ES2325729B2 - Sistema de desexcitacion rapida para maquinas sincronas con excitacionindirecta. - Google Patents
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Abstract
Sistema de desexcitación rápida para máquinas
síncronas con excitación indirecta.
Sistema de desexcitación rápida para máquinas
síncronas (1) con excitación indirecta a través de una máquina
excitatriz (2) y puente rectificador giratorio (8), que
comprende:
- una impedancia de desexcitación (10) conectada
entre el devanado de inductor (5) de la máquina síncrona (1) y el
puente rectificador giratorio (8);
- un elemento de maniobra (9) conectado en
paralelo con la impedancia de desexcitación (10);
- un circuito de control (11) del elemento de
maniobra (9) configurado para que:
\bullet en funcionamiento normal de la máquina
síncrona (1), mantener el elemento de maniobra (9) cerrado de forma
que el puente rectificador giratorio (8) alimenta directamente el
devanado inductor (5) de la máquina sincrona (1);
\bullet en caso de tener que desexcitar la
máquina sincrona, abrir el elemento de maniobra (9) de forma que la
impedancia de desexcitación (10) queda en serie con el devanado
inductor (5) y con el puente rectificador giratorio (8).
Description
Sistema de desexcitación rápida para máquinas
síncronas con excitación indirecta.
La presente patente de invención tiene por
objeto presentar un nuevo sistema de desexcitación para máquinas
síncronas con excitación indirecta mediante diodos rotativos, con el
que se conseguiría mejorar la respuesta dinámica y la seguridad a la
hora de desexcitar la máquina, lo que implica que en caso de
cortocircuito interno los daños en la máquina serían mucho
menores.
Al producirse cortocircuitos internos en un
generador, o antes del interruptor de generador, se producen daños
debido a la propia aportación al cortocircuito del mismo generador.
En este caso es fundamental reducir la corriente de excitación lo
antes posible, de forma que no se induzca tensión en el estator y
por tanto no haya más aportación al cortocircuito.
Existen fundamentalmente dos tipos de excitación
para máquinas síncronas:
- -
- Excitación directa, a través de anillos rozantes y escobillas.
- -
- Excitación indirecta, sin escobillas ("brushless"), a través de una máquina excitatriz y diodos rotativos.
\vskip1.000000\baselineskip
Las escobillas y los anillos rozantes son
elementos con mantenimiento, especialmente en máquinas de gran
potencia. Las escobillas se desgastan con el uso y es preciso
reponerlas y mantenerlas. También las chispas y los depósitos de
carbonilla son siempre un foco de posibles problemas. De modo que en
las máquinas síncronas, se tiende a utilizar mecanismos de
excitación del inductor sin escobillas.
Con la excitación indirecta se elimina el
problema de las escobillas, pero tiene la desventaja de que empeora
la respuesta dinámica de la máquina, al no tener acceso directo al
devanado de excitación del generador principal, ya que se utiliza un
elemento intermedio, otra máquina eléctrica, la excitatriz.
En el caso de un defecto interno, la rapidez de
respuesta de la excitación juega un papel fundamental, limitando la
aportación del alternador al cortocircuito.
Este problema se soluciona en las máquinas de
excitación directa (a través de escobillas) intercalando una
resistencia en el circuito de excitación, que se conecta para
desexcitar la máquina rápidamente cuando ocurre una falta. Eso no es
tan sencillo en las máquinas de excitación indirecta a través de
diodos rotativos, donde no se tiene acceso directamente al devanado
de excitación.
Se conoce el documento con número de publicación
WO9320614 referido a un método y un dispositivo para la
desmagnetización de máquinas síncronas sin escobillas. En este
documento se describe un generador síncrono que incorpora una
máquina excitatriz alimentada por un puente rectificador giratorio
de tal modo que el circuito de corriente de excitación incorpora una
resistencia para la disipación de energía conectada en paralelo con
un tiristor. Para el desacoplo de la excitación el tiristor es
apagado mediante un pulso de apagado transmitido a través de un
conjunto anillo-escobilla.
Se conoce el documento con número de publicación
DE 1763299 referido a una máquina síncrona con una máquina
excitatriz. En este documento se describe el uso de una máquina
síncrona que incorpora una máquina excitatriz alimentada por un
puente rectificador giratorio de tal modo que el circuito de
corriente de excitación incorpora una resistencia para la disipación
de energía conectada en paralelo con un elemento de maniobra. Para
el apagado de la máquina excitatriz se dispone de un transformador
donde el primario está conectado al elemento de maniobra y el
secundario, fuera de la máquina excitatriz, es operado
externamente.
El sistema objeto de la presente invención
permite que una máquina síncrona de excitación indirecta se
comporte, a efectos de desexcitación, de una forma similar a como lo
haría una máquina de excitación directa, pero manteniendo las
ventajas de la excitación sin escobillas.
El sistema de desexcitación rápida para máquinas
síncronas con excitación indirecta a través de una máquina
excitatriz y puente rectificador giratorio comprende:
- una impedancia de desexcitación,
preferentemente una resistencia, conectada entre el devanado de
inductor de la máquina síncrona y el puente rectificador
giratorio;
- un elemento de maniobra, preferentemente de
tipo semiconductor, conectado en paralelo con la impedancia de
desexcitación;
- un circuito de control del elemento de
maniobra configurado para:
- \bullet
- en funcionamiento normal de la máquina síncrona, mantener el elemento de maniobra cerrado de forma que el puente rectificador giratorio alimenta directamente el devanado inductor de la máquina síncrona;
- \bullet
- para desexcitar la máquina síncrona (en caso de cortocircuito o en caso de desconexión de la máquina síncrona de la red), abrir el elemento de maniobra de forma que la impedancia de desexcitación queda en serie con el devanado inductor y con el puente rectificador giratorio.
\vskip1.000000\baselineskip
El circuito de control está preferentemente
configurado para abrir el elemento de maniobra en función de la
tensión a la salida del puente rectificador giratorio, de forma que
al actuar sobre el devanado inductor de la excitatriz, se pueda
controlar la tensión a la salida del puente rectificador giratorio y
por tanto la desexcitación de la máquina síncrona.
En una realización particular el circuito de
control comprende:
- un divisor de tensión en paralelo con el
puente rectificador giratorio y que consta de una primera y una
segunda resistencias auxiliares, estando configurado dicho divisor
de tensión para abrir el elemento de maniobra cuando la tensión
sobre la segunda resistencia alcance un determinado valor.
\vskip1.000000\baselineskip
El circuito de control puede comprender
adicionalmente un diodo zener en paralelo con la segunda resistencia
con el objetivo de limitar la tensión en la entrada de control del
elemento de maniobra.
Gracias al sistema así descrito se consigue, en
caso de defecto interno de la máquina síncrona, limitar los daños.
En una máquina síncrona con excitación indirecta convencional, la
corriente de defecto ante un cortocircuito interno puede durar del
orden de varios segundos, con los consiguientes daños para el
alternador. Sin embargo, implementando el sistema de desexcitación
objeto de la invención, se consigue reducir este tiempo
considerablemente, minimizando los daños.
A lo largo de la descripción y las
reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no
pretenden excluir otras características técnicas, aditivos,
componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos,
ventajas y características de la invención se desprenderán en parte
de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los
siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración,
y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones
de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.
Fig. 1 muestra un esquema del sistema de
desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación
indirecta, objeto de la presente patente de invención.
Fig. 2 muestra una realización preferente del
sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con
excitación indirecta, objeto de la presente patente de
invención.
Fig. 3 muestra los resultados de la simulación
de un cortocircuito en bornas de una máquina síncrona de 2MVA con
excitación indirecta convencional.
Fig. 4 muestra los resultados de la simulación
de un cortocircuito en bornas de la misma máquina síncrona de 2MVA
anterior sobre la que se ha incluido el sistema de desexcitación
objeto de esta invención.
La Figura 1 muestra un esquema del método de
desexcitación objeto de esta invención, donde se emplean las
siguientes referencias:
- -
- Máquina síncrona 1.
- -
- Máquina excitatriz 2.
- -
- Componentes giratorios 3.
- -
- Estator 4 de la máquina síncrona 1.
- -
- Devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1.
- -
- Devanado inductor 6 de la máquina excitatriz 2.
- -
- Devanados inducidos 7 de la máquina excitatriz 2.
- -
- Puente rectificador giratorio 8.
- -
- Elemento de maniobra 9.
- -
- Impedancia de desexcitación 10.
- -
- Circuito de control 11 del elemento de maniobra 9.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 2 muestra un esquema de la realización
preferente, donde adicionalmente se emplean las siguientes
referencias:
- -
- Divisor de tensión formado por una primera 12 y una segunda 13 resistencias.
- -
- Diodo zener 14 para la protección del elemento de maniobra 9.
\vskip1.000000\baselineskip
Tal y como se puede observar en la figura 1 el
sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con
excitación indirecta comprende, al menos, una conjunto de
componentes giratorios conectados entre el puente rectificador
giratorio 8 y el devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1
principal.
Dichos componentes giratorios comprenden, a su
vez y al menos, una impedancia de desexcitación 10, un elemento de
maniobra 9 y un circuito de control 11 del elemento de maniobra 9,
estando a su vez estos elementos conectados con el devanado inductor
5 de la máquina síncrona 1.
La impedancia de desexcitación 10 está
conectada, en serie, con el devanado inductor 5 y el elemento de
maniobra 9, el cual está conectado en paralelo con la impedancia de
desexcitación 10.
En el caso de un funcionamiento normal de la
máquina síncrona 1, el elemento de maniobra 9 está cerrado de tal
forma que el puente rectificador giratorio 8 alimenta el devanado
inductor 5 de la máquina síncrona 1, tal y como lo haría en una
máquina síncrona convencional.
No obstante, en el caso de que se deba
desexcitar la máquina síncrona 1, el circuito de control 11 envía
una orden de abrir el elemento de maniobra 9 de forma que la
impedancia de desexcitación 10 queda en serie con el devanado
inductor 5 de la máquina síncrona 1 y con el puente rectificador
giratorio 8, de modo que la corriente en el devanado inductor 5 de
la máquina síncrona 1 tiende a extinguirse de una forma muy rápida
(ver figura 4), gracias a la impedancia de desexcitación 10.
En la figura, 3 y 4 se representan los
resultados de dos simulaciones, en las que se ha simulado un
cortocircuito en bornes de una máquina síncrona con excitación
indirecta. La figura 3 corresponde a la corriente de cortocircuito
en el caso de excitación indirecta tradicional, mientras que la
figura 4 muestra el resultado de implementar el sistema objeto de
esta patente de invención a la máquina anterior, y donde se observa
que la duración de la corriente de cortocircuito se reduce
considerablemente.
Se utilizará como elemento de maniobra 9 un
semiconductor, transistor IGBT o similar, de forma que se eviten los
posibles problemas que pueda crear la fuerza centrífuga en un
elemento de maniobra mecánico como pudiera ser un contactor o
interruptor automático. Adicionalmente este semiconductor será
disparado, es decir conduce, cuando la tensión en su puerta o
entrada de control sea positiva y de un valor determinado. Para
conseguir esta tensión de control se va a utilizar un circuito de
control 11 que comprende, a su vez y al menos, un divisor de
tensión, formado por dos resistencias auxiliares, una primera 12 y
una segunda 13 resistencias. De forma que no se necesita ningún
elemento de control externo al rotor del generador. Por último se
protegerá la entrada a la puerta del semiconductor mediante diodo
zener (14) u otro elemento protector de sobretensiones.
Claims (5)
1. Sistema de desexcitación rápida para máquinas
síncronas (1) con excitación indirecta a través de una máquina
excitatriz (2) y puente rectificador giratorio (8), que
comprende:
- una impedancia de desexcitación (10) conectada
entre el devanado de inductor (5) de la máquina síncrona (1) y el
puente rectificador giratorio (8);
- un elemento de maniobra (9) conectado en
paralelo con la impedancia de desexcitación (10);
- un circuito de control (11) del elemento de
maniobra (9) configurado para que:
- \circ
- en funcionamiento normal de la máquina síncrona (1), se mantenga el elemento de maniobra (9) cerrado de forma que el puente rectificador giratorio (8) alimente directamente el devanado inductor (5) de la máquina síncrona (1);
- \circ
- en caso de tener que desexcitar la máquina síncrona, se abra el elemento de maniobra (9) de forma que la impedancia de desexcitación (10) quede en serie con el devanado inductor (5) y con el puente rectificador giratorio (8).
caracterizado porque dicho circuito de
control (11) está configurado para abrir el elemento de maniobra (9)
en función de la tensión a la salida del puente rectificador
giratorio (8).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el circuito de control (11)
comprende:
- un divisor de tensión en paralelo con el
puente rectificador giratorio (8) y que comprende una primera (12) y
una segunda (13) resistencias auxiliares, estando configurado dicho
divisor de tensión para cerrar el elemento de maniobra (9) cuando la
tensión sobre la segunda resistencia (13) alcance un determinado
valor.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Sistema según la reivindicación 2,
caracterizado porque el circuito de control (11) comprende
adicionalmente un diodo zener (14) en paralelo con la segunda
resistencia (13) y configurado para la protección del elemento de
maniobra (9).
4. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
impedancia de desexcitación (10) es una resistencia.
5. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento
de maniobra (9) es un interruptor de tipo estático.
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