MXPA05005770A - Convertidor electrico tipo prisma para generacion, transmision, distribucion y suministro de corriente electrica y metodo de fabricacion. - Google Patents

Abstract

Esta invencion se refiere a la conexion denominada prisma que es aplicable a convertidores de dos a tres fases, la de aplicacion industrial mas extendida pero puede extenderse de dos a seis fases, la referencia es de la conexion prisma ETO-120-2/3 fig 6(a) la cual muestra que la fase faltante es construida a partir de dos fases de alimentacion existente de la fig.6(a) por ejemplo la fase a por las secciones a1 y a2 la fase b por las secciones b1 y b2. La fase c por las secciones c1 y c2. La fase generada puede ser cualquiera dependiendo de las fases de alimentacion si estan presentes a y b la fase faltante sera c; si estan presentes b y c la fase faltante sera a; si estan presentes a y c la fase faltante sera b. De esta forma se origina la fase no existente obteniendose un sistema trifasico que por medio de otro sistema de salida en cualquier nivel de tension proporciona la tension trifasica utilizable para cualquier sistema electrico de distribucion trasmision o generacion. El sistema de conversion prisma permite obtener un sistema trifasico balanceado con neutro con la posibilidad de conectar cualquier carga trifasica, bifasica, monofasica a partir de una alimentacion bifasica con dos hilos, lo que constituye una invencion notable respecto a los convertidores existentes que no son de aplicacion universal ademas este sistema (conexion) prisma puede aplicarse a motores y generadores con lo que su aplicacion es ilimitada.

Description

I - Convertidor eléctrico de dos a tres fases de alta tensión-alta tensión, media tensión-baja tensión, de baja tensión a baja tensión y reversible.

II. - Aplicable a generación, trasmisión y distribución de la energía eléctrica.

III. -Los primeros convertidores de dos a tres fases se inventaron el siglo XIX con los desarrollos denominados Scottt y delta abierta; de los cuales el sistema Scott no es aplicable a las redes actuales, se utilizan actualmente solo para alimentar de tres fases a dos fases en hornos de fundición eléctricos, la aplicación inversa de dos a tres fases no es posible. Figura. 1. El sistema delta abierta sobrevive en la actualidad y proporciona tensión trifásica en sistema de distribución pero su eficiencia es de el 57.7 % (Chester L. Dawes ) en la figura 2 se muestran un esquema ilustrativo de este desarrollo. Por ultimo proporciona tensiones desbalanceados al neutro y corrientes también desbalanceadas. En la actualidad existen convertidores de dos a tres fases solo para motores que puedan ser eléctricos o electrónicos solo en baja tensión. El que funciona mejor es el electrónico, su limitación es que solo funciona de baja tensión a baja tensión y que es excesivamente caro. Su aplicación depende de la naturaleza de la carga conectada.

IV. -E1 convertidor prisma es un convertidor universal porque es mas aplicable a todo el sistema eléctrico desde generación , trasmisión y distribución, permite eficiencias muy altas de hasta 98% dependiendo de la potencia, totalmente balanceado en tensiones entre fases y entre fases y neutro puede alimentar cualquier tipo de cargas, monofásicas, bifásicas o trifásicas, cualquier potencia es superior por prestaciones al Scott o delta abierta y por aplicación y universalidad a los convertidores de baja tensión eléctricos y electrónicos.

Los detalles que forman este convertidor se muestran en esta descripción y en los dibujos que la acompañan.

La figura 3 muestra el sistema de distribución en corriente alterna utilizado en todos los países del mundo en el que se muestra que de una línea trifásica normal en tres o cuatro hilos para obtener servicio trifásico en mediana tensión. Sin embargo en ciudades pequeñas, pueblos, zonas suburbanas en el campo no resulta costeable a las compañías productoras de electricidad generalizar el uso de líneas trifásicas porque el número de usuarios no es suficiente para compensar el costo de instalación. De aquí que incluso en países de Europa o Estados Unidos de América la opción es instalar redes bifásicas en dos hilos y proporcionar servicio de tipo residencial monofásico y cuando se requiera servicio trifásico completar la red pero cobrándola lo que hace que el costo inicial sea muy elevado para el usuario final debido a que la energía eléctrica trifásica es muy solicitada, este sistema no satisface plenamente las necesidades y se ha tenido que complementar por ejemplo con sistemas que funcionan parcialmente bien, o con eficiencia, pero a un costo muy elevado. Uno de estos sistemas es el usado en México por C.F.E. denominado delta abierta que proporciona servicio trifásico desbalanceado pero con baja eficiencia de solo 57.7% utilizando dos transformadores monofásicos (figura 2).

Esta misma necesidad no satisfecha, también ha provocado la proliferación de convertidores capacitivos de aplicación muy selectiva o los convertidores electrónicos que son muy caros para potencias superiores a 15 KVA y que solo se usan en la actualidad en baja tensión por lo que a su costo habría que agregar el de una subestación monofásica de alimentación.

La figura 4 muestra la solución propuesta para los sistemas de distribución que solucionarían la problemática mundial dado que las redes de mediana tensión podrían construirse en dos hilos y las compañías eléctricas resolverían el problema de expansión ya que en un principio las cargas podrían ser monofásicas, pero en contraste con el sistema tradicional de distribución cualquier usuario que requiera servicio trifásico lo puede obtener a partir del equipo convertidor propuesto, en su aplicación a distribución de media tensión a baja tensión.

El convertidor denominado prisma es construido en forma de dos sistemas eléctricos uno magnético, el otro eléctrico, y el sistema de enfriamiento o control térmico debido a que el convertidor tiene un lado trifásico, el circuito magnético tiene como base el circuito magnético trifásico y el lado bifásico se construye en los tres circuitos magnéticos que lo forman, la figura 5 ilustra la forma practica de cómo esta construido mostrando el núcleo magnético de acero al silicio que puede ser de tipo columnas con sección cuadrada cruciforme, elíptica o redonda, o bien puede ser tipo columnas en espiral con sección de cualquier forma es decir, redonda elíptica , cruciforme etc. También puede ser de tipo Evans que es como el anterior pero cortado, también puede ser tipo wescord o enrollado con empalmes. Su principio de operación se fundamenta en la suma vectorial de las dos fases existentes de tal forma que produzcan como resultante la tercera fase no existente, a diferencia de los demás convertidores eléctricos como el tipo Scott o delta abierta, el tipo prisma crea una tercera fase como producto de esta conversión, en el convertidor electrónico por ejemplo se crean las tres fases a través de conmutación digital a partir de una fuente de corriente directa.

La figura 6 muestra el detalle exacto de las conexiones prisma, la fíg. 6 (a) la hemos denominado ETO-120-2/3 significa que es el convertidor prisma conectado a 120° grados eléctricos y que convierte de 2(dos) a 3(tres) fases. Como puede observarse de la figura la fase esta formada de dos secciones por ejemplo la fase a por la secciones al y a2, la fase b por las secciones bl y b2, y la fase c por las secciones el y c2, las fases generadas puede ser cualquiera la a,b o c en el dibujo de la figura las fases a y b forman la fase c. La sección de la fase el es formada por al y bl, la sección de la fase - J - c2 es formada por a2 y b2. Al formarse la fase c da origen a las fases correspondientes, la a con si . la b con s2 y la c con s3. El desplazamiento angular conseguido en estas fases es de 120° E (grados eléctricos) igual que un sistema trifásico normal y genera tensiones simétricos entre fases y entre fases y neutro, por ejemplo para el caso de México la tensión de alimentación podría ser 13200,23000 o 34500 volts, la de salida mas común podría ser de 220 volts entre si y s2, 220 volts entre s2 y s3, 220 volts entre si y s3 y 127 volts entre si y n, 127 volts entre s2 y n, 127 volts entre s3 y n. Los valores de tensión de entrada puede ser de cualquier valor de uso común o especial en el lado bifásico, y en el lado trifásico también los valores de tensión pueden ser de cualquier valor de uso común o especial. La figura 6 (b) ilustra la conexión prisma denominada ETO-240-2/3 cuyo funcionamiento es igual al anterior, la diferencia es el desplazamiento angular de los dos vectores de entrada que en este caso están desplazados 240°E (grados eléctricos).

La figura 7 (a y b) muestra la aplicación a los núcleos tipo columnas y acorazado wescord.

Como se muestra en la figura los devanados están formados por tres secciones dos de media tensión y una de baja tensión conectadas en la forma descrita en la figura 6 (a y b). LA ECUACION DE POTENCIA DE ENTRADA ES: LA ECUACION DE POTENCIA DE SALIDA ES: V.- Figura 1.- Describe la conexión Scouí inventada a finales del siglo XIX. Figura 2 - Describe la conexión delta abierta inventada a finales del siglo XIX. Figura 3.- Describe el sistema eléctrico desde Generación-Trasmisión-Distribución. Figura 4.- Describe el sistema eléctrico posible en la aplicación del convertidor propuesto. Figura 5.- Presenta los tipos de núcleos magnéticos de uso actual en el mundo. Figura 6.- Describe vectorialmente el sistema PRISMA (conexión PRISMA). Figura 7.- Describe el arreglo Núcleo-Bobina y el conexionado ETO-240-2/3. Figura 8.- Arreglo físico posible del sistema PRISMA. Figura 9.- Presentación exterior posible.

VI.- El convertidor puede construirse de la siguiente manera: se manufactura el núcleo magnético de manera convencional es decir los núcleos tipo columnas cortados se hacen por medio de corte de la lamina en rollo, realizando cortes a 90° o 45° dependiendo del diseño del núcleo una ves realizados los cortes necesarios se apilan para que formen una conjunto trifásico que puede ser en estrella, en delta o planos, en la actualidad los núcleos mas comunes son planos como lo indica la figura 5.

También este tipo de núcleos se puede hacer en forma continua con pocos cortes en el grupo. Este tipo de núcleo es en espiral. Una vez decidida la forma de la sección que puede ser redonda en escalones, elíptica, cruciforme, etc. se forman paquetes, tres paquetes redondos por medio de embobinados perfectamente compactas, una ves terminada esta etapa se prensan para darles la forma diseñada de acuerdo a las potencias de distribución o potencia. Finalmente se forma el núcleo definitivo como se muestra en la figura 5. En este progreso se provocan en el maquinado esfuerzos mecánicos que pueden alterar el enrejado molecular lo que provoca perdidas magnéticas que pueden reducirse sometiendo este núcleo a un recocido.

El núcleo tipo evans, es este mismo pero con cortes que forman dos mitades ensambladas después de montar las bobinas correspondientes.

Otro método muy extendido en la actualidad es el denominado enrollado o vescord y consiste en formar cuatro paquetes de lámina cortada llamados arcada mayor y arcada menor como lo muestra, la figura 5 (b). Se forman las secciones redondas después del corte por medio de embobinadotas compactándolas, posteriormente se prensan para darles forma definitiva. También se someten a un proceso de recocido para minimizar las perdidas.

Estos serian los tipos de núcleos magnéticos que formarían el circuito magnético trifásico que sirve para la construcción del convertidor prisma.

En cualquier caso la parte eléctrica se construye en tres columnas una por cada fases se a que se trate de un circuito eléctrico envolvente (tipo columnas, columnas en espiral, evans, etc.) o de un circuito magnético envolvente (acorazado wescord, acorazado en espiral, acorazado en laminaciones cortadas, etc.). Las bobinas se construyen con embobinadotas atendiendo el no. de vueltas que requieran para cada tensión bifásica o trifásica. El embobinado esta formado para cada fase de la siguiente forma: dos secciones por fase para la parte bifásica, una sección por fase para la parte trifásica figura 7 (a y b).

Pueden utilizarse cualquier tensión bifásica o trifásica en alta tensión, media tensión, baja tensión. Cualquier densidad de corriente de las usuales en conductores eléctricos que no rebasen sus limites térmicos de acuerdo a su tipo de aislamiento en este caso los alambres magneto soleras, laminas y aislamientos usados en cualquier parte del mundo y que este de acuerdo a la normatividad internacional de esta materia.

Claims (4)

Por tanto esta invención en el campo de distribución al ahorrar el 33% de equipamiento de instalación en la red de distribución causara un beneficio muy importante para las compañías generadoras de energía porque abarcarían mas usuarios con líneas bifásicas 3· extenderían el beneficio a cualquier población pequeña, mediana o el campo donde podrían potencialrnente proporcionar el servicio trifásico a cualquiera que lo requiera. Este beneficio podría extenderse a la trasmisión y generación eléctrica. La figura 8 muestra una posible forma física de la conexión prisma NUCLEO-BOBINAS. La figura 9 muestra la forma exterior posible. Reivindicaciones Habiendo descrito suficientemente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas.
1. l.-La conexión denominada prisma que permite la aplicación universal de equipos denominados convertidores de cualquier potencia desde 1 VA o menores hasta cientos de MVA en cualquier tensión de uso en el mundo o especial en cualquier configuración magnética de núcleos trifásicos, planos delta-estrella, independiente. La denominada ETO-120-2/3 y ETO-240-2/3 que permiten por las propiedades de esta conexión la producción de tensión trifásica balanceada en tensiones y corrientes a partir de una alimentación bifásica o monofásica contemporánea (dos hilos)
2. 2. -El convertidor que resulta de la aplicación material de este sistema conectado denominado prisma en sus dos modalidades que se han definido ETO-120-2/3 y ETO-240-2/3 con dicha aplicación de este sistema prisma (conexión prisma) es posible la existencia de estos convertidores. Con tensiones simétricas respecto a una referencia (neutro) y además si la carga es balanceada, que es posible alcanzar eficiencias altas con valores de 97% y mayores; baja distorsión harmónica y que por lo tanto al funcionar como se describe beneficia a los sistemas de distribución o trasmisión al ahorrar el 33% del costo en infraestructura de instalación.
3. 3. -Que pueda utilizarse desde potencias muy pequeñas para electrodomésticos, baja tensión industrial, distribución y trasmisión y generación.
4. 4.-Que puede utilizarse en convertidores de alta tensión, media tensión, baja tensión, motores y generadores dado que es de aplicación universal. Resumen Esta invención se refiere a la conexión denominada prisma que es aplicable a convertidores de dos a tres fases, la de aplicación industrial mas extendida pero puede extenderse de dos a seis fases, la referencia es de la conexión prisma ETO-120-2/3 fíg 6(a) la cual muestra que la fase faltante es construida a partir de dos fases de alimentación existente de la fig.6(a) por ejemplo la fase a por las secciones al y al la fase b por las secciones bl y b2. La fase c por las secciones el y c2. La fase generada puede ser cualquiera dependiendo de las fases de alimentación si están presentes a y b la fase faltante será c; si están presentes b y c la fase faltante será, a; si están presentes a y c la fase faltante será b. De esta forma se origina la fase no existente obteniéndose un sistema trifásico que por medio de otro sistema de salida en cualquier nivel de tensión proporciona la tensión trifásica utilizable para cualquier sistema eléctrico de distribución trasmisión o generación. El sistema de conversión prisma permite obtener un sistema trifásico balanceado con neutro con la posibilidad de conectar cualquier carga trifásica, bifásica, monofásica a partir de una alimentación bifásica con dos hilos, lo que constituye una invención notable respecto a los convertidores existentes que no son de aplicación universal .además este sistema (conexión) prisma puede aplicarse a motores y generadores con lo que su aplicación es ilimitada.