DESCRIPCIÓN Campo de la técnica

La presente invención concierne a un sistema inteligente regulador de potencia, aplicado a proporcionar un control automático de la potencia activa de una instalación eléctrica, gestionando los parámetros de la red y obteniendo una mejora de las condiciones operativas y una reducción de la energía activa consumida en función de las características de los elementos de consumo presentes en una instalación dada, en cada momento, actuando dicho sistema inteligente por seccionamiento de la onda de corriente y/o tensión de alimentación de una red, en particular, entre otras, una red trifásica. Antecedentes de la invención

El documento ES 2 454 919 A1 da a conocer un dispositivo controlador electrónico de potencia orientado a una optimización del gasto energético o eficiencia energética basado en controlar el porcentaje de energía eléctrica aplicada a unas cargas que consta de un fusible por fase que se deriva de la red, quedando conectado cada fusible a un tiristor comandado por un microcontrolador que ejecuta un algoritmo de control desde donde se deriva toda la intensidad a una reactancia desfasadora conectada con la salida de la red.

Por otra parte, el estado de la técnica describe el uso de conmutadores solapados, pero estos conmutadores trabajan en aplicaciones donde no hay diferencia de potencial entre los puntos. Por tanto, es una necesidad desarrollar módulos de conmutación para sistemas con un diferente potencial, para evitar las sobretensiones.

Finalmente en los sistemas de regulación de potencia es necesario la precisión y cuando se producen las conmutaciones, especialmente cuando hay que manejar cargas mixtas (inductivas, capacitivas o resistivas). Actualmente, el estado de la técnica no describe ninguna solución global para el manejo de las cargas mixtas.

El cambio de relación de espiras e inductancias en núcleo común supone una alteración en su campo magnético, dicha alteración es condición de la intensidad demandada por la carga o instalación receptora. La variación en el flujo magnético provoca valores de sobretensión que pueden resultar fatales, por ello se presentan elementos que mantengan a ralla estas sobretensiones en los momentos de conmutación, transitorios de arranque o ante un mal funcionamiento de los elementos de control o regulación que intervienen en el sistema.

Aunque existen multitud de soluciones para tratar el problema, todas presentan el inconveniente de que si alguna de ellas se viese comprometida no existiría tiempo de reacción para proteger el sistema.

Objetivo de la invención

La presente invención propone un sistema regulador de potencia que supone una alternativa al citado dispositivo controlador electrónico, con unos componentes y configuración distintos que incrementan las prestaciones tanto en cuanto al control como a la seguridad (limitando por ejemplo, posibles sobrecorrientes de entrada y posibles variaciones de tensión de alimentación) y/o fiabilidad de la operativa. Así, en lugar de emplear simplemente un tiristor para el seccionamiento se utilizarán unos semiconductores de potencia que incluyen al menos una pareja de semiconductores de potencia por fase, de control independiente y desde donde fluye toda la corriente.

El sistema está formado por una unidad electrónica de potencia y un módulo de tensión variable que comprende un autotransformador.

En un modo preferente, el sistema comprende un módulo de conmutación con solapamiento que maneja las sobretensiones cuando el sistema está solapando a sistemas con una diferencia de potencial. El módulo de conmutación con solapamiento está formado por dos contactores, uno abierto y otro cerrado y una resistencia de descarga que disipa la energía generada. El sistema comprende medios para el control global que monitorizan los parámetros internos del sistema, sus puntos críticos y gestionan las alarmas.

Otro problema resuelto por la invención es conocer el momento exacto de activación y desactivación de los semiconductores determinando la diferencia de potencial que existe entre los extremos de sus terminales. Para los montajes antiparalelo se mide la diferencia de potencial entre los cátodos mediante un circuito en paralelo con la red y en serie con los semiconductores.

Breve exposición de la invención

El sistema inteligente regulador de potencia que se propone opera por seccionamiento de la onda de corriente y la onda de tensión de una red, entre otras trifásica, e integra en una realización preferida: un elemento seccionador de intensidad y/o tensión que comprende al menos una pareja de semiconductores de potencia, por fase, donde uno de dichos semiconductores está configurado y dispuesto para operar en la parte positiva de la señal alterna y el otro semiconductor para hacerlo en la parte negativa; una unidad electrónica de control de potencia, de dicho elemento seccionador, en función de las necesidades de corriente a suministrar a las cargas; y

- un elemento regulador de tensión que comprende un autotransformador variable compuesto de varias tomas en el secundario del mismo, cuya conmutación es controlada por una unidad electrónica de control, que actúa como unidad comparadora de conmutación entre circuitos sin pérdidas en el cambio.

Dicha pareja de semiconductores de potencia puede implementarse en un ejemplo de realización mediante una pareja de tiristores en antiparalelo.

Se ha previsto además que, en dicho ejemplo de realización, cada pareja de tiristores tenga asociada una correspondiente red Snubber. Alternativamente, para otros ejemplos de realización, los mencionados semiconductores de potencia pueden ser de otro tipo, tales como IGBTs, MOSFETs, etc.

La unidad electrónica de control de potencia se encarga de dirigir al conjunto de parejas de semiconductores de potencia. Este control se realiza accionando a dichas parejas de semiconductores tras localizar el paso por cero de la onda de intensidad y/o tensión.

La unidad electrónica de control de potencia permite la implementación de un sistema de regulación de potencia por ángulo de fase, lo que permite que el sistema sea dinámico para bloquear o permitir el paso de energía entre una fuente y cualquier otro tipo de consumidores, ya sean resistivos, inductivos o capacitivos. La regulación por ángulo de fase permite realizar la conexión de la tensión de red en cualquier punto de la semionda de forma sincronizada. De esta forma, se puede recortar la tensión e intensidad sinoidal en sectores más pequeños y, por tanto, regular la potencia aplicada a la carga. Considerando que cada semionda sinusoidal de red corresponde a una conducción de 180° (360° para cada ciclo completo), retardando la conexión de 180° a 0 ^o consiguiendo regular la potencia aplicada a la carga del 0 al 100%. Dado que los controles actuales son específicos para cada aplicación según la carga utilizada y no es posible actuar sobre cargas mixtas que entran y salen produciendo variaciones continuas de fase entre la tensión y la intensidad, el sistema descrito en la invención soluciona este problema. El sistema de regulación de potencia descrito permite manejar cargas mixtas y adaptarse de forma dinámica a cualquier tipología de carga. El sistema comprende una unidad de potencia, compuesto por semiconductores de potencia y elementos pasivos, que conectan la fuente primaria de alimentación con la carga y una unidad de de control que procesa la información y genera las señales de excitación que es determinada por el estado de los semiconductores, controlados con una fase y secuencia conveniente. Cada una de las fases tiene en serie y previo a cada elemento seccionador un fusible de apertura ultra rápida.

El sistema inteligente regulador de potencia integra además unos sensores de corriente, de tensión y de temperatura dispuestos en diferentes puntos del sistema que proporcionan unos valores de entrada a dicha unidad electrónica de control de potencia.

El sistema inteligente regulador de potencia comprende además un autotransformador regulador trifásico con varias tomas intermedias en el bobinado, conectado en serie con cada pareja de semiconductores de potencia de las tres fases aplicado a mantener estables las tensiones, limitando además las posibles variaciones de tensión de alimentación a la carga y limitando las posibles sobrecorrientes de alimentación. De forma preferente, dicho autotransformador está conectado en estrella, el punto común a neutro de la instalación y su envolvente está conectada a tierra. El módulo de tensión variable permite adecuar una respuesta adaptada a las necesidades reales de la instalación en función de unos parámetros de red sobre los que no se tiene influencia. El módulo combina el elemento de autotransformación con múltiples salidas a diferentes relaciones de transformación y permite establecer una salida de tensión variable adaptada a las necesidades de la carga. De esta forma, los sistemas pueden trabajar con menores intensidades y reducir los requerimientos de los semicondutores.

Para cualquier realización se puede conocer el momento exacto de activación y desactivación de los semiconductores y se determina la diferencia de potencial que existe entre los extremos de sus terminales. Para los montajes antiparalelo se mide la diferencia de potencial entre los cátodos mediante un circuito en paralelo con la red y en serie con los semiconductores. El sistema descrito se encuentra en serie con la instalación receptora, esta peculiaridad hace que según el estado de la carga (bloque 8) durante el arranque se produzcan unas sobretensiones hasta que los elementos de regulación y control estén activos. Tiempos de arranque superiores a decenas de milisegundos son suficientes para generar tensiones de kilovoltios, aunque existan pequeñas corrientes de línea durante el transitorio de arranque.

Dichas sobretensiones aún en pequeños tiempos de exposición suponen una fatalidad de cara a garantizar el aislamiento de estos elementos. De igual manera que se producen sobretensiones en el arranque en función de la carga, también se producen durante los cambios de relación de tomas/espiras sí las conmutaciones no son lo suficientemente rápidas.

Este fenómeno se produce principalmente al dejar partes de una bobina en un núcleo magnetizado momentáneamente abiertas.

La solución aquí descrita añade como valor, preferentemente mediante unas inductancias (bloque 10 de la figura 1A y 1 B) la autoprotección del sistema, tanto en los transitorios de arranque como ante un fallo o mal funcionamiento de cualquier elemento involucrado en el mismo. De esta manera no existen sobretensiones dado que en ningún momento se queda ninguna parte de la bobina magnetizada en circuito abierto.

Garantizado el aislamiento y tensiones de trabajo perfectamente asumibles por los elementos del sistema, la misma solución también aporta una protección contra fallos en la conmutación debido a solapamiento en los cambios de nivel, lo que provocaría corrientes de cortocircuito.

Es por ello que el acoplamiento de este elemento se ha dispuesto de tal forma que limite los posibles cortocircuitos de cara a una conmutación inadecuada sin repercutir en el correcto funcionamiento del sistema.

Puede ser necesario, en función de los requisitos de uso, aislar galvánicamente el modelo con la red y para ello se incorporan transformadores de acoplamiento (descritos como 11 en la figura 1 B).

Breve descripción de los dibujos

En las Figuras 1 A y 1 B se ilustra dos ejemplos de realización de un sistema inteligente regulador de potencia según las características anteriormente referidas.

En la Fig. 2 se ilustra un módulo de conmutación con solapamiento.

En la Fig. 3 se ilustra el sistema inteligente regulador de potencia descrito en la figura 1A con el módulo de conmutación con solapamiento detallado en la figura 2.

En la Fig. 4 se ilustra esquemáticamente la realización del sistema inteligente regulador de potencia simplificándolo en un módulo de tensión variable de acuerdo con lo representado en las anteriores figuras. Descripción detallada de un ejemplo de realización

El sistema inteligente regulador de potencia propuesto comprende como mínimo los siguientes componentes:

Realización de la figura 1A

El sistema inteligente regulador de potencia propuesto comprende como mínimo los siguientes componentes:

• red : bloque en línea de puntos en la parte superior de la figura

• fusible ultra rápido 1 ,

• pareja de semiconductores de potencia por fase 2,

· red Snubber 3,

• unidad electrónica de control de potencia 4,

• sensor de corriente 4.1 ,

• sensor de tensión 4.2,

• sensor de temperatura 7.1 ,

· autotransformador regulador trifásico 5,

• unidad electrónica de regulación 9

• unidad electrónica de control de tensión 6,

• unidad de control global del sistema 7,

• carga y/o instalación receptora 8.

· inductancias acopladas 10

En el caso de la realización 1 B además de todos los componentes de la figura 1A incluye:

• transformador de acoplamiento 11

Por red se entenderá en adelante un sistema eléctrico trifásico en baja tensión que acomete al sistema o equipo descrito.

Por carga instalada se entenderá aquí, el total de la carga correspondiente a una instalación o sistema eléctrico. Es la suma de todas las potencias de los equipos y aparatos eléctricos conectados a la instalación alimentada.

A continuación se desarrolla una breve explicación acerca de los citados componentes del sistema inteligente regulador de potencia, con referencia a las Figuras 1A y 1 B de los dibujos antes citados.

El citado fusible ultra rápido 1 o fusible de apertura ultra rápida, está instalado aguas arriba de los semiconductores de potencia 2. Los semiconductores de potencia 2 necesitan para su protección fusibles especiales, que deben tener unas características de corte muy rápidas que eviten la destrucción de los semiconductores de potencia 2. Los fusibles ultrarrápidos interrumpen las sobrecargas en tiempos de operación muy inferiores a los fusibles normales, mediante unas curvas aM y gR.

Conectados al fusible 1 , se encuentran las parejas de semiconductores de potencia 2, por fase, que en este ejemplo están implementados mediante una pareja de tiristores en antiparalelo, a través de los cuales fluirá toda la corriente que alimentará a la carga 8 que se halla conectada al circuito. Cada semiconductor de potencia 2 está controlado por una unidad electrónica de control de potencia 4. En paralelo con las parejas de tiristores en antiparalelo 2, en este ejemplo de realización, se conecta una red Snubber 3 diseñada específicamente para el tipo de semiconductor de potencia utilizado y que tiene como principal objetivo proteger al semiconductor de potencia y ayudar a las conmutaciones. La unidad electrónica de control de potencia 4, mediante pulsos enviados a cada una de las puertas de los semiconductores de potencia 2, es la encargada de cerrar el circuito y permitir que fluya corriente por el conjunto de semiconductores de potencia 2. Este control se realiza accionando los semiconductores de potencia 2 tras localizar el paso por cero de la onda de intensidad y/o tensión.

La unidad electrónica de control de potencia 4 actúa según los parámetros que recibe de unos sensores de tensión e intensidad repartidos por el circuito, (aguas arriba y aguas abajo del conjunto de semiconductores 2, y se ajusta a los consumos para obtener el mayor ahorro. Realimentando al sistema mediante las señales de salida, se ajustan estos parámetros de control.

El sistema inteligente regulador de potencia integra los siguientes sensores:

• Sensores de corriente 4.1 , desde donde se mide la corriente comprendiendo unos trasformadores de corriente, sensores de efecto Hall o bobina Rogowsky.

Están instalados a la entrada y salida de cada semiconductor de potencia 2 y a la salida del autotransformador 5, realimentando al sistema.

• Sensores de tensión 4.2, desde donde se obtienen los valores de tensión de la entrada y salida de cada semiconductor de potencia 2 y de la salida del autotransformador 5. El sistema inteligente regulador de potencia de la invención dispone de otros sensores, aplicados al control de las fases de tensión, desequilibrio de tensiones de línea, temperatura de los elementos, etc. que se explicarán ulteriormente al describir la unidad de control global 7 del sistema.

El sistema inteligente regulador de potencia comprende además un autotransformador regulador 5, trifásico, con varias tomas intermedias en el bobinado, conectado en serie con cada pareja de semiconductores de potencia 2 de las tres fases, aplicado a mantener estables las tensiones, limitando además las posibles variaciones de tensión de alimentación a la carga y limitando las posibles sobre-alimentaciones. Dicho autotransformador regulador 5 está conectado en estrella el punto común a neutro y su envolvente está conectada a tierra. El autotransformador regulador 5, trifásico, es un transformador de características especiales, que puede ser concebido como un transformador con un solo bobinado con sus dos bornes accesibles incluyendo varias tomas en el secundario y con un tercer borne accesible que conecta a una toma intermedia del bobinado y el cuarto borne común a alguno de los dos primeros o, lo que sería equivalente, dos bobinados conectados de tal manera que se dispone de dos de sus cuatro bornes accesibles conectados en común.

La principal ventaja de este tipo de transformadores radica en que se puede disminuir el tamaño y los materiales utilizados respecto a un transformador clásico para igual potencia nominal implicando una disminución sustancial en los costos del circuito.

Así por ejemplo la figura 4 muestra un esquema para lograr una mayor efectividad en costes, interviniendo la relación de transformación en el secundario lo que permite trabajar con menores intensidades y reducir los requerimientos de los semiconductores.

En general este tipo de transformadores se utilizan con relaciones de transformación bajas, en general del orden inferior de 3: 1 o bien como reguladores de tensión.

Si bien este autotransformador regulador 5 no ofrece un aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, dado que ambos devanados están conectados físicamente mediante el devanado común, tal disposición de los devanados le brinda una de sus principales ventajas, cual es el hecho de poder manejar mayor potencia que un transformador conectado en forma convencional. Como se ha indicado en la figura 1 B, en caso de requerirse un aislamiento galvánico se incorporan transformadores de acoplamiento (1 1)

El autotransformador regulador trifásico 5 se sistematiza mediante una unidad electrónica de control de tensión 6, que opera como unidad comparadora de conmutación entre circuitos sin pérdidas en el cambio. De este modo se mantiene una tensión constante en el devanado secundario del autotransformador determinada por dicha unidad electrónica de control de tensión 6 que se encarga de compensar las subidas y bajadas de tensión. Si la electrónica de control de tensión 6 detecta una desviación superior a un valor de tensión preestablecido manda una orden para que se modifique la toma en el secundario.

Según puede verse en la figura 1 el autotransformador tiene asociadas un conjunto de líneas eléctricas conmutables que alternativamente conectan diferentes puntos del secundario del transformador a neutro. En el ejemplo ilustrado cada una de dichas líneas eléctricas conmutables está conectada a una unidad electrónica de regulación (9) que comprende parejas de semiconductores de potencia implementados aquí por unos tiristores en antiparalelo. Estas parejas de semiconductores de la unidad (9) son gobernados por la citada unidad electrónica de control de tensión (6) que los hace conmutar en función de las variaciones de tensión detectadas. A tal efecto dicha unidad de control tiene acceso a los citados sensores de intensidad y/o tensión (4.1 , 4.2). En lugar de utilizar parejas de tiristores en antiparalelo alternativamente, para otros ejemplos de realización, los mencionados semiconductores de potencia son de otro tipo, tales como IGBTs, MOSFETs, etc. La orden que realiza la electrónica de control de tensión 6 actúa sobre unos tiristores, por ejemplo en configuración W3C que actúan mediante pulsos enviados a cada una de las puertas de un grupo de parejas de tiristores en antiparalelo (tantos grupos como tomas existan en el autotransformador regulador), realizando los cambios entre grupos en el paso por cero de las tensiones del sistema manteniendo la tensión de salida constante dentro de los parámetros marcados. Mediante la tecnología de dicha unidad electrónica de control de tensión (6) se consigue que las conmutaciones entre circuitos no tengan latencia ni distorsión en la forma de onda dado que las conmutaciones están perfectamente controladas. El sistema está dotado de una unidad de control global 7 que protege al sistema y a la instalación del cliente funcionando de la siguiente forma:

Si se invierte el sentido de giro de las fases (sensor 4.2) por cualquier motivo provoca una desconexión de la instalación. Si el sentido de giro se cambia al sentido correcto, el equipo/sistema se rearma automáticamente.

Si se produce una asimetría (sensor 4.2) en un porcentaje mayor al valor preestablecido de las tensiones de las fases, pudiendo bien desconectar la instalación de la red o emitir una alarma. Cuando los parámetros de asimetría desaparezcan, desaparece la alarma y el equipo se rearma automáticamente. - También se ha previsto que cuando se produzca una elevada temperatura en el equipo se desconecte el mismo de la red eléctrica.

Se han previsto asimismo unos sensores de temperatura 7.1 , en los que se registran los valores de temperatura a los que operan los distintos elementos del autotransformador y que están conectados a dicha unidad de control global 7 del funcionamiento del sistema. Estos sensores podrán ser PT100, PT1000, e incluso termostatos bimetálicos de ruptura brusca o similar.

A la salida del sistema inteligente regulador de potencia se establece la conexión a la carga y/o al CGP de la instalación receptora.

La figura 3 muestra el modo preferente de realización. Este modo preferente comprende el sistema regulación de potencia descrito anteriormente (figura 1A) acoplado en el punto (C) con el módulo de conmutación con solapamiento detallado en la figura 2.

La inclusión del módulo de conmutación con solapamiento permite el manejo de las sobretensiones y sobreintensidades que se generan al estar solapando sistemas con diferentes potenciales, evitando los efectos perniciosos para el equipo o la instalación. El módulo de conmutación con solapamiento está formado por dos contactores (C1 , C2) uno abierto y otro cerrado y una resistencia de descarga (Rd) que disipa la energía generada, según se detalla en la figura 2 y permite trabajar con el sistema propuesto o realizar un bypass y que la carga se alimente directamente de la red.