencia de una red AC monofásica o multifásica, que incluye al menos un transformador de red de alimentación con bobinas de red y al menos un transformador de red de carga con bobinas de red, que están conectados a los conductores y conducen las corrientes de fase nominales sinusoidales Iac con la frecuencia de red fundamental F1, donde las bobinas de red están cargadas con las tensiones de fase sinusoidales Uac y las tensiones Ule, entre los conductores y la tierra, no sobrepasan una tensión de aislamiento máxima Ulex. Con el fin de lograr un aumento en la transmisión de potencia, el documento US I 363707 A propone obtener el aumento de potencia de la red AC por medio de un aumento de la potencia activa, lo que ocurre mediante el uso de generadores de armónicos. De este modo se aumenta la intensidad de la corriente de fase. Pero, el documento no da ninguna indicación de elevar la tensión de fase de los transformadores de red, manteniendo al mismo tiempo la misma corriente de fase mediante el uso de generadores de armónicos que alimentan potencia reactiva. Además, no se encuentra ninguna indicación en este documento para omitir el conductor adicional.

El estado de la técnica se evalúa críticamente a continuación: es bajo el aumento máximo de la potencia de red en un I I %, que se logra con el procedimiento como se describe en la patente US 3,211,914. Dado que la amplitud U3 es de aprox. el 23 % de la tensión de fase, es considerable el coste para el generador de la tensión U3. El aumento máximo de la potencia de red que se logra con el procedimiento U3 es bajo con un 16 %. El desplazamiento de fase de la tensión U3 reduce este aumento de la potencia de red. La aplicación del procedimiento U3 según el estado de la técnica está restringida. El procedimiento U3 se limita a redes AC trifásicas con conductores aéreos. No está claro cómo se puede usar el procedimiento U3 en redes AC con cables subterráneos. Las bobinas de red se deben conectar en Y según el procedimiento U3. No está claro cómo se debe usar el procedimiento U3 en transformadores de red con bobinas de red conectadas en A. Las redes de media tensión, que representan aprox. el 40 % de las redes AC, utilizan transformadores de red con bobinas de red conectadas en A.

Los generadores U3 del procedimiento U3 se debe encontrar en las inmediaciones de los transformadores de red. Los transformadores de red se sitúan en general en estaciones transformadoras que están a una distancia de hasta 100 km entre sí. Pero, las distancias máximas entre dos generadores U3 están limitados a aprox. 30 km debido a los desplazamientos de fase.

Otro problema no resuelto en la implementación del procedimiento U3 con redes de líneas aéreas son los campos E no compensados, que irradian las tensiones U3. Los campos E de las tres tensiones de fase de una red AC trifásica se compensan entre sí. Los campos E que se generan por los tres conductores debido a la componente U3 en la Ule, por el contrario, se suman a un mayor campo E3.

El desplazamiento U3 no prevé anular la corriente de cortocircuito a tierra, que se produce en un cortocircuito de un conductor con la tierra, con la ayuda del generador U3. La red U3 no es redundante.

El procedimiento U3 no prevé ninguna transformación de las tensiones supersinusoidales trifásicas, porque los transformadores de red convencionales no pueden transformar las tensiones U3 que son iguales para las tres fases. Esto limita fuertemente la aplicación del procedimiento U3.

El objetivo principal del procedimiento según la presente invención es elevar la potencia y la eficiencia de una red AC existente o recién planificada sin cambios o ampliación del recorrido de transmisión existente, es decir, sin cambio del número y del aislamiento de los conductores de red. En contraste con la enseñanza según la patente US 1,363,707, no se requiere una cuarta línea, porque esto significaba una ampliación más costosa de la red AC trifásica. El cuarto conductor no está presente en redes AC trifásicas con conductores aéreos o con cables subterráneos. Por esta razón, este procedimiento no se puede utilizar en la mayoría de las redes AC trifásicas. Solo en redes AC de baja tensión, a veces se realiza un conductor neutro (conductor de tierra) para fines de contactor y no debe conducir corrientes de alta frecuencia.

Objetivo de la invención

Ante los antecedentes del estado de la técnica arriba discutido, el objetivo de la invención es crear un procedimiento para elevar la potencia de una red AC y reducir las pérdidas de línea. Se trata por tanto de elevar la transmisión de potencia en la red AC, pero, a este respecto, de no dejar que se origine a ser posible un de smog eléctrico y mantener las pérdidas en los conductores lo más bajas posible. Otro objeto consiste en especificar una instalación con la que se pueda llevar a cabo este procedimiento. Para ello se deben especificar distintas variantes de diseño del procedimiento y de los componentes de la instalación necesarios para ello a fin de utilizar el procedimiento tanto en instalaciones nuevas como también en redes AC existentes sin o con solo pocos cambios.

El objetivo y, por lo tanto, igualmente la tarea del procedimiento es modificar una red AC de tal manera que la red AC modificada pueda transmitir aprox. un 25 % más de potencia con aprox. un 44 % menos de pérdidas específicas que la red AC original. La red AC modificada o extendida según el procedimiento se denomina red HAC, con H como una indicación de la tensión de fase hipersinusoidal generada. La red HAC, comparable a una red AC original, tiene el mismo número de fases, la misma corriente de fase Iac y el mismo valor máximo Ulex la tensión de aislante, que la red AC.

Otra tarea y otro objetivo consiste en implementar el procedimiento en redes AC tanto con conductores aéreos como con cables subterráneos. Otra tarea consiste en hacer que el procedimiento sea aplicable tanto para transformadores de red A-Y como también para transformadores de red Y-A. El procedimiento debe ser aplicable tanto a redes AC trifásicas como también a monofásicas.

Se tiene que poder convertir una red de conductores aéreos AC existente en una red de conductores aéreos HAC sin reemplazar los mástiles, conductores aéreos y aislantes ya colocados. Una red de cable AC se tiene que poder convertir en una red de cables HAC sin deber reemplazar los cables ya tendidos.

El procedimiento también se tiene que poder extender de tal manera que la regulación de la potencia de red sea posible sin transformadores de regulación. También se tiene que poder extender el procedimiento de tal manera que la anulación de la corriente de cortocircuito a tierra sea posible en el caso de un cortocircuito de fase - tierra sin el uso de costosas bobinas de Petersen.

Además, el procedimiento debe permitir una transmisión redundante de la energía, es decir, en caso de fallo, la red HAC se tiene que poder operar como una red AC. El procedimiento se debe diseñar de tal manera que se reduzcan los campos eléctricos y magnéticos radiados. Además, el procedimiento se tiene que poder implementar a cualquier distancia entre los transformadores de red. También se debe definir el transformador que pueda transmitir las tensiones de la red HAC.

Otra tarea y un objeto de la invención consiste en definir una instalación que permita una aplicación económica del procedimiento para la transmisión de energía a partir de fuentes de energía regenerativas (energía solar y energía eólica) y de acumuladores de energía.

Solución según la invención

La solución del objetivo técnico consiste en un procedimiento según las características de la reivindicación 1. Los objetivos parciales se resuelven por los procedimientos según las reivindicaciones dependientes 2 a 9. Los procedimientos se pueden implementar con instalaciones según las reivindicaciones 10 a 15.

El procedimiento según esta invención difiere de la modulación trapezoidal y de bloque completo, que modifican las tensiones de fase Uac, en los siguientes puntos:

• Las tensiones de fase Uhac permanecen de forma sinusoidal,

• solo se modifica la forma de tensión Ule, y

• la potencia de los inversores necesarios es mucho menor que la potencia de red.

Los generadores de armónicos según la invención entregan, en contraste con, por ejemplo, la patente US 1,363,707 solo potencias reactivas. Las corrientes armónicas y sus pérdidas son al menos un orden de magnitud menores que las corrientes armónicas y sus pérdidas según el procedimiento según la patente US 1,363,707.

La problemática básica se muestra en base a las figuras, y se presentan distintas variantes de diagramas de bloques y componentes para la implementación del procedimiento. Estos se describen y explican en detalle a continuación. Lo mismo es válido también para las instalaciones de implementación de los procedimientos.

Muestra:

Figura 1: el diagrama de bloques de una red AC según el estado de la técnica;

Figura 2: cada vez una tensión Uhle, Uhac, AU de la red HAC y las tensiones Ule y Uac asociadas de la red AC original, así como la corriente de fase Iac asociada ;

Figura 3: el diagrama de bloques de una red HAC con generadores A;

Figura 4: el diagrama de bloques de una red HAC trifásica con generadores H3 y S1 ; Figura 5: el diagrama de bloques de una red HAC trifásica con generadores H3 y S3; Figura 6: la estructura básica de un generador A;

Figura 7: la extensión de las bobinas conectadas en A de un transformador de red con un transformador de puesta a tierra y con un generador S1 ;

Figura 8: la estructura de un generador S3 para redes trifásicas;

Figura 9: el diagrama de bloques de una red HAC monofásica;

Figura 10: el diagrama de bloques de una red HAC redundante;

Figura 11: la sección transversal de un cable subterráneo de tres hilos, adecuado para su uso en redes HAC trifásicas;

Figura 12: un mástil de conductores aéreos con dos sistemas trifásicos con campos dispersos eléctricos y magnéticos reducidos;

Figura 13: la estructura de un transformador de red trifásico HAC Y-A;

Figura 14: el diagrama de bloques de una red HAC con un inversor completo existente;

Figura 15: la unión de un generador síncrono HAC a una red HAC;

Figura 16: el diagrama de bloques de una instalación para acoplar una red AC con una red HAC con bobinas de red conectadas en Y del transformador de red;

Figura 17: el diagrama de bloques de una instalación para acoplar una red AC trifásica con una red HAC con la ayuda de un autotransformador trifásico.

Para hacer más comprensible el estado de la técnica, se muestra en primer lugar la estructura de una red AC convencional, tal y como está representada en la figura 1. Una red AC se compone de los transformadores de red 2 o 6 (en lo sucesivo denominados transformadores de red) y los conductores 4, que conectan los transformadores de red. La energía eléctrica se transmite por tensiones de fase sinusoidales Uac y corrientes de fase sinusoidales Iac. Las redes AC industriales son trifásicas. Las redes de baja tensión y las redes AC para ferrocarriles eléctricos son en su mayoría monofásicas. La frecuencia de red F1 de las tensiones de fase está predeterminada y es de 50 Hz o 60 Hz para redes industriales, 16 2/3 Hz para redes ferroviarias. Las corrientes de fase Iac y tensiones de fase Uac son sinusoidales, la proporción de armónicos de tensión y corriente permitidos está limitada a menos del 3% por normas. La amplitud de los campos magnéticos y eléctricos radiados por los conductores también está limitada por las normas. Las bobinas de entrada o las bobinas de salida de un transformador de red trifásico están conectadas en configuración en triángulo (A) o en forma de estrella (Y). Con los transformadores de red A-Y, las bobinas de entrada están conectadas en A y las bobinas de salida en Y. Los transformadores Y-A se componen de bobinas de entrada conectadas en Y y bobinas de salida conectadas en A. El punto de estrella 8 de las bobinas conectadas en Y está conectado la mayoría de las veces directamente a la tierra 7 (puesto a tierra). Las bobinas conectadas en A generalmente no están conectadas a tierra.

Las bobinas de entrada 1 y 10 del transformador de red 2 y 6 están cargadas con las tensiones de entrada más bajas U11 o U12. Las bobinas de salida 3 y 5 se denominan aquí como bobinas de red y están cargadas con altas tensiones. Cada bobina de red 3 o 5 suministra una tensión de fase Uac y está conectada al conductor 4 asociado a través de los interruptores de red 11 y 12, como se muestra en la figura 1.

La tensión Uac de una fase se mide entre las conexiones de las bobinas de red. La tensión de fase de una bobina de red Ule conectada en Y se mide entre la salida de esta bobina de red 3 y la conexión en estrella 8. La tensión de fase en los transformadores de red con bobinas de red conectadas en A se sitúa entre la salida de la bobina de red y un punto de estrella virtual.

El valor máximo Ulex de la tensión entre un conductor 4 y la tierra 7 define la tensión de aislamiento máxima del conductor a tierra. Las tensiones fase a tierra Ule de una red AC son iguales a las tensiones de fase Uac de esta red según el estado de la técnica.

La tensión que se aplica entre dos conductores se denomina tensión de fase a fase o entre fases Uⁱⁱ. La transmisión de energía AC se realiza con altas tensiones con las siguientes categorías de valores de las tensiones de fase a fase:

• Súper Altas Tensiones (SAT) > 110 kV,

• Alta tensión (AT) > 50 kV y

• Media Tensión (MT) > 1kV.

Cuanto mayor sea la tensión, tanta más energía se transfiere desde la red AC.

El valor máximo Ulex la tensión de aislante afecta los costes de una instalación AC. Cuanto mayor sean las tensiones de red, tanto mayor y más costoso será el coste de aislamiento. La amplitud de la tensión de fase a tierra Ule y la amplitud de la tensión de fase equivalente Uac son necesariamente menores que el valor máximo Ulex:

max(Uie) = max(Uac) < Uiex

Si se sobrepasa el valor máximo Ulex, el aislamiento del conductor se rompe y el aislante alrededor de los conductores se daña temporal o permanentemente. Los controladores de aislamiento supervisan la tensión fase - tierra máxima y desconectan la red AC cuando se sobrepasa el valor máximo Ulex.

Las tensiones de fase y las corrientes de fase de los conductores aéreos irradian campos eléctricos (campos E) y campos magnéticos (campos B). Los valores máximos de estos campos E y B no deseados están limitados por las normas. El espectro Ule no está prescrito por el contrario. Para redes de conductores aéreos AC están prescritos los valores máximos de los armónicos Ule. Para redes de cables subterráneos, los valores máximos de los armónicos Ule no son relevantes ya que los conductores están blindados.

Los conductores 4 están caracterizados por inductancias distribuidas Ls y por capacidades distribuidas Cs con respecto a la tierra, como se muestra en la figura 1. Tanto las tensiones de fase Uac como también los armónicos de las tensiones de red generan corrientes de compensación capacitivas.

La dirección de la transmisión de energía se determina por la diferencia en las tensiones de fase Uac de los transformadores de alimentación 2 y de los transformadores de carga 6, así como por la impedancia de las líneas de conexión 4. La tensión de fase de alimentación del transformador de red 2 es mayor que la tensión de fase de carga del transformador de red 5. Por lo tanto, se compensan las caídas de tensión a través de las impedancias de línea de las líneas de conexión, donde la diferencia de tensión se sitúa en el rango porcentual de la tensión Uac. Cuanto mayor sea esta diferencia, tanta más corriente Iac fluye a través de las líneas 4, o tanta más potencia se transmite. Las posiciones de fase de la tensión Uac de los transformadores de red de alimentación 2 y de los transformadores de red carga 6 difieren ligeramente entre sí.

La potencia de un transformador de red - tanto la potencia activa como también la potencia reactiva - se regula a menudo. La necesidad de regulación aumenta con el uso de fuentes regenerativas. La regulación de la potencia de un transformador de red se realiza con un transformador de regulación adicional (denominado aquí como transformador de regulación), que varía las amplitudes y las fases de las tensiones de fase del transformador de red, en tanto las tensiones de regulación variables Ur se acoplan a las tensiones de fase y por lo tanto se suman a estas. La tensión de regulación Ur es menos de un 10 % de la tensión de fase Uac en la mayoría de las aplicaciones según el estado de la técnica. Según el estado de la técnica, la tensión de regulación se modifica con interruptores escalonados, lo que se realiza de forma lenta e imprecisa.

La fuente de error más frecuente al operar una red AC es el cortocircuito de un conductor a tierra. En el caso de un cortocircuito a tierra, fluyen grandes corrientes de cortocircuito a tierra. En este caso, el valor máximo de la tensión fase - tierra Ule aumenta de redes AC trifásicas sin puesta a tierra (redes de media tensión) a 1,71 veces la tensión de fase Uac. La corriente de cortocircuito a tierra se anula con una bobina de supresión de falta a tierra (bobina de Petersen). La bobina de Petersen presenta una inductancia variable y es costosa en la estructura.

En estos antecedentes representados completos, el objetivo de esta invención es remplazar las tensiones sinusoidales entre los conductores y la tierra Ule por medio de la introducción de las denominadas tensiones hipersinusoidales Uhle entre los conductores y la tierra. Las tensiones hipersinusoidales fase - tierra Uhle se derivan en las tensiones de fase más altas Uhac por acoplamiento o desacoplamiento de tensiones diferenciales de alta frecuencia AU.

Una tensión de fase a tierra hipersinusoidal Uhle es "más ancha" que la tensión de fase a tierra sinusoidal Ule, con la misma amplitud de ambas tensiones, que la tensión de aislamiento Ulex no debe sobrepasar según la invención, como se ilustra con referencia a la figura 2.

La tensión de fase a tierra hipersinusoidal Uhle de una red HAC tiene según la invención el área de tiempo de tensión de las tensiones de fase Uhac asociadas y una amplitud que es menor o igual que la tensión de aislamiento Ulex o menor que la amplitud de la tensión de fase Uhac. En otras palabras, la amplitud de las tensiones de fase Uhac de una red HAC es mayor que la amplitud de la tensión fase - tierra Uhle de esta red y mayor que la tensión de aislamiento Ulex. Según la invención, la amplitud de la tensión de fase Uhac es como máximo (1 -n/2) ~ 57% mayor que la amplitud Uhle o como la tensión de aislamiento Ulex. El aumento en la tensión de fase Uhac y la mayor potencia resultante Phac de la red HAC se reduce a aprox. un 25% por razones técnicas. A este respecto, el aumento de potencia se produce sin cambios con la corriente de fase nominal Iac. Es decir, las pérdidas de transmisión óhmica de los conductores permanecen sin cambios.

La potencia de pérdidas, con respecto a la mayor potencia de red HAC (es decir, las pérdidas de línea específicas), se reduce en aprox. un 25 %.

Para la transmisión de la potencia AC nominal Pac con la mayor tensión Uhac necesita un 25 % menos de corriente. En este caso, las pérdidas de línea específicas se reducen cuadráticamente con la corriente en un 44 %. La tensión de aislante de fase - tierra Ulex y la corriente nominal Iac permanecen igual, de modo que el procedimiento se pueda utilizar en una red AC existente con conductores aéreos y/o cables, sin cambios del recorrido de transmisión. Sin embargo, la clase de aislamiento de los transformadores de red se debe adaptar para la tensión de fase mayor Uhac y la potencia nominal aumentarse hasta en un 25 %.

Las tensiones de fase Uhac y las corrientes de fase Iac de la red HAC permanecen de forma sinusoidal. De este modo se garantiza que se cumplan las normas que limitan el contenido armónico de las tensiones de fase y las corrientes de fase. La radiación magnética (Smog) que se genera por las corrientes de fase inalteradas Iac igualmente permanece sin cambios. Con las mayores tensiones de fase sinusoidales Uhac se transmite la mayor potencia de red Phac con las corrientes de fase nominales Iac con pérdidas de conducción constantes. También se debe mostrar un procedimiento que permite la generación y la aplicación de estas tensiones hipersinusoidales. La potencia instalada de las instalaciones que generan las tensiones hipersinusoidales debe ser de 10 a 100 veces menor que la potencia de red. De ello se deduce que los costes de estas instalaciones son mucho menores que los costes de instalación de red.

El procedimiento presentado se implementa esencialmente mediante dos medidas:

a) mediante el acoplamiento de una tensión diferencial AU entre los conductores de la red AC y la bobina de red se aumenta la tensión de fase a tierra hipersinusoidal resultante Uhle hasta 2/n ~64 %, como valor máximo de la tensión de aislamiento Ulex

b) de este modo se permite aumentar la tensión de fase en la salida de las bobinas de red en un máximo de n/2 ~ en 157 % al valor Uhac. Las tensiones uhle aumentan proporcionalmente a las tensiones de fase Uhac, pero permanece menor o igual que el valor de aislamiento Ulex.

Las tensiones AU se generan por los llamados generadores A y consisten en armónicos de las tensiones de fase asociados Uhac.

Con las mayores tensiones de fase sinusoidales Uhac se transmite, junto con la corriente de fase sinusoidal nominal Iac, una potencia de red mayor de hasta un 57 % o un factor un 157 %. Las pérdidas de conducción predominantemente óhmicas permanecen sin cambios. Dado que la tensión fase - tierra máxima Ulex no se sobrepasa, la red modificada se puede operar con las líneas AC existentes, ya que los aislantes de fase - tierra pueden permanecer sin cambios. Al igual que con la red AC, la transmisión se realiza con las corrientes de fase sinusoidales Iac y con las tensiones de fase sinusoidales Uhac, es decir, libre de armónicos. Solo el potencial de referencia de los conductores a tierra es hipersinusoidal y está sujeto a armónicos.

La figura 1 muestra el diagrama de bloques de una red AC trifásica conforme al estado de la técnica. Los transformadores de red trifásicos 2 y 6 se componen de las bobinas de entrada 1 o 10 y de las bobinas de red 3 y 5. Se aplican tres tensiones de entrada sinusoidales U11, U12 a las bobinas de entrada 1 y 10. Las tres bobinas de red 3, 5 están conectadas por lo general en Y, las tres bobinas de entrada 1, 10 están conectadas por lo general en A. Las conexiones en estrella 8 y 9 de las bobinas de red 3 y 5 están conectadas a tierra 7. Si es necesario, los interruptores de red 11, 12 separan las bobinas de red 3 o 5 de los conductores 4. Los conductores 4 están caracterizados por las inductancias distribuidas Ls y por las capacidades distribuidas Cs. Las tres tensiones de fase sinusoidales Uac en las salidas de las bobinas de red 3 o 5 de la red AC trifásica son iguales a las tres tensiones Ule, que se aplican entre los conductores 4 y la tierra 7, como se ilustra en la figura 2. Las tres tensiones Ule son siempre menores que el valor Ulex. Las mismas condiciones también se aplican a una red AC monofásica:

Uac = Ule - Ulex

El procedimiento según la reivindicación 1 requiere ahora por primera vez que se aumenten las relaciones de transformación de todos los transformadores de red 2, 6, por lo que las amplitudes de las tensiones de fase sinusoidales Uhac se vuelven mayores que las amplitudes de las tensiones Uac o mayores que valor de aislamiento Ulex:

Uhac > Ulex > Uac

Las bobinas de red 3 o 5, que proporcionan las tensiones Uhac, no se pueden conectar directamente a los conductores 4, puesto que la amplitud Uhac es mayor que el valor máximo Ulex, es decir, los aislantes de fase - tierra podrían romperse de otro modo.

Según la invención, como se representa en la figura 3, a cada transformador de red 2 o 6 se le asigna cada vez un generador A 13 o 14, que está conectado entre cada vez una bobina de red 3 o 5 de los transformadores de red y el conductor 4 asociado. El número de fases de los generadores A 13 o 14 corresponde al número de fases del transformador de red asociado.

Los generadores A 13, que están conectados a los transformadores de red de alimentación 2, acoplan (añaden) las tensiones diferenciales AU a las tensiones Uhac de las bobinas de red 3 asociadas y generan las tensiones Uhle entre los conductores 4 y la tierra 7. Una comparación con los gráficos de la figura 2 es reveladora a este respecto.

Los generadores A 14, que están conectados a los transformadores de red carga, por ejemplo, 6, acoplan (restan) las tensiones diferenciales AU de las tensiones Uhle de los conductores 4 asociados, de modo que solo la tensión sinusoidal Uhac se aplicado a las bobinas de red 5 de los transformadores de red de carga 6, como se muestra en base a las figuras 2 y 3.

Las fases y las amplitudes de las tensiones AU están seleccionadas a este respecto, de tal forma que las amplitudes de las tensiones resultantes Uhle, que se aplican entre los conductores 4 y la tierra 7, son menores que el valor de tensión Ulex, como puede entenderse en base a la figura 2. La red HAC están caracterizadas por las tensiones fase -tierra hipersinusoidales Uhle.

Las tensiones AU acopladas reducen las amplitudes de las tensiones Uhle por debajo del valor de tensión permitido Ulex de la red AC original. De este modo se hace posible que se conecten los conductores 4 de la línea de red de la red AC original a las bobinas de red 3 o 5 de los transformadores de red 2 o 6, aunque las tensiones de fase Uhac en las bobinas de red son mayores que las tensiones nominales Uac de la red AC. Con corriente de fase Iac nominalmente constante, la red HAC transmite por lo tanto una mayor potencia Phac. A cada tensión Ule o Uac está asignada una tensión AU, es decir, una red monofásica tiene una tensión AU, una red trifásica tiene tres tensiones AU, que están asignadas a las tres fases.

Tanto los transformadores de red de alimentación 2, que a partir de las tensiones de entrada U11 alimentan las tensiones de fase mayores Uhac en la red HAC, como también los transformadores de red de carga 6, que transforman las tensiones Uhac a las tensiones U12, deben presentar una mayor relación de transformación y mayor aislamiento respecto a tierra, así como diseñarse para la mayor potencia HAC Phac. Los transformadores de red de la red AC original están diseñados para la potencia (nominal) Pac más pequeña.

Cada tensión supersinusoidal Uhle, que se aplica entre un conductor 4 y la tierra 7 de la red HAC, corresponde a la suma de una tensión de fase Uhac con la tensión AU asociada, como es el caso en una disposición según la figura 3 y se puede ver en la figura 2.

Uhle - Ule A U

Las dos tensiones AU de cada circuito de fase cerrado en una disposición según la figura 3 con un transformador de red de alimentación 2 y con un transformador de red de carga 6 son opuestas y se anulan entre sí. Esto también se aplica luego cuando la dirección de la transferencia de energía cambia entre el transformador de carga y de alimentación. Por consiguiente, una tensión sinusoidal Uhac en la salida sinusoidal de las bobinas de red 3 de un transformador de red de alimentación 2 de una disposición según la figura 5 genera una tensión de salida sinusoidal U12 en las bobinas de salida 10 del transformador de red de carga 6. La diferencia de tensión entre cada vez dos bobinas de red 3 y 5 conectadas, que conducen la corriente de fase Iac a través del conductor 4, es sinusoidal, porque los dos tensiones AU opuestos de los generadores A 13 y 14 se compensan entre sí. Por lo tanto, la corriente de fase Iac permanece de forma sinusoidal.

Las pérdidas, los desplazamientos de fase y las impedancias de conductor a lo largo de la longitud de línea real modifican ligeramente la amplitud y la fase de las tensiones Uhac. Las caídas de tensión óhmica se compensan según el estado de la técnica al diseñar los transformadores de red 2 o 6 o con un transformador de regulación. Los desplazamientos de fase en las tensiones AU a lo largo del recorrido se compensan por los generadores A 13 y 14.

Cada tensión AU se compone de armónicos con frecuencias Fi, que son iguales al múltiplo de la frecuencia de red F1 :

Fi = (2*i-1 )*F1, con i = 1,2,3,4, ...

El procedimiento prescribe cómo se determinan las tensiones hipersinusoidales Uhle y las tensiones sinusoidales Uhac, por lo que también están determinadas las tensiones AU asociadas.

La tensión hipersinusoidal Uhle con área de tiempo máxima es rectangular, tiene una amplitud igual a Ulex y una frecuencia de armónico máxima muy alta Fx

Cuanto menor es la frecuencia máxima Fix, tanto menor es el área de tiempo Uhle y el área de tiempo Uhac asociada. Cuanto menor es la frecuencia de tiempo Uhac, tanto menor es la amplitud de la tensión Uhac y la potencia Phac de la red HAC.

- *U le x

La tensión rectangular Uhie con la amplitud Uiex y la tensión sinusoidal Uhac con la amplitud 2 , 1,57*Ulex tienen

las mismas áreas de tiempo. Por lo tanto, la amplitud Uhac es como máximo ^- 2^{*U ie x} es decir, se puede seleccionar mayor que la amplitud de la tensión de fase original Uac, como puede verse en la figura 2.

Las tensiones hipersinusoidales Uhle, que se originan a partir de las tensiones Uhac, son síncronas respecto a las tensiones Uhac asociadas con la frecuencia fundamental F1 (frecuencia de la red), como se desprende igualmente de la figura 2.

Las tensiones AU son igualmente síncronos con las tensiones Uhac. La tensión Uhac y la Uhle de la red HAC son síncronas respecto a las tensiones equivalentes Uac y Ule de la red AC original - como se infiere de la figura 2, porque tanto la tensión Uac como también la Uhac se originan por la transformación de las mismas tensiones de entrada U11 o U12, que se aplican en la disposición según la figura 3. La corriente alterna Iac es igualmente síncrona y en fase con las tensiones de fase Uhac o Uac - véase la figura 2.

La suma de los valores integrales del producto de las corrientes de fase nominales Iac con las tensiones AU asociadas de una red HAC trifásica se calcula de la siguiente manera

y corresponde a la potencia activa que requieren los generadores A para el acoplamiento de las tensiones AU. El valor de la suma es igual a cero. Esto significa que los generadores A solo proporcionan la potencia aparente (potencia reactiva). Esto también se aplica a redes monofásicas o multifásicas.

La sección transversal de los conductores 4 de un cable subterráneo 49 según la figura 11 de una línea AC existente con cables subterráneos se define por la corriente nominal Iac. El grosor del aislamiento 44 alrededor de los conductores 4 cargados de tensión está determinado por el valor Ulex, es decir, a través del valor máximo de la tensión de fase a tierra Ule.

Si la red HAC se opera con la corriente de fase nominal Iac y la amplitud de las tensiones hipersinusoidales Uhle se selecciona menor o igual a la Ulex, entonces la línea AC existente se puede operar como una red HAC con la mayor potencia Phac.

Si una red HAC está realizada con conductores aéreos, como está representada en la figura 12, y se opera con la corriente de fase nominal Iac, la sección transversal de los conductores aéreos de la línea AC original permanece sin cambios. Si las tensiones de fase - tierra hipersinusoidales Uhle son menores o iguales a Ulex, los aislantes 62 y los mástiles 46 de la línea de conductores aéreos, que también están diseñados para el valor Ulex, permanecen sin cambios. En consecuencia, bajo estas condiciones se puede operar la red HAC con la línea de conductores aéreos AC sin cambios.

Según la invención, cada tensión AU de una red HAC trifásica o monofásica se divide en cada vez dos tensiones Us y Uh. Las frecuencias de los armónicos de la tensión Us corresponde a F1*3*(2*i-1), con i=1,2,3... y con la frecuencia fundamental F1 igual a la frecuencia de red. La tensión Uh y la Us están en fase con las tensiones de fase Uhac. Las tensiones Us para las tres fases de red de una red trifásica son iguales y solo se pueden transportar por tres transformadores de red monofásicos y no por un transformador de red AC trifásico.

Cada una de las tensiones Uh de una fase se forma a partir de la diferencia entre la tensión AU asociada y la tensión Us. Cada tensión Uh se compone del quinto, séptimo, undécimo, etc. armónico de la tensión de fase Uhac asociada. La suma de las tres tensiones Uh de una red AC trifásica es igual a cero. Tanto la tensión Uh monofásica como también la trifásica se pueden transmitir por transformadores de red AC.

La figura 3 muestra el diagrama de bloques de una red HAC trifásica o monofásica. La red HAC trifásica se ha conseguido mediante la extensión de una red AC trifásica original con los generadores A3 trifásicos 13, 14, que generan y acoplan las tensiones AU trifásicas. El transformador de red de alimentación 2 transforma las tensiones sinusoidales U11, que se aplican a las bobinas de entrada 1, a las tensiones de fase sinusoidales Uhac, que se aplican en las bobinas de red 3. El generador A3 13 acopla (añade) las tres tensiones AU asociadas a las tres tensiones Uhac y forma las tensiones hipersinusoidales Uhle entre los conductores asociados 4 y la tierra 7. Las tres corrientes de fase sinusoidales Iac se conducen sin cambios por el generador A313. El generador A314 desacopla (resta) las tensiones AU asociadas de las tensiones Uhac y forma las tres tensiones de fase sinusoidales Uhac, que se aplican a las bobinas de red 5 del transformador de red de carga 6. Las corrientes de fase sinusoidales Iac no conducen sin cambios por el generador A3 14.

Los generador A3 13 en la disposición según la figura 3, que están conectados a las bobinas de red 3 de los transformadores de red de alimentación 2, miden las tensiones Uhle, las tensiones Uhac y las corrientes Iac con una alta tasa de muestreo (> 10*Fix) y se ocupan de que las frecuencias, las amplitudes y las fases de las tensiones AU acopladas se adaptan en línea, de tal manera que las tensiones hipersinusoidales Uhle correctas se aplican en cualquier momento entre los conductores 4 y la tierra 7, así como las tensiones de fase Uhac están en fase con las corrientes de fase Iac asociadas.

Los generadores A314, que están conectados a las bobinas de red 5 de los transformadores de red de carga 6, miden las tensiones U12 y las corrientes de fase Iac, que se transfieren a los consumidores y se ocupan de que las frecuencias, las amplitudes y las fases de las tensiones AU desacoplados se ajusten en línea, de tal manera que las tensiones U12 están libres de armónicos y en fase con las corrientes de fase Iac asociadas. La topología de una red HAC monofásica es la misma, pero se utilizan generadores A1 monofásicos.

La figura 6 muestra la estructura básica de un generador A, que se realiza de forma monofásica (para una red AC monofásica) o trifásica (para una red AC trifásica). Un generador A1 monofásico se compone de un inversor monofásico 20, que genera la tensión AU y se alimenta por la fuente 19. El transformador de acoplamiento monofásico 21 transforma la tensión AU aislada en potencial de la bobina de entrada 22 a la bobina de salida 23. El interruptor mecánico monofásico 24 puentea la bobina de salida 23 y protege el generador A1 contra sobretensiones. El interruptor electrónico monofásico 25 acorta el retardo de encendido a menos de 100 gs y se instala de forma opcional.

Un generador A2 es una variante de realización del generador A1 monofásico. La diferencia consiste en que el transformador de acoplamiento 21 está equipado con dos bobinas de salida 23, que proporcionan las mismas tensiones AU iguales pero opuestas. El generador trifásico A3 está construido como el generador monofásico A1, sin embargo tanto el inversor 20 como también el transformador de acoplamiento 21 y los interruptores 24 y 25 están realizados de forma trifásica.

Solo se necesita potencia aparente para el acoplamiento de las tensiones AU, ya que un generador A en funcionamiento normal solo suministra las corrientes capacitivas que se necesitan para la inversión de carga de las capacidades de conductor Cs. En consecuencia, la potencia de la alimentación 19, que solo cubre las pérdidas del inversor 20 y del transformador de acoplamiento 21, es menor del 1 % de la potencia de la red HAC Phac.

Cuanto más amplio es el espectro de tensiones AU, tanto mayores son las áreas de tiempo hipersinusoidales Uhle y tanto mayor son las tensiones Uhac y potencia de red Phac. Los armónicos AU generan campos eléctricos y magnéticos de alta frecuencia, que están fuertemente limitados por las normas. Además, las corrientes capacitivas se excitan en los condensadores de fase - tierra, que provocan pérdidas en los conductores y en las pantallas de los cables.

Por estas razones, las siguientes frecuencias de los armónicos AU son relevantes en la práctica para una red industrial con 50/60 Hz:

• la tensión AUg, cuyo espectro está limitado al noveno armónico, provoca un aumento de la potencia de red de hasta un 25 %.

• La tensión AU7, cuyo espectro está limitada al séptimo armónico, para un aumento de la potencia de red en un 23 %;

• La tensión AU5, cuyo espectro está limitado al quinto armónico, provoca un aumento del 20% de la potencia de red;

• La tensión AU3, cuyo espectro está limitado al tercer armónico, provoca un aumento de la potencia de red en un 16 %.

En el caso de una red ferroviaria, la frecuencia Fix se puede aumentar en un factor de 3, porque la frecuencia fundamental F1 es igual a 162/3 Hz.

Las pérdidas por conducción óhmica de la red HAC y la red AC original son iguales cuando las corrientes de fase mantienen el valor nominal Iac. Las pérdidas de línea de una red HAC relacionadas con la potencia de la red son como máximo un 44 % menores que las pérdidas de potencia específicas de la red AC original. Las pérdidas de potencia referidas de la red HAC con frecuencias armónicas limitadas se sitúan entre un 25 % y un 44 % más bajas que las pérdidas de potencia referidas de la red AC original.

A continuación, se presentan tres ejemplos de realizaciones de los generadores S, que generan las tensiones Us: el generador S1 y el generador S3.

El generador S1 monofásico está construido como el generador A1 monofásico, como se muestra en la figura 6. El inversor monofásico 20 genera la tensión Us, el transformador de acoplamiento monofásico 21 acopla esta tensión a la bobina de salida 23, que se puentea por el par de interruptores 24, 25 si es necesario.

Si las bobinas de red de un transformador de red están conectadas en A, como se representa en la figura 7, entonces entre el generador S1 17 y las bobinas de red 3 están conectadas a un transformador de puesta a tierra 26, cuyas bobinas 27 forman el punto de estrella 28 y están conectadas a los conductores de red 4. Este llamado generador AS se puede conectar en cualquier punto a lo largo de la línea de conductor de la red AC y acoplar las tensiones Us.

Un llamado generador S3 genera tres tensiones Us separadas en potencia como se muestra en la figura 8 y está construido como un generador S1, con las siguientes diferencias. El transformador de acoplamiento 29 del generador S3 está equipado con tres bobinas de salida 31, 32, 33 separadas en potencia, que están acopladas a la bobina de entrada 22 a través del núcleo magnético común 30. Cada una de las bobinas de salida 31, 32, 33 se conecta entre cada vez un conductor 4 y la bobina de red 3 asociada. Con referencia a la figura 4, el transformador de red 2, que está extendido con un generador S317, puede estar equipado con un punto de estrella 8 que está puesto a tierra como se muestra en la figura 4. Cada una de las bobinas de salida 31, 32, 33 del generador S3 suministra la tensión Us y estas bobinas de salida 31,32, 33 conducen las corrientes de fase Iac, Iacs, lact como se muestra en la figura 8.

A continuación, se presentan tres ejemplos de realización de los generadores H, que generan las tensiones Uh: el generador H1, el generador H2 y el generador H3.

La estructura de un generador H1 monofásica corresponde a la estructura de un generador A 1, como se muestra en la figura 6. El inversor monofásico 20 genera la tensión Uh, el transformador de acoplamiento monofásico 21 transmite esta tensión a la bobina de salida 23, que está conectada entre una bobina de red 3 o 5 y una línea 4 (figura 4).

La estructura de un generador H2 monofásico corresponde a la estructura de un generador A2, mostrada en la figura 6. El inversor monofásico 20 genera la tensión Uh, el transformador de acoplamiento 21 acopla esta tensión a dos bobinas de salida 23 separadas en potencial, que proporcionan dos tensiones Uh iguales y opuestas. El generador H2 se utiliza en redes AC monofásicas. Dos generadores H1 se pueden engloban como un generador H2.

La estructura de un generador H3 trifásico corresponde a la estructura de un generador Hi. Un inversor trifásico 20 genera las tres tensiones Uh, y el transformador de acoplamiento trifásico 21 transforma las tensiones Uh a las tres bobinas de salida 23. El generador H3 se utiliza en redes trifásicas. T res generador H1 se pueden englobar como un generador H3. Cada generador A1, generador A2 o generador A3 se puede englobar a partir de las variantes de realización de los generadores S y H.

La figura 4 muestra la topología de una red HAC trifásica con al menos un generador S1, que está conectado a los puntos de estrella 8 de las bobinas de red 3 de al menos un transformador de red 2 y está equipado con cada vez un generador H315 o 16, que está conectado a cada vez una bobina de red 3 o 5 de los transformadores de red 2 o 6. Las conexiones de estrella 9 de las bobinas de red 5 sin generadores S1 no se deben poner a tierra o solo con una resistencia muy alta, porque los generadores S1 se cortocircuitan en la puesta a tierra de una conexión de estrella 9. Otra posibilidad consiste en cortocircuitar las conexiones de estrella 9 sin generador S1 17 con cada vez una impedancia de terminación 18, que está adaptada de modo que la tensión a través de la impedancia de terminación 18 corresponde a la tensión Us necesaria.

La figura 5 muestra la topología de una red HAC trifásica con al menos un generador S3, que está conectado entre los conductores 4 y las bobinas de red 3 de al menos un transformador de red 2, y con cada vez un generador H315 o 16, que está conectado a las tres bobinas de entrada 1 o 10 de los transformadores de red 2 o 6. Las conexiones de estrella 9 de las bobinas de red 2, que están conectadas a los transformadores S3, se deben conectar a tierra para que se originen las tensiones hipersinusoidales Uhle. Las conexiones de estrella 9 de las bobinas de red 5, que están libres, no se deben poner a tierra o solo con una resistencia muy alta, para que las tensiones Us no se cortocircuiten. Otra posibilidad consiste en terminar las conexiones de estrella sin generador S1 con cada vez una impedancia de terminación 18, que está adaptada de tal manera que la tensión a través de la impedancia de terminación 18 corresponde a la tensión Us.

La figura 9 muestra la topología de una red HAC monofásica. A cada transformador de red monofásico 2 o 6 está asignado un generador A1 13, 14, que se conecta a la bobina de entrada 1 o 10. La bobina de salida de cada transformador de red monofásico 2 o 6 se divide en cada vez dos bobinas de red equivalentes 34, 35 o 36, 37 mediante cada vez una toma central 8 o 9, respectivamente. Las tomas centrales 8, 9 están puestas a tierra. El generador A1 monofásico 13 acopla (añade) la tensión AU asociado a la tensión de entrada U11 del transformador de red de alimentación 2 y forma las tensiones hipersinusoidales Uhle, que se transforman en las bobinas de red 34 o 35. Las tensiones hipersinusoidales en las bobinas de red 34 o 35 son iguales y opuestas. Cada dos conductores 4 conectan al menos un transformador de red de alimentación 2 con al menos un transformador de red de carga 6. Las corrientes de fase Iac de ambos conductores 4 son iguales y opuestas. El transformador de red de carga 6 transforma la tensión hipersinusoidal Uhle de las bobinas de red 36 o 37 a la bobina de entrada 10 del transformador de red de carga 6. El generador A 14 desacopla (sustrae) la tensión AU asociada de la tensión de fase Uhac de la bobina de entrada 10 y forma por lo tanto la tensión sinusoidal U12, que se transfiere a los clientes.

Otra variante de la topología de la red HAC monofásica prevé que cada vez se utiliza un generador A2 13 con dos bobinas de salida. Cada vez una bobina de salida del generador A 213 acopla cada vez una tensión AU en cada vez una bobina de red 34 o 35, y cada vez una bobina de salida del generador A214 desacopla cada vez una tensión AU de la bobina de red 36 o 37 de un transformador de red de carga 6, de modo que el transformador de red de carga 6 transforma la tensión de fase sinusoidal Uhac en la tensión sinusoidal U12.

A lo largo de la distancia de conductor de la red HAC, las posiciones de fase de las tensiones armónicas en relación con la componente fundamental se diferencian debido a las impedancias del conductor. Los desplazamientos de fase de las tensiones Uh y Us con respecto a las tensiones de fase Uhac aumentan con la longitud de los conductores que conectan los transformadores de red. Los desplazamientos de fase de las tensiones Uh y Us elevan la amplitud de la tensión hipersinusoidal Uhle, las tensiones de fase Uhac tiene que reducirse en consecuencia, y como resultado se disminuye la potencia de la red Phac.

Un desplazamiento de fase máximo ^sx o ^hx predeterminado para las tensiones Us y Uh limita la longitud del conductor entre los generadores S y H. Si las fases de las tensiones Us y Uh al inicio de las líneas se generan con los respectivos valores de fase -0.5*^sx o -0.5*^hx, entonces estos valores de fase al final de las líneas son de 0.5* ^sx o 0,5*^hx. Por lo tanto, este control previo de los ángulos de fase permite una duplicación de la longitud entre dos generadores S o H.

Según la invención, se pueden disponer varios generadores AS y generadores H a lo largo de un recorrido de red. La posición de fase de las tensiones Uh y Us, que se acoplan a lo largo del recorrido de red, está controlada por los generadores H y AS de tal manera que no se sobrepasan los valores máximos ^sx o ^hx.

El generador H 15 o 16 puede regular la potencia que alimenta o toma el transformador de red 2 o 6 asignado en la figura 4, en lugar de un transformador de regulación. La fase de la tensión de regulación Ur, referido a la tensión de fase Uhac, varía entre -90° y 90°. Según el estado de la técnica, la tensión de regulación varía en /- 10 % de la amplitud de la tensión de fase. La potencia del generador H se debe aumentar con la potencia de regulación. De este modo, tanto la potencia activa como también la reactiva, que suministra o toma el transformador 2 o 6, se puede regular parcial o totalmente.

Según la invención, los generadores Si en una disposición según la figura 4 pueden anular la corriente de cortocircuito que fluye entre el conductor 4 en cortocircuito de la bobina de red asociada 3 y la tierra 7 durante un cortocircuito.

La magnitud de la corriente de cortocircuito depende de la distancia entre el cortocircuito y la bobina de red 3. El generador Si reconoce el cortocircuito y constituye la contratensión necesaria para la anulación de la corriente de cortocircuito. La potencia instalada del inversor 20 y del transformador de acoplamiento 21 según la figura 6 aumenta a este respecto.

La figura 10 muestra la estructura de una red HAC redundante. La tensión de fase Uac se toma de las salidas 38 o 39 de las bobinas de red 3 o 5. Los interruptores de red 11 o 12 conectan las salidas de las bobinas de red 3 o 5 a los conductores 4 asociados, y los pares de interruptores 40, 41 o 42, 43 conectan las tomas 38 o 39 a los conductores 4 asociados. Cada par de interruptores 40, 41 o 42, 43 se compone de cada vez un interruptor de red mecánico 40 o 42 y de cada vez un interruptor electrónico 41 o 43, que está conectado en paralelo al interruptor mecánico 40 o 42. Los interruptores electrónicos 41 o 43 se utilizan luego cuando se necesitan tiempos de encendido menores de 100 ps, es decir, cuando el valor Uhac mayor se debe cambiar muy rápidamente al valor Uac más bajo.

La red HAC se opera de dos maneras: en funcionamiento normal como una red HAC con la mayor tensión de fase Uhac y en caso de falla o si se requiere como una red AC con la tensión de fase más baja Uac. Durante el funcionamiento como red HAC, los conductores 4 están conectados a las salidas de las bobinas de red 3 o 5, los interruptores de red 11 y 12 están cerrados y los pares de interruptores 40, 41 o 42, 43 están abiertos. Durante el funcionamiento como red AC, los interruptores de red 11 o 12 están abiertos y los pares de interruptores 40, 41 y 42, 43 están cerrados. Además, todos los generadores H y todos los generadores S están puenteados, de modo que ninguna tensión Uh o Us está aplicada. Por lo tanto, la red HAC se ha vuelto a cambiar a la red AC original.

La tensión de fase - fase Uii, que se aplica en una red AC trifásica, es igual a

V 3 * U a c ~ 1.71 *Uac.

La amplitud de la tensión de fase - fase Uhll de una red HAC es igual al doble de la amplitud de la tensión de fase Uac, independiente de la frecuencia armónica máxima Fix. La tensión Uhll es por lo tanto como máximo (V3/2 -1) ~ 16 % mayor que la tensión Uⁱⁱ, incluso si las tensiones de fase Uhac son mayores que 116 %*Uac (por ejemplo, 157 %*Uac). El procedimiento presentado reduce tanto las tensiones de fase - tierra Uhle como también las tensiones fase - fase Uhll y por lo tanto es único.

La tensión Uhl mayor en como máximo un 16 % no es un problema para el cable AC 49 según la figura 11 si los conductores 4 están aislados y blindados individualmente y los blindajes 45 están puestos a tierra. Un cable subterráneo 43 se compone por lo general de un conductor 4 y un aislante 44, que encierra y aísla el conductor 4, así como de la pantalla 45 para desacoplar electrostáticamente el aislante 44 del entorno. De este modo, la tensión de fase - fase Uhll no tiene influencia en la tensión Uhle entre el conductor y el blindaje puesta a tierra 45, es decir, en el aislamiento 44 del conductor 4. Un cable construido de esta manera se puede utilizar en la red HAC modificada sin cambios.

Como está representado en la figura 11, se pueden reunir tres cables individuales para formar un cable subterráneo 49 si los conductores 4 están aislados individualmente por los aislantes 44 y blindados individualmente por los blindajes 45 puestos a tierra. Un cable construido de esta manera también se puede usar sin cambios en una red HAC modificada.

La altura de los mástiles 46 de las líneas AC existentes con conductores aéreos, como se muestra en la figura 12, permanece sin cambios a pesar de una tensión Uhac más alta, porque la altura del mástil es proporcional a la amplitud Uhle, que permanece sin cambios con una extensión a la red HAC, como se muestra en la figura 2. Según el estado de la técnica, la distancia entre dos conductores aéreos 4 adyacentes de un brazo 50 o 51 está determinada por el balanceo de los conductores aéreos 4 en los aislantes 62 bajo fuertes cargas de viento. El espacio de aire entre dos conductores adyacentes aísla una tensión más alto ~ 2*Uac como la tensión Uhll ~ 1.17*Uac. Pero, en el caso de recorridos con cargas de viento críticas se debe aumentar ligeramente eventualmente la distancia entre conductores adyacentes (en < 16 %), o en el caso de conductores muy oscilantes, la red HAC se debe conmutar temporalmente a la red AC.

La figura 12 muestra un mástil para una red de líneas aéreas HAC con radiación eléctrica y magnética reducida. La mayoría de las líneas de conductores aéreos contienen seis conductores que están agrupados en dos sistemas HAC trifásicos 47 y 48. El primer sistema HAC trifásico 47 está formado por tres conductores 4, el segundo sistema HAC trifásico 48 se forma por otros tres conductores 4. Los conductores 4 de ambos sistemas HAC 47 y 48 discurren en paralelo entre sí. Los dos sistemas HAC trifásicos 47 y 48 garantizan una transmisión redundante. Si un sistema HAC falla, la transmisión continúa con el segundo sistema HAC, pero con potencia reducida Phac/2.

Los campos E de las tensiones Uhac y Uh de un sistema HAC trifásico se cancelan entre sí, porque la suma de las tensiones Uh o las tensiones Uha es igual a cero. No obstante, las tres tensiones Us iguales de un sistema HAC 47 o 48 no se anulan entre sí, sino que se suman. El campo E de la tensión Us de un sistema HAC trifásico 47 o 48 no se compensa por lo tanto.

Según la invención, las corrientes y tensiones del primer sistema HAC 47 están dirigidas contra las corrientes y tensiones del segundo sistema HAC 48, lo que corresponde a un desplazamiento de fase de medio período de la frecuencia de red. Los dos sistemas HAC 47, 48 transmiten la potencia en la misma dirección, pero el campo eléctrico de la tensión Us del sistema HAC 47 está dirigido en oposición al campo eléctrico de la tensión Us del sistema HAC 48. Los dos campos E de las tensiones Us se superponen y se compensan a este respecto.

También los campos residuales AC magnéticos y eléctricos de las tensiones de fase sinusoidales Uhac del sistema HAC 47 están dirigidos en oposición a los campos residuales AC del sistema HAC 48. Los campos residuales AC mutuamente dirigidos de ambos sistemas HAC 47, 48 se superponen y se debilitan en un 17% más.

Si falla un sistema HAC trifásico 47 o 48 se puentean los generadores S y H de ambos sistemas HAC y el sistema HAC defectuoso se apaga. Las tensiones de fase del sistema HAC en funcionamiento se reducen al valor Uac, y el sistema HAC en funcionamiento 47 o 48 se operan como una red AC convencional en caso de falla si se superan los valores límite de los campos generados por Us.

Los transformadores de red monofásicos convencionales pueden transformar las tensiones de fase - tierra hipersinusoidales Uhle.

Los transformadores de red trifásicos pueden transformar las tensiones Us, porque las tensiones Us son iguales para las tres fases (modo común) y se cancelan en las tensiones fase - fase Uhll entre fases.

La figura 13 muestra la estructura de un transformador de red trifásico 55 (denominado transformador de red HAC), que transforma las corrientes de fase sinusoidales Iac y tensiones de fase Uhac, así como las tensiones fase - tierra hipersinusoidales Uhle. Este transformador de red HAC trifásico 55 se compone de un transformador de red trifásico 2, de un transformador de puesta a tierra 26 y de un transformador monofásico 52 con la misma transformación que el transformador de red trifásico 2. En esta figura 13 se utiliza un transformador Y-A trifásico. Las bobinas 27 del transformador de puesta a tierra 26 están conectadas a las bobinas de red 3 conectadas en A y forman la conexión de estrella 28 de las bobinas de red 3 conectadas en A. La bobina de entrada del transformador monofásico 52 está conectada entre la conexión de estrella 8 de las bobinas 1 conectadas en Y del transformador trifásico 2 y la tierra 7. La tensión, que se aplica en la bobina de entrada 53 del transformador monofásico 52, es la tensión Us de la tensión de fase - tierra hipersinusoidal Uhle de la red HAC. La bobina de salida 54 del transformador monofásico está conectada entre la conexión de estrella 28 y la tierra 7 y proporciona la tensión Us transformada. Un transformador de red HAC A-Y trifásico está construido de forma análoga al transformador de red HAC Y-A trifásico.

La figura 14 muestra el diagrama de bloques de una red HAC trifásica cuyas tensiones se generan por un inversor completo 20 existente. La conexión a red AC de una instalación solar, una instalación eólica y un acumulador de baterías se realiza con un inversor completo 20 que, según el estado de la técnica, tiene las tres tensiones sinusoidales Ua a un transformador de red AC. Según la invención, el inversor completo 20 genera las tres tensiones fase a tierra hipersinusoidales Uhle con una modulación hipersinusoidal. Estas tensiones Uhle se aplican en un transformador de red HAC trifásico 55 (figura 13) que transforma estas tensiones. El transformador de red HAC 55 (figura 13) puede ser tanto del tipo Y-A como también del tipo A-Y y transforma las tensiones HAC en los conductores 4. El transformador de red AC HV de carga 6 está conectado al transformador de red HAC. El generador H 15 desacopla la tensión Uh antes del transformador de red AC de carga 6. La tensión Us residual se desacopla del transformador de red AC 6 (figura 14), porque el transformador de red AC trifásico 6 no puede transformar la tensión Us.

Los generadores síncronos se utilizan en instalaciones eólicas, pero también como generadores de centrales eléctricas y pueden generar tensiones hipersinusoidales directamente (generador síncrono HAC). El requisito previo para ello es que los entrehierros entre los polos del rotor y del estator estén formados correspondientemente.

La figura 15 muestra la unión de un generador síncrono HAC trifásico 67 a una red HAC con un transformador de red HAC trifásico 36, análogamente a la unión de un inversor completo trifásico 20 a una red HAC trifásica como está representado en la figura 14.

Las corrientes y las tensiones de los conductores de un sistema trifásico dispersan campos magnéticos y eléctricos no deseados (campos B y E). Los campos magnéticos y eléctricos de las corrientes de fase y de las tensiones de fase de un sistema AC trifásico se debilitan entre sí. Por otra parte, los campos residuales magnéticos y eléctricos de los sistemas 47 y 48 según la figura 12 se suman, porque las corrientes y las tensiones de ambos sistemas son sincrónicas y rectificadas según el estado de la técnica.

Los campos E de las tensiones trifásicas Uhac y Uh de un sistema HAC trifásico se debilitan igualmente entre sí. Pero, las tres tensiones Us iguales del sistema HAC 47 o 48 en la figura 12 no se anulan entre sí, sino que se suman. Por lo tanto, no se compensa el campo E de la tensión Us de un sistema HAC trifásico 47 o 48.

Según la invención, las corrientes y tensiones del primer sistema 47 en la figura 12 están dirigidas contra las corrientes y tensiones del segundo sistema 48. Los dos sistemas 47, 48 transmiten la potencia en la misma dirección, pero el campo eléctrico de la tensión Us del sistema 47 se opone al campo eléctrico de la tensión Us del sistema 48. Estos campos se superponen y se compensan entre sí a este respecto.

Los campos residuales AC magnéticos y eléctricos de las tensiones de fase sinusoidales Uhac del sistema 44 están opuestos a los campos del sistema 45. Los campos residuales AC de ambos sistemas se superponen y se debilitan en un 16 % más.

Si falla un sistema trifásico 47 o 48, los generadores S y H de ambos sistemas se puentean y el sistema defectuoso se desconecta. Las tensiones de fase del sistema de funcionamiento se reducen al valor Uac, y el sistema de funcionamiento 47 o 48 funciona como una red AC convencional en caso de fallo.

La figura 16 muestra una instalación que permite acoplar una red AC trifásica a una red HAC trifásica y viceversa. A este respecto, el transformador de red trifásico 2 existente de la red AC se extiende con un transformador de extensión trifásico 56. El transformador de extensión 56 transforma las tensiones de entrada U11, que se aplican a las bobinas de entrada 57, en las tensiones adicionales dUac, que se aplican a las bobinas de salida 58. Las tensiones adicionales dUac se suman a las tensiones de fase Uac, por lo que las tensiones Uhac se originan entre los conductores 4 y la conexión en estrella de las bobinas de salida 58. Las bobinas de salida 58, que están conectadas en serie con las bobinas de red 3, se puentean por el par de interruptores 60 si es necesario. Las tensiones adicionales dUac son aprox. de un 16 % - 25 % de las tensiones Uac.

El generador H 15 acopla las tensiones Uh en las bobinas de entrada 57 del transformador de extensión 56, que se transforman a las bobinas de salida 58. Finalmente, el generador S117 acopla la tensión Us entre el punto de estrella 8 y la tierra 17, por lo que las tensiones Uhle se forman entre los conductores 4 y la tierra 7. El par de interruptores 61 puentea el generador S1 en caso de falla. De forma alternativa al generador S1, las tres bobinas de salida 31,32, 33 de un generador S3 están conectadas en serie entre las bobinas de salida 58 del transformador de extensión 56 y el punto de estrella 8.

Esta instalación trifásica también se puede realizar de forma monofásica. La instalación monofásica incluye un transformador de red monofásico, un transformador de extensión monofásico, un generador H1 y un generador S1, así como interruptores monofásicos y pares de interruptores. También se puede utilizar un generador A1 en lugar de generadores H y S monofásicos. Las bobinas de entrada 1 del transformador de red se pueden conectar en Y o en A. Las bobinas de salida 3 del transformador de red 2 se pueden conectar en A o en Y.

En caso de cortocircuito fase - tierra se aplican sobretensiones entre las bobinas de red 3 del transformador de red 2 y la tierra 7, o entre las bobinas de salida 58 del transformador de extensión 56 y la tierra 7, que son hasta dos veces mayores que Uac. Si mantiene los transformadores de red existentes, entonces la tensión dUac y las tensiones Uh o Us se puentean.

El transformador de extensión 56 también se debe proteger contra sobretensiones en caso de falla. El transformador de extensión 58 o el generador S117 se protege contra sobretensiones no permitidas puenteando estas tensiones a través de los pares de interruptores 60 o 61. En caso de falla, el transformador de red 2 se protege por las tensiones Uhle y Uhac se reducen a los valores Ule y Uac en tanto que los pares de interruptores 60 o 61 puentean las tensiones dUac, Uh, y Us.

El puenteo se debe realizar rápidamente (< 100 gs) y se implementa con cada vez un par de interruptores 60 o 61. Un par de interruptores 60 se compone de un interruptor mecánico 24 y un interruptor electrónico 25 conectado en paralelo y cortocircuita muy rápidamente ( < 100 gs) - véase la figura 6.

Las tensiones de fase - tierra Uhle o las tensiones de fase Uhac se reducen mediante el puenteo a los valores AC más bajos Uac o Uie. De este modo se descarga el aislamiento del transformador de red 2 en caso de falla. El aislamiento del transformador de expansión 56 no se reivindica en caso de falla porque tanto las tensiones en las bobinas de salida 58 se ponen a cero por el puenteo y las bobinas de entrada 57 del transformador de expansión 56 se separan de la red por el interruptor de protección 59.

Conforme a la figura 16, el transformador de extensión 56 se puede aislar para una clase de tensión más baja de la de los transformadores de red. Esto reduce esencialmente los costes de la conversión de una instalación AC existente.

Otra posibilidad de acoplar una red AC trifásica a una red HAC trifásica consiste en extender un transformador de red trifásico 2 con un autotransformador trifásico 63, como se muestra en la figura 17.

Las bobinas de red 3 del transformador de red 2 están conectadas en triángulo. Las bobinas de puesta a tierra 64 del autotransformador 63 están conectadas en estrella y forman la conexión de estrella 8. Las bobinas de red 65 del autotransformador 63 suministran las tensiones adicionales dUac y conducen la corriente de fase iac. Así se originan las tensiones de fase mayores Uhac = Uac dUac en la salida del autotransformador 63. Un generador H315 acopla las tres tensiones Uh asociadas en las bobinas de red 65 del autotransformador 63. Un generador S117 acopla la tensión Us entre la conexión de estrella 8 de las bobinas de puesta a tierra 64 y la tierra 7 y forma las tensiones Uhle de la red HAC entre los conductores 4 y la tierra 7. El par de interruptores trifásicos 60 puentea las bobinas de red 64 del autotransformador 63 y el generador H315 en caso necesario. El par de interruptores 61 puentea simultáneamente el generador S3 y el interruptor de separación 66 separan simultáneamente las bobinas de puesta a tierra 64 del autotransformador 63 de la tierra 7.

La instalación en la figura 17 también se puede implementar con un transformador de red monofásico 2 y con un autotransformador monofásico para redes AC monofásicas. La instalación monofásica incluye un transformador de red monofásico, un autotransformador monofásico, un generador H1 y un generador S1, así como el interruptor de separación monofásico 66 y los pares de interruptores monofásicos 60 y 61. En lugar de los generadores H1 y S1 monofásicos, se puede utilizar un generador A1. Las bobinas de entrada 1 del transformador de red monofásico 2 se pueden conectar en Y o en A. Las bobinas de salida 3 del transformador de red 2 se pueden conectar en A o en Y.

Lista de designaciones y de los números de referencia

Uac Tensión de fase sinusoidal de la red AC

Uhac Tensión de fase sinusoidal de la red HAC

U11, U12 Tensiones de entrada sinusoidales de los transformadores de red de la red AC

dUac Tensión adicional sinusoidal, igual a (Uhac - Uac)

Ule Tensión sinusoidal de conductor - tierra de la red AC

Uhle Tensión de conductor - tierra hipersinusoidal de una red HAC

Ulex Valor máximo de la tensión de conductor - tierra de la red AC y de la red HAC

Ull Tensión fase a fase (entre fases) de la red AC

Uhll Tensión fase a fase (entre fases) de la red HAC

Iac Corriente de fase sinusoidal de la red AC

Iacr Corriente de fase sinusoidal de red AC, fase R (Fig.8)

Iacs Corriente de fase sinusoidal de red AC, fase S (Fig.8)

Iact Corriente de fase sinusoidal de red AC, fase T (Fig.8)

Pac Potencia de la red AC

Phac Potencia de red HAC

AU Tensión diferencial generada por un generador A

F1 Frecuencia de red fundamental

Fix Frecuencia máxima de los armónicos de la tensión AU

Us Componente armónica de la tensión AU, generada por un generador S

Uh Componente armónica de la tensión AU, generada por un generador H

A1, A3 Generador A monofásico, generador A trifásico

A2 Generador A1 con dos bobinas de salida

H1, H3 Generador H monofásico, generador H trifásico

H2 Generador H monofásico con dos bobinas de salida

S1, S3 Generador S con una bobina de salida, generador S con tres bobinas de salida

1 Bobina de entrada en transformador de red 2

2 Transformador de red (de alimentación)

3 Bobina de red en transformador de red 2

4 Conductor

5 Bobina de red en transformador de red 6

6 Transformador de red (de carga)

Tierra

Punto de estrella de las bobinas de red (Fig.1, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 9, Fig. 10, Fig. 16, Fig. 17) Punto de estrella de las bobinas de red (Fig.1, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 9, Fig. 10)

Bobina de entrada en transformador de red 6

Interruptor de red en transformador de red 2 (Fig. 1, Fig. 10)

Interruptor de red en transformador de red 6 (Fig. 1, Fig. 10)

Generador A en transformador de red 3 (Fig. 3, Fig. 9)

Generador A en transformador de red 6 (Fig. 3, Fig. 9)

Generador H3 en transformador de red 3 (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 10, Fig. 14, Fig. 15, Fig.16, Fig. 17) Generador H3 en transformador de red 6 (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 10)

Generador S1, (Fig. 4, Fig. 16, Fig. 17)

Impedancia de terminación (Fig. 4)

Fuente de tensión en 20 (Fig. 4, Fig. 20)

Inversor monofásico/trifásico (Fig. 6, Fig. 8 , Fig. 14)

Transformador de acoplamiento monofásico/trifásico a 20 (Fig. 6)

Bobina de entrada del transformador de acoplamiento 21 (Fig. 6 , Fig. 8)

Bobina de salida del transformador de acoplamiento 21 (Fig. 6)

Interruptor mecánico 24 en el par de interruptores 60 (Fig. 6)

Interruptor electrónico 25 en el par de interruptores 60 (Fig. 6)

Transformador de puesta a tierra (Fig. 7, Fig. 13)

Bobinas del transformador de puesta a tierra (Figura 7, Fig. 13)

Punto de estrella de las bobinas 27 (Figura 7, Fig. 13)

Transformador de acoplamiento de un generador S3 (Fig. 8)

Núcleo magnético común de 29 (Fig. 8)

Bobina de salida en 29 (Fig. 8 )

Bobina de salida en 29 (Fig. 8 )

Bobina de salida en 29 (Fig. 8 )

Bobina de red del transformador de red monofásico 2 (Fig. 9)

Bobina de red del transformador de red monofásico 2 (Fig. 9)

Bobina de red del transformador de red monofásico 3 (Fig. 9)

Bobina de red del transformador de red monofásico 3 (Fig. 9)

Toma de la bobina de red 3 con la tensión Uac (Fig. 10)

Toma de la bobina de red 5 con la tensión Uac (Fig. 10)

Interruptor mecánico en las bobinas de red 3 (Fig. 10)

Interruptor electrónico en las bobinas de red 3 (Fig. 10)

Interruptor mecánico en las bobinas de red 5 (Fig. 10)

Interruptor electrónico en las bobinas de red 5 (Fig. 10)

Aislamiento, aislante alrededor del conductor 4 de un cable subterráneo 49 Blindaje, blindaje alrededor del aislante 44

Mástil de conductores aéreos

Sistema HAC trifásico (Fig. 12)

Sistema HAC trifásico con corrientes y tensiones opuestas a 47 (Fig. 12) Cable subterráneo con tres conductores

Brazo izquierdo del mástil de conductor aéreo 46

Brazo derecho del mástil de conductor aéreo 46

Transformador monofásico (Fig. 13)

Bobina de entrada en 52 (figura 13)

Bobina de salida en 52 (Fig. 13)

Transformador de red HAC trifásico (Fig. 13, Fig. 14, Fig. 15) Transformador de extensión trifásico (Fig. 16)

Bobinas de entrada en el transformador de extensión 56

Bobinas de red en el transformador de extensión 56 (Fig. 16) Interruptor de red en el transformador de extensión 56

Par de interruptores (Fig. 6, Fig. 16, Fig. 17)

Par de interruptores (Fig. 16, Fig. 17)

Aislante en brazo de mástil 46 (Figura 12)

Autotransformador (Fig. 17)

Bobinas de puesta a tierra en 63

Bobinas de red en 63

Seccionador (Fig. 17)

Generador síncrono HAC trifásico (Fig. 15)

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para aumentar la potencia de una red AC monofásica o multifásica, que incluye al menos un transformador de red de alimentación (2) con bobinas de red (3) y al menos un transformador de red de carga (6) con bobinas de red (5), que están conectados a los conductores (4) y conducen las corrientes de fase sinusoidales nominales I con la frecuencia de red fundamental F1, donde las bobinas de red (3, 5) están cargadas con las tensiones de fase sinusoidales Uac y las tensiones Ule entre los conductores (4) y la tierra (7) no exceden una tensión de aislamiento máxima Ulex, caracterizado por que las tensiones de fase en las salidas de las bobinas de red (3, 5) se elevan a un valor Uhac mayor que Uac y menor que (n/2)*Uac, a consecuencia de lo que la red AC puede transmitir más potencia con las corrientes de fase nominales Iac, cada vez un generador A (13, 14) se conecta entre cada vez una bobina de red (3, 5) y cada vez una línea (4) y cada vez se acopla o desacopla una tensión diferencial AU, por lo que la amplitud de las tensiones UhIe entre los conductores (4) y la tierra (7) se limita a la tensión de aislamiento Ulex y se reduce la amplitud de las tensiones entre los conductores Uhll.

2. Procedimiento para aumentar la potencia de una red AC monofásica o multifásica según la reivindicación 1, caracterizado por que el número de fases de la tensión diferencial AU es igual al número de fases de la red AC, cada tensión AU se forma a partir de una tensión monofásica Us y de cada vez una tensión monofásica y multifásica Uh, donde la tensión Us es igual para todas las fases y se compone de tensiones armónicas con frecuencias iguales a F1*3*(2 *i-1 ) con i = 1, 2, 3... y se genera por al menos un generador S monofásico (17), y cada tensión Uh es igual a la diferencia de la tensión AU asociada con la tensión Us y se forma por cada vez un generador H (15, 16), y se acopla o desacopla entre la bobina de red (3, 5) asociada y los conductores (4) asociados, donde solo la potencia reactiva se acopla o desacopla en la red con los generadores S y H, de modo que el aumento de la potencia de red se produce únicamente por la mayor tensión de fase Uhac.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por que cada vez un generador H (15, 16), conectado a cada vez un transformador de red (2, 6), genera adicionalmente a la tensión Uh una tensión de regulación Ur que presenta una fase variable y una amplitud variable, por lo que se regula la potencia reactiva y la potencia activa que el transformador de red (2 , 6) suministra y recibe, en tanto que la fase y la amplitud de la tensión de regulación Ur se modifica por el generador H (15, 16) asociado.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que una generador S1 (17), conectado entre el punto de estrella (8) de las bobinas de red (3) de la tierra (7), anula la corriente de cortocircuito que se origina en caso de cortocircuito entre uno de los conductores (4) y la tierra (7).

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que, si es necesario, las tensiones Us y Uh adicionales se acoplan entre la tierra (7) y los conductores (4) que conectan dos transformadores de red adyacentes (2 , 6) con una fase tal que se limitan los desplazamientos de fase de las tensiones Uh y las tensiones Us a lo largo de los conductores (4), en relación con las tensiones de fase Uhac asociadas.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la red es trifásica, al menos un generador S1 (17) se conecta entre una conexión en estrella (8) de las bobinas de red (3) de al menos un transformador de red (2) y la tierra (7), y las conexiones en estrella (9) de las bobinas de red (5) de los restantes transformadores de red (6) quedan libres, o se ponen a tierra con cada vez una impedancia de terminación (18), y/o con al menos un generador S3 (17) se generan tres tensiones Us entre cada vez una bobina de red (3) de al menos un transformador de red (2) y el conductor (4) asociado, donde las conexiones en estrella (8) de las bobinas de red (2), que están conectadas a los generadores S3, se ponen a tierra y las conexiones en estrella (9) de las bobinas de red (5), que no están conectadas a los generadores S3 o S1, quedan libres o se ponen a tierra con cada vez una impedancia de terminación (18), así como cada vez un generador H3 (15, 16) genera tres tensiones Uh, donde cada uno de estos generadores H3 está asignado a cada transformador de red (2, 6) y se conectada a las bobinas de entrada (1, 10) o a las bobinas de red (3) o (5) de los transformadores de red (2, 6).

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la red HAC trifásica contiene al menos un transformador de red (2) con bobinas de red (3) conectadas en A, que se conectan a las bobinas de puesta a tierra (27) unidas en Y de un transformador de puesta tierra (26), y con un generador S1 (17) se conecta a tierra (7) la conexión en estrella (28) de las bobinas de puesta a tierra (27), o un generador S3 se conecta entre las bobinas de puesta a tierra (27) y la conexión en estrella (28) puesta a tierra.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para una red HAC trifásica con conductores aéreos, que se compone de un primer sistema HAC trifásico (47) y de un segundo sistema HAC trifásico (48), que discurren espacialmente en paralelo entre sí, caracterizado por que las tensiones de fase Uhac, las corrientes de fase lac y las tensiones de fase - tierra Uhle del primer sistema HAC (47) están dirigidas en sentido opuesto a las tensiones de fase Uhac, a las corrientes de fase lac y a las tensiones Uhle del segundo sistema HAC (48), por lo que los campos eléctricos, que se generan por las tensiones de ambos sistemas HAC, se cancelan parcialmente a completamente y los campos magnéticos, que se generan por las corrientes de fase de ambos sistemas HAC, se cancelan parcialmente a completamente.

9. Procedimiento para aumentar la potencia de una red AC monofásica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que cada transformador de red monofásico (2, 6) está equipado con cada vez dos bobinas de red (34, 35, 36, 37) iguales y se asigna cada vez a un generador A1 (13, 14), con el que cada vez una tensión AU se acopla en la bobina de entrada (1 ) del transformador de red de alimentación (2 ), así como con cada vez un generador A1 (14) se desacopla la tensión AU de cada vez una bobina de salida (10) del transformador de red de carga ( 6), o con cada vez un generador A2 se acopla cada vez una tensión AU en cada vez una bobina de red (34, 35) del transformador de red de alimentación (2), y con cada vez un generador A2 se desacopla la tensión AU de cada vez una bobina de red (36, 37) de un transformador de red de carga (2).

10. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 , caracterizado por que un transformador HAC trifásico (55), que transforma las tensiones de fase - tierra Uhle y las tensiones de fase Uhac, se compone de un transformador de red trifásico A-Y o Y-A (2), y de un transformador de puesta a tierra trifásico (26), cuyas bobinas (27) conectan las salidas de las bobinas de red conectadas en A (3) a la conexión en estrella (28), así como de un transformador monofásico (52), donde la bobina de entrada (53) del transformador monofásico (52) está conectada entre la conexión en estrella (8) y la tierra (7) y la bobina de salida (54) del transformador monofásico (52) está conectada entre la conexión en estrella (28) y la tierra (7).

11. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 , caracterizada por que está presente un inversor trifásico (20), que convierte la potencia de red completa Phac, así como genera las tensiones de fase Uhac, las tensiones armónicas Uh y Us, o está presente un generador rotativo trifásico (62), que suministra la potencia de red completa Phac, así como genera las tensiones de fase Uhac y las tensiones armónicas Uh y Us, un transformador de red HAC trifásico (53) transforma la tensión Uhac, la Uh y la Us de ambas variantes y los conductores (4) conectan un transformador de red HAC (53) a un transformador de red AC trifásico (6) aguas abajo, donde un generador H3 (55) desacopla las tensiones Uh de las bobinas de entrada del transformador de red AC (6) aguas abajo.

12. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada por que un cable de tierra (49) se compone de uno o varios conductores (4), donde cada conductor (4) está aislado por cada vez un aislante (44) y está apantallado por cada vez un blindaje (45) puesto a tierra.

13. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 , caracterizada por que las bobinas de entrada (1 ) de un transformador de red trifásico (2 ) están conectadas a las bobinas de entrada (57) de un transformador de extensión trifásico (56), las bobinas de red (58) del transformador de extensión (56) están conectadas a las bobinas de red (3) del transformador de red (2) y las tensiones de aislamiento del transformador de extensión (56) están diseñadas menores a iguales a las tensiones de aislamiento del transformador de red (3), las bobinas de red (58) del transformador de extensión están conectadas entre las bobinas de red (3) del transformador de red (2) y una conexión en estrella (8), y un generador H3 (15) está conectado entre las bobinas de entrada (57) del transformador de extensión (56) y las bobinas de entrada (1) del transformador de red (2), y un generador S1 (17) está conectado entre la conexión en estrella (8) y la tierra (7), o un generador S3 está conectado entre las bobinas de red (58) del transformador de extensión (56) y la conexión en estrella (8) puesta a tierra, así como un par de interruptores (60) que puentean las bobinas de red (58) del transformador de extensión (56) en caso de falla, y un par de interruptores (61) puentean el generador S1 (17) y el generador S3 en caso de falla o si es necesario, como resultado de lo cual, en caso de falla, la tensiones Uhac o Uhle en la salida de la instalación se reducen a las tensiones Uac y Ule, y por tanto el aislamiento del transformador de red (2) y del transformador de expansión (56) no se sobrecargan en caso de falla.

14. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que un transformador de red trifásico (2) con bobinas de red conectadas en A (3) está conectado a un autotransformador trifásico (63), cuyas bobinas de red (65) transforman las tensiones de fase Uac en las tensiones superiores Uhac y cuyas bobinas de tierra (64) forman la conexión en estrella (8), un generador H3 (15) acopla las tensiones Uh asociadas y un generador S1 (17) conecta el punto de estrella (8) a la tierra y acopla la tensión Us, donde en caso de falla el par de interruptores (60) cortocircuita los generadores Uh y las bobinas de red (65), el par de interruptores (61) puentea el generador Us y el seccionador (66) separa el punto de estrella (8) de la tierra (7).

15. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones 13, 14 para llevar a cabo el procedimiento según la reivindicación 9, caracterizada por que el transformador de red (2) y el transformador de extensión (56) asociado están realizados de forma monofásica, o el transformador de red (2) y el autotransformador (63) asociado están realizados de forma monofásica, así como en ambas variantes de diseño se utilizan cada vez un generador H1 monofásico (15) y cada vez un generador S1 (17), o cada vez un generador A1, así como los pares de interruptores (60, 61) o el seccionador (66) están realizados igualmente de forma monofásica.