| US20160276099A1 | 2016-09-22 | |||
| US20110148556A1 | 2011-06-23 | |||
| US8497755B2 | 2013-07-30 | |||
| US20110148391A1 | 2011-06-23 | |||
| US11005265B1 | 2021-05-11 | |||
| CN202218017U | 2012-05-09 |
| REIVINDICACIONES 1.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, que cuenta con un núcleo trifásico de 3 piernas, CARACTERIZADO porque para cada una de las tres fases R-S-T, de dicho núcleo trifásico de 3 piernas, se genera una conexión de 18 bobinas, agrupadas en grupos de 6 bobinas por cada fase R, S y T, y en 6 capas por cada pierna; donde cada una de las 6 bobinas de cada fase, cuenta con la misma cantidad de vueltas de embobinado y donde en cada pierna, de las respectivas piernas de dicho núcleo trifásico, se instalan pares de bobinas por cada fase R, S y T, completando 6 bobinas por cada pierna; con 2 bobinas por fase, por cada pierna y generando con 6 quiebres de flujos magnéticos por fase y por pierna; donde las primeras bobinas, de las fases R, S y T, se instalan en la primera pierna del núcleo trifásico y donde dichas primeras bobinas se conectan en serie entre la respectiva tensión de fase del sistema eléctrico trifásico y unas segundas bobinas, de dichas fases R, S y T, ubicadas en la tercera pierna del núcleo trifásico, de forma tal que dicha conexión de dichas primeras y segundas bobinas siempre genere direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos; donde dicha segundas bobinas se conectan en serie entre las primeras bobinas y unas terceras bobinas, de dichas fases R, S y T, ubicadas en la segunda pierna, de forma tal que dicha conexión de dichas segundas y terceras bobinas siempre generan direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos; donde dichas terceras bobinas se conectan en serie entre las segundas bobinas y unas cuartas bobinas, de dichas fases R, S y T, ubicadas en la primera pierna, de forma tal que dicha conexión de dichas terceras y cuartas bobinas siempre generan direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos; donde dichas cuartas bobinas se conectan en serie entre las terceras bobinas y unas quintas bobinas, de dichas fases R, S y T, ubicadas en la segunda pierna, de forma tal que dicha conexión de dichas cuartas y quintas bobinas siempre generan direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos; donde dichas quintas bobinas se conectan en serie entre las cuartas bobinas y unas sextas bobinas, de dichas fases R, S y T, ubicadas en la tercera pierna, de forma tal que dicha conexión de dichas quintas y sextas bobinas siempre generan direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos; Y donde dichas sextas bobinas se conectan en serie entre dichas quintas bobinas y el neutro de la tensión de cada fase respectiva del sistema trifásico, cerrando el circuito eléctrico; donde la combinación de las 6 bobinas de cada una de las tres fases R, S y T, en la conexión antes descrita, genera, en cada una de las 3 piernas de dicho núcleo trifásico, la anulación de los flujos magnéticos y una tensión en cada pierna, equivalente al de cada fase. 2.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, descrito en la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque en cada pierna del núcleo trifásico, se forman 6 capas, donde cada capa es una bobina. 3.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, descrito en la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la tensión de cada bobina está dada por la ecuación [V], donde Ep es la tensión de fase a neutro del sistema eléctrico trifásico. 4.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, descrito en la reivindicación 2, CARACTERIZADO porque el número de vueltas de bobinas de cada capa, en cada pierna, está dado por la ecuación: N„ v = — 2*N —e fa —ses , donde Nb es el Número de vueltas total de las bobinas ubicadas en una pierna. 5.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, descrito en la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque puede operar en sistemas de distribución balanceados y desbalanceados. 6.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, descrito en la reivindicación 2, CARACTERIZADO porque puede operar en sistemas polifásicos, y en particular en sistemas trifásicos y bifásicos. 7.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, descrito en la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque para operar en sistemas bifásicos, el dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares contempla 2 fases por pierna en el núcleo del reactor con 4 quiebres por pierna en el núcleo del reactor al 25% cada uno de los vectores de flujo de las 2 fases. 8.- Dispositivo de retorno de corrientes residuales homopolares que circulan por el neutro en un sistema eléctrico de distribución, reinyectándolas por cada fase hacia las cargas, descrito en las reivindicaciones 1 y 6, CARACTERIZADO porque comprende, para su fabricación y operación, la integración de los al menos una protección termomagnética 3x16 [A], al menos un Relé falta de fase 220 [V], al menos un Contactor Automático 3x18 [A], al menos una Bornera de Neutro 60[A], al menos un Amperímetro Luz Piloto, al menos un Anclaje Z para sujeción a postes eléctricos y al menos una Celosía de ventilación forzada. |
[0001] Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de EE. UU. No. 63/275,547, presentada el 04 de Noviembre de 2021 , cual se incorpora a la presente como referencia en su totalidad.
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
[0002] Esta divulgación se refiere a la contaminación de armónicos en redes eléctricas de baja tensión y en particular a estabilizadores pasivos de corrientes residuales que circulan por el neutro en un sistema de distribución eléctrico polifásico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
[0003] Los sistemas eléctricos de distribución se emplean para abastecer consumos domiciliarios y la mayor parte de los industriales, utilizándose tensiones menores a 1 [kV] entre fases (comúnmente niveles de 1 10 y 220 [V] monofásico para consumo residencial y 500 a 600[V] entre fases para consumos industriales).
[0004] Estos sistemas son alimentados de redes de media o alta tensión a través de transformadores de tensión que son los equipos encargados de cambiar la tensión primaria a un valor menor de tal manera que el usuario pueda utilizarla sin necesidad de equipos e instalaciones costosas y peligrosas. En si el transformador de distribución es la interfaz entre los alimentadores primarios y los alimentadores secundarios. Estos transformadores pueden ser de “n” fases, pero en la actualidad priman los del tipo trifásico (3 fases) o Bifásicos (dos fases).
[0005] Para el caso de los transformadores polifásicos con neutro común, estos también tienen la función de equilibrar los consumos de la red de baja tensión, es decir, mantener las líneas de suministro de la red desfasadas equitativamente entre ellas, con la misma magnitud y operando a la misma frecuencia angular. De esa manera, se mantienen los valores de eficiencia muy altos, ya que un sistema polifásico logra su mayor nivel de eficiencia y operación cuando se encuentra lo mas equilibrado posible.
[0006] Para lograr ese equilibrio, el transformador une físicamente las líneas (fases) a través de un punto de retorno llamado “Neutro”, con el objeto de que circule por dicho transformador la diferencia de corriente que se produce de la suma vectorial de ellas. Esta corriente residual ingresara al núcleo del transformador por el punto de conexión de neutro y compensará el flujo magnético de las “N” fases que posea el transformador, logrando, en el lado de alta tensión, mantener equilibradas las fases del sistema.
[0007] Los sistemas trifásicos constituyen un caso particular de los “sistemas polifásicos”. En un sistema polifásico la alimentación es provista por un conjunto de “n” fuentes sinusoidales de tensión, todas con el mismo valor amplitud, todas de la misma frecuencia, pero cada una de ellas con un valor de desfase angular distinto. Para el caso trifásico n=3, los valores de las fases de las tres fuentes están separadas entre sí en 120°. En este caso distinguimos dos configuraciones de fuentes: fuente conectada en “Y” (estrella) y fuente conectada en “D” (delta).
[0008] Dichos sistemas de corriente alterna, energizan dispositivos electrónicos que utilizamos en nuestros hogares y oficinas (como televisores, computadores, impresoras, hornos microondas, luminarias LED, consolas de videojuegos, cargadores de celulares, etc.) cuales son conocidos como cargas no lineales.
[0009] Este tipo de cargas funcionan con corriente continua, y para eso necesitan fuentes convertidores de corriente alterna (AC) a corriente continua (DC), que en esencia, pero no limitado a, consisten en puentes de diodos rectificadores de onda completa, que alimentan un capacitor en paralelo con la carga. La continua carga y descarga del capacitor provoca distorsiones en la forma de onda de la corriente, manifestándose con crestas puntiagudas. [0010] Este tipo de distorsión se repite en forma periódica durante todo el tiempo de uso del artefacto electrónico, y su distorsión es repetitiva y continua en el tiempo. Esta anomalía se conoce como distorsión armónica, y su nombre tiene origen de la operación matemática que se utiliza para analizar este fenómeno. El análisis matemático, conocido como Análisis de Fourier, consiste en descomponer la señal distorsionada en múltiples señales senoidales de diversas frecuencias, las cuales a su vez son múltiplos de la señal fundamental. Estas señales senoidales son llamadas “armónicas”, y en la práctica se transforman en corrientes residuales que circulan por el neutro, sobrecargando los sistemas de distribución y haciendo más ineficiente el uso de la energía distribuida.
[0011] Para resolver el problema de las corrientes residuales que circulan por el neutro, se presenta un estabilizador pasivo que logra atraer a esas corrientes residuales antes de que lleguen al transformador y distorsionen las señales de tensión y afecten la eficiencia de este transformador, cual es capaz de evitar fallas al momento de generar “retornos” de corrientes entre las cargas monofásicas y sus devanados.
[0012] El arte previo identificado no logra superar el problema técnico descrito. Más detalle de este, se desarrolla en la página 11 del presente documento.
BREVE DESCRIPCIÓN DE l_A INVENCIÓN
[0013] Los detalles de uno o más ejemplos se establecen en los dibujos adjuntos y la descripción a continuación. Otras características, objetos y ventajas resultarán evidentes a partir de la descripción, los dibujos y las reivindicaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
[0014] FIG.1 . Flujo de potencia, red de distribución de 4 hilos.
[0015] FIG.2. Ejemplo de corriente distorsionada con armónica de orden 3.
[0016] FIG.3. Ejemplo de corriente armónica de orden 3 para las fases R, S y T equilibradas.
[0017] FIG.4. Plano red de distribución con la invención en P1.
[0018] FIG.5. Flujo de corrientes armónicas homopolares en dispositivo de la invención.
[0019] FIG.6. Circuito electromagnético de la invención para sistemas trifásicos de distribución.
[0020] FIG.7. Núcleo embobinado de la invención.
[0021] FIG.8. Diagrama conexión y sentido de flujo de la invención.
[0022] FIG.9. Diagrama vectorial conexionado Estabilizador de la invención.
[0023] FIG. 10. Flujo electromagnético del Estabilizador de la invención.
[0024] FIG.11. Diagrama fasorial de tensión Estabilizador de la invención.
[0025] FIG.12. Ángulos de desfase en diagrama fasorial de tensión en estabilizador de la invención.
[0026] FIG.13. Geometría de triángulo obtusángulo.
[0027] FIG.14. Caída de tensión en bobinas del estabilizador de la invención.
[0028] FIG.15. Simulación de red de distribución con estabilizador de la invención.
[0029] FIG.16. Diagrama fasorial estabilizador de la invención en sistema bifásico.
[0030] FIG.17. Diagrama del núcleo embobinado del estabilizador de la invención.
[0031] FIG.18. Flujo Electromagnético del estabilizador de la invención.
[0032] FIG.19. Diagrama fasorial y de núcleo de arte previo US 6043569 A.
[0033] FIG.20. Diagrama fasorial y de núcleo de arte previo CL 2007001057 A1.
[0034] FIG.21 . Diagrama fasorial y de núcleo de arte previo ES 2575589 A1 .
DESCRIPCIÓN DETALLADA
[0035] De acuerdo con la siguiente descripción detallada de modalidades ilustrativas de la presente descripción hecha en conjunto con las figuras adjuntas, otros aspectos, ventajas, y características prominentes de la presente descripción serán evidentes para los expertos en la técnica.
[0036] En la presente descripción, los términos “incluir” y “comprender” y sus derivados significan inclusión sin limitación; el término “o” puede tener un sentido inclusivo y significa “y/o”. [0037] En la presente especificación, las diversas modalidades siguientes para describir los principios de la presente descripción son meramente ilustrativas y no deben interpretarse de ninguna manera como limitantes del alcance de la descripción. La siguiente descripción con referencia a las figuras adjuntas se usa para facilitar la comprensión completa de las modalidades ilustrativas de la presente descripción definidas por las reivindicaciones y equivalentes de estas. La siguiente descripción incluye una variedad de detalles específicos para facilitar la comprensión, pero estos detalles deben considerarse meramente ilustrativos.
[0038] Por lo tanto, los expertos en la técnica reconocerán que pueden hacerse diversos cambios y modificaciones a las modalidades descritas en la presente descripción sin apartarse del alcance y espíritu de la presente descripción.
[0039] El presente documento se entrega sólo para actividades relacionadas al proceso de Peritaje, y por simplicidad, se omite la descripción de la función y estructura conocidas.
[0040] En los sistemas eléctricos de distribución de cuatro hilos conocido por la técnica formado por tres fases y un neutro, donde las cargas trifásicas de este sistema están formadas en general por tres impedancias (Zr, Zs y Zt) que pueden ser conectadas en “Y” (estrella) o en “D” (delta), se dice que la carga trifásica es balanceada si las tres impedancias son ¡guales, funciona de la siguiente manera:
[0041] En primer lugar, en la Fig. 1 tenemos una subestación de distribución, en adelante “SED”, 102, el cual se encarga de entregar la energía eléctrica demandada por los clientes que se encuentran conectados mediante las 3 fases R, S y T 104 y el neutro 108 del alimentador a dicha subestación.
[0042] Las cargas (receptores) 106 que demandan un consumo energético tanto trifásicas y monofásicas, generalmente están desequilibradas por el dinámico consumo de la ciudad (debido al encendido y apagado de equipos electrónicos, luminarias, ascensores, etc.). Consecuencia de aquello, se obtiene una corriente residual que fluye de las cargas 106 por el cable neutro 108 hasta la SED 102.
[0043] El valor de magnitud de esta corriente obedece a las siguientes ecuaciones:
[0044] I R = I RN = — 2 (Ec.1 . Ecuación de corriente de fase R a neutro, cual se relaciona con la tensión de RN fase R a neutro y la impedancia de fase R a neutro)
[0045] I s = I SN = — Z (Ec.2. Ecuación de corriente de fase S a neutro) SN
[0046] I T = I TN = — Z (Ec.3. Ecuación de corriente de fase T a neutro) TN
[0047] Donde IRN es la corriente de la fase R a neutro que circula por la carga ZRN. ISN es la corriente de fase S a neutro que circula por la carga ZSN y ISN es la corriente de fase T a neutro que circula por la carga ZTN.
[0048] Así se cumple lo visto anteriormente para los sistemas balanceados,
[0049] I R + I s + I T = I N (Ec.4. La corriente total de neutro equivale a la suma de las corrientes de cada fase)
[0050] Y para sistemas desbalanceados (como las redes de distribución),
[0051] I R + I s + I T = I N * 0 (Ec.5. en sistemas desbalanceados no se cumple que la corriente de neutro sea equivalente a la suma de las corrientes de fase)
[0052] Los dispositivos electrónicos que utilizamos en nuestros hogares y oficinas (televisores, computadores, impresoras, hornos microondas, luminarias LED, consolas de videojuegos, cargadores de celulares, etc.) son conocidos como cargas no lineales. [0053] Este tipo de cargas funcionan con corriente continua, y para eso necesitan fuentes convertidoras de corriente alterna (AC) a corriente continua (DC), que, en esencia, pero no limitado a, consisten en puentes de diodos rectificadores de onda completa, que alimentan un capacitor en paralelo con la carga. La continua carga y descarga del capacitor provoca distorsiones en la forma de onda de la corriente, manifestándose con crestas puntiagudas.
[0054] Este tipo de distorsión se repite en forma periódica durante todo el tiempo de uso del artefacto electrónico, y su distorsión es repetitiva y continua en el tiempo.
[0055] Esta anomalía, como ya se mencionó, se conoce como distorsión armónica.
[0056] En la Fig. 2, el ítem 200 muestra una simple descomposición de una señal de corriente, donde la corriente fundamental 202, se adiciona una corriente de tercera armónica 204, da como resultado una corriente distorsionada 206.
[0057] El contenido armónico de las cargas electrónicas de estado sólido esta dado por la siguiente expresión:
[0058] N-Arm = 6N - 3 (Ec.6. Contenido armónico)
[0059] Donde: N°Arm: Número de orden armónico y N: Número de ciclos (periodo discreto).
[0060] Estas se encuentran definidas como las armónicas impares múltiplos de tres (3 a , 9 a , 15 a , 21 a , ...etc.), las cuales se propagan por el cable neutro independiente de la condición de desbalance del sistema de distribución.
[0061] La Fig.3 nos aclarara este fenómeno particular de las corrientes armónicas homopolares, ya que enseña la corriente que circula por cada fase R-S-T y su tercera armónica. En efecto para la fase R 302, tenemos la corriente 306, cual es afectada por la tercera armónica 304, mismo caso se repite para las fases S 308, su respectiva corriente 312, desfasada 120° de la corriente R 306, y su corriente de tercera armónica 310, junto con la fase T 314, su respectiva corriente 318, desfasada 240° de la corriente R 306, y su corriente de tercera armónica 316.
[0062] Consecuencia de estos fenómenos presentes en la red de distribución, hoy en día, las corrientes residuales obedecen a las siguientes ecuaciones:
[0063] I rms = 7Sn=i7n (Ec.7. Ecuación de Corriente rms)
[0064] I 0rms = (EC.8. Ecuación de corriente rms de fase)
[0065] * 100% (Ec.9. Ecuación de cálculo de distorsión armónica total de corriente)
[0066] I Rrms = jl + I2 + ^3 +" +^so (Ec.10. Ecuación de corriente rms por fase)
[0067] I Srms = jl + 1 + I3+.. +/f 0 (Ec.11. Ecuación de corriente rms por fase)
[0068] I Trms = (Ec.12. Ecuación de corriente rms por fase)
[0069] Y para un sistema balanceado, tenemos:
[0070] I Rrms + I Srms + I Trms = I Nrms (Ec.13. Ecuación de corriente rms por neutro) [0071] A continuación, un ejemplo para entender el comportamiento de la corriente residual con el fenómeno de distorsión presente en una red balanceada, con:
[0072] = 10[4]; / 3 = 2,5[4]; / 5 = 1,5[4]; I 7 = 0,7[4]; / 9 = 0,5[4]
[0078] Pero, las armónicas homopolares están en fase, por lo que se suman en el neutro a diferencia de la componente fundamental (que se restan cuando están desfasadas ±120°).
[0079] Armónicos Homopolares: I 3 = 2,5[4]; / 9 = 0,5[4]
[0082] I Nrms = 2,5 + 0,5 + 2,5 + 0,5 + 2,5 + 0,5= 9 [A]
[0083] Una vez entendido este fenómeno, se llega a la conclusión que las corrientes residuales del neutro no dependen solamente del balance de las fases, sino también de la contaminación armónica presente en la red.
[0084] Para los sistemas desbalanceados, se calcula el desbalance y se le agrega los valores de la sumatoria de corrientes homopolares, quedando la ecuación de esta forma:
[0085] Para I Rrms > I Srms > / rrms (Ec.16. Desbalance de corrientes rms por fase)
[0086] I Rrms (Ec.17. Ecuación de cálculo de corriente rms desbalanceada)
[0087] I Nrms = I desbalancerms + I RKomopolar + Is homopolar + ¡ Thomopolar (EC.18. Ecuación rms que circula por el neutro en sistemas desbalanceados)
[0088] Para resolver el problema de las corrientes residuales que circulan por el neutro, es un objetivo de esta invención, desarrollar un estabilizador pasivo que logra atraer a esas corrientes residuales del neutro, antes de que lleguen al transformador 102 y distorsionen las señales de tensión y afecten la eficiencia de dicho transformador.
[0089] Dicho estabilizador pasivo se diseña con un sistema de sincronización con la red eléctrica para evitar fallas al momento de perder una o más fases del sistema de distribución.
[0090] El dispositivo de la invención se conecta en paralelo a las cargas del sistema específicamente en la primera bifurcación del circuito de distribución en baja tensión, así como lo muestra la Fig. 4, cual enseña la conexión de la invención 410, en un punto de conexión determinado entre un transformador 404, postes 402 y conectados por la línea 406.
[0091] De esta forma se genera un “by pass” que recoge las corrientes residuales y las vuelve a poner en circulación por las fases hacia las cargas, con lo que mejora el desbalance del transformador de distribución. [0092] Lo anterior se identifica en la Fig. 5, cual muestra el circuito explicado en la Fig. 1 , pero con la invención 502 conectada en paralelo entre cada una de las fases R-S-T asociadas a las cargas monofásicas 504 y el neutro 508.
[0093] El flujo de corrientes homopolares 506 indicadas en la Fig. 5, indicadas, por ejemplo, en la ecuación 15, muestra que dichas corrientes, en vez de ir al neutro, retornan a la fase respectiva.
[0094] Para construir el Estabilizador de alta absorción de corrientes residuales que circulen por el neutro de la red de distribución, descrito como invención, primeramente, se necesita calcular la potencia aparente y el número de vueltas de las bobinas. Para esto se utilizan ecuaciones conocidas por la técnica.
[0095] Para el caso de la potencia aparente se obtiene el valor de las corrientes residuales de neutro y se multiplican por la tensión de la red a la que será conectado el estabilizador de la invención, con esas variables obtienes la potencia del Estabilizador de la invención:
[0096] S = V * I (Ec. 19. Ecuación de potencia aparente)
[0097] Al obtener el valor de S tenemos el valor del área de cada “pierna” del núcleo del reactor (La palabra “Pierna” se refiere a la parte sección del fierro del núcleo donde se enrollan las bobinas. Ver Fig. 6).
[0098] A = s (Ec.20. Área de cada pierna del núcleo)
[0099] Donde A es el área en cm 2 de cada pierna del núcleo trifásico del Estabilizador de la invención y S es la potencia aparente en “Volt Amper” de cada pierna del reactor.
[0100] Con el valor del área de cada pierna del Estabilizador de la invención, tenemos definida la chapa a utilizar y el espacio que soportara el número de vueltas de cada una de las bobinas por pierna:
[0101] N b = (^c. 21. Ecuación que define el número de vueltas que cada pierna del núcleo de la invención tendrá)
[0102] Donde: N b : número de vueltas de la bobina por pierna
[0103] N Efí : número de voltajes por pierna del Estabilizador de la invención
[0104] V v0 voltaje de bobina por fase del Estabilizador de la invención = 2 * Efase
[0105] A: area de la pierna del núcleo
[0106] : flujo electromagnético de la chapa del núcleo
[0107] f: frecuencia de la red
[0108] Al tener las vueltas Nb de cada pierna, dividimos por el número de fases que tenga el sistema y luego dividimos por dos para poder contraponer los flujos.
[0109] En general, lo anterior se describe por la ecuación:
[01 10] (Ec. 22. Número de vueltas de cada bobina por cada capa)
[01 11] Donde: [01 12] N v = número de vueltas de bobinas por cada capa
[01 13] N s fases = número de fases del sistema eléctrico de distribución
[01 14] Para el caso particular de un sistema de distribución de tres fases, alimentado a E& Volts, el circuito equivalente del estabilizador de la invención, se muestra en la Fig. 6. En ella se muestran 3 circuitos equivalentes por fase 600, con las respectivas conexiones por sus fases de red R 602, S 616 y T 630.
[01 15] Cada una de las tres fases (R-S-T), de dicho núcleo trifásico 652 de 3 piernas 646, 648 y 650, se genera un arreglo de 18 bobinas 604, 606, 608, 610, 612, 614, 618, 620, 622, 624, 626, 628, 632, 634, 636, 638, 640 y 644, agrupadas en grupos de 6 bobinas por cada fase R, S y T, formando 6 capas por cada pierna 646, 648 y 650. Por simplicidad se omiten los números de las piernas en las fases S y T, pero se debe entender que para las 3 fases es el mismo núcleo 652. Además, el experto en la técnica entenderá que generador 602, 616 y 630, es el mismo generador trifásico para cada fase, pero con sus respectivos desfases en grados.
[01 16] En donde las bobinas 604, 610, 618, 624, 632 y 638 se instalan en la primera pierna 646, las bobinas 608, 612, 622, 626, 636 y 640 se instalan en la segunda pierna 648 y las bobinas 606, 614, 620, 628, 634 y 644 se instalan en la tercera pierna 650, del núcleo trifásico.
[01 17] Y donde dicha primera bobina 604 de la fase R se conecta en serie entre el generador de fase R del sistema eléctrico trifásico 602 y una segunda bobina 606 ubicada en la tercera pierna 650 del núcleo trifásico, de forma tal que dicha conexión de dichas primera y segunda bobina 604 y 606, respectivamente, siempre genere direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos. Esto se logra, invirtiendo el ingreso de la corriente en cada una de las bobinas, tal como muestra la conexión de la Fig. 600.
[01 18] Además, donde dicha segunda bobina 606 se conecta en serie entre la primera bobina 604 y una tercera bobina 608 ubicada en la segunda pierna 648, de forma tal que dicha conexión de dichas segunda y tercera bobinas 606 y 608 respectivamente, siempre genera direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos.
[01 19] Además, donde dicha tercera bobina 608 se conecta en serie entre la segunda bobina 606 y una cuarta bobina 610 ubicada en la primera pierna 646, de forma tal que dicha conexión de dichas tercera y cuarta bobinas 608 y 610 respectivamente, siempre genera direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos;
[0120] Además, donde dicha cuarta bobina 610 se conecta en serie entre la tercera bobina 608 y una quinta bobina 612 ubicada en la segunda pierna 648, de forma tal que dicha conexión de dichas cuarta y quinta bobinas 610 y 612 respectivamente, siempre genera direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos;
[0121] Además, donde dicha quinta bobina 612 se conecta en serie entre la cuarta bobina 610 y una sexta bobina 614 ubicada en la tercera pierna 650, de forma tal que dicha conexión de dichas quinta y sexta bobinas 612 y 614 respectivamente, siempre genera direcciones flujos magnéticos opuestos entre ellos;
[0122] Y donde dicha sexta bobina 614 se conecta en serie entre dicha quinta bobina 612 y el neutro de la fase R del sistema trifásico 602, cerrando el circuito eléctrico.
[0123] La conexión antes descrita se repite de la misma forma en las fases S y T, en las respectivas bobinas 618, 620, 622, 624, 626 y 628 para la fase S y 632, 634, 636, 638, 640 y 644 en la fase T, y permite formar 6 capas por cada pierna 646, 648 y 650.
[0124] La conexión antes enseñada permite generar el efecto técnico de anulación, en cada pierna, de flujos magnéticos que por fase se generan. Esto se explica con más detalle en la Fig. 8. [0125] Respecto del tensión Ep indicado en la Fig. 6, este es la tensión de fase de la red [Volts].
[0126] El número de vueltas de cada bobina, en este caso de 3 fases, será de:
N v = — (Ec.23. Ecuación del número de vueltas de cada bobina en un sistema trifásico)
[0127] Por la ley de Kirchhoff de Tensión, sabemos que la sumatoria de los potenciales en una superficie cerrada es igual a cero y que la tensión que cae en cada bobina es de: [F] (Ec. 24. Tensión que cae en cada bobina), valor que se explica más adelante en el presente documento.
[0128] Nótese que, para el caso de tres fases, tendremos 6 bobinas conectadas según el diagrama de la Fig. 6, de Nv vueltas cada una y distribuidas en pares por cada pierna.
[0129] Con este principio sabemos que la tensión de alimentación de la invención se distribuye equitativamente en las bobinas que están en serie en su circuito interno. O sea, mayor sea el número de bobinas en serie, es menor la tensión que cae en dichas bobinas, y si la tensión es menor, y como se explicó en los párrafos anteriores, la potencia de cada bobina es fija (ya que depende del área del núcleo), podemos aumentar la corriente que circula por cada una de las bobinas.
[0130] El número total de capas o bobinas está dado por la relación del número de vueltas dividido por el número de fases y dividido por 2 para lograr el efecto par de anulación. Esto podemos verlo en las Figs. 7 y 8.
[0131] La configuración de las 6 capas está descrita en la Fig. 7, donde la Fig. 700 muestra las 6 capas por pierna, formadas por pares de bobinas 702, 704 y 706 respectivamente, asociadas a cada fase R, S y T. La orientación de cada bobina responde a lo indicado en la Fig. 6.
[0132] Note que el tamaño de las bobinas en la Fig. 7 es solo referencia y no quiere indicar, en ningún caso, que una bobina tenga más “vueltas” que otra. Cada bobina tiene la misma cantidad Nv de vueltas. El efecto visual buscado es el de mostrar “capas”, una bobina sobre la otra.
[0133] El efecto técnico de esta conexión definida en las Figs. 6 y 7 se relaciona con lo indicado en la Fig. 8, cual muestra el sentido de los flujos que genera el estabilizador de la invención. Por simplicidad solo se explica lo que sucede en la fase R, pero el experto en la técnica entenderá que esto se reproduce en las fases S y T.
[0134] En dicha Fig. 8, se describe la dirección del flujo generado cada una de las 6 bobinas ubicadas en cada pierna del núcleo trifásico, donde las bobinas 802 corresponden a la fase R, las bobinas 804 a la fase S y las 806 a la fase T, y donde se enseña que cada par de bobinas genera flujos opuestos, y que la sumatoria de flujos por cada pierna, producto de la suma del efecto de cada bobina de cada fase, implica una resultante de flujo cero por cada pierna.
[0135] Según los conocimientos que el experto en la técnica ha de manejar, la ley de Faraday nos dice que el flujo neto encerrado en una bobina depende del Área de la superficie atravesada por un campo magnético B.
[0136] 0 = f s B * dS (Ec.25. Ley de Faraday)
[0137] Al observar este principio, entendemos que si se cruzan dos bobinas (zig-zag) el flujo neto encerrado se anula y genera una impedancia muy baja al paso de la corriente, pero la impedancia de cada pierna del núcleo trifásico esta descompensada ya que solo se han de cruzar dos fases por pierna y ante una falla que signifique la pérdida de una de las fases, la anulación de los flujos en las piernas no será homogéneo y no podrá funcionar. [0138] Para resolver este problema, y como se explicó en el conexionado descrito en la Fig. 6, el estabilizador de la invención mezcla los flujos de las tres fases construyendo múltiples cruces en capas pares (Por ejemplo 802 con 804, 806 con 804 y 802 con 806 en la fase R), así logramos en toda situación el efecto de compensar las corrientes de desbalance del circuito, manteniendo el equilibrio en la red y en el Estabilizador de la invención.
[0139] Al realizar la siguiente conexión de las bobinas, como se describe en la Fig. 6, aseguramos la distribución de todas las corrientes de las tres fases en todas las piernas del Estabilizador de la invención, por lo tanto, la compensación de los flujos y corrientes será homogéneo en el circuito (Fig. 9 y 10).
[0140] La Fig. 9 describe el diagrama vectorial del conexionado de la invención, que permite demostrar que la conexión descrita en la Fig. 6, genera, en cada pierna, la tensión correspondiente a cada fase.
[0141] En ella vemos la suma vectorial de los vectores de flujo que cada bobina sumados generan como vector resultante el vector de tensión de Fase respectivo. Esto se debe entender de la siguiente forma: La dirección de los flujos magnéticos 902, correspondientes a la fase R, se suman vectorialmente con los vectores de flujo 904 de la S y los vectores de flujo 906 de la fase T en cada pierna. Así vemos, por ejemplo, que la suma vectorial de los flujos 906, 902, 904, 906, 904 y 902, genera como resultado el vector 908, que corresponde al vector de tensión de fase.
[0142] La Fig. 10 describe de otra forma lo expuesto en la Fig. 9, donde el ítem 1000 muestra los flujos electromagnéticos que se producen en cada pierna 1008, 1010 y 1012 del estabilizador de la invención, y la dirección que toman en cada pierna. Lo anterior permite demostrar que en cada pierna 1008, 1010 y 1012, se genera tensión, y que la conexión de la invención no genera cortocircuitos en ningún momento, producto de la anulación de los flujos magnéticos gracias a la conexión descrita en la Fig. 6, para cada una de las fases.
[0143] Con esta conexión se generan compensaciones entre fases de cada flujo producido por las corrientes residuales y las que están en fase. De esa manera, con los 6 quiebres por pierna logramos subdividir la tensión y aumentar la corriente en la misma proporción.
[0144] Para el cálculo de la tensión en las bobinas del Estabilizador de la invención es necesario analizar el diagrama fasorial de tensiones, tal como lo describe la Fig. 11 .
[0145] El ítem 1102 muestra el caso de cómo se calcula la tensión de una fase del cálculo E& del vector resultante 1110. Por simplicidad no se muestra el cálculo de tensión para las otras 2 fases, ya que el experto en la técnica sabrá entender que es la misma forma en cada caso.
[0146] Dicha tensión E& se compone de la suma algebraica de los quiebres que cada flujo magnético 1104, 1106, 1 108 generan.
[0147] El ítem 1112 muestra cómo se obtiene la tensión de cada bobina. Al existir 4 cambios de dirección de flujos, la tensión de fase E& se divide por 4, obteniendo E0/4.
[0148] Luego, determinamos los puntos dentro del plano vectorial donde tenemos diferencia de potencial O
[0149] La Fig. 12 muestra que al tener un desfase de 120° entre fase, los vectores de tensión formaran tres triángulos obtusángulos 1204 y 1206, 1204 y 1208; y 1208 1206. Aplicando geometría conocida de triángulos (Ver Fig. 13), se calcula la caída de tensión en una de las bobinas del Estabilizador de la invención. [0150] Al tener un desfase de 120° entre fase, los vectores de tensión formaran tres triángulos obtusángulos. Aplicando geometría conocida de triángulos, se calcula la caída de tensión en una de las bobinas del Estabilizador de la invención.
[0151] Así, la Fig. 14 muestra cómo gracias a la geometría de triángulos, podemos obtener la tensión en cada bobina, expresado por la ecuación: Vv0 = -^¡= [F] (Ec.24. Tensión de cada bobina),
[0152] Este concepto es absolutamente desconocido por equipos que buscan resolver el problema de las corrientes homopolares.
SIMULACIONES
[0153] Este nuevo concepto revelado se pudo observar y comprender al poder simular, en un software especializado, el efecto y la caída de tensión que ocurría en cada bobina de la pierna del Estabilizador.
[0154] Para respaldar esto, hemos realizado ensayos de simulación y de Laboratorio, del circuito mostrado en la Fig. 15, donde el dispositivo de la invención 1502, se conecta 3 cargas NLD con distintos consumos de corriente, obteniendo los siguientes resultados:
[0155] Las siguientes Tablas resumen los resultados obtenidos de la simulación del circuito indicado en la Fig. 15, donde los ítems 1504, 1506, 1508 y 1510 son las líneas L1 , L2, L3 y neutro respectivamente, el ítem 1502 es el estabilizador de la invención conectado a dichas líneas L1 a L3 y neutro, en donde se conectan 4 grupos de cargas 1512, 1514 y 1516, de 5, 10 y 15 [A] respectivamente.
[0156] En la tabla 1-A vemos la Reducción de Distorsión armónica total de corriente (THDi) por cada fase L1 , L2 y L3, producto del uso del estabilizador de la invención.
[0157] La tabla 1-B muestra el efecto que la utilización de la invención tiene en la corrección del factor de potencia (FP).
[0158] La tabla 1-C muestra el efecto que la utilización de la invención tiene en la reducción de la corriente que circula por el neutro del sistema trifásico, cual se produce por la contaminación armónica.
Tabla 1-A. Reducción de Distorsión armónica total de corriente (THDi) por cada fase L1 , L2 y L3
Tabla 1-B. Corrección del factor de potencia (FP).
Tabla 1-C. Reducción de corriente en el neutro producto de contaminación armónica.
[0159] Una aplicación particular del estabilizador de la invención es su posibilidad de uso en sistemas bifásicos. Esto porque el estabilizador de la invención es capaz de absorber las corrientes homopolares de una red bifásica de distribución de energía eléctrica (balanceada y desbalanceada).
[0160] El método de anulación de flujos contempla 2 fases por pierna en el núcleo del reactor con 4 quiebres por pierna en el núcleo del reactor al 25% cada uno de los vectores de flujo de las 2 fases y es capaz de generar una eficiencia registrada de un 85% de absorción.
[0161] Esto lo podemos ver en la Fig. 16, que muestran el diagrama vectorial del estabilizador de la invención en un sistema trifásico, donde las fases están separadas en 180°.
[0162] La forma de embobinado se muestra en la Fig. 17, donde cada bobina de cada fase se acumula en capas. Así la primera pierna 1706 presenta 4 bobinas, 2 correspondientes a la fase R (1702) y 2 de la fase S (1704). La misma configuración se repite en la pierna 1708.
[0163] La Fig. 18 muestra la dirección que los flujos magnéticos por fase, 1802 y 1804, describen en cada pierna 1806 y 1808.
ARTE PREVIO
[0164] Se identifican varias soluciones referidas en el arte previo, más ninguna logra los efectos técnicos que el estabilizador de la invención y la aplicación.
[0165] Las Figs. 19 a 21 muestran las distintas formas que el arte previo presentó para solucionar el tema de los armónicos, más sin lograr los efectos técnicos de la invención.
[0166] Por ejemplo, el documento patente US 6043569 A (Gregory N. C. Ferguson) enseña un aparato para reducir las tensiones y corrientes armónicas de secuencia cero generadas por carga no lineal en tres circuitos monofásicos, que se combinan para formar un circuito derivado de seis hilos, y su fuente de sistema de distribución trifásica de cuatro hilos, comprendiendo dicho aparato un autotransformador trifásico en zig-zag, que tiene tres pares de terminales de fase y neutro; y medios para conectar respectivamente los terminales de fase y neutro del autotransformador en zig-zag en paralelo con el circuito derivado de seis hilos en el extremo de carga del mismo.
[0167] El método de anulación de flujos descrito por la invención US 6043569 A solo mitiga las corrientes armónicas “triplens” de una red industrial o domiciliaria en baja tensión para un sistema balanceado, no haciéndose cargo del efecto de las corrientes en sistemas desbalanceados.
[0168] Su composición contempla 2 fases por pierna en el núcleo del reactor con un quiebre de flujo al 50% cada vector, tal como lo muestra la Fig. 19. Además, su eficiencia registrada es de un 65% de absorción.
[0169] Otro documento del arte previo es el documento patente CL 2007001057 A1 (Veloso, Luis) que enseña un sistema supresor de armónicos de secuencia cero para sistemas trifásicos desbalanceados con cargas no lineales, donde la distribución de flujos se produce en proporciones de 25% en cada una de las tres piernas que posee el supresor.
[0170] Su configuración permite absorbe las corrientes armónicas “homopolares” de una red industrial o domiciliaria en baja tensión para un sistema desbalanceado. [0171] El método de anulación de flujos contempla 3 fases por pierna en el núcleo del reactor con 2 quiebres de flujo al 50% la primera fase y 25% las otras dos fases de cada vector. Esto se puede ver en la Fig. 20.
[0172] La eficiencia registrada es de un 75% de absorción.
[0173] En último término, el arte previo enseña el documento patente ES 2575589 A1 (Enriquez Hochreiter, Miguel; García Hoya, Miguel), referido a un dispositivo trifásico autotransformador en el que intervienen múltiples devanados conectados en zig-zag, caracterizado porque tales devanados están dispuestos concéntricamente, con 2 cruzamientos con los devanados de las diferentes fases sobre un único núcleo trifásico e invirtiendo al menos dos veces el sentido de cada devanado.
[0174] Dicha invención mitiga las corrientes armónicas “triplens” de una red industrial o domiciliaria en baja tensión para un sistema balanceado, gracias a la anulación de flujos que contempla 2 fases por pierna en el núcleo del reactor con 2 quiebres de flujo al 50% la primera fase y 25% la segunda de cada vector (Ver Fig.21 ).
[0175] La eficiencia indicada es de un 65% de absorción.
[0176] Del análisis del arte previo, vemos que la invención de la solicitud presenta diferencias novedosas, como sería su mayor cantidad de bobinas y quiebres por fase en el núcleo del Estabilizador al 16,67% cada uno de los vectores de flujo de las 3 fases, que generan efectos técnicos referidos a la eliminación de corrientes homopolares en sistemas balanceados como desbalanceados, con una eficiencia registrada de un 85% de absorción, superior a lo logrado por el arte previo.
[0177] Por último, el estabilizador de la invención, tanto para sus versiones trifásicas como bifásicas, está constituido por los siguientes elementos de control y protección para un funcionamiento seguro y confiable.
[0178] Se entiende que los componentes, que se triplican en el caso trifásico, se duplican solamente en el caso bifásico. Así el listado de componentes necesarios a conectar, pero no limitados a, se resumen a continuación:
1. Protección termomagnética 3x16 [A].
2. Instrucciones de conexión.
3. Relé falta de fase 220 [V].
4. Contactor Automático 3x18 [A].
5. Bornera de Neutro 60[A].
6. Placa identificadora.
7. Amperímetro Luz Piloto.
8. Codo 90° entrada para conexionado.
9. Anclaje Z para sujeción a postes eléctricos.
10. Cáncamos.
11. Celosía de ventilación forzada. Abreviatura y Definiciones
Para efectos del presente documento, las siguientes abreviaturas tendrán el significado que a continuación se indican:
A: Amper.
AC: Alternate Current.
BT: Baja tensión.
D: Conexión delta de un transformador.
DC: Direct Current.
FP: Factor de Potencia.
Hz: Hertz.
IEC: International Electrotechnical Commision. lo: Corriente de fase (para fases R, S, T).
In: Corriente de neutro.
Irms: Corriente eficaz. kV: Kilo Volt. kVA: Kilo Volt Amper. kW: Kilo Watts.
Lb: Largo Bobina.
NDL: No Lineal Domiciliaria
Pm: Perímetro Medio.
V: Volt.
V0: Tensión de fase (para fases R, S, T).
Vrms: Tensión eficaz.
SED: Subestación de Distribución. t: Tiempo.
TC: Transformador de corriente.
THD: Total Harmonic Distortion.
W: Frecuencia angular.
Y: Conexión estrella de un transformador.
Z: Impedancia.
0: Fase.
Para efectos del presente documento, se establecen las siguientes definiciones:
Alimentador: Circuito que forma parte de la Red de Distribución que se extiende desde una Subestación Primaria de Distribución o desde un alimentador de propiedad de otra Empresa Distribuidora, desde donde recibe energía, hasta el punto de conexión en el cual se conectan las instalaciones de Clientes y Usuarios. Distorsión Armónica: Es la distorsión de la onda senoidal de corriente o de tensión eléctrica de frecuencia nominal, ocasionada por la presencia de señales eléctricas senoidales de frecuencias diferentes de múltiplos de dicha frecuencia nominal.
Empresa Distribuidora o Distribuidora: Empresa(s) distribuidora(s) concesionarias (s) del servicio público de distribución o todo aquel que preste el servicio de distribución, ya sea en calidad de propietario, arrendatario, usufructuario o que opere, a cualquier título, instalaciones de distribución de energía eléctrica. Factor de Potencia: El Factor de Potencia es la relación entre la energía activa (expresada en kW) y la potencia aparente (expresada en kVA) que se consume o inyecta en un determinado punto de una red.
Fase: Conductor que transporta la corriente eléctrica. En un sistema trifásico con retorno por neutro presenciamos tres fases (“R”, “S”, “T”) y un neutro “N”.
Tensión Nominal: Es la tensión entre la fase y el neutro, en el caso de sistemas monofásicos, y entre fases tratándose de otros sistemas, mediante la cual se denomina o identifica una red, una subestación o instalación de Usuario.
Usuario: Toda persona, natural o jurídica, propietaria, arrendataria, usufructuaria o que opere, a cualquier título, las instalaciones conectadas a la red de una Empresa Distribuidora.