MOTORES ELÉCTRICOS

SECTOR TECNOLÓGICO

La presente invención se refiere a un aparato eléctrico-electrónico que se utiliza para alimentar uno o varios motores eléctricos que después de haber sido diseñados y fabricados, cuando son energizados, requieren cambios en uno o varios de los parámetros de potencia, voltaje, corriente o frecuencia con que van a ser alimentados.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.

La mayoría de motores eléctricos que se utilizan en la actualidad operan a velocidad fija, sin embargo en determinadas aplicaciones se requiere que estos motores operen a diferentes velocidades, para poder cambiar la velocidad de operación de estos motores se utilizan Sistemas Electrónicos de Control de Velocidad (SECV).

Los SECV en Media Tensión (MT) tienen un costo de adquisición, por ésta razón en algunas aplicaciones industriales se utilizan SECV en Baja Tensión (BT) con transformadores de acople inmersos en aceites o líquidos dieléctricos.

Los SECV también generan distorsión armónica que contamina las redes eléctricas. La contaminación generada por el uso de los SECV se puede controlar mediante diversos métodos, algunos de los cuales limitan el uso de transformadores convencionales y para operar adecuadamente se hace necesario utilizar transformadores especiales.

La aplicación específica de SECV en BT con transformadores de acople inmersos en aceites o líquidos dieléctricos refrigerantes se describe en la figura 1 . El voltaje de la línea trifásica en MT (20) se conecta a un devanado de entrada (21 ) del transformador de entrada inmerso en aceite dieléctrico (22), el cual reduce el voltaje de entrada en el devanado de salida (23) a un voltaje en BT. El transformador de entrada inmerso en aceite dieléctrico es un equipo independiente y aparte del SECV (25), por lo tanto es necesario que se tienda un cableado de conexión externo (24) entre estos dos equipos para que se pueda alimentar el SECV (25) que es en BT. El SECV (25) en BT ajusta a su vez las características de frecuencia y corriente y entrega un voltaje en BT. Debido a que el SECV (25) es un equipo independiente, se debe tender otro cableado externo de conexión (26) que llega al devanado de baja tensión (27) del transformador de salida inmerso en aceite dieléctrico (28), el cual a su vez, en el devanado de salida (29) entrega un voltaje trifásico en MT (30), con el cual se alimenta el motor. Teniendo en cuenta la distorsión armónica producida por los SECV, los transformadores de entrada inmersos en aceites o líquidos dieléctricos refrigerantes (22) deben ser diseñados con uno, dos o más devanados de salida (23) que estén desfasados entre sí +/-60 ⁰ , +/-30 ⁰ , +/-22,5°, +/-15° o +1-1.5° grados eléctricos de acuerdo con el número de pulsos del SECV con el objetivo de mitigar los armónicos producidos por dicho SECV.

Además, como el transformador de salida inmerso en aceites o líquidos dieléctricos refrigerantes (28) debe tener condiciones especiales para alimentar el motor o carga y variar la velocidad de operación de este último, debe suministrar por su devanado de salida (29) una amplia variedad de voltajes, frecuencias y corrientes.

La aplicación descrita anteriormente que se usa en la actualidad, presenta grandes inconvenientes desde los puntos de vista de seguridad, medioambiente, costos de instalación, costos de mantenimiento y disposición final.

Respecto a la seguridad:

^■ La aplicación actual presenta problemas de riesgos de derrames, los cuales se presentan independientemente del tipo de líquidos refrigerante que usen los transformadores.

^■ Presenta riesgos de incendio cuando se utilizan aceites dieléctricos minerales los cuales pueden entrar en combustión fácilmente debido a su bajo punto de ignición.

■ Genera riesgos de electrocución debido a que el cableado entre equipos está expuesto y se puede tener contacto accidental.

^■ Debido a que el cableado entre los equipos se hace comúnmente con conductores de cobre y es externo, es común el robo de los mismos, lo cual además de afectar la seguridad de quien está cometiendo el robo, afecta la operación continua del sistema.

Respecto al medioambiente:

^■ El medio de refrigeración más común de los transformadores es el aceite dieléctrico mineral. El residuo del aceite mineral es considerado como peligroso de acuerdo con el convenio de Basilea de 2000. Por ésta razón, el derrame o la mala disposición del aceite al final de su vida útil, generan un riesgo ambiental por el uso de este tipo de transformadores.

^■ Si la tecnología actual se utiliza en una locación remota, un incendio puede generar daños graves en el medioambiente.

Respecto a los costos de instalación: ^■ Los transformadores de acople inmersos en líquidos refrigerantes son más costosos que los transformadores comunes debido a los requerimientos que se deben cumplir para que puedan operar apropiadamente con SECVs.

^■ Para poder mitigar los riesgos de incendio al utilizar transformadores inmersos en aceite dieléctrico mineral, se deben construir muros corta fuego, los cuales tienen un alto costo.

^■ Para mitigar los riesgos de derrame al utilizar cualquier tipo de líquido refrigerante, se deben construir piscinas de contención, las cuales también tienen un alto costo de construcción.

^■ Para poder ubicar los equipos adecuadamente, se debe disponer de un área amplia, de manera que los equipos puedan tener el flujo de aire que les dé una refrigeración apropiada.

^■ En algunos casos es necesario contar con una gabinete de servicios auxiliares para realizar los trabajos de mantenimiento, para hacer esto, es necesaria la instalación de equipos adicionales con un cableado adicional, lo cual incrementa aún más los costos de instalación.

^■ Teniendo en cuenta el grado de exposición de los elementos que componen la instalación de la tecnología actual, los materiales que se utilizan y los altos costos que conllevan las obras adicionales, se hace muy oneroso el cumplimiento del RETIE (Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas), el cual es de carácter vinculante en Colombia.

Respecto a los costos de mantenimiento:

^■ Al usar transformadores inmersos en líquidos refrigerantes, se debe hacer inspección permanente al estado del líquido para evitar fallas, esto conlleva la toma periódica de muestra de aceite y el análisis de las mismas.

^■ Las condiciones ambientales y algunos líquidos refrigerantes afectan las características de los empaques que se utilizan para contener dichos líquidos, por lo que es necesario cada cierto tiempo reemplazar los empaques de los transformadores inmersos en líquidos refrigerantes. Esta actividad además de tener un costo por sí sola, conlleva los costos adicionales que se presentan por la parada de la actividad productiva.

^■ Cuando el líquido refrigerante cumple con su vida útil, debe ser reemplazado, lo cual conlleva costos adicionales por la compra del nuevo aceite y el pago a personal especializado para llevar a cabo su reemplazo, además de los costos por paradas de producción. Respecto a la disposición final:

^■ Para poder disponer de un aceite dieléctrico, se deben tomar muestras del aceite en cada transformador y enviarlas a laboratorios especializados para que éste haga las respectivas pruebas y determine la manera en que se debe disponer dicho aceite.

^■ Teniendo en cuenta que el aceite dieléctrico es considerado un residuo peligroso, tanto el aceite como los materiales que estuvieron en contacto con éste, se deben disponer de manera especial, lo cual eleva los costos de disposición final de éstos residuos considerablemente.

Como se puede apreciar, el estado de la técnica actual hace que el uso de SECV tanto en MT como en BT sea muy costoso y con altos riesgos para los usuarios finales.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

La figura 1 corresponde a una gráfica de la aplicación específica de SECV en BT con transformadores de acople inmersos en aceites o líquidos dieléctricos refrigerantes.

La figura 2 corresponde al equipo de la invención diseñado para conectarse a una sola fuente y alimentando un solo motor.

La figura 3 corresponde a una modalidad del equipo conectado a una o varias fuentes y alimentando uno o varios motores.

La figura 4 corresponde a otra modalidad del equipo conectado a una o varias fuentes y alimentando uno o varios motores.

La figura 5 corresponde a otra modalidad del equipo conectado a una o varias fuentes y alimentando uno o varios motores.

La figura 6 corresponde a las características de la etapa intermedia de alimentación, de la etapa de conversión electrónica y de la etapa intermedia de carga de cuando la etapa de conversión electrónica tiene un sólo puente rectificador, que contiene una inductancia y una capacitancia conectadas en serie.

La figura 7 corresponde a las características de la etapa intermedia de alimentación, de la etapa de conversión electrónica y de la etapa intermedia de carga de cuando la etapa de conversión electrónica tiene un sólo puente rectificador, que contiene una inductancia y una capacitancia conectadas paralelo. La figura 8 corresponde a las características del sistema cuando se tienen varios elementos en la etapa de conversión electrónica y se desea alimentar uno o más motores de manera independiente.

La figura 9 corresponde a una vista en perspectiva del dispositivo de la presente invención.

La figura 10 corresponde a vistas planas superior, inferior, laterales y frontal del dispositivo de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo que la invención propone es un aparato eléctrico-electrónico que ha sido diseñado específicamente para garantizar el cumplimiento de los requerimientos de seguridad y cuidado del medioambiente, reduciendo los costos de instalación, mantenimiento y disposición final cuando se deben alimentar motores a los cuales se les debe variar la velocidad a lo largo del tiempo.

Como primer aspecto, todos los elementos del equipo que la invención propone están contenidos en un solo encerramiento sin líquidos de ningún tipo lo cual elimina los riesgos de conexiones externas y los riesgos que se presentan al utilizar aceites para transformadores. Este encerramiento impide el acceso accidental a cualquier parte viva de los componentes del equipo. A diferencia de las instalaciones de la tecnología actual en las cuales así haya una malla exterior de protección, es necesario ingresar a la instalación para hacer ajustes de voltajes o conexiones en los elementos instalados, en el nuevo equipo no es posible ni necesario ingresar para hacer estos ajustes debido a que todos los elementos están contenidos en un único encerramiento sólido. Se debe además hacer notar que la invención hace que el espacio total que ocupa el nuevo equipo sea el 35% o menos, según la potencia requerida, del espacio que se requiere en las instalaciones actuales, y el peso total del equipo se reduce en un 50% o más comparado con el peso de las instalaciones actuales.

Como segundo aspecto, el equipo puede ser alimentado directamente por su lado de entrada con voltajes de hasta 36.000 Voltios y por su lado de salida puede entregar múltiples voltajes de hasta 8.000 Voltios y está en capacidad de operar a diferentes valores de corriente. Además, todos estos parámetros de frecuencia, voltaje y corriente se pueden cambiar a lo largo del tiempo.

Para su instalación, únicamente se debe conectar el lado (etapa) de entrada a la fuente o fuentes de alimentación y el lado (etapa) de salida a la carga o cargas que se van a alimentar. Estas condiciones reducen considerablemente los tiempos y costos de instalación.

Como aspecto adicional, el aparato está diseñado para contener y alimentar uno o varios SECV, con voltajes en Baja o Media Tensión, los cuales a su vez permiten alimentar uno o varios motores eléctricos simultáneamente con señales de hasta 150 Hz, esto le da al equipo una versatilidad que no tiene la tecnología actual.

MEJOR MANERA DE EJECUTAR LA INVENCIÓN

Para facilitar la descripción que se está realizando y sólo para efectos explicativos, se dividió el nuevo desarrollo en cinco etapas diferentes a saber: una etapa de entrada, una etapa intermedia de alimentación, una etapa de conversión electrónica, una etapa intermedia de carga y una etapa de salida.

Para hacer más sencilla la explicación, se describen primero la etapa de entrada y la etapa de salida con la ayuda de las figuras 2, 3, 4 y 5.

Cuando el equipo está diseñado para conectarse a una sola fuente y alimenta un solo motor, aplica lo descrito en la figura 2. Cuando el equipo está diseñado para conectarse a una o varias fuentes y alimenta uno o varios motores, aplica lo descrito en las figuras 3, 4 y 5.

El caso de la conexión a una sola fuente y a un solo motor se describe en la figura 2 de la siguiente manera: El equipo objeto de la nueva invención (14) tiene una etapa de entrada que se conecta a la red trifásica o fuente de alimentación trifásica (1 ) de hasta 36.000 Voltios, mediante las conexiones externas de un devanado trifásico de entrada (2) y una etapa de salida que se conecta a la carga o motor mediante un devanado trifásico de salida (10) que tiene varios grupos de espiras independientes, cada grupo tiene salidas independientes que se conectan a uno o varios conmutadores (1 1 ), los cuales permiten obtener diferentes voltajes de salida de acuerdo con la posición en que se pongan y además, teniendo en cuenta que el cambiador de conexiones (12) permite cambiar externamente el tipo de conexión o grupo vectorial de los devanados trifásicos de salida (10), se multiplica el número de voltajes que entrega el equipo en la conexión (13) al motor, de acuerdo con el número de posiciones de los conmutadores, la cantidad de conmutadores y el número de posiciones que tenga el intercambiador de conexiones. El motor o carga se alimenta con voltajes de hasta 8.000 voltios y a múltiples frecuencias hasta de 150 Hz y corrientes que varían de acuerdo con la potencia y el voltaje de salida en la conexión (13). El caso de la conexión a una fuente y dos o más motores se describe en la figura 3 de la siguiente manera: El equipo objeto de la nueva invención (14) tiene una etapa de entrada que se conecta a la red trifásica o fuente de alimentación trifásica (1 ) que es hasta de 36.000 Voltios, mediante las conexiones externas de un devanado trifásico de entrada (2) y una etapa de salida que se conecta a las cargas o motores mediante un devanado trifásico de salida (10) que tiene varios grupos de espiras independientes, estos grupos de espiras se subdividen en varios grupos los cuales se ubican sobre un mismo circuito magnético o sobre circuitos magnéticos independientes; cada subgrupo de espiras se conecta a uno o más conmutadores (1 1 ) que permiten obtener diferentes voltajes de salida de acuerdo con la posición en que se pongan y además, cada subgrupo de espiras (10) se conecta a un cambiador de conexiones (12) que cambia el grupo vectorial de la conexión del subgrupo de espiras (10), lo que permite multiplicar el número de voltajes que entrega cada subgrupo de espiras (10). De esta manera, el equipo alimenta de manera independiente en las salidas a las conexiones (13), dos o más motores de hasta de 8.000 voltios cada uno, con múltiples frecuencias y corrientes.

El caso de la conexión a dos o más fuentes y a un sólo motor se describe en la figura 4 de la siguiente manera: El equipo objeto de la nueva invención (14) tiene una etapa de entrada que se conecta a la red o redes trifásicas o fuentes de alimentación trifásicas (1 ) que son hasta de 36.000 Voltios, mediante las conexiones externas de dos o más devanados trifásicos de entrada (2), los cuales están sobre un mismo circuito magnético o sobre circuitos magnéticos independientes y una etapa de salida que se conecta a la carga o motor mediante un devanado trifásico de salida (10) que tiene varios grupos de espiras independientes, cada grupo tiene salidas independientes a uno o varios conmutadores (1 1 ) que permiten obtener diferentes voltajes de salida de acuerdo con la posición en que se pongan y además, con el cambiador de conexiones (12) se cambia el grupo vectorial de la conexión del devanado (10), lo que permite multiplicar el número de voltajes que entrega el equipo en la conexión (13) al motor, que es hasta de 8.000 voltios y en múltiples frecuencias y corrientes.

El caso de la conexión a dos o más fuentes y a dos o más motores se describe en la figura 5 de la siguiente manera: El equipo objeto de la nueva invención (14) tiene una etapa de entrada que se conecta a la red o redes trifásicas o fuentes de alimentación trifásicas (1 ) de hasta 36.000 Voltios, mediante las conexiones externas de dos o más devanados trifásicos de entrada (2), los cuales están sobre un mismo circuito magnético o sobre circuitos magnéticos independientes y una etapa de salida que se conecta a las cargas o motores mediante un devanado trifásico de salida (10) que tiene varios grupos de espiras independientes, estos grupos de espiras se subdividen en varios grupos los cuales están sobre un mismo circuito magnético o sobre circuitos magnéticos independientes; cada subgrupo de espiras se conecta a uno o varios conmutadores (1 1 ) que permiten obtener diferentes voltajes de salida de acuerdo con la posición en que se pongan y además, cada subgrupo de espiras (10) se conecta a un cambiador de conexiones (12) que cambia el grupo vectorial de la conexión del subgrupo de espiras (10), lo que permite multiplicar el número de voltajes que entrega cada subgrupo de espiras (10). De esta manera, el equipo alimenta de manera independiente en las salidas a las conexiones (13), dos o más motores de hasta de 8.000 voltios cada uno, con múltiples frecuencias y corrientes.

Después de aclaradas las características de entrada y salida del equipo a las fuentes y a las cargas, se describen a continuación las características de las etapas intermedia de alimentación, etapa de conversión electrónica y de la etapa intermedia de carga.

En las figuras 6 y 7 se describen las características de la etapa intermedia de alimentación, de la etapa de conversión electrónica y de la etapa intermedia de carga de cuando la etapa de conversión electrónica tiene un sólo puente rectificador (7).

En la figura 6, la señal (3) proveniente de la etapa de entrada se conecta con la etapa intermedia de alimentación (4) y (5) a través de los terminales del devanado intermedio de alimentación (4) o mediante un circuito magnético común; el devanado intermedio se conecta a su vez con el medio filtrante (5), que contiene una inductancia y una capacitancia conectadas en serie como se ve en la figura 6 o en paralelo como se ve en la figura 7. El medio filtrante (5) se conecta a la etapa de conversión electrónica (6) que se compone básicamente de un SECV que contiene a su vez una sección conversora de Corriente Alterna a Corriente Directa (CA/CD) también llamada sección rectificadora y una sección conversora (CD/CA), llamada también sección inversora conectadas mediante un enlace o Bus-DC y forman configuraciones de puentes rectificadores (7) trifásicos que para este caso tiene 6 interruptores controlados (IC) que pueden ser Dispositivos Semiconductores, Elementos de estado sólido, Transistores (IGBT), Tiristores (SCR) o Triodos para corriente alterna (TRIAC), entre otros. El sistema de control electrónico contiene algoritmos especiales de programación para dirigir su funcionamiento. Los algoritmos, programas o técnicas de programación utilizadas para operar este sistema de control no se discuten en el presente documento debido a que el aparato objeto de la invención está diseñado para trabajar con diversos sistemas de control electrónico que se acoplan y desacoplan al aparato objeto de la invención. La etapa de conversión electrónica (6) se conecta a la etapa intermedia de carga por los terminales de entrada del devanado (8) de la etapa intermedia de carga, el cual a su vez entrega la señal (9) a la etapa de salida a través de un circuito magnético común. En determinadas aplicaciones cuando la etapa de conversión electrónica (6) tiene sólo un puente rectificador (7), el equipo presenta dos variaciones de configuración que son excluyentes entre sí. En una no contiene el elemento filtrante (5) de las figuras 6 y 7, en otra contiene el elemento filtrante (5) de las figuras 6 y 7 pero no incluye los elementos de la etapa de entrada (2) ni los de la etapa intermedia de alimentación (4).

En la figura 8 se describen las características del sistema cuando se tienen varios elementos en la etapa de conversión electrónica y se desea alimentar uno o más motores de manera independiente. La señal (3) proveniente de la etapa de entrada, se conecta a los devanados de la etapa intermedia de alimentación (4) a través de los terminales intermedios de alimentación o de un circuito magnético común. En la etapa intermedia de alimentación hay uno o varios devanados intermedios de alimentación (4), los cuales están sobre un mismo circuito magnético o sobre circuitos magnéticos diferentes. De acuerdo con su configuración y el número de vueltas, los devanados intermedios de alimentación (4) generan múltiples salidas trifásicas intermedias de alimentación, donde cada grupo de salidas trifásicas de las múltiples salidas intermedias de alimentación tiene un ángulo de fase diferente al de los otros grupos de acuerdo con la configuración de la conexión y el número de vueltas. Los grupos de devanados intermedios de alimentación (4) se conectan a un grupo o diferentes grupos de dos o más puentes rectificadores (7) de la etapa de conversión electrónica (6) que se compone básicamente de un SECV que contiene a su vez una sección conversora de Corriente Alterna a Corriente Directa (CA/CD) también llamada sección rectificadora y una sección conversora (CD/CA), llamada también sección inversora conectadas mediante un enlace o Bus-DC y forman configuraciones de puentes rectificadores (7) trifásicos que contiene 6 N (Con N que pertenece a los números naturales o a los números naturales divididos por 2) interruptores controlados (IC) que pueden ser Dispositivos Semiconductores, Elementos de estado sólido, Transistores (IGBT), Tiristores (SCR) o Triodos para corriente alterna (TRIAC), entre otros. El sistema de control electrónico contiene algoritmos especiales de programación para dirigir su funcionamiento. Los algoritmos, programas o técnicas de programación utilizadas para operar este sistema de control no se discuten en el presente documento debido a que el aparato objeto de la invención está diseñado para trabajar con diversos sistemas de control electrónico que se acoplan y desacoplan al aparato objeto de la invención. El grupo o los grupos de dos o más puentes rectificadores (7) de la etapa de conversión electrónica (6) se conectan a uno o varios devanados (8) de la etapa intermedia de carga por los terminales de entrada de dichos devanados (8). El o los devanados de la etapa intermedia de carga (8) entregan la señal o las señales (9) a los devanados de la etapa (10) de salida a través de uno o varios circuitos magnéticos comunes.

El equipo también tiene la opción de contener dos o más elementos en la etapa de conversión electrónica en los cuales al menos uno de ellos tiene sólo un puente rectificador (7) y los demás tienen dos o más puentes rectificadores (7).

Los grupos de devanados de la etapa de entrada, de la etapa intermedia de alimentación, de la etapa intermedia de carga y de la etapa de salida se conectan o desconectan entre sí para operar de manera independiente o en paralelo. Cuando estos devanados se conectan y desconectan entre sí, se tiene la opción de variar la potencia de salida del equipo de acuerdo con las potencias de los devanados que estén entrando o saliendo del circuito o se tiene también la opción de alimentar diferentes cargas.

Estos grupos de devanados se conectan a su respectiva carga mediante uno o más grupos vectoriales diferentes conmutables entre sí, operando de forma independiente o en conjunto. Cada uno de los grupos vectoriales puede tener tres o más terminales externos de conexión.