WO2006087402A2 - Procedimiento de regulación continua de la relación de tensiones en transformadores - Google Patents

Procedimiento de regulación continua de la relación de tensiones en transformadores Download PDF

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Definitions

  • the present invention refers to a procedure that allows to regulate continuously the relationship of voltages in transformers without mechanical elements, based on the use of electronic systems and reducing the number of semiconductor valves.
  • the present invention finds its scope in the electrical sector, more specifically in the voltage regulation devices of the power transformers. Within this field, it can be applied to any type of power transformer, be it distribution, transportation, generation or other special uses.
  • On-load tap-changers are the most commonly used devices such as voltage regulators in electric transport and distribution networks, both in high and medium voltage, since the beginning of these networks, as we understand them today, until The present. It is a very robust mechanical equipment that introduces negligible losses in the operation of electrical networks. On the contrary, they have the problem that since they are mechanical switches that open and close circuits, they are slow devices with little capacity to respond to sudden changes in the conditions of the network; In addition, its regulatory possibilities are limited to a series of steps.
  • Continuous regulation procedure of the ratio of voltages in transformers provides the advantage that the electronic systems used in the regulation are coupled by electromagnetic connections that allow reducing the voltages and intensities applied to the semiconductors, minimizing losses and wear of such equipment.
  • the harmonic distortion that can be introduced into the global currents and voltages is greatly reduced.
  • the response times of the voltage regulator can be considerably reduced, increasing the number of operations allowed by the equipment to the point of achieving continuous regulation. Thanks to this possibility, not only is the level of quality of electricity supply increased by facilitating a higher level of control, but voltage fluctuations due to customers with violent variations in their requests for electrical energy can be reduced, such as This may be the case of arc furnaces, high-speed railways, some cogenerators, and so on. It is also possible to ensure adequate voltage levels to customers that are connected at low voltage by reducing, and even eliminating, fluctuations that may exist in the medium voltage supply.
  • An added advantage to the regulator that is proposed with the present invention is that when carrying out an independent regulation by phase it is possible to balance the output voltages, in cases where the network voltages arrive unbalanced or an unbalanced load causes imbalances in the voltage of exit. Finally, it is important to highlight that the technique used in the connection of electronic equipment will not compromise, in the event of a breakdown of semiconductors, the electrical continuity between the networks that connect the transformer. Description of the invention
  • the "Continuous regulation procedure of the voltage ratio in transformers" is carried out from a single-phase or three-phase power transformer to which a series regulation transformer and the electronic voltage regulation equipment are connected.
  • the objective pursued with this procedure is to obtain in the final output of the equipment a voltage, regulated continuously so that it can remain fixed when the voltage existing in the input of the same, remains within a certain range of variation.
  • it can be carried out according to configuration with regulation in the secondary or primary, making use of an electronic device that, through a series transformer injects a regulated voltage that is added or subtracted from the existing in the secondary or primary of the power transformer respectively,
  • the electronic device can be a chauffeur reducer, although any other configuration could be used.
  • the choice of electronic systems based on the switching of devices, such as the alternating reducer driver is justified by its ability to ideally generate a continuously controlled output voltage based on the input voltage using a minimum number of semiconductors that allow achieve compact schemes with reduced losses.
  • connection scheme used in the regulator transformer is carried out so that the voltages and currents applied to the electronic devices are as small as possible.
  • the harmonic components introduced by the use of non-linear electronic elements are applied only to said voltage fraction. Increase of the regulation margin. Investor.
  • the regulation range of the procedure is increased by double.
  • the inverter system when performing the change of direction operation, the voltage injected by the series winding is subtracted from that existing in the network. In this way, if we choose suitable turns ratios taking into account this new effect, the possible regulation range is doubled or, failing that, the power to be controlled by the electronics and the harmonic injection due to the Ia is reduced by half use thereof.
  • the power and regulation transformers can be mounted on a single magnetic core in both single-phase and three-phase schemes.
  • the magnetic core consists of a regulation window and another transformation window; so that the transformation window is the one that transforms the power and the regulation window adjusts the output voltage to its desired value, provided that the voltage existing in the secondary is bearable by the electronics. That is, in single phase power transformers with
  • the transformation window corresponds to the power transformer
  • the regulation window corresponds to the series regulation transformer.
  • the electronic system is connected directly to the secondary and the amplitude of the input voltage to the regulation window is regulated by the electronic system.
  • the transformation window with ni and n-turns, and the regulation window, with n s1 and n s2 turns, act as separate power transformers with magnetic fluxes ⁇ t and ⁇ r , respectively.
  • the magnetic flux that circulates through it is obtained from ⁇ t - ⁇ r, Description of the figures
  • Power transformer consisting of three windings.
  • Transformer regulation series consisting of two windings.
  • the "Continuous regulation procedure of the ratio of voltages in transformers" can be carried out according to regulation in the secondary, as shown in the diagram represented in Figure 1 or in its symmetric according to regulation in the primary, represented in Figure 2.
  • the power transformer (1) is composed of three windings.
  • the winding n defines the primary of the transformer and has no turns; the n 2 defines the secondary with n 2 turns and the n r defines the winding of regulation of the power transformer, with n r turns.
  • the aim with this method is to obtain at the output of a voltage equipment, Uzwnea, regulated continuously so that it can remain fixed when the voltage existing in the inlet, Uu ⁇ line, remains within a given range variation.
  • a voltage equipment Uzwnea
  • Uzwnea a voltage equipment
  • an electronic device will be used that, through a series transformer (2), formed by two windings, n s1 and n S2 , with n s1 and n s2 turns respectively inject a regulated voltage that is added or subtracted from Ia existing on one side of the transformer.
  • a voltage U re is taken that is to be introduced into an electronic device (3) that acts as a transformer with an easily adjustable voltage ratio.
  • the series transformer (2) modifies the regulated voltage U rs to the necessary regulation values in the secondary of the transformer by:
  • the voltage U 2r is added to the secondary voltage of the power transformer, obtaining the desired voltage U 2 [ ⁇ n ea, verifying that said value depends on the regulation of the electronic system, D.
  • connection scheme used in the regulating transformer to power the electronic system is justified, among other reasons, because it is required that the voltages and intensities applied to the electronic devices be as small as possible. It can be verified that (at the power that semiconductor valves have to control, S e ⁇ eo , it is, at most, percentage equal to the desired regulation range if we refer to the nominal power of the transformer, S traf o. Thus, if we define the unit regulation range, ⁇ reg pu , as:
  • a second characteristic, also fundamental, that motivates the choice of this connection scheme is that when applying the electronic system only to the fraction of regulated voltage, the harmonic components introduced by the use of non-linear electronic elements are applied only to said fraction of tension. In this way, when the voltage coming from the network is added, the percentage harmonic components injected into the network are greatly reduced, the quality indices of the generated electric wave are significantly improved.
  • a technique that makes it possible to increase the regulation margin of the procedure, by folding it, is the alternative use of an inverter system made by contactors, triacs, or any similar operating device, following the scheme shown in Figure 5a and 5b.
  • Figure 6 shows an alternative connection method capable of reducing the intensity that circulates through the semiconductors, dividing it by the number of windings arranged in the primary of the series transformer with the advantage of allowing to reduce the injected harmonics if the moments are properly crossed opening and closing of the switches that make up each of the drivers.
  • the idea is that, by introducing several primaries, the current in each winding is divided between the different semiconductor blocks; Thus, for n windings, in the case of regulation in the secondary of the power transformer there is a power to be controlled, Seiec, for each block of:
  • the harmonic injection in the networks will be reduced because if a pulse width control is used in each of the electronic systems so that the switching of the different equipment is alternated, it can cause the cancellation of harmonics introduced at the lowest frequencies.
  • Figures 7a and 7b are based on the use of a magnetic core composed of a regulation window (4) and a transformation window (5), so that the transformation window (5) is the one that transforms the power and the window of regulation (4) adjusts the output voltage to its desired value, provided that the existing voltage in the secondary is bearable by the electronics.
  • the regulation window (4) will be dedicated to providing a variable voltage (U 21 -) that will be added to the voltage obtained in the secondary of the transformation window ( U 2 tra f o) to obtain the regulated output voltage (U 2 ) line ).
  • the regulation window (4) will provide a voltage (U 1r ) that, added to the voltage of Ia (A f ⁇ ea), provides the regulated voltage (U 1traf o) that feeds the primary winding of the transformation window (5).
  • the amplitude of the input voltage to the regulation window (U rs ) will be regulated by the electronic system.

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Abstract

La invención presentada es un procedimiento para regular la tensión de salida de los transformadores de potencia, comúnmente utilizados en la ingeniería del transporte y distribución eléctrica que se lleva a cabo a partir de un transformador de potencia monofásica o trifásica al que se conecta un transformador serie de regulación y el equipo electrónico de regulación de tensiones. Con el procedimiento que se propone se consigue a la salida final de los equipos una tensión regulada de forma continua que se mantiene fija cuando la tensión existente en la entrada de los mismos permanece dentro de un determinado rango de variación, sin incorporar los elementos mecánicos que provocan las fatigas y el desgaste de los equipos convencionales, eliminándose, además, los problemas relacionados con el arco eléctrico que se produce al abrir circuitos mecánicamente.

Description

Título
Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores
Objeto
La presente invención según se expresa en el enunciado de esta Memoria descriptiva, se refiere a un procedimiento que permite regular de forma continua Ia relación de tensiones en transformadores sin elementos mecánicos, basándose en Ia utilización de sistemas electrónicos y reduciendo el número de válvulas semiconductoras.
La presente invención encuentra su campo de aplicación en sector eléctrico, más concretamente en los dispositivos de regulación de tensiones de los transformadores de potencia. Dentro de este campo, puede aplicarse a cualquier tipo de transformador de potencia, bien sea de distribución, transporte, generación u otros usos especiales.
Estado de Ia técnica
Históricamente, en Ia expansión de las redes de transporte y distribución de energía eléctrica, se ha venido observando Ia necesidad de utilizar métodos que puedan paliar las diferentes variaciones de tensión existentes en las líneas eléctricas en función del nivel de carga a que se encuentran sometidas. Esta necesidad se basa, no sólo en el hecho de mantener las tensiones de los distintos puntos de las redes eléctricas dentro de los márgenes regulados por los distintos estándares y normativas ("Characteristics of voltage delivered by generic distribution networks", European Standard EN50160, 2001), sino también en reducir las pérdidas técnicas debidas al movimiento de Ia energía eléctrica en sí mismo. Uno de los equipos que más ha entrado en juego en este ámbito, ha sido el del regulador de tensión de los transformadores de potencia utilizando cambiadores de tomas bajo carga. Estos equipos permiten modificar Ia relación de tensiones existente en un transformador mediante Ia variación de Ia relación de espiras del mismo utilizando un dispositivo mecánico. Los cambiadores de tomas bajo carga son los dispositivos más utilizados como reguladores de tensión en las redes eléctricas de transporte y distribución, tanto en alta como en media tensión, desde los inicios de implantación de estas redes, tal y como las entendemos hoy día, hasta Ia actualidad. Se trata de unos equipos mecánicos muy robustos y que introducen unas pérdidas despreciables en Ia explotación de redes eléctricas. Por el contrario, tienen el problema de que al tratarse de interruptores mecánicos que abren y cierran circuitos, son dispositivos lentos con poca capacidad de respuesta ante cambios repentinos en las condiciones de Ia red; además, sus posibilidades de regulación se encuentran limitadas a una serie de escalones. Ocurre también, que al objeto de minimizar los efectos producidos por el arco eléctrico ocurrido durante Ia apertura de los circuitos, estos equipos emplean un sistema de resortes que provocan que los tiempos de operación de Ia conmutación final de los circuitos sean del orden de 60ms (los tiempos de operación totales son del orden de varios segundos), provocando una gran fatiga mecánica a los elementos que componen los reguladores. El efecto combinado de Ia aparición de arcos eléctricos y de Ia fatiga mecánica debida a su propio funcionamiento provocan que estos equipos tengan un elevado mantenimiento y sean una de las zonas más débiles de las redes eléctricas.
Los cambiadores de tomas bajo carga apenas han sufrido modificaciones desde sus inicios, hace casi un siglo; aunque últimamente, hay verdaderos intentos de mejorarlos tratando de reducir o eliminar los arcos eléctricos producidos durante su funcionamiento, así como sus efectos. Además de los diferentes estudios en materiales que puedan verse poco afectados por los arcos eléctricos, se está recurriendo a Ia utilización de interruptores de vacío y a Ia de esquemas basados en semiconductores, de forma que sirvan de apoyo al dispositivo mecánico, realizándose las operaciones de apertura y cierre de los circuitos en el interior de los mismos (H. Jiang et al. "Fast Response GTO Assisted Novel Tap Changer", IEEE Transactions on Power Delivery, pp 111-115, January 2001). Existen, también, estudios acerca de nuevos procedimientos de regulación basados exclusivamente en semiconductores (P, Bawer et al, "Solid State Tap Changers for Utility Transformers", 0-7803-5543- 6/99 IEEE pp 897-902; O. Demirci et al, "A new Approach to SoMd- State On-Load Tap Changing Transformers", IEEE Transactions on Power Delivery, pp 1-10. Jun. 1997). Estos métodos, no sólo eliminan el problema existente debido al arco eléctrico, sino que aumentan notablemente Ia velocidad de respuesta del regulador al eliminar los componentes mecánicos. Se mantiene, por otro lado, Ia restricción existente en cuanto a Ia limitación de escalones y se emplea un elevado número de semiconductores, implicando un tamaño y unas pérdidas considerables que imposibilitan su implantación a nivel industrial, teniendo en cuenta el estado de Ia técnica de Ia electrónica de potencia existente en Ia actualidad. En el caso de transformaciones de media a baja tensión, no suelen utilizarse cambiadores de tomas bajo carga, sino que sólo se utiliza Ia posibilidad de realizar variaciones de Ia relación de tensiones con el transformador sin carga. En estos casos se sitúa el conmutador en Ia posición que a priori se estime más ventajosa en función de las variaciones esperables en Ia red de medía tensión y de Ia ubicación del transformador en Ia misma.
En este último caso, existe Ia posibilidad de incluir algunos reguladores de tensión, basados en interruptores o contactores, independientes de los transformadores, de forma que permiten elevar Ia tensión con un pequeño número de escalones. También se conocen algunos estudios acerca de equipos basados exclusivamente en semiconductores (O. M. Ruiz, A. Gómez. "Solid-State Voltage Regulator for Dispersed Rural Distribution Systems", IEEE Bologna PowerTech, Jun. 2003). Una vez evaluado el estado de Ia técnica en Ia materia el
"Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" aporta Ia ventaja de que los sistemas electrónicos utilizados en Ia regulación se acoplan mediante conexiones electromagnéticas que permiten reducir las tensiones e intensidades aplicadas a los semiconductores, minimizándose las pérdidas y el desgaste de dichos equipos. Así, con Ia aplicación de Ia electrónica a una fracción de las tensiones de red y de las intensidades suministradas por el transformador, Ia distorsión armónica que pueda introducirse en las corrientes y tensiones globales se encuentra muy reducida.
Por otra lado, al no incluir elementos mecánicos, se puede disminuir considerablemente los tiempos de respuesta del regulador de tensiones, aumentando el número de operaciones permitidas por el equipo hasta el extremo de llegar a conseguirse una regulación continua. Gracias a esta posibilidad, no sólo se aumenta el nivel de calidad de suministro de Ia energía eléctrica al facilitar un mayor nivel de control, sino que se pueden reducir las fluctuaciones de tensión debidas a clientes con variaciones violentas en sus solicitudes de energía eléctrica, como puede ser el caso de los hornos de arco, ferrocarriles de alta velocidad, algunos cogeneradores, etcétera. También es posible asegurar unos niveles de tensión adecuados a los clientes que se conecten en baja tensión reduciéndose, e incluso eliminándose, las fluctuaciones que puedan existir en Ia alimentación a media tensión. Una ventaja añadida al reguiador que se propone con Ia presente invención es que al realizar una regulación independiente por fase es posible equilibrar las tensiones de salida, en los casos en que las tensiones de red llegan desequilibradas o una carga desequilibrada provoque desequilibrios en Ia tensión de salida. Por último, es importante destacar que Ia técnica utilizada en Ia conexión del equipo electrónico no va a comprometer, ante una avería de los semiconductores, Ia continuidad eléctrica entre las redes que conecta el transformador. Descripción de Ia invención
El "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" se lleva a cabo a partir de un transformador de potencia monofásico o trifásico al que se conecta un transformador serie de regulación y el equipo electrónico de regulación de tensiones. El objetivo perseguido con este procedimiento es el de obtener en Ia salida final de los equipos una tensión, regulada de forma continua de manera que pueda mantenerse fija cuando Ia tensión existente en Ia entrada de los mismos, permanezca dentro de un determinado rango de variación. En concreto en el caso de transformadores de potencia monofásicos se puede realizar según configuración con regulación en el secundario o en el primario, haciendo uso de un equipo electrónico que, a través de un transformador serie inyecta una tensión regulada que se añade o sustrae a Ia existente en el secundario o primario del transformador de potencia respectivamente, El dispositivo electrónico puede ser un chóper reductor, aunque podría utilizarse cualquier otra configuración. La elección de sistemas electrónicos basados en Ia conmutación de dispositivos, como el chóper de alterna reductor, se justifica por su capacidad de generar idealmente una tensión de salida controlada de forma continua en función de Ia tensión de entrada utilizando un número mínimo de semiconductores que permiten conseguir esquemas compactos con pérdidas reducidas.
El esquema de conexiones utilizado en el transformador regulador se realiza de forma que las tensiones e intensidades aplicadas a los dispositivos electrónicos sean Io más reducidas posible. Además, si el sistema electrónico sólo se aplica a Ia fracción de tensión regulada, los componentes armónicos introducidos por Ia utilización de elementos electrónicos no lineales se aplican sólo a dicha fracción de tensión. Aumento del margen de regulación. Inversor.
Introduciendo un sistema inversor realizado mediante contactores, triaos, o cualquier dispositivo de funcionamiento similar se aumenta ai doble el margen de regulación del procedimiento. Con el sistema inversor al realizar Ia operación de cambio de sentido, Ia tensión inyectada por el devanado serie, se resta a Ia existente en Ia red. De esta forma, si elegimos unas relaciones de espiras adecuadas teniendo en cuenta este nuevo efecto, se dobla el margen de regulación posible o, en su defecto, se reduce a Ia mitad Ia potencia a controlar por Ia electrónica y Ia inyección armónica debida a Ia utilización de Ia misma.
Realizando Ia conmutación de los interruptores en los instantes en que apenas pasa intensidad por los mismos, no es necesario disponer de dispositivos con un elevado poder de corte, ni de sistemas que ayuden a reducir o eliminar los posibles arcos eléctricos que suelen producirse en Ia utilización de interruptores.
Reducción de potencia en el sistema electrónico. Reducción de Ia componente armónica.
Existen casos en los que se puede pretender utilizar un sistema electrónico con semiconductores de menor potencia nominal que Ia que puede circular debido a Ia regulación, como pueden ser los casos de transformadores de potencias elevadas. Así, en el caso de regulación en el secundario del transformador de potencia, introduciendo varios primarios, Ia corriente existente en cada arrollamiento queda dividida entre los distintos bloques de semiconductores dispuestos en el primario del transformador. Haciendo cruzar adecuadamente los instantes de apertura y cierra de los interruptores que componen cada uno de los chópers se consigue, además reducir los armónicos inyectados.
Con Ia configuración propuesta si se desea dividir Ia intensidad por n, será necesario utilizar n chópers y n devanados primarios en el transformador serie. Del mismo modo se puede realizar una configuración con regulación en el primario del transformador de potencia.
Realización con un único núcleo magnético. Para reducir el tamaño del equipo, se pueden montar los transformadores de potencia y de regulación sobre un único núcleo magnético tanto en esquemas monofásicos como trifásicos.
Así, en el caso de un transformador de potencia monofásico, el núcleo magnético se compone de una ventana de regulación y otra ventana de transformación; de forma que Ia ventana de transformación es Ia que transforma Ia potencia y Ia ventana de regulación ajusta Ia tensión de salida a su valor deseado, siempre que Ia tensión existente en el secundario sea soportable por Ia electrónica. Es decir, en los transformadores de potencia monofásicos con
Ia configuración de un único núcleo magnético con regulación tanto en el secundario como en el primario Ia ventana de transformación corresponde al transformador de potencia, mientras que Ia ventana de regulación corresponde al transformador serie de regulación. En ambos casos de regulación, el sistema electrónico se conecta directamente al secundario y Ia amplitud de Ia tensión de entrada a Ia ventana de regulación, es regulada por el sistema electrónico.
Así, Ia ventana de transformación, con ni y n- espiras, y Ia ventana de regulación, con ns1 y ns2 espiras, actúan como sendos transformadores de potencia independientes con unos flujos magnéticos Φt y Φr, respectivamente. En Ia columna magnética que pertenece a ambas ventanas, el flujo magnético que circula por Ia misma se obtiene de Φt - Φr, Descripción de las figuras
A continuación para facilitar un mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de Ia misma, se acompaña unas figuras en Ia que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado Io siguiente:
• Figura 1,- "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con regulación en el secundario.
• Figura 2 - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con regulación en el primario.
« Figura 3a - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión del equipo electrónico desde una toma del transformador de potencia.
« Figura 3b - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión del equipo electrónico desde el primario del transformador de potencia.
» Figura 3c - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión del equipo electrónico desde el secundario del transformador de potencia. " Figura 3d - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión de equipo electrónico desde Ia línea de salida.
• Figura 4a - Chópers reductores según conexión en triángulo para trasformadores trifásicos. » Figura 4b - Chópers reductores según conexión en estrella para trasformadores trifásicos.
« Figura 4c - Chópers reductores según conexión en v para trasformadores trifásicos.
• Figura 5a - Esquema de interruptores que permite Ia realización del sistema inversor en posición desactivado. « Figura 5b - Esquema de interruptores que permite Ia realización del sistema inversor en posición activado.
• Figura 6 - Dos chópers y dos devanados primarios en el transformador serie. • Figura 7a - Ejemplo de realización de conexiones utilizando un núcleo de dos ventanas con regulación en el secundario.
• Figura 7b - Ejemplo de realización de conexiones utilizando un núcleo de dos ventanas con regulación en el primario.
1 Figura 8 - Ejemplo de realización de conexiones utilizando un núcleo de dos ventanas con regulación en el primario para trasformadores trifásicos
En ellas se numeran los siguientes detalles: 1. Transformador de potencia formado por tres devanados. 2. Transformador serie de regulación formado por dos devanados.
3. Equipo electrónico de regulación de tensiones.
4. Ventana de regulación.
5. Ventana de transformación.
Ejemplo de realización preferente
A modo de ejemplo de realización preferente de Ia invención el "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" se puede llevar a cabo según regulación en el secundario tal como se muestra en el esquema representado en Ia figura 1 o en su simétrico según regulación en el primario, representado en Ia figura 2. El transformador de potencia (1) se compone de tres devanados. El devanado n, define el primario del transformador y posee ni espiras; el n2 define el secundario con n2 espiras y el nr define el devanado de regulación del transformador de potencia, con nr espiras.
El objetivo perseguido con este procedimiento es el de obtener en Ia salida de los equipos una tensión, Uzwnea, regulada de forma continua de manera que pueda mantenerse fija cuando Ia tensión existente en Ia entrada, Uu¡nea, permanezca dentro de un determinado rango de variación. Para ello, se va a utilizar un equipo electrónico que, a través de un transformador serie (2), formado por dos devanados, ns1 y nS2, con ns1 y ns2 espiras respectivamente inyecte una tensión regulada que se añada o sustraiga a Ia existente en uno de los lados del transformador.
Observando Ia figura 1, se tiene que Ia tensión que llega por Ia línea, U1|[nea = U1trafo, al transformador de potencia (1) se transforma según Ia relación de espiras at, resultando una tensión en el secundario del transformador U2trafo-
U ° Itrafo ~ --J uJ
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0001
Tal como se muestra en Ia figura 1, del mismo transformador de potencia, se toma una tensión Ure que se va a introducir en un dispositivo electrónico (3) que actúa como un transformador con una relación de tensiones fácilmente regulable.
U re ~ ~U \trφ ~ ^ Urafo H1 ur El dispositivo electrónico representado en las figuras por un chóper reductor, aunque puede utilizarse cualquier otra configuración, va a modificar Ia amplitud de Ia tensión de entrada de forma que proporcione una tensión de salida Urs.
Un=DUn con De [0,1]
El transformador serie (2) modifica Ia tensión regulada Urs a los valores de regulación necesarios en el secundario del transformador mediante:
^2, =- Un = -Urs
La tensión U2r se añade a Ia tensión del secundario del transformador de potencia, obteniéndose Ia tensión deseada U2[ínea, comprobándose que dicho valor depende de Ia regulación del sistema electrónico, D.
^- 'Hlπea ~ ^ ilrafo + ^ Ir
U TT2!mea =^UWnύa con *2 =1 + -*--; 2>e[θ,l] a, araí
En el ejemplo de realización alternativo de Ia figura 2, se puede observar que Ia tensión regulada que se obtiene a Ia salida del equipo electrónico (3), Urs, se añade o sustrae a Ia tensión que llega por Ia línea, Un¡nea, una vez modificada a los valores de regulación necesarios por el transformador serie (2), Un. De esta forma se tiene una tensión de entrada al transformador de potencia (1), ya regulada, U -i trafo, con Ia finalidad de que Ia tensión de salida U2ifπea = U2trafo quede fijada en su valor de referencia variando Ia regulación del sistema electrónico, D.
1
^ lllnsa '*- 'Minea con K ; De[OA] a, D
1- a r°s En las figuras 3a, 3b, 3c y 3d se muestran una serie de variaciones alternativas a los sistemas de conexión del equipo electrónico mostrado en Ia figura 1. Estas variantes también pueden aplicarse para modificar Ia configuración de Ia figura 2. En los casos de las figuras 3c y 3b el sistema de conexión propuesto ofrece, además, Ia posibilidad de regular tensiones en una línea, independientemente de Ia existencia o no de un transformador de potencia.
Para Ia regulación electrónica de tensiones, se ha preferido Ia utilización de sistemas capaces de reducir Ia tensión, presentándose como posibilidad básica Ia utilización de un chóper de alterna reductor (3) que en su versión monofásica queda representado en las figuras 1 y 2, mientras que en las figuras 4a, 4b, 4c se introducen ejemplos preferentes de montaje trifásico.
Se ha elegido Ia utilización de sistemas electrónicos basados en Ia conmutación de dispositivos, como ocurre con el chóper de alterna reductor, debido a Ia posibilidad de éstos de ofrecer, idealmente, una tensión de salida controlada de forma continua en función de Ia tensión de entrada utilizando un número mínimo de semiconductores que permiten conseguir esquemas compactos con pérdidas reducidas.
El esquema de conexiones utilizado en el transformador regulador para alimentar el sistema electrónico, se justifica, entre otras razones, por que se requiere que las tensiones e intensidades aplicadas a los dispositivos electrónicos sean Io más reducidas posible. Puede comprobarse que (a potencia que las válvulas semiconductoras tienen que controlar, Seιeo, es, como máximo, porcentualmente igual al margen de regulación deseado si Ia referimos a Ia potencia nominal del transformador, Strafo. Así, si definimos el margen de regulación unitario, Δregpu, como:
Δregpu = - a ',U2n U. linάx se tiene, para los casos de regulación en el secundario y en el primario: máx{Stltc) Uhnáx-Ux \¡min = Are 'ü o: pu
S1n -a/o U- linάx
Una segunda característica, también fundamental, que motiva Ia elección de este esquema de conexiones es que al aplicar el sistema electrónico sólo a Ia fracción de tensión regulada, los componentes armónicos introducidos por Ia utilización de elementos electrónicos no lineales se aplican sólo a dicha fracción de tensión. De esta forma, al añadirse Ia tensión procedente de Ia red, las componentes armónicas porcentuales inyectadas en Ia red se ven fuertemente reducidas, mejorándose notablemente los índices de calidad de Ia onda eléctrica generada.
Aumento del margen de regulación. Inversor.
Una técnica que posibilita el aumento del margen de regulación del procedimiento, doblándolo, es Ia utilización alternativa de un sistema inversor realizado mediante contactores, triacs, o cualquier dispositivo de funcionamiento similar, siguiendo el esquema mostrado en Ia figura 5a y 5b.
La idea de utilización del inversor parte de que al realizar Ia operación de cambio de sentido, Ia tensión inyectada por el devanado serie, se resta a Ia existente en Ia red. De esta forma, si elegimos unas relaciones de espiras adecuadas teniendo en cuenta este nuevo efecto, se dobla el margen de regulación posible o, en su defecto, se reduce a Ia mitad Ia potencia a controlar por Ia electrónica y Ia inyección armónica debida a Ia utilización de Ia misma. Así, para el caso de regulación en el secundario se tiene:
Figure imgf000015_0001
y para el caso de regulación en el primario: U, —Ir TT lllnea Λl/m u llínea con £e[θ,l]
Figure imgf000016_0001
La conmutación de los interruptores se realiza en los momentos en los que D es prácticamente cero, por Io que apenas pasa intensidad por los mismos. Este efecto provoca que no sea necesario disponer de dispositivos con un elevado poder de corte, ni de sistemas que ayuden a reducir o eliminar los posibles arcos eléctricos que suelen producirse en Ia utilización de interruptores.
Reducción de potencia en el sistema electrónico. Reducción de Ia componente armónica.
Existen casos en los que se puede pretender utilizar un sistema electrónico con semiconductores de menor potencia nominal que Ia que puede circular debido a Ia regulación, como pueden ser los casos de transformadores de potencias elevadas.
En Ia figura 6 se muestra un método de conexiones alternativo capaz de reducir Ia intensidad que circula por los semiconductores, dividiéndola por el número de arrollamientos dispuestos en el primario del transformador serie con Ia ventaja de permitir reducir los armónicos inyectados si se cruzan adecuadamente los instantes de apertura y cierra de los interruptores que componen cada uno de los chópers. La idea parte de que, al introducir varios primarios, Ia corriente existente en cada arrollamiento queda dividida entre los distintos bloques de semiconductores; así, para n arrollamientos, en el caso de regulación en el secundario del transformador de potencia se tiene una potencia a controlar, Seiec, por cada bloque de:
arrollamientos ^
Del mismo modo se obtiene para regulación en el primario:
* -T TT - Aregp" u^x En concreto, en Ia figura 6 se ha representado dos chópers y dos devanados primarios en el transformador serie, con Io que Ia intensidad que es necesario regular se divide entre ambos chópers,
Como ya se ha señalado se va a reducir Ia inyección armónica en las redes debido a que si se utiliza un control de anchura de pulsos en cada uno de los sistemas electrónicos de forma que vayan alternándose las conmutaciones de los distintos equipos, se puede provocar Ia cancelación de los armónicos introducidos a las frecuencias más bajas.
Realización con un único núcleo magnético.
De forma alternativa, es posible reducir el tamaño del equipo, montando los transformadores de potencia y de regulación sobre un único núcleo magnético según se muestra en los esquemas monofásicos de las figuras 7a y 7b o trifásico en la figura 8. Así, las realizaciones de Ia figuras 7a y 7b se basan en Ia utilización de un núcleo magnético compuesto por una ventana de regulación (4) y otra de transformación (5), de forma que Ia ventana de transformación (5) es Ia que transforma Ia potencia y Ia ventana de regulación (4) ajusta Ia tensión de salida a su valor deseado, siempre que Ia tensión existente en el secundario sea soportable por Ia electrónica.
En el caso de regulación en el secundario figura 7a, Ia ventana de regulación (4) se va a dedicar a proporcionar una tensión variable (U21-) que se añadirá a Ia tensión que se obtenga en el secundario de Ia ventana de transformación (U2trafo) para obtener Ia tensión de salida regulada (U2]rnea) . En el caso de regulación en el primario figura 7b, Ia ventana de regulación (4) va a proporcionar una tensión (U1r) que, añadida a Ia tensión de Ia (Unfπea), proporciona Ia tensión regulada (U1trafo) que alimenta el devanado primario de Ia ventana de transformación (5). En ambos casos, Ia amplitud de Ia tensión de entrada a Ia ventana de regulación (Urs), vendrá regulada por el sistema electrónico. No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en (a materia comprenda el alcance de Ia invención y las ventajas que de Ia misma se derivan. Los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos, así como el propio equipo electrónico de regulación de tensiones son susceptibles de variación siempre y cuando ello no suponga una alteración en Ia esencialidad del invento.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores caracterizado por llevarse a cabo a partir de un transformador serie o transformador de regulación (2) en el secundario (figura 1) que va a permitir añadir una cierta tensión, U2r a Ia que se obtiene del devanado secundario del transformador de potencia (1) U2trafo.
2.- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores según reivindicación 1 caracterizado porque Ia tensión que alimenta el transformador de regulación (2) Urs, se encuentra regulada por un equipo electrónico
(3) que permite variar Ia tensión que recibe en su entrada Ure 3,- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores según reivindicación 1 y 2, caracterizado porque, alternativamente, se puede montar el transformador de regulación (2) en el primario (figura 2).
4.- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores según reivindicación 1, 2 y 3, caracterizado porque, alternativamente, en un transformador serle de regulación en el secundarlo, Ia alimentación del sistema electrónico puede realizarse según toma Intermedia del secundario del transformador de potencia (figura 3a), según un transformador independiente alimentado de bomas del primario del transformador de potencia (figura 3b), según un transformador independiente alimentado de bomas del secundario del transformador de potencia (figura 3c) o a partir de Ia salida del equipo transformador-regulador (figura 3d) y de forma equivalente en un transformador serie de regulación en el secundario. 5,- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores según reivindicación 1, 2, 3 y 4, caracterizado porque, alternativamente, y en el caso de transformadores trifásicos, el equipo electrónico de regulación de tensiones se puede realizar según chópers reductores con conexión en triángulo (figura 4a), conexión en estrella (figura 4b) o conexión en V (figura 4c). 6,- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores según reivindicación 1, 2, 3, 4 y 5, caracterizado porque, alternativamente, se puede hacer uso del esquema de interruptores según sistema inversor (figura 5a y 5b) aumentando el rango de regulación del equipo, o reduciendo Ia potencia a controlar por la electrónica y, en consecuencia, de Ia distorsión armónica que los equipos electrónicos puedan inyectar.
7,- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores según reivindicación 1, 2, 3, 4, 5 y 6, caracterizado porque, alternativamente, puede utilizarse un sistema de división de intensidades (figura 6) que al incorporar varios equipos electrónicos implica una reducción de Ia potencia a controlar por cada uno de ellos, así como una reducción de Ia Inyección armónica del conjunto para señales portadora de regulación de cada uno de los equipos electrónicos elegidos.
8,- Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores según reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque, alternativamente, se pueden montar los transformadores de potencia y de regulación sobre un único núcleo magnético en sistemas monofásicos con regulación en el secundario o el primario según figuras 7a y 7b respectivamente, o en sistemas trifásico según figura 8.
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