Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores

Objeto

La presente invención según se expresa en el enunciado de esta Memoria descriptiva, se refiere a un procedimiento que permite regular de forma continua Ia relación de tensiones en transformadores sin elementos mecánicos, basándose en Ia utilización de sistemas electrónicos y reduciendo el número de válvulas semiconductoras.

La presente invención encuentra su campo de aplicación en sector eléctrico, más concretamente en los dispositivos de regulación de tensiones de los transformadores de potencia. Dentro de este campo, puede aplicarse a cualquier tipo de transformador de potencia, bien sea de distribución, transporte, generación u otros usos especiales.

Estado de Ia técnica

Históricamente, en Ia expansión de las redes de transporte y distribución de energía eléctrica, se ha venido observando Ia necesidad de utilizar métodos que puedan paliar las diferentes variaciones de tensión existentes en las líneas eléctricas en función del nivel de carga a que se encuentran sometidas. Esta necesidad se basa, no sólo en el hecho de mantener las tensiones de los distintos puntos de las redes eléctricas dentro de los márgenes regulados por los distintos estándares y normativas ("Characteristics of voltage delivered by generic distribution networks", European Standard EN50160, 2001), sino también en reducir las pérdidas técnicas debidas al movimiento de Ia energía eléctrica en sí mismo. Uno de los equipos que más ha entrado en juego en este ámbito, ha sido el del regulador de tensión de los transformadores de potencia utilizando cambiadores de tomas bajo carga. Estos equipos permiten modificar Ia relación de tensiones existente en un transformador mediante Ia variación de Ia relación de espiras del mismo utilizando un dispositivo mecánico.

Los cambiadores de tomas bajo carga son los dispositivos más utilizados como reguladores de tensión en las redes eléctricas de transporte y distribución, tanto en alta como en media tensión, desde los inicios de implantación de estas redes, tal y como las entendemos hoy día, hasta Ia actualidad. Se trata de unos equipos mecánicos muy robustos y que introducen unas pérdidas despreciables en Ia explotación de redes eléctricas. Por el contrario, tienen el problema de que al tratarse de interruptores mecánicos que abren y cierran circuitos, son dispositivos lentos con poca capacidad de respuesta ante cambios repentinos en las condiciones de Ia red; además, sus posibilidades de regulación se encuentran limitadas a una serie de escalones. Ocurre también, que al objeto de minimizar los efectos producidos por el arco eléctrico ocurrido durante Ia apertura de los circuitos, estos equipos emplean un sistema de resortes que provocan que los tiempos de operación de Ia conmutación final de los circuitos sean del orden de 60ms (los tiempos de operación totales son del orden de varios segundos), provocando una gran fatiga mecánica a los elementos que componen los reguladores. El efecto combinado de Ia aparición de arcos eléctricos y de Ia fatiga mecánica debida a su propio funcionamiento provocan que estos equipos tengan un elevado mantenimiento y sean una de las zonas más débiles de las redes eléctricas.

Los cambiadores de tomas bajo carga apenas han sufrido modificaciones desde sus inicios, hace casi un siglo; aunque últimamente, hay verdaderos intentos de mejorarlos tratando de reducir o eliminar los arcos eléctricos producidos durante su funcionamiento, así como sus efectos. Además de los diferentes estudios en materiales que puedan verse poco afectados por los arcos eléctricos, se está recurriendo a Ia utilización de interruptores de vacío y a Ia de esquemas basados en semiconductores, de forma que sirvan de apoyo al dispositivo mecánico, realizándose las operaciones de apertura y cierre de los circuitos en el interior de los mismos (H. Jiang et al. "Fast Response GTO Assisted Novel Tap Changer", IEEE Transactions on Power Delivery, pp 111-115, January 2001).

Existen, también, estudios acerca de nuevos procedimientos de regulación basados exclusivamente en semiconductores (P, Bawer et al, "Solid State Tap Changers for Utility Transformers", 0-7803-5543- 6/99 IEEE pp 897-902; O. Demirci et al, "A new Approach to SoMd- State On-Load Tap Changing Transformers", IEEE Transactions on Power Delivery, pp 1-10. Jun. 1997). Estos métodos, no sólo eliminan el problema existente debido al arco eléctrico, sino que aumentan notablemente Ia velocidad de respuesta del regulador al eliminar los componentes mecánicos. Se mantiene, por otro lado, Ia restricción existente en cuanto a Ia limitación de escalones y se emplea un elevado número de semiconductores, implicando un tamaño y unas pérdidas considerables que imposibilitan su implantación a nivel industrial, teniendo en cuenta el estado de Ia técnica de Ia electrónica de potencia existente en Ia actualidad. En el caso de transformaciones de media a baja tensión, no suelen utilizarse cambiadores de tomas bajo carga, sino que sólo se utiliza Ia posibilidad de realizar variaciones de Ia relación de tensiones con el transformador sin carga. En estos casos se sitúa el conmutador en Ia posición que a priori se estime más ventajosa en función de las variaciones esperables en Ia red de medía tensión y de Ia ubicación del transformador en Ia misma.

En este último caso, existe Ia posibilidad de incluir algunos reguladores de tensión, basados en interruptores o contactores, independientes de los transformadores, de forma que permiten elevar Ia tensión con un pequeño número de escalones. También se conocen algunos estudios acerca de equipos basados exclusivamente en semiconductores (O. M. Ruiz, A. Gómez. "Solid-State Voltage Regulator for Dispersed Rural Distribution Systems", IEEE Bologna PowerTech, Jun. 2003). Una vez evaluado el estado de Ia técnica en Ia materia el

"Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" aporta Ia ventaja de que los sistemas electrónicos utilizados en Ia regulación se acoplan mediante conexiones electromagnéticas que permiten reducir las tensiones e intensidades aplicadas a los semiconductores, minimizándose las pérdidas y el

desgaste de dichos equipos. Así, con Ia aplicación de Ia electrónica a una fracción de las tensiones de red y de las intensidades suministradas por el transformador, Ia distorsión armónica que pueda introducirse en las corrientes y tensiones globales se encuentra muy reducida.

Por otra lado, al no incluir elementos mecánicos, se puede disminuir considerablemente los tiempos de respuesta del regulador de tensiones, aumentando el número de operaciones permitidas por el equipo hasta el extremo de llegar a conseguirse una regulación continua. Gracias a esta posibilidad, no sólo se aumenta el nivel de calidad de suministro de Ia energía eléctrica al facilitar un mayor nivel de control, sino que se pueden reducir las fluctuaciones de tensión debidas a clientes con variaciones violentas en sus solicitudes de energía eléctrica, como puede ser el caso de los hornos de arco, ferrocarriles de alta velocidad, algunos cogeneradores, etcétera. También es posible asegurar unos niveles de tensión adecuados a los clientes que se conecten en baja tensión reduciéndose, e incluso eliminándose, las fluctuaciones que puedan existir en Ia alimentación a media tensión. Una ventaja añadida al reguiador que se propone con Ia presente invención es que al realizar una regulación independiente por fase es posible equilibrar las tensiones de salida, en los casos en que las tensiones de red llegan desequilibradas o una carga desequilibrada provoque desequilibrios en Ia tensión de salida. Por último, es importante destacar que Ia técnica utilizada en Ia conexión del equipo electrónico no va a comprometer, ante una avería de los semiconductores, Ia continuidad eléctrica entre las redes que conecta el transformador.

Descripción de Ia invención

El "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" se lleva a cabo a partir de un transformador de potencia monofásico o trifásico al que se conecta un transformador serie de regulación y el equipo electrónico de regulación de tensiones. El objetivo perseguido con este procedimiento es el de obtener en Ia salida final de los equipos una tensión, regulada de forma continua de manera que pueda mantenerse fija cuando Ia tensión existente en Ia entrada de los mismos, permanezca dentro de un determinado rango de variación. En concreto en el caso de transformadores de potencia monofásicos se puede realizar según configuración con regulación en el secundario o en el primario, haciendo uso de un equipo electrónico que, a través de un transformador serie inyecta una tensión regulada que se añade o sustrae a Ia existente en el secundario o primario del transformador de potencia respectivamente, El dispositivo electrónico puede ser un chóper reductor, aunque podría utilizarse cualquier otra configuración. La elección de sistemas electrónicos basados en Ia conmutación de dispositivos, como el chóper de alterna reductor, se justifica por su capacidad de generar idealmente una tensión de salida controlada de forma continua en función de Ia tensión de entrada utilizando un número mínimo de semiconductores que permiten conseguir esquemas compactos con pérdidas reducidas.

El esquema de conexiones utilizado en el transformador regulador se realiza de forma que las tensiones e intensidades aplicadas a los dispositivos electrónicos sean Io más reducidas posible. Además, si el sistema electrónico sólo se aplica a Ia fracción de tensión regulada, los componentes armónicos introducidos por Ia utilización de elementos electrónicos no lineales se aplican sólo a dicha fracción de tensión.

Aumento del margen de regulación. Inversor.

Introduciendo un sistema inversor realizado mediante contactores, triaos, o cualquier dispositivo de funcionamiento similar se aumenta ai doble el margen de regulación del procedimiento. Con el sistema inversor al realizar Ia operación de cambio de sentido, Ia tensión inyectada por el devanado serie, se resta a Ia existente en Ia red. De esta forma, si elegimos unas relaciones de espiras adecuadas teniendo en cuenta este nuevo efecto, se dobla el margen de regulación posible o, en su defecto, se reduce a Ia mitad Ia potencia a controlar por Ia electrónica y Ia inyección armónica debida a Ia utilización de Ia misma.

Realizando Ia conmutación de los interruptores en los instantes en que apenas pasa intensidad por los mismos, no es necesario disponer de dispositivos con un elevado poder de corte, ni de sistemas que ayuden a reducir o eliminar los posibles arcos eléctricos que suelen producirse en Ia utilización de interruptores.

Reducción de potencia en el sistema electrónico. Reducción de Ia componente armónica.

Existen casos en los que se puede pretender utilizar un sistema electrónico con semiconductores de menor potencia nominal que Ia que puede circular debido a Ia regulación, como pueden ser los casos de transformadores de potencias elevadas. Así, en el caso de regulación en el secundario del transformador de potencia, introduciendo varios primarios, Ia corriente existente en cada arrollamiento queda dividida entre los distintos bloques de semiconductores dispuestos en el primario del transformador. Haciendo cruzar adecuadamente los instantes de apertura y cierra de los interruptores que componen cada uno de los chópers se consigue, además reducir los armónicos inyectados.

Con Ia configuración propuesta si se desea dividir Ia intensidad por n, será necesario utilizar n chópers y n devanados primarios en el transformador serie.

Del mismo modo se puede realizar una configuración con regulación en el primario del transformador de potencia.

Realización con un único núcleo magnético. Para reducir el tamaño del equipo, se pueden montar los transformadores de potencia y de regulación sobre un único núcleo magnético tanto en esquemas monofásicos como trifásicos.

Así, en el caso de un transformador de potencia monofásico, el núcleo magnético se compone de una ventana de regulación y otra ventana de transformación; de forma que Ia ventana de transformación es Ia que transforma Ia potencia y Ia ventana de regulación ajusta Ia tensión de salida a su valor deseado, siempre que Ia tensión existente en el secundario sea soportable por Ia electrónica. Es decir, en los transformadores de potencia monofásicos con

Ia configuración de un único núcleo magnético con regulación tanto en el secundario como en el primario Ia ventana de transformación corresponde al transformador de potencia, mientras que Ia ventana de regulación corresponde al transformador serie de regulación. En ambos casos de regulación, el sistema electrónico se conecta directamente al secundario y Ia amplitud de Ia tensión de entrada a Ia ventana de regulación, es regulada por el sistema electrónico.

Así, Ia ventana de transformación, con ni y n- espiras, y Ia ventana de regulación, con n _s1 y n _s2 espiras, actúan como sendos transformadores de potencia independientes con unos flujos magnéticos Φ _t y Φ _r , respectivamente. En Ia columna magnética que pertenece a ambas ventanas, el flujo magnético que circula por Ia misma se obtiene de Φt - Φr,

Descripción de las figuras

A continuación para facilitar un mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de Ia misma, se acompaña unas figuras en Ia que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado Io siguiente:

• Figura 1,- "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con regulación en el secundario.

• Figura 2 - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con regulación en el primario.

^« Figura 3a - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión del equipo electrónico desde una toma del transformador de potencia.

^« Figura 3b - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión del equipo electrónico desde el primario del transformador de potencia.

^» Figura 3c - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión del equipo electrónico desde el secundario del transformador de potencia. " Figura 3d - "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" con conexión de equipo electrónico desde Ia línea de salida.

• Figura 4a - Chópers reductores según conexión en triángulo para trasformadores trifásicos. ^» Figura 4b - Chópers reductores según conexión en estrella para trasformadores trifásicos.

^« Figura 4c - Chópers reductores según conexión en v para trasformadores trifásicos.

• Figura 5a - Esquema de interruptores que permite Ia realización del sistema inversor en posición desactivado.

^« Figura 5b - Esquema de interruptores que permite Ia realización del sistema inversor en posición activado.

• Figura 6 - Dos chópers y dos devanados primarios en el transformador serie. • Figura 7a - Ejemplo de realización de conexiones utilizando un núcleo de dos ventanas con regulación en el secundario.

• Figura 7b - Ejemplo de realización de conexiones utilizando un núcleo de dos ventanas con regulación en el primario.

¹ Figura 8 - Ejemplo de realización de conexiones utilizando un núcleo de dos ventanas con regulación en el primario para trasformadores trifásicos

En ellas se numeran los siguientes detalles: 1. Transformador de potencia formado por tres devanados. 2. Transformador serie de regulación formado por dos devanados.

3. Equipo electrónico de regulación de tensiones.

4. Ventana de regulación.

5. Ventana de transformación.

Ejemplo de realización preferente

A modo de ejemplo de realización preferente de Ia invención el "Procedimiento de regulación continua de Ia relación de tensiones en transformadores" se puede llevar a cabo según regulación en el secundario tal como se muestra en el esquema representado en Ia figura 1 o en su simétrico según regulación en el primario, representado en Ia figura 2. El transformador de potencia (1) se compone de tres devanados. El devanado n, define el primario del transformador y posee ni espiras; el n ₂ define el secundario con n ₂ espiras y el n _r define el devanado de regulación del transformador de potencia, con n _r espiras.

El objetivo perseguido con este procedimiento es el de obtener en Ia salida de los equipos una tensión, Uzwnea, regulada de forma continua de manera que pueda mantenerse fija cuando Ia tensión existente en Ia entrada, Uu¡ _nea , permanezca dentro de un determinado rango de variación. Para ello, se va a utilizar un equipo electrónico que, a través de un transformador serie (2), formado por dos devanados, n _s1 y n _S2 , con n _s1 y n _s2 espiras respectivamente inyecte una tensión regulada que se añada o sustraiga a Ia existente en uno de los lados del transformador.

Observando Ia figura 1, se tiene que Ia tensión que llega por Ia línea, U ₁ |[ _ne a ⁼ U ₁ trafo, al transformador de potencia (1) se transforma según Ia relación de espiras a _t , resultando una tensión en el secundario del transformador U _2t ra _f o-

U ° Itrafo ~ --J ^u J

Tal como se muestra en Ia figura 1, del mismo transformador de potencia, se toma una tensión U _re que se va a introducir en un dispositivo electrónico (3) que actúa como un transformador con una relación de tensiones fácilmente regulable.

U re ~ ^~ U \trφ ~ ^ Urafo H ₁ u _r

El dispositivo electrónico representado en las figuras por un chóper reductor, aunque puede utilizarse cualquier otra configuración, va a modificar Ia amplitud de Ia tensión de entrada de forma que proporcione una tensión de salida U _rs .

U _n =DU _n con De [0,1]

El transformador serie (2) modifica Ia tensión regulada U _rs a los valores de regulación necesarios en el secundario del transformador mediante:

^ ₂ , =- U _n = -U _rs

La tensión U _2r se añade a Ia tensión del secundario del transformador de potencia, obteniéndose Ia tensión deseada U ₂ [ _ín ea, comprobándose que dicho valor depende de Ia regulación del sistema electrónico, D.

^- 'Hlπea ~ ^ ilrafo ⁺ ^ Ir

U TT _2!mea =^U _Wnύa con * ₂ =1 + -*--; 2>e[θ,l] a, a _r a _í

En el ejemplo de realización alternativo de Ia figura 2, se puede observar que Ia tensión regulada que se obtiene a Ia salida del equipo electrónico (3), U _rs , se añade o sustrae a Ia tensión que llega por Ia línea, Un¡ _ne a, una vez modificada a los valores de regulación necesarios por el transformador serie (2), U _n . De esta forma se tiene una tensión de entrada al transformador de potencia (1), ya regulada, U -i tra _f o, con Ia finalidad de que Ia tensión de salida U ₂ i _fπea = U ₂ trafo quede fijada en su valor de referencia variando Ia regulación del sistema electrónico, D.

1

^ lllnsa ^' *- 'Minea con K ; De[OA] a, D

1- a r°s

En las figuras 3a, 3b, 3c y 3d se muestran una serie de variaciones alternativas a los sistemas de conexión del equipo electrónico mostrado en Ia figura 1. Estas variantes también pueden aplicarse para modificar Ia configuración de Ia figura 2. En los casos de las figuras 3c y 3b el sistema de conexión propuesto ofrece, además, Ia posibilidad de regular tensiones en una línea, independientemente de Ia existencia o no de un transformador de potencia.

Para Ia regulación electrónica de tensiones, se ha preferido Ia utilización de sistemas capaces de reducir Ia tensión, presentándose como posibilidad básica Ia utilización de un chóper de alterna reductor (3) que en su versión monofásica queda representado en las figuras 1 y 2, mientras que en las figuras 4a, 4b, 4c se introducen ejemplos preferentes de montaje trifásico.

Se ha elegido Ia utilización de sistemas electrónicos basados en Ia conmutación de dispositivos, como ocurre con el chóper de alterna reductor, debido a Ia posibilidad de éstos de ofrecer, idealmente, una tensión de salida controlada de forma continua en función de Ia tensión de entrada utilizando un número mínimo de semiconductores que permiten conseguir esquemas compactos con pérdidas reducidas.

El esquema de conexiones utilizado en el transformador regulador para alimentar el sistema electrónico, se justifica, entre otras razones, por que se requiere que las tensiones e intensidades aplicadas a los dispositivos electrónicos sean Io más reducidas posible. Puede comprobarse que (a potencia que las válvulas semiconductoras tienen que controlar, S _e ι _eo , es, como máximo, porcentualmente igual al margen de regulación deseado si Ia referimos a Ia potencia nominal del transformador, S _traf o. Así, si definimos el margen de regulación unitario, Δreg _pu , como:

Δreg _pu = - a ',U _2n U. linάx

se tiene, para los casos de regulación en el secundario y en el primario: máx{S _tltc ) U _hnáx -U _x \ _¡ min = Are 'ü o: pu

S _1n -a/o U- linάx

Una segunda característica, también fundamental, que motiva Ia elección de este esquema de conexiones es que al aplicar el sistema electrónico sólo a Ia fracción de tensión regulada, los componentes armónicos introducidos por Ia utilización de elementos electrónicos no lineales se aplican sólo a dicha fracción de tensión. De esta forma, al añadirse Ia tensión procedente de Ia red, las componentes armónicas porcentuales inyectadas en Ia red se ven fuertemente reducidas, mejorándose notablemente los índices de calidad de Ia onda eléctrica generada.

Aumento del margen de regulación. Inversor.

Una técnica que posibilita el aumento del margen de regulación del procedimiento, doblándolo, es Ia utilización alternativa de un sistema inversor realizado mediante contactores, triacs, o cualquier dispositivo de funcionamiento similar, siguiendo el esquema mostrado en Ia figura 5a y 5b.

La idea de utilización del inversor parte de que al realizar Ia operación de cambio de sentido, Ia tensión inyectada por el devanado serie, se resta a Ia existente en Ia red. De esta forma, si elegimos unas relaciones de espiras adecuadas teniendo en cuenta este nuevo efecto, se dobla el margen de regulación posible o, en su defecto, se reduce a Ia mitad Ia potencia a controlar por Ia electrónica y Ia inyección armónica debida a Ia utilización de Ia misma. Así, para el caso de regulación en el secundario se tiene:

y para el caso de regulación en el primario:

U, —Ir TT lllnea ^Λ l/m ^u llínea con £e[θ,l] La conmutación de los interruptores se realiza en los momentos en los que D es prácticamente cero, por Io que apenas pasa intensidad por los mismos. Este efecto provoca que no sea necesario disponer de dispositivos con un elevado poder de corte, ni de sistemas que ayuden a reducir o eliminar los posibles arcos eléctricos que suelen producirse en Ia utilización de interruptores.

Reducción de potencia en el sistema electrónico. Reducción de Ia componente armónica.

Existen casos en los que se puede pretender utilizar un sistema electrónico con semiconductores de menor potencia nominal que Ia que puede circular debido a Ia regulación, como pueden ser los casos de transformadores de potencias elevadas.

En Ia figura 6 se muestra un método de conexiones alternativo capaz de reducir Ia intensidad que circula por los semiconductores, dividiéndola por el número de arrollamientos dispuestos en el primario del transformador serie con Ia ventaja de permitir reducir los armónicos inyectados si se cruzan adecuadamente los instantes de apertura y cierra de los interruptores que componen cada uno de los chópers. La idea parte de que, al introducir varios primarios, Ia corriente existente en cada arrollamiento queda dividida entre los distintos bloques de semiconductores; así, para n arrollamientos, en el caso de regulación en el secundario del transformador de potencia se tiene una potencia a controlar, Seiec, por cada bloque de:

arrollamientos ^

Del mismo modo se obtiene para regulación en el primario:

* -T TT - ^Aregp " ^u ^ _x

En concreto, en Ia figura 6 se ha representado dos chópers y dos devanados primarios en el transformador serie, con Io que Ia intensidad que es necesario regular se divide entre ambos chópers,

Como ya se ha señalado se va a reducir Ia inyección armónica en las redes debido a que si se utiliza un control de anchura de pulsos en cada uno de los sistemas electrónicos de forma que vayan alternándose las conmutaciones de los distintos equipos, se puede provocar Ia cancelación de los armónicos introducidos a las frecuencias más bajas.

Realización con un único núcleo magnético.

De forma alternativa, es posible reducir el tamaño del equipo, montando los transformadores de potencia y de regulación sobre un único núcleo magnético según se muestra en los esquemas monofásicos de las figuras 7a y 7b o trifásico en la figura 8. Así, las realizaciones de Ia figuras 7a y 7b se basan en Ia utilización de un núcleo magnético compuesto por una ventana de regulación (4) y otra de transformación (5), de forma que Ia ventana de transformación (5) es Ia que transforma Ia potencia y Ia ventana de regulación (4) ajusta Ia tensión de salida a su valor deseado, siempre que Ia tensión existente en el secundario sea soportable por Ia electrónica.

En el caso de regulación en el secundario figura 7a, Ia ventana de regulación (4) se va a dedicar a proporcionar una tensión variable (U ₂₁ -) que se añadirá a Ia tensión que se obtenga en el secundario de Ia ventana de transformación (U ₂ tra _f o) para obtener Ia tensión de salida regulada (U ₂ ] _rnea ) . En el caso de regulación en el primario figura 7b, Ia ventana de regulación (4) va a proporcionar una tensión (U _1r ) que, añadida a Ia tensión de Ia (Un _f πea), proporciona Ia tensión regulada (U _1traf o) que alimenta el devanado primario de Ia ventana de transformación (5). En ambos casos, Ia amplitud de Ia tensión de entrada a Ia ventana de regulación (U _rs ), vendrá regulada por el sistema electrónico.

No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en (a materia comprenda el alcance de Ia invención y las ventajas que de Ia misma se derivan. Los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos, así como el propio equipo electrónico de regulación de tensiones son susceptibles de variación siempre y cuando ello no suponga una alteración en Ia esencialidad del invento.