WO2015189437A1 - Procedimiento para reducir la corriente de arranque de una carga inductiva - Google Patents

Procedimiento para reducir la corriente de arranque de una carga inductiva Download PDF

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voltage
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reducing
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Farzad Fotrousi
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Indra Sistemas, S.A.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/001—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection limiting speed of change of electric quantities, e.g. soft switching on or off
    • H02H9/002—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection limiting speed of change of electric quantities, e.g. soft switching on or off limiting inrush current on switching on of inductive loads subjected to remanence, e.g. transformers
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F5/00—Systems for regulating electric variables by detecting deviations in the electric input to the system and thereby controlling a device within the system to obtain a regulated output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/021—Current limitation using saturable reactors

Definitions

  • the present invention relates to a method for reducing the starting current of an inductive load, of special application in the suppression of the starting current during the connection of transformers.
  • One of the usual problems when starting an electric machine is that the starting current is much higher than the rated current, which can be harmful to the machine and to the electrical network.
  • transient currents can be produced with a value several times greater than its rated current.
  • the duration and intensity of this current is determined by constructive aspects of the transformer, the resistance of the line and fundamentally of the residual flow of the transformer and the moment of connection.
  • the magnetic flux wave can reach a peak value higher than two times its maximum value under normal operating conditions. This causes the value of the magnetic flux to far exceed the saturation elbow of the magnetization characteristic curve of the transformer.
  • the primary current necessary to produce this flow value can be many times higher than the nominal current of the trans- trainer It is a "nrush" current or transformer starting current.
  • Patent document US5216567 A describes a device for limiting the starting current of a transformer in which certain magnetic conditions of the magnetic core of the primary are established and the phase angle of the voltage of the network is controlled. Said document provides a device of the aforementioned type that without requiring any intervention in the design of the power supply allows to provide the total available power, without appreciable delay, after the connection of the power supply and suppresses the peaks of the starting current .
  • the solution provided consists of a capacitor connected on one side in parallel to a transformer and connected on the other hand in series with an alternating current switch, a load resistance and a rectifier.
  • a network disconnection recognition circuit (accidental or voluntary) detects the disconnection of the network, the alternating current breaker trip triggers the discharge of the capacitor to the magnetic core of the primary of the transformer after several mii-seconds.
  • the discharge of the capacitor establishes determined and known conditions of magnetization of the magnetic core of the transformer primary so that the transformer can be connected to the network at a pre-selectable phase angle between 90 ° and 0 ° before a zero crossing of the network voltage, ie between 90 ° and 180 ° in the negative or positive belly of the sinusoidal signal. In this way, it is possible to limit the starting current to the load current value before the zero voltage of the network.
  • the device described in this document is connected to the primary by means of a power electronics unable to withstand high voltages, which means that it does not apply to high voltage.
  • the starting current is limited but it is not suppressed and the magnetization of the magnetic core of the primary of the transformer is carried out by means of the discharge of a capacitor.
  • Patent document US5642025 A describes a method and apparatus for reducing the starting current of a three-phase transformer connected to a rotary load in which magnetic conditions are established for each branch of the magnetic core of the determined primary and the phase angle of the network voltage. Said document provides a method and apparatus of the aforementioned type by means of which a rotary load can be connected even in the case of variable load conditions with a considerably reduced starting current, preferably practically negligible.
  • the solution provided consists of creating a magnetization pattern of the branches of the magnetic core of the primary that allows to know in each moment the magnetic conditions of each branch, with which it can be connected at the opportune moment, thus avoiding an excess current of start.
  • the described apparatus has servocomponents, connected to a control having a sequence control and a phase angle control, which can be controlled so that different current angles and connection sequences can be realized.
  • the servo components are triacs, thyristors or a combination of electromechanical switches and semiconductor switches. In the case of the combination of electromechanical switches and semiconductor switches, when the transformer is completely connected to the network, the semiconductor switches are bridged by mechanical contacts.
  • a disadvantage of the systems of the prior art is that they do not serve for high voltage, since they are connected to the primary by means of a power electronics that does not support high voltages.
  • the system of the present invention allows achieving the aforementioned objective and solving the problems existing in the state of the art.
  • the invention provides a method for reducing the starting current of an inductive load, in particular a transformer, comprising the following steps:
  • Fig. 1 shows a connection and control diagram for feeding a single-phase transformer, suppressing the starting current according to the invention.
  • Fig. 2 represents a graph with the alternating supply voltage of Fig. 1, the residual magnetic flux and the magnetic flux corresponding to the voltage, and the activation of the power relay at 3 ⁇ / 4.
  • Fig. 3 shows an alternative connection and control scheme for supplying a single-phase transformer, suppressing the starting current according to the invention.
  • Fig. 4 shows another alternative connection and control scheme for feeding a single-phase transformer, suppressing the starting current according to the invention.
  • Fig. 5 shows a connection and control diagram for feeding a three-phase transformer with the primary connected in star suppressing the starting current according to the invention.
  • Fig. 6 shows the magnetic fluxes in the three-phase star transformer.
  • Fig. 7 shows a graph with the alternating supply voltage between phases A and B of Fig. 5 (V AB ), the residual magnetic flux, the magnetic flux in column A caused by the voltage V AB , the flux magnetic in column B caused by voltage V AB , the magnetic flux in column C caused by voltage V AB , and the activation of phase A and phase B power relays in 3 ⁇ / 4.
  • Fig. 8 shows a graph with the alternating supply voltage between phases A and B of Fig.
  • Fig. 9 shows the voltages V A, V B and V C of the balanced three-phase system and the voltage V A B. Flows A , B and C corresponding to each of the phase voltages are also shown, and activation of the power relay of phase C is indicated.
  • Fig. 10 shows a connection and control diagram for feeding a three-phase transformer with the primary connected in delta suppressing the starting current according to the invention.
  • Fig. 1 1 shows the magnetic fluxes in the three-phase transformer in delta.
  • Fig. 12 shows a graph with the alternating supply voltage between phases A and B of Fig. 10 (V AB ), the residual magnetic flux, the magnetic flux in column A caused by the voltage V AB , the flux magnetic in column B caused by voltage V AB , the magnetic flux in column C caused by voltage V AB , and the activation of phase A and phase B power relays in 3 ⁇ / 4.
  • Fig. 13 shows a graph with the alternating supply voltage between phases A and B of Fig. 10 (V AB ), the residual magnetic flux, the magnetic flux in column A caused by the voltage V AB , the flux magnetic in column B caused by the voltage V AB , the magnetic flux in column C caused by the voltage V AB , and the activation of the phase A and phase B power relays in 5 ⁇ / 4.
  • Fig. 14 shows the voltage V AB, and the voltages V BC and V AC that appear in the transformer of Fig. 10 when activating the power relay of phase C.
  • the magnetic fluxes AB , ⁇ BC are also represented y ⁇ CA corresponding to the voltages between phases.
  • Figure 1 shows the connection and control diagram for feeding a single-phase transformer 8 suppressing the starting current.
  • the control system 3 requires having a sample of the input alternating voltage, access to the activation solenoid of the power switch 6 and a connection path with the primary of the transformer 8 to be energized. To saturate the transformer core 8, it must be energized during a half-cycle of the maximum input voltage.
  • * sin (wt) would be necessary [Voices * Second], (result of integrating v (t) between 0 and T / 2), where T represents the period of the signal. This amount should be increased by approximately 20% since transformers are usually designed so that their maximum working voltage is around 20% higher than their nominal voltage.
  • the proposed control system 3 keeping the power switch 8 open, will apply a direct current to the primary of the transformer 8 for a time t c so that the amount of Volts * Second needed is delivered, that is:
  • the alternating supply voltage will now be applied in such a way that there is continuity of flow, that is, it will be applied at the instant in which the flow corresponding to the steady-state voltage coincides with the residual flow.
  • the activation delay of the power switch 6 must be known to activate its solenoid with the necessary advance, so that the closing occurs at the appropriate moment.
  • Figure 3 shows an alternative option of the configuration of figure 1 in which, using a two-position switching relay 18, it is mechanically secured that the line voltage is not present in the control system 3 when the Transformer 8 is powered.
  • Figure 4 shows another alternative option consists in making the DC connection for the injection of saturation current through the secondary of the transformer 8 instead of using the primary.
  • Figure 5 shows the connection and control scheme to suppress the starting current when feeding a three-phase transformer 18 with the primary connected in star.
  • the control system 17 for three-phase transformer 16 requires having a sample of the input voltage between two phases (A and B for example) considering a phase rotation ABC. It also requires access to the three activation solenoids of the power switches 13, 14, 15 and a connection path to the primary of the transformer 16 to be energized.
  • the proposed control system 17, keeping the three power switches 13, 14, 15 open, will apply a direct current between phases A and B of the primary of transformer 16, of value I K for a time t c , as described for the single-phase transformer 8.
  • Figure 6 shows these value currents I K and the magnetic fluxes in the three-phase transformer 16 in star.
  • the control system 17 injects a direct current between phases A and B, keeping the winding of phase C disconnected.
  • the applied pulse ceases, when cutting the application of direct current, the flow will be reduced to its residual value or retentive.
  • the alternating supply voltage will be applied so that there is continuity of flow, that is to say that the residual flow coincides with the flow corresponding to the applied voltage in permanent regime.
  • This figure also shows the residual flows in columns A, B and C, identified as ⁇ RA , ⁇ RB and ⁇ RC .
  • Figure 9 shows the voltages V A V B and V c of the balanced three-phase system and the voltage V AB that up to now is applied in the transformer 16. Flows A , B and C corresponding to each of the phase tensions. The voltage V c will be applied at the time corresponding to the offset ⁇ 3 indicated in the figure. This instant corresponds to a step by zero rising from the voltage V AB .
  • the transformer 16 When activating the voltage V c (in ⁇ 3 ) the transformer 16 takes the voltages and fluxes shown in figure 9.
  • the amplitude of the voltage in the winding of the column A is half of the voltage between phases V AB and is in phase with it.
  • the voltage in the winding of column A increases its amplitude by a factor of 2 and its phase is delayed by ⁇ / 6.
  • Figure 10 shows the connection and control scheme to suppress the starting current when feeding a three-phase transformer 18 with the primary connected in delta.
  • the control system 17 for three-phase transformer connected in delta requires a sample of the input voltage between two phases, access to the three activation soienoids of the power switches. , 14, 15 and a connection path with the primary of the transformer 18 to be energized.
  • the proposed control system 17, keeping the three power switches 13, 14, 15 open, will apply a pulse of direct current between phases A and B of the primary of transformer 18, of value I K for a time t c , such as it has been described for the single-phase transformer 8. Phase C remains disconnected.
  • the current l K will circulate through the windings A, B and C as indicated in figure 11, where 1 is the current flowing through the winding A and 2 which flows through the windings B and C.
  • the alternating supply voltage After cutting the direct current pulse, the alternating supply voltage will be applied so that there is continuity of flow, that is to say that the residual flow coincides with the flow corresponding to the applied voltage in permanent regime.
  • the flow in column A caused by the voltage V AB is represented as ⁇ A- AB .
  • the flows due to the voltage V AB in columns B and C are equal and are represented as ⁇ B-AB and ⁇ C-AB .
  • Also shown in this figure are the residual flow values in columns A, B and C identified as ⁇ RA
  • Figure 13 shows the application of the voltage between phases V AB activating the power switches 13, 14 of the phases A and B in ⁇ 2. From the moment in which the voltage between phases V AB is applied, the circulating flow through the Winding column A will also circulate through the columns of windings B and C, in the opposite direction and being
  • the zero steps of the voltage between phases V AB correspond to maximum or minimum flow ⁇ AB and therefore with instants in which ⁇ BC and ⁇ CA are equal, of value 1 ⁇ 2 ⁇ AB and in the opposite direction.
  • ⁇ 3 the flows ⁇ B-AB and ⁇ C-AB circulating through columns B and C before the closing of power switch 15 of phase C (of value 1 ⁇ 2 ⁇ A-AB and opposite to 0A-AB) identified with point 1 in figure 12 and figure 13, they will also be equal to those corresponding to the permanent regime at that point ( ⁇ BC and ⁇ CA in point 1 of figure 14), thus achieving continuity of flow and thus suppressing the Inrush current.
  • the method of the invention employs only electromechanical switches, and not components of power electronics, which allows them to withstand the connection to high voltage networks. Also, with this procedure, the problem of the starting current and its peaks can be eliminated 100%.

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Abstract

Procedimiento para reducir la corriente de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, que comprende los siguientes pasos: • a) conexión de una fuente de alimentación de corriente continua (4) al transformador durante un tiempo tc, para magnetizar su núcleo magnético hasta lograr su saturación, y conexión del transformador a la red eléctrica de corriente alterna mediante un interruptor electromecánico (6), en posición inicialmente abierta; • b) desconexión del transformador de la fuente de alimentación de corriente continua (4), reduciéndose el flujo magnético a su valor residual; • c) cierre del interruptor electromecánico (6) para completar la conexión, estando este punto de conexión determinado por el ángulo de fase seleccionado de la señal sinusoidal de tensión de la red eléctrica, de modo que el flujo magnético correspondiente a la tensión en régimen permanente coincide con el flujo magnético residual que queda al desconectar el transformador de la fuente de alimentación de corriente continua (4).

Description

PROCEDIMIENTO PARA REDUCIR LA INTENSIDAD DE ARRANQUE
DE UNA CARGA INDUCTIVA CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento para reducir la intensidad de arranque de una carga inductiva, de especial aplicación en la supresión de la corriente de arranque durante la conexión de transfor- madores.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Uno de los problemas habituales ai poner en marcha una máquina eléctrica es que la intensidad de arranque es mucho más alta que la intensidad nominal, lo que puede ser perjudicial para la máquina y para la red eléctrica.
En el caso concreto de la conexión de transformadores, cuando un transformador recibe alimentación, pueden producirse corrientes transito- rias con un valor varias veces superior a su corriente nominal. La duración e intensidad de esta corriente viene determinada por aspectos constructivos del transformador, la resistencia de la línea y fundamentalmente del flujo residual del transformador y del instante de conexión.
Según el momento en que se aplique la tensión de alimentación ai transformador, la onda de flujo magnético puede llegar a alcanzar un valor de cresta superior a dos veces su valor máximo en condiciones normales de funcionamiento. Esto hace que el valor del flujo magnético supere con mucho el codo de saturación de la curva característica de magnetización del transformador.
La corriente de primario necesaria para producir ese valor de flujo puede llegar a ser muchas veces superior a la corriente nominal del trans- formador. Se trata de ¡a corriente de "¡nrush" o corriente de arranque del transformador.
Son conocidos ios problemas que estos altos niveles de corriente causan sobre la estructura física del transformador, hasta el punto de op- tar por no desenergizarlo para no someterlo al estrés causado ai energi- zarlo de nuevo, lo que hace que el transformador esté conectado a la red eléctrica de manera permanente.
Existen diversas soluciones técnicas de procedimientos para limitar la corriente de arranque que se produce en la conexión a la red eléctrica de un transformador mediante la premagnetización del núcleo magnético del primario del transformador y el control del ángulo de fase de la tensión de la red.
El documento de patente US5216567 A describe un dispositivo limitador de la corriente de arranque de un transformador en el que se es- tablecen unas condiciones magnéticas del núcleo magnético del primario determinadas y se controla el ángulo de fase de la tensión de la red. Dicho documento proporciona un dispositivo del tipo anteriormente mencionado que sin requerir intervención alguna en el diseño de la fuente de alimentación permita proporcionar la potencia total disponible, sin retardo apreciable, tras la conexión de la fuente de alimentación y suprima los picos de la corriente de arranque.
La solución aportada consiste en un condensador conectado por un lado en paralelo a un transformador y conectado por otro lado en serie con un interruptor de corriente alterna, una resistencia de carga y un recti- ficador. Cuando un circuito de reconocimiento de desconexión de la red (accidental o voluntaria) detecta la desconexión de la red se produce el disparo del interruptor de corriente alterna iniciando transcurridos varios miiisegundos la descarga del condensador hacia el núcleo magnético del primario del transformador.
La descarga del condensador establece unas condiciones determinadas y conocidas de magnetización del núcleo magnético del primario del transformador por lo que el transformador puede conectarse a la red en un ángulo de fase preseleccionable entre 90° y 0º antes de un paso por cero de la tensión de la red, es decir, entre 90° y 180° en el vientre negativo o positivo de la señal sinusoidal. Con ello se logra limitar la corriente de arranque al valor de corriente de carga antes del paso por cero de la tensión de la red.
No obstante, el dispositivo descrito en este documento está conectado al primario mediante una electrónica de potencia incapaz de soportar tensiones elevadas, lo que hace que no sea de aplicación a alta tensión. Asimismo, se limita la corriente de arranque pero no se suprime y la pre- magnetización del núcleo magnético del primario del transformador se realiza mediante la descarga de un condensador.
El documento de patente US5642025 A describe un procedimiento y un aparato para la reducción de la corriente de arranque de un transformador trifásico conectado a una carga rotativa en el que se establecen unas condiciones magnéticas de cada rama del núcleo magnético del primario determinadas y se controla el ángulo de fase de la tensión de la red. Dicho documento proporciona un procedimiento y un aparato del tipo anteriormente mencionado mediante el cual una carga rotativa pueda ser conectada incluso en el caso de condiciones de carga variables con una corriente de arranque considerablemente reducida, preferiblemente prácticamente despreciable.
La solución aportada consiste en crear un patrón de magnetización de las ramas del núcleo magnético del primario que permita conocer en cada instante las condiciones magnéticas de cada rama, con lo que pue- de conectarse en el momento oportuno, evitando así un exceso de corriente de arranque.
El aparato descrito cuenta con servocom ponentes, conectados a un control que tiene un control de secuencia y un control de ángulo de fase, que pueden ser controlados de manera que puedan realizarse dife- rentes ángulos de corriente y secuencias de conexión. Los servocompo- nentes son triacs, tiristores o una combinación de interruptores electromecánicos e interruptores semiconductores. En el caso de la combinación de interruptores electromecánicos e interruptores semiconductores, cuando el transformador está conectado completamente a la red, los interruptores semiconductores se puentean mediante contactos mecánicos.
Este documento describe el uso de interruptores electromecánicos en combinación con interruptores semiconductores, puenteándose ios interruptores semiconductores cuando el transformador está conectado completamente a la red. Dichos interruptores semiconductores son incapaces de soportar tensiones elevadas por lo que no son de aplicación en alta tensión.
Un inconveniente de los sistemas de la técnica anterior es que no sirven para alta tensión, ya que están conectados al primario mediante una electrónica de potencia que no soporta tensiones elevadas.
Por tanto, sería deseable obtener un procedimiento que limite o su- prima la corriente de arranque durante la conexión de la carga en alta tensión,
SUMARIO DE LA INVENCIÓN El sistema de la presente invención permite conseguir el objetivo anteriormente señalado y solventar los problemas existentes en el estado de la técnica.
La invención proporciona un procedimiento para reducir la intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, que comprende ios siguientes pasos:
a) Conexión de una fuente de alimentación de corriente continua al transformador durante un tiempo te, para magnetizar su núcleo magnético hasta lograr su saturación, y conexión del transformador a la red eléctrica de alterna mediante un interruptor electromecánico, en posición iniciaimente abierta.
b) Desconexión del transformador de la fuente de alimentación de corriente continua, reduciéndose el flujo magnético a su valor residual c) Cierre del interruptor electromecánico para efectuar la conexión, estando este punto de conexión determinado por el ángulo de fase seleccionado de la señal sinusoidal de tensión de la red eléctrica, de modo que el flujo magnético correspondiente a la tensión en régimen permanente coincide con el flujo magnético residual que queda al desconectar el transformador de la fuente de alimentación de corriente continua.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Fig. 1 : muestra un esquema de conexión y control para alimentar un transformador monofásico suprimiendo la corriente de arranque de acuerdo con la invención.
Fig. 2: representa un gráfico con la tensión alterna de alimentación de la Fig. 1 , el flujo magnético residual y el flujo magnético correspondiente a la tensión, y la activación del relé de potencia en 3π/4.
Fig. 3: muestra un esquema alternativo de conexión y control para alimentar un transformador monofásico suprimiendo la corriente de arranque de acuerdo con la invención.
Fig. 4: muestra otro esquema alternativo de conexión y control para alimentar un transformador monofásico suprimiendo la corriente de arranque de acuerdo con la invención.
Fig. 5: muestra un esquema de conexión y control para alimentar un transformador trifásico con el primario conectado en estrella suprimiendo la corriente de arranque de acuerdo con la invención.
Fig. 6: muestra los flujos magnéticos en el transformador trifásico en estrella.
Fig. 7: muestra un gráfico con la tensión alterna de alimentación entre las fases A y B de la Fig. 5 (VAB), el flujo magnético residual, el flujo magnético en la columna A causado por la tensión VAB, el flujo magnético en la columna B causado por la tensión VAB, el flujo magnético en la columna C causado por la tensión VAB, y la activación de los relés de potencia de fase A y fase B en 3π/4. Fig. 8: muestra un gráfico con la tensión alterna de alimentación entre las fases A y B de la Fig. 5 (VAB), el flujo magnético residual, el flujo magnético en la columna A causado por la tensión VAB, el flujo magnético en ¡a columna B causado por la tensión VAB, el flujo magnético en la columna C causado por la tensión VAB, y la activación de los relés de potencia de fase A y fase B en 5π/4.
Fig. 9: muestra muestra las tensiones VA, VB y VC del sistema trifásico equilibrado y la tensión VAB. Se representan también los flujos∅A,∅B y∅C correspondientes a cada una de las tensiones de fase, y se indica la activación del relé de potencia de la fase C.
Fig. 10: muestra un esquema de conexión y control para alimentar un transformador trifásico con el primario conectado en triángulo suprimiendo la corriente de arranque de acuerdo con la invención.
Fig. 1 1 : muestra los flujos magnéticos en el transformador trifásico en triángulo.
Fig. 12: muestra un gráfico con la tensión alterna de alimentación entre las fases A y B de la Fig. 10 (VAB), el flujo magnético residual, el flujo magnético en la columna A causado por la tensión VAB, el flujo magnético en la columna B causado por la tensión VAB, el flujo magnético en la columna C causado por la tensión VAB, y la activación de los relés de potencia de fase A y fase B en 3π/4.
Fig. 13: muestra un gráfico con la tensión alterna de alimentación entre las fases A y B de la Fig. 10 (VAB), el flujo magnético residual, el flujo magnético en la columna A causado por la tensión VAB, el flujo magnético en la columna B causado por la tensión VAB, el flujo magnético en la columna C causado por la tensión VAB, y la activación de los relés de potencia de fase A y fase B en 5π/4.
Fig. 14: muestra la tensión VAB, y las tensiones VBC y VCA que aparecen en el transformador de la Fig. 10 al activar el relé de potencia de la fase C. Se representan también los flujos magnéticos∅AB,∅BC y∅CA correspondientes a las tensiones entre fases. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Las referencias de las figuras se corresponden con los siguientes elementos:
I . - Alimentación monofásica de entrada.
2 - Transformador de medida.
3.- Sistema de control para transformador monofásico.
4.- Alimentación de corriente continua.
5. - Controlador de fase.
6. - Interruptor de potencia.
7. - Conmutador de corriente continua.
8. - Transformador monofásico.
9.- Relé estándar.
10.- Relé de seguridad.
I I . - Relé de conmutación de 2 posiciones.
12. - Alimentación trifásica de entrada.
13. - Relé de potencia fase A.
14.- Relé de potencia fase B.
15. - Relé de potencia fase C.
16. - Transformador trifásico con primario en estrella.
17. - Sistema de control para transformador trifásico.
18. - Transformador trifásico con primario en triángulo.
La figura 1 muestra el esquema de conexión y control para alimentar un transformador monofásico 8 suprimiendo la corriente de arranque.
El sistema de control 3 requiere disponer de una muestra de la ten- sión alterna de entrada, acceder ai solenoide de activación del interruptor de potencia 6 y una vía de conexión con el primario del transformador 8 que se va a energizar. Para saturar el núcleo del transformador 8 se debe energizar éste durante un semi-ciclo de la tensión máxima de entrada. Para un transformador diseñado para trabajar con una señal sinusoidal del tipo:
Figure imgf000010_0001
* sen(wt) serían necesarios
Figure imgf000010_0003
[Voitios*Segundo], (resultado de integrar v(t) entre 0 y T/2), donde T representa el periodo de la señal. Esta cantidad habría que incrementarla en un 20% aproximadamente ya que los transformadores suelen diseñarse para que su tensión máxima de trabajo sea alrededor de un 20% superior a su tensión nomi- nal.
El sistema de control 3 propuesto, manteniendo abierto el interruptor de potencia 8, aplicará una corriente continua al primario del transformador 8 durante un tiempo tc de manera que se entregue la cantidad de Voltios* Segundo necesaria, es decir:
Figure imgf000010_0002
Por ejemplo, para un transformador de tensión nominal 230V a 50Hz serían necesarios 2,48V de DC para saturarlo en 1 Seg. De esta forma se consigue la saturación del núcleo del transformador 8. Cuando cesa el pulso aplicado, al cortar la aplicación de corriente continua, el flujo se reducirá a su valor residual o remanente positivo.
Se aplicará ahora la tensión alterna de alimentación de manera que haya continuidad de flujo, es decir, se aplicará en el instante en el que el flujo correspondiente a la tensión en régimen permanente, coincide con el flujo residual.
Habiendo alimentado en DC el primario del transformador 8 como se indica en la figura 1 , es decir con positivo conectado a la línea identificada como "Phase" y negativo conectado a la línea identificada como "N" (Neutro), en cada ciclo de la tensión alterna de alimentación habrá dos instantes (ver figura 2) en los que se conseguirá la continuidad de flujo indicada, los cuales estarán próximos a los 3π/4 y 5π/4 radianes del paso por cero en flanco de subida de la tensión de "Phase" de entrada. Acti- vando la alimentación de corriente alterna en cualquiera de estos puntos se reduce de manera óptima la corriente de arranque, llegando incluso a su anulación.
Para cada modelo de transformador habrá que encontrar, en la práctica, el instante óptimo de activación. Utilizando directamente cualquiera de los valores de fase indicados: 3π/4 ó 5π/4, se obtendrá, en cualquier caso, una importante reducción de la corriente de arranque.
Se debe conocer el retardo de activación del interruptor de potencia 6 para activar su solenoide con el adelanto necesario, de modo que el cierre se produzca en el instante adecuado.
La figura 3 muestra una opción alternativa de la configuración de la figura 1 en la cual, utilizando un relé de conmutación 18 de dos posicio- nes, se asegura mecánicamente que la tensión de la línea no esté presente en el sistema de control 3 cuando el transformador 8 se encuentre alimentado.
La figura 4 muestra otra opción alternativa consiste en realizar la conexión de DC para la inyección de corriente de saturación a través del secundario del transformador 8 en lugar de utilizar el primario.
En cuanto a la aplicación a transformadores trifásicos, hay que distinguir entre transformadores trifásicos con primario conectado en estrella y transformadores trifásicos con primario conectado en triángulo. La figura 5 muestra el esquema de conexión y control para suprimir la corriente de arranque al alimentar un transformador trifásico 18 con el primario conectado en estrella.
El sistema de control 17 para transformador trifásico 16 requiere disponer de una muestra de la tensión de entrada entre dos fases (A y B por ejemplo) considerando una rotación de fases A-B-C. Requiere también el acceso a los tres solenoides de activación de ios interruptores de potencia 13, 14, 15 y una vía de conexión con el primario del transformador 16 que se va a energizar. El sistema de control 17 propuesto, manteniendo abiertos los tres interruptores de potencia 13, 14, 15, aplicará una corriente continua entre las fases A y B del primario del transformador 16, de valor lK durante un tiempo tc, tal como se ha descrito para el transformador monofásico 8.
De esta forma se crea un flujo de saturación en las columnas de los devanados A y B del núcleo del transformador 16.
En la figura 6 se observan estas corrientes de valor lK y los flujos magnéticos en el transformador trifásico 16 en estrella.
El sistema de control 17 inyecta una corriente continua entre las fa- ses A y B, manteniendo desconectado el devanado de la fase C. Las corrientes lA e lB serán iguales, de sentido contrario y de valor lK. Por lo tanto:∅A =∅B y∅C = 0. Cuando cese el pulso aplicado, al cortar la aplicación de corriente continua, el flujo se reducirá a su valor residual o remanente. Tras cortar el pulso de corriente continua, se aplicará la tensión al- terna de alimentación de manera que haya continuidad de flujo, es decir que el flujo residual coincida con el flujo correspondiente a la tensión aplicada en régimen permanente. En la figura 7 se representa la tensión entre fases A y B (VAB =VA- VB) y los flujos en las columnas A, B y C cuando únicamente está aplicada esta tensión, es decir antes de aplicar la tensión de fase VC. Se representa como:∅A-AB el flujo en la columna A causado por la tensión VAB,∅B-AB el flujo en la columna B causado por la tensión VAB y∅C-AB el flujo en la columna C causado por la misma la tensión VAB. Éste último es nulo.
En esta figura se muestran también los flujos residuales en las columnas A, B y C, identificados como∅R-A,∅R-B y∅R-C.
Habiendo aplicado una tensión continua entre las fases A y B del primario del transformador 16 como se muestra en la figura 5, es decir con positivo conectado a la línea identificada como fase "A" y negativo conectado a la línea identificada como fase "B", en cada ciclo de la tensión entre fases VA-VB habrá dos instantes en los cuales el flujo∅A-AB, en régimen permanente, corta a la línea que representa el flujo residual∅R-A, Uno de estos instantes (φ-ι) situado en torno al valor de desfasaje φ=3π/4 y otro (φ2) en torno a φ=5π/4. La misma descripción es aplicable al flujo ∅B-AB y el flujo residual∅R-A, Si se aplica la tensión entre fases VAB en cualquiera de estos puntos no se producirá discontinuidad de flujo y por lo tanto no habrá corriente de Inrush. La figura 8 muestra la activación de la tensión entre fases VAB en el instante correspondiente ai valor de desfasaje φ2.
Para completar la alimentación del transformador trifásico 16 conectado en estrella tenemos que activar la tensión de fase C, cerrando el interruptor de potencia 15 de esta fase sin que se produzca discontinuidad de flujo en el núcleo del transformador 16.
La figura 9 muestra las tensiones VA VB y Vc del sistema trifásico equilibrado y la tensión VAB que hasta ahora está aplicada en el transformador 16. Se representan también los flujos∅A,∅B y∅C correspondientes a cada una de las tensiones de fase. Se aplicará la tensión Vc en el instante correspondiente al desfasa- je φ3 indicado en la figura. Este instante corresponde con un paso por cero subiendo de la tensión VAB.
Para evitar que se produzca discontinuidad de flujo, en el instante elegido de activación de la fase Vc se debe cumplir que ios flujos en las tres columnas del transformador 16 antes de activar Vc coincidan con los que corresponden en régimen permanente, después de activarla. Es decir, los valores de flujo en las columnas A y B en el instante φ3 en la figura 8 deben coincidir con los valores de flujo en las columnas A y B en el instante φ3 en la figura 9. Y eL flujo en la columna C debe mantenerse nulo.
Ai activar la tensión Vc (en φ3) el transformador 16 toma las tensiones y flujos representados en la figura 9. Antes de aplicar la tensión Vc, la amplitud de la tensión en el devanado de la columna A es la mitad de la tensión entre fases VAB y está en fase con ella. Tras aplicar Vc, la tensión en el devanado de la columna A aumenta su amplitud en un factor 2 y su fase se retrasa π/6.
Figure imgf000014_0005
El flujo en la columna A evoluciona de la misma forma que la tensión en ese devanado, en el punto 2 de la figura 8, antes de aplicar la tensión Vc, el valor del flujo es En el punto 2 de la figura 9,
Figure imgf000014_0004
después de activar Vc, el flujo en la columna A (∅A) aumenta su amplitud en un factor
Figure imgf000014_0001
y retrasa π/6 respecto a
Figure imgf000014_0003
tomando el valor:
Figure imgf000014_0002
El mismo valor de flujo que antes de aplicar Vc. Lo mismo ocurre en el punto 1 con respecto a∅B-AB y∅B. En este caso∅B va adelantado ττ/6 respecto a∅B-AB.
Por último, como φ3 corresponde con un instante en el que la ten- sión de fase VC pasa por un máximo, el flujo en la columna del devanado C será nulo en φ3, coincidiendo con el valor de flujo que antes de ese instante hay en esta columna.
De manera que coinciden los valores de flujo antes y después deφ3. Aplicando la tensión de fase VC en φ3 no hay discontinuidad de flujos en el núcleo del transformador 16, eliminando así la corriente de Inrush,
Como se ha visto anteriormente, aplicando las tensiones de fase VA, VB y VC en ios puntos indicados se reduce de manera óptima la co- rriente de arranque de un transformador trifásico 16 con primario conectado en estrella, llegando incluso a su anulación.
Para cada modelo de transformador habrá que encontrar, en la práctica, el instante óptimo de activación. No obstante, utilizando directamente los valores de desfasaje: φ 1=3π/4 ó φ2=5π/4 para VA-VB, y el co- rrespondiente φ3 para VC se obtendrá, en cualquier caso, una importante reducción de la corriente de arranque.
La figura 10 muestra el esquema de conexión y control para suprimir la corriente de arranque al alimentar un transformador trifásico 18 con el primario conectado en triángulo. Igual que para el transformador trifásico 16 conectado en estrella, el sistema de control 17 para transformador trifásico conectado en triángulo requiere disponer de una muestra de la tensión de entrada entre dos fases, el acceso a ios tres soienoides de activación de los interruptores de potencia 13, 14, 15 y una vía de conexión con el primario del transformador 18 que se va a energizar. El sistema de control 17 propuesto, manteniendo abiertos los tres interruptores de potencia 13, 14, 15, aplicará un pulso de corriente continua entre las fases A y B del primario del transformador 18, de valor lK durante un tiempo tc, tal como se ha descrito para el transformador mono- fásico 8. La fase C se mantiene desconectada.
En este caso, la corriente lK circulará por los devanados A, B y C como se indica en la figura 1 1 , siendo l1 la corriente que circula por el devanado A e ¡2 la que circula por los devanados B y C.
Considerando que los tres devanados tengan una impedancia simi- lar, se cumplirá que l1 = 2*l2 y el flujo ∅A creado en la columna A tendrá un valor aproximadamente doble que ∅B y ∅C. Cuando cese el pulso de DC aplicado, el flujo en el núcleo del transformador 18 se reducirá a su valor residual.
Tras cortar el pulso de corriente continua, se aplicará la tensión al- terna de alimentación de manera que haya continuidad de flujo, es decir que el flujo residual coincida con el flujo correspondiente a la tensión aplicada en régimen permanente.
En la figura 12 se representa la tensión entre fases A y B (VAB =VA- VB) y los flujos en las columnas A, B y C cuando únicamente está aplicada esta tensión, es decir antes de aplicar la tensión de fase VC. Se representa como ∅A-AB el flujo en la columna A causado por la tensión VAB. Los flujos debidos a la tensión VAB en las columnas B y C son iguales y se representan como ∅B-AB y ∅C-AB. Se muestran también en esta figura ios valores de flujo residual en las columnas A, B y C identificados como ∅R-A
Figure imgf000016_0001
Habiendo aplicado una tensión continua entre las fases A y B del primario del transformador 18 según la figura 10, es decir con positivo conectado a la línea identificada como fase "A" y negativo conectado a la línea identificada como fase "B", en cada ciclo de la tensión entre fases VA-VB habrá dos instaníes en los cuales el flujo∅A-AB, en régimen permanente, corta a la línea que representa el flujo residual∅R-A, Uno de estos instantes (φ1) situado en torno ai valor de desfasaje
Figure imgf000017_0001
(figura 12) y otro (φ2) en torno a φ=5π/4 (figura 13). Si se aplica la tensión entre fases VAB en cualquiera de estos puntos no se producirá discontinuidad de flujo y por lo tanto no habrá corriente de Inrush.
La figura 13 muestra la aplicación de la tensión entre fases VAB activando ios interruptores de potencia 13, 14 de las fases A y B en φ2. Desde el momento en que se aplica la tensión entre fases VAB, el flujo circulante por la columna del devanado A circulará también por las columnas de los devanados B y C, en sentido contrario y siendo |∅B-
Figure imgf000017_0002
Al cerrar el interruptor de potencia 15 de la fase C aparecen en el transformador 18 las tensiones entre fases VBC y VCA, a las que les corresponden los flujos∅BG y∅CA respectivamente, como se muestra en la figura 14. En el caso de transformador trifásico 18 conectado en triángulo, el cierre del interruptor de potencia 15 de la fase C no produce variación en la tensión aplicada ai devanado de la columna A. En concreto, cerrando el interruptor de potencia 15 de la fase C en un paso por cero subiendo de la tensión VAB (φ3 en las figuras) el flujo en la columna del devanado A no variará (ya que no variará la tensión en ese devanado) de modo que el flujo∅A-AB antes de aplicar Vc (punto 2 en la figura 12 y en la figura 13) coincidirá con el flujo en régimen permanente ∅AB tras aplicar Vc (punto 2 en la figura 14).
Por otro lado, en régimen permanente, los pasos por cero de la tensión entre fases VAB corresponden con máximos o mínimos de flujo ∅AB y por lo tanto con instantes en ios que∅BC y∅CA son iguales, de valor ½∅AB y de sentido contrario. En φ3, los flujos ∅B-AB y∅C-AB circulantes por las columnas B y C antes de cierre del interruptor de potencia 15 de fase C (de valor ½∅A-AB y sentido contrario a 0A-AB) identificados con el punto 1 en la figura 12 y en la figura 13, serán también iguales a los correspondientes al régimen permanente en ese punto (∅BC y ∅CA en el punto 1 de la figura 14), consiguiendo por lo tanto continuidad de flujo y suprimiendo así la corriente de Inrush.
Es importante hacer notar que el procedimiento de la invención emplea únicamente interruptores electromecánicos, y no componentes de electrónica de potencia, lo que permite que aguanten la conexión a redes de alta tensión. Asimismo, con este procedimiento se puede eliminar al 100% el problema de la intensidad de arranque y sus picos.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en co- nexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims

REIVINDICACIONES
1 .- Procedimiento para reducir ¡a intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, caracterizado porque comprende ¡os siguientes pasos:
a) Conexión de una fuente de alimentación de corriente continua (4) al transformador durante un tiempo te, para magnetizar su núcleo magnético hasta lograr su saturación, y conexión del transformador a la red eléctrica de alterna mediante un interruptor electromecánico (6), en posición inicialmente abierta.
b) Desconexión del transformador de ¡a fuente de alimentación de corriente continua (4), reduciéndose el flujo magnético a su valor residual c) Cierre del interruptor electromecánico (6) para efectuar la conexión, estando este punto de conexión determinado por el ángulo de fase seleccionado de la señal sinusoidal de tensión de la red eléctrica, de modo que el flujo magnético correspondiente a la tensión en régimen permanente coincide con el flujo magnético residual que queda al desconectar el transformador de la fuente de alimentación de corriente continua (4).
2 - Procedimiento para reducir ¡a intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, según la reivindicación 1 , en el que el transformador es un transformador monofásico (8) y los puntos de conexión están próximos a ¡os 3π/4 o 5π/4 radianes del paso por cero en flanco de subida de la tensión alterna de entrada.
3. - Procedimiento para reducir ¡a intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, según ¡a reivindicación 1 o 2, en el que el interruptor electromecánico es un relé de conmutación (1 1 ) de dos posiciones.
4. - Procedimiento para reducir ¡a intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, según cuaiquiera de ¡as reivindicaciones 1 a 3, en el que la conexión de la fuente de alimentación de corriente continua (4) al transformador se hace en e¡ primario de éste.
5. - Procedimiento para reducir la intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la conexión de la fuente de alimentación de corriente continua (4) al transformador se hace en el secundario de éste.
6. - Procedimiento para reducir la intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, según la reivindicación 1 , en el que el transformador es un transformador trifásico (16) con primario conectado en estrella y en el que:
- se aplica una corriente continua de valor ¡K entre dos fases (A, B) del primario del transformador (16) durante un tiempo te, estando desconectada la otra fase (C)
- se aplica la tensión entre fases VAB en puntos de conexión próximos a los 3π/4 o 5π/4 radianes activando los correspondientes interruptores electromecánicos (13, 14) de dichas fases.
- se activa la tensión de fase C, cerrando el interruptor electromecánico (15) de dicha fase, en el instante correspondiente a un paso por cero subiendo de la tensión VAB.
7. - Procedimiento para reducir la intensidad de arranque de una carga inductiva, en concreto un transformador, según la reivindicación 1 , en el que el transformador es un transformador trifásico (18) con primario conectado en triángulo y en el que:
- se aplica una corriente continua de valor lK entre dos fases (A, B) del primario del transformador (18) durante un tiempo te, estando desconectada la otra fase (C)
- se aplica la tensión entre fases VAB en puntos de conexión próximos a los 3π/4 o 5π/4 radianes activando los correspondientes interruptores electromecánicos (13, 14) de dichas fases
- se cierra el interruptor electromecánico (15) de la fase C, en el instante correspondiente a un paso por cero subiendo de la tensión VAB.
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