Aparato para controlar una tensión trifásica suministrada a una carga,

que comprende:

un transformador multifásico que tiene un bobinado primario y un bobinado secundario para cada fase, estando cada secundario conectado en serie entre una línea de entrada y una salida conectada a la carga; y

el primario es configurable por conmutadores para poner el primario entre algunas de las diferentes fases, de manera que la fase de la tensión del secundario es diferente de la línea a la que éste está conectado mediante una fase diferente de 0 y 180 grados

Sistema de suministro de tensión variable.

Campo de la invención

La presente invención trata de la provisión de una tensión variable, por ejemplo de un sistema de tensión variable adecuado para arrancar un motor y para hacer funcionar un motor bajo carga reducida.

Antecedentes de la invención

Los motores de inducción suministran una tensión de fuerza contraelectromotriz cuando están en funcionamiento. Durante el arranque, sin fuerza contraelectromotriz, la impedancia de entrada de los motores es relativamente baja y la sobrecarga de tensión es alta. Esto provoca la absorción innecesaria de corrientes desde la fuente (línea). Esto no solo requiere que el motor esté diseñado para soportar estas líneas, sino que la línea debe tener disponibles estas grandes corrientes.

Se han propuesto una serie de soluciones y están en uso, para proporcionar una tensión menor durante el arranque e incrementar la tensión a medida que se incrementa la velocidad del motor.

Un método es la configuración de "estrella-triángulo" en la que el motor es alimentado desde un transformador trifásico y los bobinados del motor son conmutados desde una conexión de estrella a la línea de potencia hasta una conexión en triángulo, a medida que se acelera el motor. Esto proporciona dos niveles de tensión para arrancar el motor. Este método acusa las siguientes desventajas:

Un segundo método utiliza un autotransformador en derivación para variar la tensión. En este método, la tensión hasta el motor es suministrada a través de un autotransformador reductor que tiene múltiples tomas. El motor es conectado primero a la toma más baja y, a medida que el motor se acelera, la entrada del motor es transferida sucesivamente a tensiones mayores mediante cambiar la toma que suministra la tensión. Este método acusa una serie de diferentes deficiencias. Una es la necesidad de conmutar toda la tensión que se está utilizando, cada vez que se cambia la tensión. Una segunda deficiencia es que la bobina y el núcleo del transformador deben estar diseñados para transportar la corriente de arranque del motor. Esto hace el transformador muy grande y costoso, siendo comunes tamaños similares a los del propio motor. Una tercera deficiencia es que hay serios problemas de conmutación, puesto que la salida es desconectada cada vez que se cambia la toma. Por esta razón, esta metodología no se utiliza extensivamente. En cuarto lugar, los contactores han de llevar toda la corriente cuando se conmutan las tensiones.

Un tercer método utiliza el control de fase para variar la tensión. En este método se utilizan tiristores para controlar la tensión, y la fase de encendido de los tiristores se utiliza para variar la tensión distribuida a una salida. Este método no distribuye una tensión sinusoidal y son bien conocidas sus ineficiencias en los motores de arranque. En concreto, hay un retardo de fase intrínseco, especialmente durante el arranque y los transitorios de recuperación de potencia cuando se enciende el tiristor. Además, generalmente no es posible utilizar condensadores para mejorar el factor de potencia con control de fase.

Otra cuestión que surge con el control de los motores de inducción es que su máxima eficiencia es a plena carga. Cuando la carga se reduce, las pérdidas del núcleo siguen siendo elevadas y la eficiencia cae. Es sabido que reducir la tensión en los motores de inducción cuando la carga es menor que el valor nominal tiene como resultado un funcionamiento más eficiente. Sin embargo, no se conoce ninguna forma práctica de implementar tal cambio.

La patente de Israel 133307 presentada el 5 de diciembre de 199_, describe un sistema para el control de la iluminación en el que un transformador primario es situado a través de la entrada (entre las conexiones de "línea" y "retorno") y el secundario está en serie entre la carga y la línea. El secundario está enrollado y montado para oponerse a (y por lo tanto reducir) la tensión de línea suministrada a la carga. Esto proporciona a la carga una tensión reducida. Cuando se necesita la tensión máxima, la entrada del transformador es desconectada del retorno y cortocircuitada, forzando a cero la tensión en el secundario. A continuación el secundario puede ser cortocircuitado. Pueden suministrarse múltiples etapas de transformador para proporcionar una mayor variación en tensiones de carga. Para tres fases, esta configuración se repite tres veces.

Resumen de la invención

Un aspecto de algunas realizaciones de la presente invención está relacionado con suministrar una tensión variable a una carga, con lo que se proporcionan más de dos tensiones diferentes a la carga, sin la utilización de elementos activos y sin problemas sustanciales de conmutación.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "sin la utilización de elementos activos" o similar, significa que los dispositivos activos tales como los transistores y los tiristores no son utilizados en el circuito de potencia entre la entrada y la carga.

En un aspecto general de la invención, la entrada de potencia es una entrada de potencia trifásica y el circuito de potencia incluye un secundario de un transformador trifásico cuyo primario es configurable, de tal modo que la fase de la tensión del secundario es diferente respecto de la línea a la que está conectado, mediante una diferencia de fase entre 0 y 180 grados.

En una realización de la invención los primarios son conmutables entre por lo menos dos posiciones, por lo menos una de las cuales es (1) una posición en la que el primario está conectado entre dos fases; (2) una posición en la que el primario está conectado entre una primera fase de entrada y neutro; y (3) una posición en la que el primario está conectado entre una segunda fase de entrada y neutro. Preferentemente, en una cuarta configuración (4) el primario está desconectado y el secundario está opcionalmente cortocircuitado. Esta configuración puede proporcionar como mínimo 4 tensiones de salida diferentes. Tal como se utiliza en el presente documento, el término "neutro" significa un neutro real o bien virtual, es decir un punto de tensión casi cero formado cuando se conecta conjuntamente un extremo de las fases.

En una realización de la invención, cuando se arranca un motor, el primario está conectado entre la misma fase que alimenta el secundario y una segunda fase. La tensión de salida para la fase concreta es la suma de la tensión de entrada para esa fase y la tensión transformada entre fases. Esta tensión puede ser mayor que la tensión de entrada o menor que la tensión de entrada. Para el arranque del motor se utiliza la configuración del bobinado que reduce la tensión. Asumiendo como ejemplo que la tensión de entrada es de 400 voltios (tensión entre fases) y que la relación de transformación es de 400 a 110 V, la tensión de salida entre fases resultante es de 253 V (sin carga). Si el primario es conmutado entre la segunda fase y neutro, la tensión de salida entre fases se incrementa a 289 V (sin carga). Se observa que, puesto que el secundario permanece conectado entre la entrada y la salida, no hay tensiones de conmutación generadas por el cambio. Opcionalmente, a través de los primarios se utiliza un dispositivo de retención u otro circuito de reducción de picos.

A continuación, el primario se conmuta a través de una segunda fase y neutro. La tensión de salida entre fases resultante es de 356 V (sin carga). A continuación, el primario se desconecta de la entrada y el secundario es cortocircuitado. La tensión de salida es ahora igual que la tensión de entrada, a saber 400 V.

Escogiendo otras relaciones de transformación puede conseguirse otros niveles de tensión. Además, cambiando el sentido de conexión del primario, pueden conseguirse tensiones adicionales mayores que la tensión de entrada....

1. Aparato para controlar una tensión trifásica suministrada a una carga, que comprende:

2. Aparato acorde con la reivindicación 1, en el que los conmutadores comprenden:

3. Aparato acorde con la reivindicación 2, en el que la pluralidad conmutadores es también capaz de (e) cortocircuitar los primarios.

4. Aparato acorde con la reivindicación 3, en el que para (e), el secundario respectivo está también cortocircuitado.

5. Aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que los primarios o secundarios están configurados de manera que la tensión a la salida es menor que la tensión de línea para cada uno desde (a) hasta (d).

6. Aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que la pluralidad de conmutadores es conmutable para conmutar la entrada de cada uno de los primarios de manera que estos son conectables selectivamente entre dos o más de (a) a (d).

7. Aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que la pluralidad de conmutadores es conmutable para conmutar la entrada de cada uno de los primarios de manera que estos son conectables selectivamente entre tres o más de (a) a (d).

8. Aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7 en el que la conmutación para (a) a (d) tiene lugar solo con respecto a los primarios de los transformadores.

9. Aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el que para conmutar entre cualesquiera de (a) a (d) no es necesaria conmutación en las líneas entre la entrada y la carga.

10. Aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la tensión a la salida es mayor que la tensión de línea para por lo menos una configuración de los conmutadores.

11. Aparato acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los conmutadores pueden invertir la polaridad de como mínimo una de las conexiones.

12. Método para variar la tensión a una carga, que comprende:

13. Método acorde con la reivindicación 12, en el que la tensión de salida se varía por etapas desde una tensión menor a una tensión mayor.

14. Método acorde con la reivindicación 13, en el que se miden las características de la carga y en el que se cesa el incremento de tensión cuando las características alcanzan un criterio dado.

15. Método de variación de la tensión en un motor de inducción, que comprende: