MX2007006913A

MX2007006913A - Corrector de factor de potencia automatico.

Info

Publication number: MX2007006913A
Application number: MX2007006913A
Authority: MX
Inventors: Edward D Widner
Original assignee: Tripac Systems Inc
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2008-02-25
Also published as: KR20070106993A; CA2590062A1; AU2005314122A1; CN101529258A; US7142997B1; JP2008527952A; EP1828787A4; WO2006063037A1; EP1828787A1

Abstract

Un corrector de factor de potencia de conmutacion de estado solido, controlado por computadora, que detecta el angulo de desfasaje de cada fase de la corriente asi como el voltaje y automaticamente alinea el angulo de desfasaje de la corriente al angulo de desfasaje de voltaje. Esta correccion del factor de potencia esta disenada para actualizarse a la frecuencia de la linea de energia para proveer un gran numero de pasos discretos de correccion.

Description

CORRECTOR DE FACTOR DE POTENCIA AUTOMÁTICO CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a la corrección de factor de potencia. Más específicamente, esta invención se refiere a la corrección de factor de potencia de conmutación de estado sólido controlado por computadora.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Se ha propuesto una variedad de técnicas para la corrección de factor de potencia y son bien conocidas en la técnica. Generalmente, estos sistemas y técnicas anteriores detectan sólo una fase y cambian las tres fases todas al mismo tiempo, utilizando relés de contacto. Aunque, lo siguiente puede no ser necesariamente "técnica anterior", el lector se remite a los siguientes documentos de patente E.U.A. para material antecedente general. Cada uno de esizos documentos de patente se incorpora en la presente invención por referencia en su totalidad por el material contenido en los mismos. La patente E.U.A. No. 4,356,440 describe un sistema corrector de factor de potencia de bucle cerrado tiempo discreto, que concrola el acoplamiento de una disposición del capacitor conmutado, conectado a delta a una línea de potencia de 3 o 4 cables el cual puede tener cargas inductivas, desequilibradas, de tiempo variable. La patente E.U.A. No. 4,417,194 describe un sistema generador de potencia eléctrica que incluye un generador de inducción controlado por un capacitor conmutado adaptado para proveer potencia a una frecuencia y voltaje regulada. La patente E.U.A. No. 4,493,040 describe un aparato de soldadura controlado por computadora que incluye un circuito de soldadura de resistencia controlada por fases para conducir selectivamente pulsos de una corriente de soldadura a una pieza de trabajo y un circuito de control para controlar la conducción del circuito de soldadura. La patente E.U.A. No. 5,134,356 describe un sistema y método para determinar y proveer compensación de potencia reactiva para una carga inductiva. La patente E.U.A. No. 5,180,963 describe un interruptor de estado sólido impulsado ópticamente y un método para conmutar una corriente eléctrica de alto voltaje. La patente E.U.A. No. 5,473,244 describe un aparato para realizar mediciones del voltaje, corriente y niveles de potencia sin contacto, de elementos conductores tales como cables, alambre y similares que incluyen una disposición de sensores capacitivos para generar una primera corriente en respuesta a la variación en el voltaje de un elemento conductor.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Es deseable mantener un método y sistema para corregir automáticamente el factor de potencia en un sistema de potencia eléctrica. Es particularmente deseable proveer tal método y sistema, el cual ahorra energía eléctrica utilizando conmutación de estado sólido para eliminar la corriente de entrada y eliminando la necesidad de reactores requeridos para manejar tal corriente de entrada. También es deseable proveer corrección de factor de potencia frecuente a niveles deseados en un sistema que es automático una vez instalado. De acuerdo con, una modalidad de esta invención provee corrección de factor de potencia de conmutación de estado sólido controlado por computadora. Una modalidad de esta invención provee corrección de factor de potencia que utiliza conmutaciones de estado sólido que conmuta en, o aproximadamente en el punto del cruce cero.

Además, una modalidad de esta invención provee corrección de factor de potencia que detecta el ángulo de fase de la corriente y agrega o quita capacitores conforme se necesiten individualmente en cada fase. También, una 'modalidad de esta invención provee corrección de factor de potencia que conmuta múltiples veces por segundo y que utiliza pasos múltiples de corrección. Una modalidad de esta invención provee corrección de factor de potencia que minimiza la corriente de entrada, eliminando por lo tanto los reactores requeridos asociados con esta corriente de entrada. Una modalidad de esta invención provee corrección de factor de potencia que es automático. Una modalidad de esta invención provee corrección de factor de potencia que detecta de fases múltiples. Las ventajas adicionales y otras características novedosas de esta invención se establecen en parte en la descripción a continuación y en parte será aparente para aquellos expertos en la técnica una vez que se examine lo siguiente o se puede aprender con la práctica de la invención. Las ventajas de esta invención se pueden realizar y lograr por medio de las instrumentalidades y combinaciones particularmente señaladas en las reivindicaciones anexas. Todavía otras ventajas de la presente invención serán aparentes fácilmente para aquellos expertos en la técnica de la siguiente descripción en donde se muestra y describe la modalidad i preferida de esta invención, solamente a manera de ilustración de uno de las formas mejor adecuadas para i llevar a cabo esta invención. Como se notará, esta invención tiene la ,capacidad de otras modalidades diferentes, y sus varios detalles, circuitos específicos y pasos del método tienen capacidad de modificación sin apartarse de la invención. Por lo tanto, las ventajas, figuras y descripciones, se deben considerar de naturaleza ilustrativa y no restrictiva.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Las figuras anexas incorporadas en y que forman parte de la especificación, ilustran una modalidad preferida de la presente invención. Algunos, aunque no se describen todas las modalidades alternativas en la siguiente descripción. En las figuras: La figura que 1 es un diagrama en bloque del sistema que muestra las secciones principales de la presente modalidad de la invención.

La figura 2 es diagrama de flujo de nivel superior del método de control de factor de potencia de la presente modalidad de la invención. Ahora se hará referencia en detalle a la modalidad preferida de la presente de la invención, un ejemplo de lo que se ilustra en las figuras anexas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN i La corrección de factor de potencia se utiliza para alinear ángulos de fase del voltaje y la corriente en un sistema de potencia de A/C. La corrección de factor de potencia es importante en el aumento máximo de la eficacia de energía de un sistema de potencia. Típicamente la corrección de factor de potencia se logra almacenando la corriente que no se utiliza en el capacitor (es) hasta el próximo ciclo. El uso de capacitores fijos en la corrección de factor de potencia ha demostrado tener limitaciones significativas en cualquier sistema sin cargas constantes. Se han intentado corrección de potencia capacitancia ajustable, pero los sistemas anteriores también han tenido desventajas significativas. Por ejemplo, los sistemas anteriores detectan sólo una fase de un sistema eléctrico trifásico y después "corrige" todas las fases con base sólo en la información de la única fase. También, los sistemas anteriores han utilizado típicamente relés electro-magnéticos los cuales tienen una tendencia a crear puntas de descarga de energía. Los relés electro-magnéticos también tienden a ser susceptibles al desgaste y daño del punto de contacto que llevan al calentamiento, resistencia y distorsión indeseables. En suma, Los relés electro-magnéticos no son apropiados para el uso en capacitores de conmutación. Esta presente invención utiliza tecnología de conmutación electrónica computarizada para proveer corrección de factor de potencia de tiempo completo, de uso amigable, de bajo ,a nulo mantenimiento y duradera. Esta invención puede trabajar con sistemas de potencia trifásica de 690, 480, 308, 240 y 208 Voltios, configuraciones Delta o ye y tanto a 50Hz como 60Hz. Se puede lograr corrección de factor de potencia desde cero hasta su máxima potencia de servicio. La presente invención se diseña para detectar el ángulo de fase individualmente en todas las tres fases y aplica a cada fase, desde la fase de voltaje único hasta la corrección de fase de corriente. La modalidad presente de esta invención se puede ajustar incrementadamente por tan poco como .17kVAr, en tantos como 256 pasos de incremento por fase. El número de pasos de incremento y cantidad de ajuste se puede aumentar o se puede disminuir en las modalidades alternativas de esta invención. Esta invención minimiza las conmutaciones transitorias y provee un valor verdadero o cerca de verdadero de cruce cero a través del uso de tecnología electrónica computarizada. La figura 1 muestra un diagrama en bloque del sistema que muestra las secciones principales de la presente modalidad de la invención, en esta modalidad, la potencia de línea principal trifásica 100 se conecta a un transformador reductor 101. La potencia de línea principal trifásica 100 puede ser una configuración delta o Wye. El transformador reductor 101 provee potencia 120 VAC 108. La potencia 120 VAC 108 se provee a un suministro de energía 102. El suministro de energía 102, en la presente modalidad, provee potencia 5 VDC 109 para impulsar el controlador 103 y la computadora o procesador 104. Un sensor de corriente 105a, 105b, 105c se conecta a una fase de la potencia de línea principal trifásica 100, con cada fase que tiene un sensor de corriente 105a, b,c conectado a la misma. Los sensores de corriente 105a, b,c identifican la fase la señal de corriente que se mide en cada fase de la potencia de línea principal trifásica 100. Cada sensor de corriente 105a, b,c provee una señal de corriente 110a, b,c al controlador 103. Una señal de voltaje 111 se envía del suministro de energía 102 al controlador 103. Esta señal de voltaje 111 contiene la información de fase de CA del voltaje de la potencia de línea principal 100.

El controlador 103 procesa señal de voltaje recibida 111 y las señales de fase 'de corriente recibida 110a, b,c y produce una señal de voltaje de onda cuadrada 112 y una señal de corriente de onda cuadrada 113a, b,c para cada fase de la potencia de línea principal 100. En esta presente modalidad estas señales 112, 113a, b,c son ondas cuadradas, aunque en las modalidades alternativas contempladas, estas señales pueden ser otras formas de onda perceptibles, incluyendo mas no limitando a ondas de dientes de cierra, ondas triangulares, ondas sinusoidales y similares. Estas señales 112, 113a, b,c son provistas por el controlador 103 a la computadora 104 para su procesamiento. La computadora 104 procesa y compara el ángulo de fase de las señales 112, 113a, b,c. La computadora 104 identifica si el ángulo de fase de cada componente de corriente se desfasa o conduce el ángulo de i fase del voltaje. Una vez que el ángulo de fase se desfasa o conduce, para cada una de las fases de potencia de línea principal 100 es identificada por la computadora 104, la computadora 104 guía los bancos de comandos de los interruptores SCR A 106a, SCR B 106b y SCR C 106c para que cambien en o fuera de uno o más conjuntos de capacitores 107a, 107b, 107c. En la presente modalidad de esta invención, cada SCR 106a, b,c incluye ocho conjuntos de uno, o más SCRs teniendo así la capacidad de encender o apagar los ocho conjuntos diferentes de capacitores para cada fase A, B y C. También, en la presente modalidad, cada interruptor SCR A 106a, SCR B 106b, SCR C 106c se conecta a un banco de ocho capacitores o conjuntos de capacitores 107a, b,c. Cada banco de capacitores 107a, b,c está actualmente compuesto de capacitores de capacitancia variada de valores crecientes de capacitancia. Por ejemplo, un banco típico de capacitores 107a, b,c incluiría un conjunto de capacitores que tienen una capacitancia relativamente pequeña, un segundo conjunto que tiene un valor de capacitancia doble del primer conjunto, un tercer conjunto que tiene un valor de capacitancia doble del segundo conjunto, y así sucesivamente a través de los ocho conjuntos de capacitores. De esta manera hay 256 combinaciones diferentes o pasos de capacitancia que se pueden seleccionar para cada fase de potencia de línea principal 100. Los bancos de capacitancia 107a, b,c cada uno recibe una sola fase de la potencia de línea principal 100 y provee potencia trifásica dónde el ángulo de fase de corriente se alinea con el ángulo de fase de voltaje. Por lo tanto, esta invención minimiza la pérdida de causa de energía eléctrica por las diferencias de fases entre la señal de voltaje y las señales de corriente. La potencia CA típica opera a 50 Hz o 60 Hz, por consiguiente en la presente modalidad de esta invención se hacen correcciones por la computadora 104 que comanda los interruptores 106a, b,c a los bancos de capacitores 107a, b,c, corrigiendo de esa manera los ángulos de fase de las señales de corriente y voltaje por lo menos una vez por ciclo o 50 o 60 veces por segundo. En las modalidades alternativas, se pueden hacer correcciones más frecuentemente o menos frecuentemente a los ángulos de fase de las fases de potencia y gue se requieren para que la potencia entre en un alineamiento eficiente. Los sensores 105a, b,c están adaptados para detectar y caracterizar los componentes de corriente de la potencia de línea principal trifásica 100. Típicamente, esto incluye detectar el ángulo de fase de corriente. El controladpr 103 convierte las señales del sensor a una forma de onda que puede procesar y comparar la computadora 104. La computadora 104 realiza la comparación de ángulo de fase y controla la selección angular de la capacitancia para cada fase de la potencia trifásica 100. Como se anoto anteriormente, los interruptores 106a, b,c reciben la señal de control desde la computadora 104 que enciende y apaga como se desee los conjuntos de capacitores 107a, b,c para efectuar un cambio de ángulo de fase de la corriente para alinear de esa manera la corriente con el voltaje.

La figura 2 muestra una gráfica de un diagrama de flujo de nivel superior del método de control del factor de potencia de la presente modalidad de la invención. La presente modalidad del método comparación de los ángulos de fase de corriente y de voltaje se desarrolla en un dispositivo programable de la computadora 104. La computadora típica 104 incluye un procesador; una memoria estática y dinámica; un dispositivo de almacenamiento de largo plazo, como una unidad de disco magnético: un dispositivo de entrada, como un teclado y/o ratón; un dispositivo de despliegue o pantalla, tal como una pantalla de panel plano o CRT; y un dispositivo de salida, tal como impresora o similares. Aunque, en las modalidades alternativas, la computadora podría ser una unidad de procesamiento autosuficiente sin entrada dedicada, dispositivos de pantalla o la salida. También, es probable que el dispositivo de computadora utilizado en esta invención se provea con una interfaz de red para comunicarse con otros dispositivos de cómputo, sobre una línea dedicada, una línea telefónica, un enlace RF inalámbrico o similares. El presente método ha sido codificado en lenguaje de programación Pascal, y se ha compilado para ser ejecutado en una computadora personal normal o estándar. Las modalidades alternativas de este método se pueden escribir en lenguajes alternativos o códigos de ensambles o máquinas y se pueden ejecutar en dispositivos de cómputo de propósito especial, sin apartarse del concepto de esta invención. El método típicamente, pero no exclusivamente, empieza con una inicialización de variable y parámetro 201. Entonces se le da la oportunidad al usuario de modificar 202 valores y activar puntos para la comparación entre los ángulos de fase recibidos de la corriente y de voltaje. Se hace una comparación 203 entre el ángulo de fase de cada corriente con el ángulo de fase de voltaje. Si los resultados de la comparación son una diferencia que excede los activadores o umbrales de parámetro configurados durante la inicialización 201 o durante la modificación 202, los SCRs se configuran 204 para que cambien ya sea en o fuera de los conjuntos apropiados de capacitores. Este paso de comparación 203 incluye la recepción de corrientes ángulos de fase de corriente y voltaje, calculando la diferencia entre los ángulos de I fase de corriente y voltaje y producir un valor para la cantidad de diferencia entre los ángulos de fase de corriente y voltaje. El valor de diferencia se compara contra los valores y/o puntos de activación inicializados en el paso 201 o modificados en el paso 202. Los valores, incluyendo los ángulos de fase y otras medidas de corriente y voltaje así como las variables y parámetros incluyendo los puntos de activación se pueden desplegar 205 al usuario. El proceso, que es continuo, repite 206 regresando al paso de modificar valores 202 donde el usuario tiene la oportunidad de modificar los valores. En algunas configuraciones alternativas, durante la operación no se desarrollarían los pasos de modificar valores 202 y desplegar valores 205. En estas modalidades alternativas esos pasos 202 y 205, se desarrollarían solamente durante la etapa de diagnóstico o mantenimiento del administrador del sistema. La descripción anterior de la presente de modalidad de esta invención se ha presentado con propósitos de ilustración y descripción del mejor modo de la invención actualmente conocido por el inventor. No intenta ser exhaustiva ni limitara la invención a la forma precisa descrita. Son posibles modificaciones o variaciones obvias a la luz de las enseñanzas anteriores. Esta modalidad de la invención se ha elegido y descrito para proveer la mejor ilustración de los principios de esta invención y su aplicación práctica para permitir de esa manera a aquellos expertos en la técnica que realicen y usen la invención en1 varias modalidades y con varias modificaciones conforme sean adecuadas para el uso particular contemplado. Todas esas modificaciones y variaciones que están dentro del alcance de las reivindicaciones, cuando son interpretadas de acuerdo con el límite al cual se han facultado de manera justa, legalmente y equitativa, deberá ser considerada dentro del alcance de la presente invención.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1.- Un sistema para corrección de factor de potencia, que comprende: (A) un sensor que recibe una línea de potencia AC y produce una salida de sensor; (B) un controlador que recibe una salida de sensor y produce una forma de onda que representa el ángulo de fase de un componente de corriente y una forma de onda que representa el ángulo de fase de un componente de voltaje; (C) una computadora que recibe dicha forma de onda del componente de corriente y dicha forma de onda del componente de voltaje, dicha computadora compara dicha forma de onda del componente de corriente y dicha forma de onda del componente de voltaje y produce una señal de control;

(D) un interruptor que recibe dicha señal de control desde dicha computadora y produce un conjunto de uno o más señales de selección; y (E) un banco de uno o más conjuntos de capacitores, que reciben una línea de potencia AC el y dicha una o más señales de selección y produce una Señal de potencia de salida AC en donde el ángulo de fase del voltaje se alinea generalmente con el ángulo de fase de la corriente. 2.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha computadora produce dicha señal de control a una velocidad no menor a la de la frecuencia de dicha línea de potencia AC recibida.

3.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho interruptor que además comprende un grupo de ocho interruptores, cada uno produce una señal de selección.

4.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho banco de uno o más conjuntos de capacitores, que además comprende ocho conjuntos de capacitores.

5.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque dichos ocho conjuntos de capacitores tiene cada uno valores de capacitancia diferentes.

6.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha computadora que además comprende un procesador digital. 1 . - El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un segundo sensor que recibe una segunda fase de dicha línea de potencia AC. 8.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un segundo interruptor que recibe una segunda señal de control desde dicha computadora y produce un segundo conjunto de una o más señales de selección. 9.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 8, que además comprende un segundo banco de capacitores que recibe dicha segunda fase de dicha línea de potencia AC y dicho segundo conjunto de una o más señales de selección. 10.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 7, que además comprende un tercer sensor que recibe una tercera fase de dicha línea de potencia AC. 11.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 8, que además comprende un tercer interruptor que recibe una tercera señal de control desde dicha computadora y produce un tercer conjunto de una o más señales de selección. 12.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 11, que además comprende un tercer banco de capacitores que recibe dicha tercera fase de dicha línea de potencia AC y dicho tercer conjunto de una o más señales de selección. 13.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un transformador reductor que recibe dicha línea de potencia AC y produce una línea de potencia 120 VAC estándar. 14.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 13, que además comprende un suministro de energía que recibe dicha línea de potencia 120 VAC y produce una señal de potencia apropiada para energizar dicho controlador y dicha computadora . 15.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha computadora además comprende un programa para comparar los ángulos de fase del voltaje y de la corriente. 16.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque dicho programa además comprende un método que comprende: (1) inicializar valores de datos; (2) recibir información de ángulo de fase de corriente; (3) recibir información de ángulo de fase de voltaje; (4) comparar dicha información de ángulo de fase de corriente con dicha información de ángulo de fase de voltaje; (5) determinar si dicha comparación de dicha información de ángulo de fase de corriente con dicha información de ángulo de fase de voltaje un umbral; y (6) configurar una conmutación basada en dicha determinación, dicha conmutación conecta o desconecta eléctricamente uno o más capacitores a una línea de potencia AC. 1

7.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque dicho método además comprende modificar dichos valores de datos. 1

8.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque dicho método además comprende desplegar información a un usuario. 1

9.- El sistema para la corrección de factor de potencia, de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque dicho método además comprende repetir dicha información de ángulo de fases de corriente recibida, dicha recepción dicha información de ángulo de fases de voltaje y comparar pasos.