WO2017091873A1

WO2017091873A1 - Excitation system for a synchronous rotating electric machine

Info

Publication number: WO2017091873A1
Application number: PCT/BR2015/050232
Authority: WO
Inventors: Thiago Lucas SIMÃO; Nilson SACHT; Guilherme SCHNEIDER POREPP; Mauricio DIRONG BÖHLKE
Original assignee: Weg Equipamentos Elétricos S.a.
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08
Also published as: BR112018011219B1; BR112018011219A2

Abstract

The present invention refers to an excitation system for a synchronous rotating electric machine and, more specifically, an excitation system including a main exciter (1, 2), a rectifier bridge (3) and a dedicated fan (4). The main exciter includes an exciter armature (1) and an exciter field (2), the rectifier bridge includes a diode wheel (3) with an outer surface and the dedicated fan includes a centrifugal fan (4). The centrifugal fan (4) is concentrically mounted, as a removable insert, on the outer surface of the diode wheel (3).

Description

Descrição description

"SISTEMA DE EXCITAÇÃO PARA UMA MÁQUINA ELÉTRICA GIRANTE "EXCITING SYSTEM FOR A SPINNING ELECTRIC MACHINE

SÍNCRONA" SYNCHRONES "

CAMPO DA INVENÇÃO FIELD OF INVENTION

[0001] A presente invenção refere-se a um sistema de excitação para uma máquina elétrica girante síncrona, e, mais especificamente, a um sistema de excitação do tipo que compreende uma excitatriz principal, uma ponte retificadora e um ventilador dedicado. The present invention relates to an excitation system for a synchronous rotating electric machine, and more specifically to an excitation system of the type comprising a main exciter, a rectifier bridge and a dedicated fan.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] Máquinas elétricas girantes síncronas necessitam de uma fonte de corrente para alimentar o enrolamento do rotor. Geralmente, isso é feito através de um sistema de excitação. Synchronous rotating electric machines need a current source to power the rotor winding. This is usually done through an excitation system.

[0003] São conhecidos da técnica dois tipos mais comuns de sistema de excitação: sistema de excitatriz estática, onde a corrente é suprida por meio de anéis coletores e escovas, e o sistema sem escovas {brushiess), onde a alimentação é feita por meio de um excitatriz girante sem escovas. Two common types of excitation system are known in the art: static exciter system, where current is supplied by slip rings and brushes, and brushiess system, where power is supplied by means of of a brushless rotating exciter.

[0004] O sistema sem escovas compreende um componente chamado excitatriz principal trifásica (também chamada de EPT) que consiste em uma parte estática onde se encontra o campo e um componente rotativo, chamado armadura, que é ligado ao eixo da máquina elétrica principal e cujos terminais geram a tensão de saída. The brushless system comprises a component called three-phase main exciter (also called EPT) consisting of a static part where the field is located and a rotating component, called armature, which is attached to the axis of the main electric machine and whose terminals generate the output voltage.

[0005] Como sabido por aqueles versados na técnica, a armadura da excitatriz principal fornece uma corrente elétrica do tipo alternada. Entretanto, o rotor da máquina elétrica principal deve ser alimentado com corrente contínua. Assim, para realizar a conversão do tipo de corrente, é utilizada uma ponte retificadora, chamada de roda de díodos, que converte a corrente alternada oriunda da excitatriz principal em concorrente contínua para o rotor da máquina elétrica principal. As known to those skilled in the art, the main exciter's armor provides an alternating type electric current. However, the main electric machine rotor must be powered with direct current. Thus, to perform the current type conversion, a rectifier bridge, called the diode wheel, is used which converts the alternating current from the main exciter into a continuous competitor for the main electric machine rotor.

[0006] A operação da excitatriz principal é coordenada por um regulador de tensão, que controla a tensão de campo da excitatriz principal. Esse regulador de tensão pode ser alimentado pela rede elétrica ou ser totalmente independente desta. Quando o regulador é independente da rede, utiliza-se um componente adicional chamado de gerador de imãs permanentes (PMG - permanent magnet generator), também conhecido como excitatriz auxiliar. Assim, o gerador de imãs permanentes tem seu rotor conectado ao eixo da máquina elétrica principal e fornece potência ao regulador de tensão. Operation of the main exciter is coordinated by a voltage regulator, which controls the field voltage of the main exciter. This voltage regulator can be powered by the mains or be totally independent this one. When the regulator is network independent, an additional component called a permanent magnet generator (PMG), also known as an auxiliary exciter, is used. Thus, the permanent magnet generator has its rotor connected to the main electrical machine shaft and supplies power to the voltage regulator.

[0007] Os componentes acima, que foram o sistema de excitação de uma máquina síncrona do tipo sem escovas, apresentam funções de geração ou conversão de energia elétrica. The above components, which were the excitation system of a brushless type synchronous machine, have functions for generating or converting electricity.

[0008] De acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica, é impossível converter energia sem que haja perdas no processo. As perdas oriundas do processo de transformação de energia nos componentes do sistema de excitação descrito acima são dissipadas na forma de calor para o ambiente que rodeia o sistema. Esse calor gerado pode resultar no sobreaquecimento e consequentemente queima dos componentes do sistema de excitação. According to the Second Law of Thermodynamics, it is impossible to convert energy without losses in the process. Losses from the energy transformation process on the excitation system components described above are dissipated as heat to the surrounding environment. This generated heat may result in overheating and consequently burning of the excitation system components.

[0009] Assim, existe a necessidade de um modo de remover o calor gerado de maneira rápida e eficiente, provendo-se uma vazão de ar suficiente para que as temperaturas dos componentes do sistema de excitação sejam mantidas dentro de limites aceitáveis pelos elementos de isolação dos componentes elétricos. Thus, there is a need for a way to remove heat generated quickly and efficiently, providing sufficient air flow so that the temperatures of the excitation system components are kept within acceptable limits by the insulation elements. of the electrical components.

[0010] São conhecidas da técnica algumas soluções diferentes para o resfriamento do sistema de excitação. A number of different solutions for cooling the excitation system are known in the art.

[0011] Uma solução conhecida é a utilização de ventiladores já existentes na máquina elétrica. Essa solução é aplicável quando o sistema de excitação está localizado dentro do invólucro da máquina elétrica ou em um invólucro separado, mas conectado, por meios de aberturas de entrada e saída de ar, aos ventiladores da máquina elétrica. Assim, nessa solução, os próprios ventiladores da máquina elétrica, propiciam a geração de vazão de ar necessária ao resfriamento dos componentes do sistema de excitação. A known solution is the use of fans already in the electric machine. This solution is applicable when the excitation system is located inside the electrical machine enclosure or in a separate enclosure but connected through air inlet and outlet openings to the ventilators of the electrical machine. Thus, in this solution, the electric machine's own fans provide the generation of air flow necessary for the cooling of the excitation system components.

[0012] Outra solução conhecida é o uso de ventiladores dedicados exclusivamente à geração de vazão para o resfriamento dos componentes do sistema de excitação. Nessa solução, um ventilador adicional dedicado é previsto, e o sistema de excitação é geralmente situado em um invólucro separado do invólucro da máquina elétrica. Geralmente, o ventilador dedicado é um ventilador centrífugo, situado na extremidade dianteira e ou extremidade traseira do invólucro do sistema de excitação, que aspira a vazão do ar que escoa pelos componentes do sistema de excitação. [0012] Another known solution is the use of dedicated flow generation fans for cooling the excitation system components. In this solution, a dedicated additional fan is provided, and the excitation system is generally located in a separate housing from the electrical machine housing. Generally, the dedicated fan is a centrifugal fan located at the front end and or rear end of the enclosure. of the excitation system, which aspirates the air flow that flows through the excitation system components.

[0013] A solução de utilização de utilização de um ventilador dedicado, embora mais eficiente no arrefecimento, possui o inconveniente de aumentar o comprimento total do sistema de excitação, o que diminui o espaço disponível para os componentes. The solution of utilizing a dedicated fan, although more efficient in cooling, has the disadvantage of increasing the overall length of the excitation system, which reduces the space available for the components.

[0014] O documento norte-americano US 5,998,893 mostra uma solução onde o dissipador de calor e a ponte retificadora são formados em um conjunto integral. O conjunto compreende um disco tendo um furo central que é alinhado com o furo do rotor da máquina elétrica e fixado com parafusos ao rotor. Uma pluralidade de lâminas de ventilador é disposta na periferia externa do disco, formando o ventilador, e unidades retificadoras que são dispostas em recessos dos discos. US 5,998,893 shows a solution where the heatsink and rectifier bridge are formed into an integral assembly. The assembly comprises a disc having a central hole which is aligned with the rotor hole of the electric machine and bolted to the rotor. A plurality of fan blades are disposed on the outer periphery of the disk forming the fan, and grinding units which are arranged in recesses of the disks.

[0015] Embora o documento norte-americano apresente uma solução compacta, o fato da solução ser integrada impede a remoção e manutenção separada dos componentes, o que aumenta o custo de manutenção e reposição. Although the US document presents a compact solution, the fact that the solution is integrated prevents component removal and separate maintenance, which increases maintenance and replacement costs.

[0016] O documento CN 202334217 descreve um dispositivo de excitação sem escovas que compreende um anel retificador feito de uma liga de aço de alta qualidade e um ventilador provido na parte externa do anel retificador. O interior do anel possui um duto radiador e o lado interno do anel é provido de um circuito retificado trifásico do tipo ponte. CN 202334217 describes a brushless drive device comprising a rectifier ring made of high quality alloy steel and a fan provided on the outside of the rectifier ring. The interior of the ring has a radiator duct and the inner side of the ring is provided with a three phase bridge type rectified circuit.

[0017] Assim, embora o documento também apresente uma construção compacta, a solução proposta envolve um novo desenho de dispositivo de excitação. Thus, although the document also has a compact construction, the proposed solution involves a new excitation device design.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO OBJECTIVES OF THE INVENTION

[0018] É um objetivo da presente invenção proporcionar um sistema de excitação para uma máquina elétrica girante síncrona com construção compacta. It is an object of the present invention to provide an excitation system for a compact construction synchronous rotating electric machine.

[0019] É outro dos objetivos da presente invenção proporcionar um sistema de excitação que possibilite a fácil montagem e remoção do ventilador de arrefecimento do sistema. It is another object of the present invention to provide an excitation system that enables easy assembly and removal of the cooling fan from the system.

[0020] É ainda outro dos objetivos da presente invenção proporcionar um sistema de excitação que possibilite uma manutenção facilitada e a fácil remoção e substituição dos componentes. It is yet another object of the present invention to provide an excitation system that enables easy maintenance and easy removal and replacement of components.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0021] A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de um sistema de excitação compreendendo uma excitatriz principal com uma armadura de excitatriz e um campo de excitatriz, a excitatriz principal gerando uma corrente alternada; uma roda de díodos para converter a corrente alternada em corrente contínua; e um ventilador centrífugo para arrefecimento do sistema de excitação. O ventilador centrífugo é concentricamente montado sobre a roda de díodos, em configuração de encaixe removível. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION [0021] The present invention achieves the above objectives by means of an excitation system comprising a main exciter with an exciter armature and an exciter field, the main exciter generating an alternating current; a diode wheel for converting alternating current to direct current; and a centrifugal fan for cooling the excitation system. The centrifugal fan is concentrically mounted on the diode wheel in a removable socket configuration.

[0022] Em uma primeira concretização da presente invenção, a roda de díodos possui um aro circular externo definindo uma superfície externa e o encaixe removível do ventilador centrífugo é realizado por interferência sobre tal superfície externa da roda de díodos. In a first embodiment of the present invention, the diode wheel has an outer circular rim defining an outer surface and the removable fitting of the centrifugal fan is realized by interference on such an outer surface of the diode wheel.

[0023] Em uma segunda concretização da invenção, o encaixe removível do ventilador centrífugo é realizado com um ajuste folgado e o ventilador é fixado à roda de díodos por meio de parafusos. [0023] In a second embodiment of the invention, the removable fitting of the centrifugal fan is performed with a loose fit and the fan is fixed to the diode wheel by means of screws.

[0024] Na concretização preferida da presente invenção, o sistema de excitação compreende ainda uma excitatriz auxiliar que possui uma parte de rotor e uma parte estática. In the preferred embodiment of the present invention, the excitation system further comprises an auxiliary exciter having a rotor part and a static part.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0025] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais: The present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings in which:

[0026] [Figura 1] é uma vista em perspectiva explodida do sistema de excitação de acordo com uma primeira concretização da presente invenção; [Fig. 1] is an exploded perspective view of the excitation system according to a first embodiment of the present invention;

[0027] [Figura 2] é uma vista esquemática em corte parcial do sistema de excitação de acordo com uma concretização preferida da presente invenção, mostrando o sentido do fluxo de ar durante a aspiração da vazão de ar do sistema de expiração; [0027] [Figure 2] is a schematic partial sectional view of the excitation system according to a preferred embodiment of the present invention showing the direction of air flow during aspiration of the exhalation system air flow;

[0028] [Figura 3] é uma vista esquemática em corte parcial do sistema de excitação de acordo com uma concretização preferida da presente invenção, mostrando o sentido do fluxo de ar durante a insuflação da vazão de ar do sistema de excitação; e [Fig. 3] is a schematic partial cross-sectional view of the excitation system according to a preferred embodiment of the present invention showing the direction of air flow during air flow insufflation of the excitation system; and

[0029] [Figura 4] é uma vista em perspectiva e em corte transversal de uma segunda concretização da presente invenção. [Figure 4] is a perspective and cross-sectional view of a second embodiment of the present invention.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0030] A presente invenção será descrita a seguir com base em dois exemplos de concretizações mostradas nas figuras. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention will be described below based on two examples of embodiments shown in the figures.

[0031] A figura 1 mostra uma vista explodida de uma primeira concretização do sistema de excitação para máquina elétrica girante síncrona da presente invenção. Figure 1 shows an exploded view of a first embodiment of the synchronous rotating electric machine excitation system of the present invention.

[0032] A excitatriz principal compreende uma armadura de excitatriz 1 , que é um componente rotativo, e um campo de excitatriz 2, que é um componente estático. O campo de excitatriz 2 alimenta a máquina elétrica (não mostrada) através de uma ponte retificadora ou roda de diodos 3. The main exciter comprises an exciter armature 1, which is a rotary component, and an exciter field 2, which is a static component. Exciter field 2 feeds the electric machine (not shown) through a rectifier bridge or diode wheel 3.

[0033] A roda de diodos 3 converte a corrente alternada oriunda da excitatriz principal para corrente continua para alimentação da máquina elétrica. [0033] Diode wheel 3 converts alternating current from the main exciter to direct current for power to the electrical machine.

[0034] O sistema da presente invenção inclui ainda um ventilador dedicado 4 para arrefecimento do sistema de excitação. The system of the present invention further includes a dedicated fan 4 for cooling the excitation system.

[0035] No sistema da presente invenção, o ventilador 4 é um ventilador centrífugo montado externamente à roda de diodos 3. In the system of the present invention, fan 4 is a centrifugal fan mounted externally to the diode wheel 3.

[0036] Na presente invenção, o ventilador centrífugo é concentricamente montado sobre a roda de diodos, com uma configuração de encaixe removível. In the present invention, the centrifugal fan is concentrically mounted on the diode wheel, with a removable socket configuration.

[0037] Assim, a roda de diodos possui um aro circular externo definindo uma superfície externa 3a. Em uma primeira concretização da invenção, mostrada nas figuras 1 a 3, o ventilador 4 é montado concentricamente e por interferência sobre a superfície externa 3a da roda de diodos. Thus, the diode wheel has an outer circular rim defining an outer surface 3a. In a first embodiment of the invention, shown in figures 1 to 3, the fan 4 is mounted concentrically and by interference on the outer surface 3a of the diode wheel.

[0038] Já na segunda concretização da invenção, mostrada na figura 4, o ventilador centrífugo 4 é montado concentricamente e por meio de ajuste com folga sobre a superfície externa 3a da roda de diodos 3, e fixado na roda através de parafusos 7. Already in the second embodiment of the invention, shown in Figure 4, the centrifugal fan 4 is mounted concentrically and by slack adjustment on the outer surface 3a of the diode wheel 3, and fixed to the wheel by screws 7.

[0039] Conforme mostrado na figura 4, nessa concretização, a roda de diodos 3 possui orifícios 3b para recepção dos parafusos 7. Ainda na segunda concretização da presente invenção, o ventilador 4 possui uma aba plana circular 4a que é sobreposta, com folga, sobre a superfície externa 3a da roda de diodos 3, e orifícios 4b, correspondentes aos orifícios 3b da roda de diodos 3, para recepção dos parafusos 7. As shown in Figure 4, in that embodiment, the diode wheel 3 has screw receiving holes 3b 7. Still in the second embodiment of the present invention, the fan 4 has a circular flat flap 4a which is overlapped, with clearance, on the outer surface 3a of the diode wheel 3, and holes 4b corresponding to the holes 3b of the diode wheel 3 for receiving the screws 7.

[0040] Deve ser ressaltado que o ventilador centrífugo 4 da presente invenção é uma peça independente da roda de diodos 3 e pode ser facilmente separada / removida da mesma quando desejado. It should be noted that the centrifugal fan 4 of the present invention is an independent part of the diode wheel 3 and can be easily separated / removed from it when desired.

[0041] Com essa configuração, o comprimento total do sistema de excitação é reduzido, otimizando o espaço disponível e reduzindo o custo dos componentes. With this configuration, the overall length of the excitation system is reduced, optimizing available space and reducing component costs.

[0042] Além disso, o fato do ventilador 4 ser uma peça separada da roda de díodos 3 permite que os componentes estáticos do sistema de excitação possam ser removidos facilmente após a retirada do ventilador 4. De fato, solução proposta pela presente invenção possibilita uma manutenção e substituição facilitada dos componentes, o que gera economia de tempo e custo. Moreover, the fact that the fan 4 is a separate part of the diode wheel 3 allows the static components of the excitation system to be easily removed after the fan 4 is removed. In fact, the solution proposed by the present invention enables a easy maintenance and replacement of components, saving time and cost.

[0043] A figura 2 mostra o fluxo da vazão de ar do sistema de excitação quando [0043] Figure 2 shows the flow of air flow from the excitation system when

0 ventilador é acionado para aspiração. Já a figura 3 o fluxo da vazão de ar do sistema de excitação quando o ventilador é acionado para insuflação. The fan is activated for suction. Figure 3 shows the air flow of the excitation system when the ventilator is activated for insufflation.

[0044] Nota-se que a montagem do ventilador 3 e roda de díodos possibilita uma construção extremamente compacta do sistema de excitação, mas, ao mesmo tempo, permite que o ar flua eficientemente pelos componentes do sistema. It is noted that the assembly of the fan 3 and diode wheel enables extremely compact construction of the excitation system, but at the same time allows air to flow efficiently through the system components.

[0045] Na primeira concretização da presente invenção, mostrada nas figuras In the first embodiment of the present invention shown in the figures

1 a 3, o sistema de excitação compreende ainda uma excitatriz auxiliar, a qual fornece alimentação de potência ao regulador de tensão da excitatriz principal. 1 to 3, the excitation system further comprises an auxiliary exciter which provides power to the main exciter voltage regulator.

[0046] A excitatriz auxiliar na concretização mostrada é um gerador de ímãs permanentes e possui uma parte de rotor 5 e uma parte estática 6. O rotor 5 da excitatriz auxiliar é conectado ao eixo da máquina elétrica (não mostrado). The auxiliary exciter in the embodiment shown is a permanent magnet generator and has a rotor part 5 and a static part 6. The auxiliary exciter rotor 5 is connected to the electrical machine shaft (not shown).

[0047] Embora as figuras mostrem um sistema de excitação com um gerador de ímãs permanente, deve ser entendido que a solução da presente invenção poderia ser aplicada em sistemas com outro tipo de alimentação de regulador, como, por exemplo, alimentação via rede ou por uma excitatriz auxiliar na forma de bobina auxiliar. Although the figures show an excitation system with a permanent magnet generator, it should be understood that the solution of the present invention could be applied to systems with another type of regulator power, such as mains or power supply. an auxiliary exciter in the form of an auxiliary coil.

[0048] Tendo sido descrito dois exemplos de concretizações preferidas do sistema de excitação da presente invenção, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras variações possíveis do conceito inventivo descrito, sendo limitadas tão somente pelo teor das reivindicações, aí incluídos os possíveis equivalentes. Having described two examples of preferred embodiments of the excitation system of the present invention, it is to be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations of the described inventive concept, being limited only by the content of the claims, including the possible equivalent.

Claims

1 /1 1/1

Reivindicações Claims

[Reivindicação 1 ] Sistema de excitação para uma máquina elétrica girante síncrona, o sistema compreendendo: [Claim 1] Excitation system for a synchronous rotating electric machine, the system comprising:

uma excitatriz principal compreendendo uma armadura de excitatriz (1 ) e um campo de excitatriz (2), a excitatriz principal gerando uma corrente alternada, uma roda de díodos (3) para converter a corrente alternada em corrente contínua; e a main exciter comprising an exciter armature (1) and an exciter field (2), the main exciter generating an alternating current, a diode wheel (3) for converting the alternating current into direct current; and

um ventilador centrífugo (4) para arrefecimento do sistema de excitação; a centrifugal fan (4) for cooling the excitation system;

o sistema sendo caracterizado em que o ventilador centrífugo (4) é concentricamente montado sobre a roda de díodos em configuração de encaixe removível. The system being characterized in that the centrifugal fan (4) is concentrically mounted on the diode wheel in removable fitting configuration.

[Reivindicação 2] Sistema de excitação, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado em que a roda de díodos (3) possui um aro circular externo definindo uma superfície externa (3a), o ventilador centrífugo (4) sendo montado concentricamente e por interferência sobre a superfície externa da roda de díodos (3). [Claim 2] Excitation system according to claim 1, characterized in that the diode wheel (3) has an outer circular rim defining an outer surface (3a), the centrifugal fan (4) being mounted concentrically and by interference on the outer surface of the diode wheel (3).

[Reivindicação 3] Sistema de excitação, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado em que a roda de díodos (3) possui um aro circular externo definindo uma superfície externa (3a), o ventilador centrífugo (4) sendo montado concentricamente e por meio de ajuste com folga sobre a superfície externa (3a) da roda de díodos (3) e sendo fixado à roda de díodos (3) através de parafusos (7). [Claim 3] Excitation system according to claim 1, characterized in that the diode wheel (3) has an outer circular rim defining an outer surface (3a), the centrifugal fan (4) being mounted concentrically and by means of slack adjuster on the outer surface (3a) of the diode wheel (3) and being secured to the diode wheel (3) by screws (7).

[Reivindicação 4] Sistema de excitação, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado em que: [Claim 4] Excitation system according to claim 3, characterized in that:

a roda de díodos (3) possui orifícios (3b) para recepção dos parafusos (7); the diode wheel (3) has holes (3b) for receiving the screws (7);

o ventilador centrífugo (4) possui uma aba plana circular (4a) que é sobreposta, com folga, sobre a superfície externa (3a) da roda de díodos 3; e the centrifugal fan (4) has a circular flat flap (4a) which is overlapped loosely on the outer surface (3a) of the diode wheel 3; and

o ventilador centrífugo (4) possui orifícios (4b), correspondentes aos orifícios (3b) da roda de díodos (3), para recepção dos parafusos (7). the centrifugal fan (4) has holes (4b) corresponding to the holes (3b) of the diode wheel (3) for receiving the screws (7).

[Reivindicação 5] Sistema de excitação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por compreender ainda uma excitatriz auxiliar que possui uma parte de rotor (5) e uma parte estática (6). [Claim 5] Excitation system according to any one of claims 1 to 4, further comprising an auxiliary exciter having a rotor part (5) and a static part (6).