ES2331831T3 - Disposicion de accionamiento de motor tolerante a fallos con conexiones de fase independientes y sistema de monitorizacion. - Google Patents
Disposicion de accionamiento de motor tolerante a fallos con conexiones de fase independientes y sistema de monitorizacion. Download PDFInfo
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Abstract
Una disposición de circuito tolerante a fallos para máquinas de múltiples fases que comprende: una máquina eléctrica que tiene una pluralidad de circuitos de fase alimentados independientemente cada uno con una conexión de elevada impedancia a tierra de modo que el único trayecto a tierra resultante de un solo fallo de aislamiento es a través de una conexión a tierra de elevada impedancia; y una disposición de monitor o vigilancia para al menos uno de los circuitos de fase en respuesta a un fallo de aislamiento de un circuito de fase a un circuito de fase o de un circuito de fase a tierra para proporcionar una indicación del fallo.
Description
Disposición de accionamiento de motor tolerante
a fallos con conexiones de fase independientes y sistema de
monitorización.
Este invento se refiere a disposiciones de
accionamiento para motores y generadores que están sujetos a fallos
de cableado interno.
Los motores y generadores, denominados aquí como
"máquinas eléctricas", están típicamente previstos con
arrollamientos de fase que están conectados internamente en una
configuración en estrella o en triángulo. Estas conexiones
proporcionan un trayecto de baja impedancia para que una corriente
de defecto circule en el caso de un fallo entre fases.
Similarmente, otras disposiciones de arrollamiento que no
proporcionan ningún aislamiento entre fases dan como resultado un
trayecto de baja impedancia para que circulen corrientes de defecto
entre fases. Por ejemplo, cuando tienen lugar un corto de fase a
fase debido a que el aislamiento entre conductores de dos fases se
deteriora o cuando dos o más fases son conectadas externamente
durante o como resultado de un trabajo de mantenimiento, se
producen elevadas corrientes de defecto a través de los trayectos de
baja impedancia entre fases.
Durante un fallo súbito de fase a fase, la
corriente de defecto contribuye al fallo desde la fuente ya que se
crea un circuito continuo a través del fallo por la interconexión de
las fases en la fuente. La corriente de defecto ha contribuido a
que los arrollamientos del estator de La máquina eléctrica hayan
fallado debido a la rotación continuada de un campo magnético
permanente dentro del arrollamiento del estator que ha fallado. Tal
corriente de defecto circula a través del fallo debido a que se ha
creado un circuito continuo por las fases interconectadas de los
arrollamientos.
Las máquinas eléctricas con campos controlables
tales como máquinas síncronas de campo con arrollamientos tienen la
capacidad de limitar la duración de la contribución de la corriente
de defecto por desexcitación del campo magnético. Otras máquinas,
tales como las de tipo de imán permanente no pueden limitar la
duración de La corriente de defecto a la que ha contribuida la
máquina durante un funcionamiento en punto muerto subsiguiente al
desplazamiento por el circuito de potencia como resultado del fallo.
Un fallo trifásico es similar al fallo de fase a fase antes
descrito excepto porque implica las tres fases en vez de sólo dos
fases. El funcionamiento en continuo con una máquina trifásica en
fallo, si es posible en su totalidad, requeriría aumentar la
reactancia de pérdida de la máquina, lo que requeriría una
compensación con respecto a las características de rendimiento
normales.
Un fallo de fase a tierra tiene lugar cuando
falla el aislamiento del motor entre un conductor y tierra tal como
en una estructura de motor puesta a tierra. Las magnitudes de la
corriente de defecto de fase a tierra han sido mitigadas
previamente utilizando una impedancia de tierra de elevada
resistencia entre el neutro de un sistema de múltiples fases y
tierra. Sin embargo, con sistemas típicos conectados en triángulo o
en estrella, está resistencia a tierra consiste de una sola
resistencia conectada al neutro de un sistema en estrella o al
neutro derivado de un sistema en triángulo y el valor de esa
resistencia debe ser tal que la impedancia sea menor que la
impedancia resultante de la capacitancia de carga total del sistema
que, en un sistema en triángulo o en estrella, consiste de las tres
fases en paralelo. Esto da como resultado cantidades relativamente
mayores de corriente de defecto a tierra disponibles para un fallo
de línea monofásica a tierra que para un circuito monofásico.
Además, las disposiciones de puesta a tierra en tales sistemas no
tienen capacidad para detectar fallos de fase.
Las disposiciones de detección del fallo entre
fases han sido descritas en la técnica anterior. Por ejemplo, la
patente de Hasegawa Nº 4.363.065 describe una disposición de
detección de un fallo entre fases en la que cada fase tiene
arrollamientos de detección independientes e incluye una resistencia
de tierra correspondiente en la que la detección del fallo depende
de la tensión que se detecta a través de cada resistencia de tierra.
La patente de Baker y col., Nº 5.521.787 describe una protección
del fallo de corriente diferencial que utiliza tanto la detección
de corriente de una fase como de múltiples fases y las patentes de
Traub y col., Nº 3.584.259 y de Lardennois Nº 3.999.104 están
dirigidas en general a la detección de fallo de fase utilizado
resistencias independientes conectadas a tierra.
Con relación a las reivindicaciones
independientes 1ª y 8ª del documento
US-A-5.587.804 se describen
circuitos de protección para cortocircuitos y fallos de tierra
utilizando sensores de corriente de fase y sensores diferenciales.
Esta disposición de circuito tolerante a fallos está adaptada para
máquinas de múltiples fases que comprenden una máquina eléctrica
que tienen una pluralidad de circuitos de fase alimentados y una
disposición de monitor o vigilancia para al menos uno de los
circuitos de fase en respuesta a un fallo de aislamiento del
circuito de fase a circuito de fase o de circuito de fase a tierra
para proporcionar una indicación del fallo. Dicho documento
describe también un método para limitar el daño en una máquina
eléctrica de múltiples fases que se produce como resultado de un
fallo de aislamiento de fase a fase o de fase a tierra que
proporcionan una pluralidad de arrollamientos de fase alimentados
para una máquina eléctrica y que proporciona una disposición de
monitor o vigilancia para al menos un circuito de fase para detectar
un fallo de aislamiento de circuito de fase a circuito de fase o un
fallo de aislamiento de circuito de fase a tierra y proporcionar una
indicación de un fallo de aislamiento.
\newpage
Por consiguiente, es un objeto del presente
invento proporcionan una disposición de circuito tolerante a fallos
para una máquina eléctrica de múltiples fases que supere las
desventajas de la técnica anterior.
Otro objeto del invento es proporcionar una
disposición de circuito tolerante a fallos para máquinas eléctricas
de múltiples fases que tienen conexiones de fase independientes y un
sistema de monitorización que supere las desventajas de la técnica
anterior.
Estos y otros objetos del invento son obtenidos
proporcionando una disposición de circuito tolerante a fallos para
máquinas eléctricas de múltiples fases que tienen circuitos de fase
alimentados de modo independiente cada uno con una conexión de
elevada impedancia a tierra de modo que el único trayecto a tierra
resultante de un solo fallo de aislamiento es a través de una
conexión de elevada impedancia y un monitor para al menos un
circuito de fase para detectar un fallo de aislamiento de circuito
de fase a circuito de fase o de circuito de fase a tierra y un
indicador para indicar un fallo de aislamiento detectado. La
disposición de circuito puede ser aplicada a sistemas de
accionamiento de motor de múltiples fases para mejorar la
supervivencia de los sistemas mitigando la corriente de defecto
disponible durante los modos más comunes de fallo eléctrico. Aunque
la disposición de circuito puede ser usada con motores síncronos, de
inducción o de imán permanente, es especialmente beneficiosa cuando
es aplicada a motores de imán permanente en los que el campo
magnético no puede ser desexcitado como consecuencia de un
fallo.
Como se ha usado aquí el término "fallo entre
fases" se refiere a fallos que implican múltiples fases y el
término "fallo dentro de una fase" se refiere a un fallo dentro
de una única fase, es decir, de una vuelta de un arrollamiento a
otra vuelta del arrollamiento.
Con la disposición de circuito del invento, la
corriente de defecto es mitigada para fallos de múltiples fases, de
fase a fase y de línea a tierra utilizando arrollamientos de fase
independientes del motor en unión con una configuración de
accionamiento eléctrico que proporciona el aislamiento entre fases
de la fuente del fallo y una tierra del sistema de elevada
resistencia en cada fase aislada. La misma disposición de circuito
tolerante a fallos es aplicable a generadores.
Otros objetos y ventajas del invento serán
evidentes a partir de la lectura de la siguiente descripción en
unión con los dibujos adjuntos en los que:
La fig. 1 es un diagrama de circuito esquemático
que ilustra la disposición de una realización representativa de una
configuración de máquina eléctrica de acuerdo con el invento; y
La fig. 2 es un diagrama de circuito esquemático
similar a la fig. 1 que ilustra el efecto de un fallo de fase a
fase en un motor eléctrico.
En la realización típica del invento ilustrada
en los dibujos, un motor 10 magnético permanente de múltiples fases
tiene tres arrollamientos de fase 12, 14 y 16 que están
eléctricamente aislados entre sí. Los arrollamientos tienen
unidades de accionamiento monofásicas separadas correspondientes 20,
22 y 24, respectivamente, que reciben corriente procedente de
fuentes de corriente alterna correspondientes 26, 28 y 30 a través
de transformadores del potencia 32, 34 y 36 respectivamente. Así,
el motor 10 es accionado por tres fuentes de energía independientes
que alimentan corriente a los arrollamientos aislados, pero también
es posible alimentar corriente alterna a las unidades de
accionamiento 20, 22 y 24 desde fuentes monofásicas, polifásicas o
de corriente continua independientes si se desea. Por simplicidad
la disposición ilustrada en la fig. 1 muestra transformadores
monofásicos 32, 34 y 36 pero es también posible un transformador de
múltiples fases con arrollamientos de salida monofásicos
aislados.
Cada uno de los arrollamientos 12, 14 y 16
recibe corriente independientemente de su único accionamiento de
fase correspondiente 20, 22 y 24 a través de pares correspondientes
de conductores 20a y 20b, 22a y 22b, respectivamente, y una
disposición de monitor incluye un sensor 40 de exceso de corriente
para un conductor de cada par. Además, un conductor de cada par
está conectado a tierra a través de un conductor 42 y una
resistencia elevada 44 y la disposición de monitor o vigilancia
incluye un sensor 46 de exceso de corriente que detecta corriente a
través del conductor de tierra 42 mientras un sensor 48 de tensión
detecta la tensión a través de la resistencia elevada 44. La única
conexión normal entre los arrollamientos de fase separados es a
través de las elevadas resistencias 44 a tierra. La disposición de
monitor o vigilancia incluye también un sensor 50 de corriente
diferencial para cada uno de los pares de conductores 20a y 20b, 22a
y 22b y 24a y 24b que detecta corrientes diferenciales en el
circuito de fase que tienen lugar cuando la corriente es desviada a
través de la resistencia de tierra 44 como resultado de un fallo
trifásico, de fase a fase o de fase a tierra.
Con esta disposición, cuando tiene lugar un
fallo trifásico, de fase a fase, o de fase a tierra, el único
trayecto para que lo siga la corriente de defecto es a través de los
conductores 42 y resistencias 44 a tierra, lo que limita la
magnitud de la corriente de defecto. A este respecto, el valor de la
resistencia 44 es seleccionado de acuerdo con la capacitancia de
carga asociada con cada fase individual, que proporciona protección
a sobretensiones al tiempo que asegura una mitigación máxima de la
corriente de defecto. Esto permite una impedancia de tierra más
elevada que si el valor de la resistencia fuera seleccionado de
acuerdo con la capacitancia de carga total del sistema. Además,
cada resistencia 44 tiene una capacidad de transporte de corriente
suficiente para permitir el funcionamiento continuado después de un
fallo de aislamiento.
La disposición de monitor o vigilancia incluye
también una unidad de monitorización 52 que recibe señales
procedentes de los sensores 50 de corriente diferencial que rodean a
los pares de conductores de cada arrollamiento de fase del motor,
los sensores 40 y 46 de exceso de corriente, y los sensores 48 de
tensión y analiza las señales recibidas continuamente para
determinar corrientes de tierra y proporcionar indicaciones
tempranas del deterioro de aislamiento así como de la situación de
cualesquiera fallos.
La fig. 2 ilustra un trayecto de circulación 54
para la circulación de corriente de defecto para un fallo 56 de
fase a fase en el motor de la fig. 1. En esta ilustración la
alimentación de corriente a uno de los arrollamientos 16 del motor
está omitida con propósitos de claridad. Como la corriente de
defecto circula a través de los conductores de tierra 42, los
sensores de corriente y tensión 46 y 48 en cada conexión de tierra
de elevada resistencia proporcionan un respaldo para el detector de
fallo de fase a fase, mejorando por ello la fiabilidad de la
protección del motor. Por consiguiente, el sistema ha aumentado la
fiabilidad tanto para fallos entre fases como para fallos de fase a
tierra, que son detectados cada uno por dos disposiciones
separadas.
Un beneficio adicional resulta de la separación
de fases debido a que la monitorización del aislamiento entre fases
que es proporcionada inherentemente por la monitorización continua
de las corrientes de tierra por los sensores 46. Esto permite una
detección temprana del deterioro del aislamiento entre fases antes
de que pueda ocurrir un fallo.
Una ventaja principal de la disposición del
invento es que las corrientes de defecto resultantes de los fallos
trifásicos y de fase a fase son mitigadas debido a que la corriente
de defecto debe circular a través de las resistencias de tierra
como se ha mostrado en la fig. 2. Esto minimiza el daño del equipo y
maximiza la seguridad personal cuando tiene lugar un fallo. Además,
las fases implicadas en un fallo son identificadas automáticamente
ya que los fallos de fase son detectables por las resistencias de
tierra, lo que no es posible con la disposición conectada en
estrella o en triángulo, mejorando por ello la fiabilidad de la
protección del sistema. Además, cualesquiera corrientes de defecto
de tierra son reducidas con esta disposición ya que la resistencia
de tierra en cada fase es seleccionada en proporción a la corriente
de carga asociadas con una fase en vez de estar basada en la
combinación de las tres fases, y la magnitud de la corriente de
defecto de fase es reducida a un nivel que es menor que para un
fallo de línea a tierra, permitiendo el funcionamiento en continuo
durante un fallo entre fases.
Debería resaltarse, sin embargo, que esta
disposición no ha perfeccionado la protección para fallos dentro de
una fase, es decir fallos que ocurren dentro de un único
arrollamiento, tal como un fallo de vuelta a vuelta. Los problemas
operativos resultantes de la interferencia electromagnética son
mitigados con la configuración de fase independiente debido a la
eliminación de un punto de unión neutro de tres fases y los
trayectos de conducción de interferencia electromagnética común
asociados que tienen lugar en losa arrollamientos conectados en
triángulo y en estrella tradicionales.
Aunque el invento ha sido descrito aquí con
referencia a realizaciones específicas, a los expertos en la técnica
se les ocurrirán muchas modificaciones y variaciones en el mismo.
Por consiguiente, la totalidad de tales variaciones y
modificaciones están incluidas dentro del marco pretendido del
invento según ha sido definido por las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (14)
-
\global\parskip0.960000\baselineskip
1. Una disposición de circuito tolerante a fallos para máquinas de múltiples fases que comprende:- una máquina eléctrica que tiene una pluralidad de circuitos de fase alimentados independientemente cada uno con una conexión de elevada impedancia a tierra de modo que el único trayecto a tierra resultante de un solo fallo de aislamiento es a través de una conexión a tierra de elevada impedancia; y
- una disposición de monitor o vigilancia para al menos uno de los circuitos de fase en respuesta a un fallo de aislamiento de un circuito de fase a un circuito de fase o de un circuito de fase a tierra para proporcionar una indicación del fallo.
- 2. Una disposición de circuito según la reivindicación 1ª en la que la disposición de monitor o vigilancia comprende un sensor de corriente diferencial para detectar una corriente diferencial significativa en al menos un circuito de fase como una indicación de la degradación del aislamiento.
- 3. Una disposición de circuito según la reivindicación 1ª en la que la disposición de monitor o vigilancia detecta la corriente que circula a través de una conexión a tierra de elevada impedancia para indicar la degradación de aislamiento del sistema.
- 4. Una disposición de circuito según la reivindicación 1ª en la que la disposición de monitor o vigilancia incluye un sensor de corriente diferencial y un sensor de corriente a tierra en al menos un circuito de fase para proporcionar la detección redundante de la degradación del aislamiento.
- 5. Una disposición de circuito según la reivindicación 1ª en la que la disposición de monitor o vigilancia incluye un detector de fallo de tierra activo.
- 6. Una disposición de circuito según la reivindicación 1ª en la que la conexión de elevada impedancia a tierra comprende una resistencia de tierra que tiene una capacidad de corriente suficiente para permitir el funcionamiento en continuo de la máquina eléctrica después de un fallo de aislamiento de un circuito de fase a un circuito de fase o de un circuito de fase a tierra.
- 7. Una disposición de circuito según la reivindicación 1ª en la que la disposición de monitor o vigilancia provoca un corte de corriente en al menos un circuito de fase en respuesta a la detección de un fallo de aislamiento.
- 8. Un método para limitar el daño en una máquina eléctrica de múltiples fases resultante de un fallo de aislamiento de fase a fase o de fase a tierra que comprende:
- proporcionar una pluralidad de aborda de arrollamientos de fase alimentados independientemente para una máquina eléctrica cada uno con una conexión de elevada impedancia a una tierra común de modo que el único trayecto de la corriente de defecto resultante de un solo fallo de aislamiento es a través de una conexión a tierra de elevada impedancia; y
- proporcionar una disposición de monitor o vigilancia para al menos un circuito de fase para detectar un fallo de aislamiento de circuito de fase a circuito de fase o un fallo de aislamiento de circuito de fase a tierra y proporcionar una indicación de un fallo de aislamiento.
- 9. Un método según la reivindicación 8ª en el que la disposición de monitor o vigilancia incluye un sensor de corriente diferencial para al menos una corriente de fase para detectar la corriente diferencial significativa para el circuito de fase para indicar un fallo de aislamiento.
- 10. Un método según la reivindicación 8ª en el que la disposición de monitor o vigilancia incluye un sensor para detectar la corriente que circula a través de la conexión a tierra de elevada impedancia e indicar el fallo de aislamiento en respuesta a la detección de un nivel de corriente seleccionado.
- 11. Un método según la reivindicación 8ª en el que la disposición de monitor o vigilancia incluye un sensor de corriente diferencial y un sensor de corriente a tierra asociado con al menos un circuito de fase para detectar el fallo de aislamiento, proporcionando por ello una detección redundante del fallo de aislamiento.
- 12. Un método según la reivindicación 8ª en el que la disposición de monitor o vigilancia incluye un detector de fallo de tierra activo.
- 13. Un método según la reivindicación 8ª en el que la conexión a tierra de elevada impedancia incluye una resistencia de tierra que tiene una capacidad de corriente suficiente para permitir el funcionamiento en continuo de la máquina eléctrica después de un fallo de aislamiento.
- 14. Un método según la reivindicación 8ª en el que el monitor provoca un corte de corriente al menos en un circuito de fase en respuesta a la detección de un fallo de aislamiento.
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