BR102018015889B1 - Circuito de campo principal de gerador elétrico e método para uso com gerador elétrico - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um circuito de campo principal de um gerador elétrico com um sistema e método associados. O circuito de campo principal compreende um enrolamento de campo principal configurado para conduzir uma corrente de campo principal e um enrolamento de contracampo disposto próximo ao enrolamento de campo principal. O circuito de campo principal também compreende um elemento de comutação configurado para acoplar de maneira seletiva pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo e reduzir a magnitude da corrente de campo principal. A acoplagem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo pode ser efetuada em resposta a uma ou mais condições predefinidas, tais como uma condição de falha de carga predefinida e a permissão de uma operação predefinida de enfraquecimento de campo.

Description

ANTECEDENTES

[01] A presente invenção refere-se, em geral, a geradores elétri cos e de maneira mais específica, a técnicas para lidar com os efeitos indesejados da corrente de campo principal em um gerador elétrico que ocorrem em determinadas condições. Os geradores são usados para produzir a maior parte da energia das redes de energia elétrica atuais. Esses geradores, os quais podem ser geradores sincrônicos ou geradores de ímãs permanentes, por exemplo, são usados para converter energia mecânica proveniente de combustão interna, fontes eólica, nuclear e hidráulica, por exemplo, em energia elétrica. Os geradores modernos podem produzir centenas de megawatts individualmente.

[02] Os geradores modernos com rotor bobinado incluem um ro tor e um estator, cada um com um ou mais enrolamentos elétricos. Um campo magnético sobre o rotor em rotação é gerado por uma corrente que passa através do enrolamento do rotor, o qual induz uma corrente elétrica no(s) enrolamento(s) do estator e cria eletricidade de corrente alternada (AC). A tensão de saída do gerador pode ser controlada por meio do controle de fluxo de corrente no enrolamento do rotor (e, portanto, a resistência do campo magnético que induz uma tensão sobre o(s) enrolamento(s) do estator). Em alguns casos, o fluxo de corrente no enrolamento do rotor pode ser suprido por uma conexão elétrica direta com o controlador do gerador usando-se, por exemplo, anéis coletores. Em outros casos, o fluxo de corrente pode ser controlado a partir do controlador do gerador usando-se um enrolamento de armadura no rotor por meio de indução eletromagnética. Uma ou mais cargas podem ser conectadas e energizadas pela saída do estator. Em alguns exem-plos, a saída do estator pode ser retificada para produzir eletricidade de corrente direta (CD).

[03] Durante uma condição de falha de carga, tal como uma falha do tipo curto-circuito que ocorre na carga, a energia elétrica distribuída pelo gerador elétrico para a carga deve ser limitada para reduzir a gravidade das consequências da falha. No entanto, mesmo se o controlador do gerador puder desligar a corrente da excitatriz, o campo magnético do rotor não irá imediatamente cair para zero devido à energia magnética armazenada nos enrolamentos de campo principal e a uma constante de tempo relativamente grande. Essa condição resulta na corrente do campo de roda livre ("free-wheeling") através dos componentes do rotor que, por sua vez, fazem a armadura principal continuar produzindo corrente. Infelizmente, essa corrente está sendo provida para um curto- circuito, agravando o problema. Isso torna difícil desobstruir a falha de carga (já que ela ainda está sendo energizada) e pode superaquecer tanto o rotor quanto o estator. Se tal condição persistir por tempo longo o bastante, há o risco de dano permanente à carga, ao sistema de distribuição e/ou ao gerador. Para lidar com esses e outros problemas, a presente invenção é apresentada.

SUMÁRIO

[04] De acordo com um ou mais exemplos, um circuito de campo principal de um gerador elétrico compreende um enrolamento de campo principal configurado para conduzir uma corrente de campo principal, e um enrolamento de contracampo disposto próximo ao enrolamento de campo principal. O circuito de campo principal também compreende um elemento de comutação configurado para acoplar de maneira seletiva pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo para reduzir a magnitude da corrente de campo principal.

[05] De acordo com um ou mais exemplos, um sistema compre ende um gerador elétrico compreendendo: um primeiro enrolamento do rotor configurado para conduzir uma corrente de campo principal e um segundo enrolamento do rotor disposto próximo ao enrolamento de campo principal. O sistema também compreende um primeiro elemento de comutação disposto em série com o segundo enrolamento do rotor, e um controlador configurado para operar o primeiro elemento de comutação para acoplar de maneira seletiva pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao segundo enrolamento do rotor para reduzir a magnitude da corrente de campo principal.

[06] De acordo com um ou mais exemplos, um método para uso com um gerador elétrico compreende conduzir uma corrente de campo principal por meio de um enrolamento de campo principal do gerador elétrico e, em resposta a uma condição predefinida, acoplar pelo menos uma porção da corrente de campo principal a um enrolamento de contracampo que está disposto próximo ao enrolamento de campo principal. A acoplagem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo opera para reduzir a magnitude da corrente de campo principal.

[07] As características, funções e vantagens que foram discutidas aqui podem ser obtidas de forma independente em vários exemplos ou podem ser combinadas em outros exemplos, cujos detalhes adicionais podem ser vistos com referência à descrição a seguir e aos desenhos em anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[08] Para que as características da presente invenção menciona das acima possam ser compreendidas em detalhe, uma descrição mais particular da invenção, que foi brevemente sintetizada acima, pode ser obtida por meio de referência a exemplos, alguns dos quais são ilustrados nos desenhos em anexo. No entanto, é válido ressaltar que os desenhos em anexo ilustram apenas típicos exemplos da presente invenção, não devendo, portanto, ser considerados como limitadores de seu escopo, visto que invenção admite outros exemplos igualmente eficazes.

[09] A figura 1 é um diagrama em bloco que ilustra um gerador elétrico com três estágios.

[010] A figura 2 é um esquema de circuito que ilustra um gerador elétrico durante uma condição de falha de carga.

[011] A figura 3 é um esquema de circuito que ilustra uma opera ção normal exemplar de um gerador elétrico que possui um enrolamento de contracampo, de acordo com os exemplos descritos aqui.

[012] A figura 4 é um esquema de circuito que ilustra uma opera ção com falha de carga exemplar de um gerador elétrico que possui um enrolamento de contracampo, de acordo com os exemplos descritos aqui.

[013] A figura 5A é um diagrama que ilustra um rotor que possui uma pluralidade de fendas durante uma operação normal exemplar, de acordo com os exemplos descritos aqui.

[014] A figura 5B é um diagrama que ilustra um rotor que possui uma pluralidade de fendas durante uma operação com falha de carga exemplar, de acordo com os exemplos descritos aqui.

[015] A figura 6 é um método para uso com um gerador elétrico, de acordo com os exemplos descritos aqui.

[016] Para facilitar a compreensão, numerais de referência idênti cos foram usados, sempre que possível, para designar elementos idênticos que são comuns às figuras. É contemplado que os elementos descritos em um exemplo podem ser beneficamente utilizados em outros exemplos sem menção específica. As ilustrações mencionadas aqui não devem ser interpretadas como se estivessem desenhadas em escala, a menos que especificamente sinalizado. Além disso, os desenhos estão em geral na forma simplificada, com detalhes ou componentes omitidos para facilitar sua apresentação e explanação. Os desenhos e discussão servem para explicar os princípios discutidos abaixo, nos quais designações iguais denotam elementos iguais.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[017] Os exemplos da presente invenção referem-se em geral a geradores elétricos e mais especificamente a técnicas para dissipar de maneira rápida a corrente de campo principal em um gerador elétrico usando-se um enrolamento de contracampo disposto próximo a um enrolamento de campo principal. O enrolamento de campo principal é configurado para conduzir uma corrente de campo principal, e o enrolamento de contracampo é disposto de modo que a corrente de campo principal flua através do enrolamento de contracampo em uma direção oposta ao enrolamento de campo principal. Em alguns casos, o campo magnético líquido gerado pelo enrolamento de campo principal e pelo enrolamento de contracampo é substancialmente zero, o que elimina em grande medida a corrente que é distribuída para a carga.

[018] Em alguns exemplos, um elemento de comutação é configu rado para acoplar de maneira seletiva pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo para reduzir a magnitude da corrente de campo principal. Alguns exemplos também podem incluir um controlador, um ou mais elementos de comutação adicionais, uma ou mais portas lógicas, e/ou um ou mais elementos de dissipação de energia. Alguns exemplos não limitantes de elementos de dissipação de energia incluem um resistor, um capacitor, uma bateria e assim por diante.

[019] Em alguns exemplos, a rápida dissipação da corrente de campo principal ocorre em resposta a uma condição predefinida, tal como uma condição de falha de carga predefinida ou à permissão de uma operação predefinida de enfraquecimento de campo. A acoplagem da porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo opera para reduzir de forma significativa a constante de tempo associada com o enrolamento de campo principal, o que no caso de uma condição de falha de carga permite que uma falha de carga seja corrigida mais rapidamente protegendo ao mesmo tempo os componentes do gerador elétrico.

[020] Em alguns exemplos, a energia no campo principal pode ser dissipada de forma autônoma e sem sinais provenientes de circuitos controle externos. Tal característica simplifica imensamente o modelo e reduz a complexidade da fiação, o que tende a aumentar a confiabilidade do sistema. Em alguns exemplos, o sistema pode ser implantado inteiramente sobre e/ou dentro do rotor. Em alguns exemplos, o sistema pode operar usando dois regimes de tensão: (1) uma tensão operacional normal (ou uma faixa de tensão normal) e (2) uma tensão fora da tensão operacional normal ou da faixa de tensão normal. Desse modo, se o sistema estiver operando em uma tensão fora da tensão operacional normal ou da faixa de tensão normal, o campo principal energia poderá ser extraído para permitir a correção da falha.

[021] Os materiais e componentes descritos posteriormente como constituintes dos vários elementos da presente invenção são apenas ilustrativos e não restritivos. Vários outros materiais e componentes ade-quados que exerceriam função idêntica ou similar aos materiais e com-ponentes descritos aqui também estão previstos dentro do escopo da invenção. Esses outros materiais e componentes não descritos aqui podem incluir, mas não se limitam a: materiais e componentes que forem concebidos após o curso de desenvolvimento da invenção.

[022] A figura 1 é um diagrama em bloco que ilustra um gerador elétrico com três estágios 100. Conforme mostrado, o gerador elétrico 100 compreende um gerador sincrônico, porém, outros tipos de geradores elétricos e/ou números de estágios também são contemplados. O gerador elétrico 100 compreende uma seção de rotação (ou "rotor") 105 e uma seção estacionária (ou "estator") 110. Dentro de um estágio 130 de ímã permanente (PMG), um ímã permanente 120 é montado sobre o rotor 105 e um ou mais enrolamentos principais 135 são montados sobre o estator 110. O rotor 105 é acoplado a uma fonte de potência mecânica, alguns exemplos não limitantes dos quais incluem um motor de combustão interna, uma turbina energizada usando-se vento, vapor ou água, e assim por diante.

[023] Em um estágio de excitatriz do gerador elétrico 100, um en rolamento do estator do campo da excitatriz 140 é montado sobre o estator 110 e é comunicativamente acoplado a uma unidade de controle do gerador 145 que está configurada para regular a corrente do campo da excitatriz gerada a partir do estágio PMG 130. No estágio da excita- triz, um ou mais enrolamentos de armadura do campo da excitatriz 150 são dispostos sobre o rotor 105. A corrente de saída dos enrolamentos de armadura do campo da excitatriz 150 é retificada por um retificador trifásico 155 para produzir uma corrente CD. A corrente CD retificada é então conduzida para o enrolamento de campo principal 160 de um estágio principal do gerador elétrico 100.

[024] O estágio principal compreende o enrolamento de campo principal 160 localizado sobre o rotor 105, e um ou mais enrolamentos de armadura principal 165 (conforme mostrado, três enrolamentos cor-respondentes à geração de potência trifásica) localizados sobre o estator 110. A saída trifásica 170 a partir dos enrolamentos de armadura principal 165 podem ser conectados a um barramento de distribuição, painel de fusíveis ou diretamente a uma ou mais cargas.

[025] Embora não mostrado, o estágio da excitatriz também pode compreender um suprimento de energia da excitatriz e um acionador da excitatriz acoplado a um ou mais enrolamentos principais 135. A unidade de controle do gerador 145 pode variar a tensão e/ou corrente do acionador da excitatriz para controlar a tensão de saída e a corrente gerada pelo gerador elétrico 100.

[026] A figura 2 é um esquema de circuito que ilustra um gerador elétrico 200 durante uma condição de falha de carga. Conforme discutido acima, um problema que ocorre no gerador elétrico 200 é quando uma carga 205 que está acoplada à saída trifásica 170 passa por uma falha de carga. Alguns exemplos não limitantes de falha de carga incluem um curto-circuito parcial ou completo que ocorre na carga 205. No caso de uma falha de carga, a unidade de controle do gerador associada (por exemplo, unidade de controle do gerador 145 da figura 1) detecta a falha de carga e desliga de maneira responsiva a corrente provida pelos enrolamentos de armadura do campo da excitatriz 150 (por exemplo, desabilitando a saída para um ou mais enrolamentos principais 135).

[027] No entanto, a redução da corrente provida pelos enrolamen tos de armadura do campo da excitatriz 150 para zero não consegue interromper a corrente de campo principal if imediatamente devido à energia acumulada no enrolamento de campo principal 160 e à constante de tempo relativamente grande associada com o circuito de campo principal 210. Visto que os diodos do retificador 155 apresentam uma resistência relativamente pequena Rd e dissipam relativamente pouca potência por meio de sua queda de tensão dianteira, o circuito RL simples formado pelo circuito de campo principal 210 possui uma constante de tempo relativamente grande (Lf / Rd), o que faz a corrente de campo principal ter uma grande amplitude por um período de tempo relativamente longo e, consequentemente, atrasa o desligamento do gerador elétrico 200.

[028] Como um resultado disso, a corrente de campo principal if continua fluindo ou em roda livre em torno do circuito de campo principal 210 resultando em uma falha de carga. Embora a corrente de campo principal if diminua lentamente durante esse momento, o gerador elétrico 200 continua suprindo corrente (ilustradas como as correntes de fase ia, ib, ic) para a carga 205 com uma falha de carga conhecida enquanto o campo principal persistir. Visto que os enrolamentos de armadura principal 165 continuam fornecendo uma corrente relativamente grande para a carga 205, torna-se difícil corrigir a falha de carga. De maneira adicional, as altas correntes nos enrolamentos de armadura principal 165 podem resultar no superaquecimento de vários componentes do gerador elétrico 200, tal como os enrolamentos e/ou um feixe de cabos (não mostrado), e também podem danificar a carga 205. Desse modo, a corrente de campo principal de roda livre if pode atrasar ou impedir o gerador elétrico 200 de voltar a funcionar, bem como causar potencialmente danos ao gerador elétrico 200 e/ou à fiação associada.

[029] A figura 3 é um esquema de circuito que ilustra uma opera ção normal exemplar de um gerador elétrico 300 que possui um enrolamento de contracampo 345, de acordo com os exemplos descritos aqui. Em alguns casos, a operação "normal" do gerador elétrico 300 corresponde à condição na qual nenhuma falha de carga é detectada. Em alguns casos, a operação "normal" do gerador elétrico 300 corresponde a uma condição na qual uma operação de enfraquecimento de campo não é permitida. Os componentes do estágio da excitatriz e do estágio principal do gerador elétrico 300 são ilustrados, enquanto os componentes do estágio PMG são omitidos.

[030] No gerador elétrico 300, o circuito de campo principal 350 compreende um controlador 305, uma porta lógica 310, um ou mais aci- onadores de comutação 315a, 315b (em geral, o acionador de comutação 315), e um ou mais elementos de comutação controláveis 320a, 320b (em geral, o elemento de comutação 320). O controlador 305 pode compreender um ou mais processadores de computador em qualquer implantação adequada. Alguns exemplos não limitantes de controlador 305 incluem um microprocessador, um processador de sinal digital (DSP), um chip integrado de aplicação específica (ASIC) e um arranjo de portas programáveis em campo (FPGA). Em outra implantação exemplar, o controlador 305 pode ser tão simples quanto um compara- dor unitário configurado para comparar uma tensão de saída com uma tensão nominal. Para tal implantação exemplar, uma operação sem falhas do gerador elétrico 300 pode corresponder à tensão nominal, e uma falha de carga é indicada por uma tensão de saída diferente da tensão nominal. Em mais uma implantação exemplar, o controlador 305 pode determinar se uma tensão de saída está ou não dentro de uma faixa de tensão predefinida, com uma falha de carga sendo indicada pela tensão de saída que estiver fora da faixa de tensão predefinida.

[031] A porta lógica 310 está comunicativamente acoplada a uma saída do controlador 305. Conforme mostrado, a porta lógica 310 provê saídas complementares para os dois acionadores de comutação 315a, 315b, os quais são usados para acionar os respectivos elementos de comutação 320a, 320b. Por exemplo, durante uma operação sem falhas do gerador elétrico 300, o controlador 305 envia um sinal de lógica "alta" para a porta lógica 310. Por sua vez, a porta lógica 310 transmite uma lógica "alta" para o acionador de comutação 315a manter o elemento de comutação 320a em um estado condutivo e transmite uma lógica "baixa" para o acionador de comutação 315b manter o elemento de comutação 320b em um estado não condutivo, e vice-versa. Embora a porta lógica 310 seja ilustrada como um elemento de armazenamento temporário complementar, uma lógica adicional ou alternativa pode ser implantada no circuito de campo principal 350. Em um exemplo alternativo, a porta lógica 310 e/ou os acionadores de comutação 315 podem estar integrados ao controlador 305.

[032] Os acionadores de comutação 315a, 315b podem ter qual quer implantação adequada. Em alguns exemplos, os acionadores de comutação 315a, 315b compreendem acionadores de porta respectivamente configurados para acionar os terminais de porta dos elementos de comutação 320a, 320b. Beneficamente, os acionadores de comutação 315a, 315b podem prover um aumento de velocidade e precisão de comutação para os altos níveis de corrente suportados pelo circuito de campo principal 350. Em um exemplo alternativo, os acionadores de comutação 315a, 315b podem ser omitidos e os elementos de comutação 320a, 320b podem ser controlados diretamente a partir da porta lógica 310 ou a partir do controlador 305.

[033] Os elementos de comutação 320a, 320b podem ter qualquer implantação adequada para a condução seletiva de corrente, a qual em alguns casos pode incluir corrente de campo principal if (ou uma porção da mesma). Alguns exemplos não limitantes dos elementos de comutação 320a, 320b incluem um diodo de comutação, transistores, tais como transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), Transistores de Junção Bipolar (BJTs), transistores de efeito de campo de metal-óxido semicondutor (MOSFETs) e assim por diante.

[034] O enrolamento de campo principal 160 é disposto entre uma primeira perna 325 e uma segunda perna 330 do circuito de campo principal 350. O circuito de campo principal 350 também compreende uma ramificação 335 disposta entre a primeira perna 325 e a segunda perna 330, e em paralelo com o enrolamento de campo principal 160. Conforme mostrado, a ramificação 335 compreende uma conexão em série entre uma resistência 340, o enrolamento de contracampo 345 e o elemento de comutação 320b.

[035] O enrolamento de contracampo 345 está disposto próximo ao enrolamento de campo principal 160. Conforme discutido aqui, "disposto próximo" indica que o campo magnético que é gerado pelo enrolamento de contracampo 345 provê uma mitigação significativa do campo magnético que é gerado pelo enrolamento de campo principal 160 (ou seja, o campo principal). Como um resultado do campo principal mitigado, a corrente suprida pelos enrolamentos de armadura principal 165 para a carga 205 (mostrada como correntes de fase ia, ib, ic) é reduzida de maneira correspondente. Desse modo, com a condução seletiva da corrente através do enrolamento de contracampo 345, o campo magnético gerado pelo enrolamento de campo principal 160 (e a corrente suprida para a carga 205) pode ser seletivamente reduzido. Em alguns exemplos, os elementos de comutação 320a e/ou 320b são usados para acoplar de maneira seletiva pelo menos uma porção da corrente de campo principal if ao enrolamento de contracampo 345 e reduzir a magnitude da corrente de campo principal if.

[036] Embora o enrolamento de campo principal 160 e o enrola mento de contracampo 345 sejam ambos ilustrados como um enrolamento singular, implantações alternativas podem incluir múltiplos enrolamentos (tais como enrolamentos segmentados) para o enrolamento de campo principal 160 e/ou para o enrolamento de contracampo 345.

[037] Em alguns exemplos, o circuito de campo principal 350 é configurado para reduzir o campo magnético líquido gerado pelo enrolamento de campo principal 160 e pelo enrolamento de contracampo 345 em uma quantidade predeterminada. Em alguns exemplos, a disposição do enrolamento de campo principal 160 e o enrolamento de contracampo 345 é definida de modo que o campo magnético líquido seja substancialmente zero, o que elimina substancialmente a corrente que é suprida para a carga 205. Em alguns exemplos, uma primeira indutância L’f do enrolamento de contracampo 345 é substancialmente igual a uma segunda indutância Lf do enrolamento de campo principal 160.

[038] Em alguns exemplos, a operação combinada do enrola mento de campo principal 160 e do enrolamento de contracampo 345 é eficaz para substancialmente eliminar a corrente que é suprida para a carga 205, de modo que nenhum elemento separado precise ser incluído no circuito de campo principal 350 para a dissipação da energia a partir da corrente de campo principal if. No entanto, devido a suas respectivas propriedades eletricamente condutivas, o enrolamento de campo principal 160 apresenta uma resistência Rf e o enrolamento de contracampo 345 também apresenta uma resistência, cada qual atuando para dissipar a energia quando a corrente flui através do respectivo enrolamento. Em alguns casos, a resistência 340 pode representar a resistência do enrolamento de contracampo 345. No entanto, em alguns casos, a ramificação 335 também pode compreender um ou mais elementos de dissipação que são configurados para absorver ou dissipar de outra forma a energia quando a corrente fluir através da ramificação 335. Em tais casos, a resistência 340 pode incluir um resistor separadamente instalado, o qual é disposto em série com o enrolamento de contracampo 345. Outros exemplos não limitantes de elementos de dissipação incluem capacitores e baterias.

[039] Em alguns exemplos, a resistência 340 da ramificação 335 é selecionada para prover uma constante de tempo desejada para o circuito de campo principal 350 quando o enrolamento de contracampo estiver disposto em paralelo com o enrolamento de campo principal 160. Por exemplo, o enrolamento de contracampo 345 e/ou um resistor separadamente instalado pode ser dimensionado para prover a resistência 340 que corresponde à constante de tempo desejada. Em alguns casos, a constante de tempo desejada também pode ser baseada na resistência Rf do enrolamento de campo principal 160. Por exemplo, na figura 4, a corrente de campo principal if é encaminhada por meio de uma conexão em série da ramificação 335 e do enrolamento de campo principal 160. A constante de tempo do equivalente circuito RL pode ser representada como:

[040] Em alguns exemplos, pelo menos uma porção da ramifica- ção 335 é fisicamente acoplada a um eixo de rotor do gerador elétrico 300 para extrair calor resistivo da ramificação 335. De maneira típica, o eixo de rotor possui uma massa relativamente grande em comparação com os componentes da ramificação 335 e pode ser adequado para extrair calor dos componentes. Em um exemplo, o enrolamento de contracampo 345 e/ou um resistor separadamente instalado são montados sobre o eixo de rotor.

[041] Durante a operação do gerador elétrico 300 em uma condi ção normal, uma corrente do campo da excitatriz ie é provida para um ou mais enrolamentos principais 135, o que induz a corrente em um ou mais enrolamentos de armadura do campo da excitatriz 150 (ilustrados como correntes de fase iea, ieb, iec). As correntes de fase iea, ieb, iec fluem para dentro do retificador 155 e cada corrente de fase iea, ieb, iec contribui para a corrente de campo principal retificada if.

[042] Uma tensão do sistema V provido para o controlador 305 pode ser definida como:

[043] Conforme mostrado, a tensão do sistema V representa uma tensão ao longo do retificador 155. Em alguns exemplos, a tensão do sistema V pode ser usada como uma fonte de potência para o controlador 305, para a porta lógica 310, para os acionadores de comutação 315 e/ou para os elementos de comutação 320. Em outros exemplos, a potência para alguns ou todos esses componentes pode ser provida usando-se uma ou mais fontes de potência externas.

[044] Durante a operação normal do gerador elétrico 300, a tensão do sistema V é positiva (ou seja, V>0). De maneira mais específica, V1 - V2 > 0 e Vi - V3 > 0. Nessas condições, o elemento de comutação 320a está em um estado condutivo e o elemento de comutação 320b está em um estado não condutivo. Desse modo, a corrente de campo principal if é provida para o enrolamento de campo principal 160, o qual induz correntes de fase ia, ib, ic que são providas para a carga 205. Com o elemento de comutação 320b em um estado não condutivo, os componentes da ramificação 335 estão em um estado de isolamento elétrico substancial em relação ao circuito de campo principal 350.

[045] Por outro lado, a figura 4 ilustra um gerador elétrico 400 que apresenta uma operação com falha de carga exemplar e que possui um enrolamento de contracampo 345, de acordo com os exemplos descritos aqui. De maneira alternativa, a figura 4 pode corresponder à operação do gerador elétrico 400 em resposta à outra condição predefinida, tal como durante uma operação predefinida de campo-enfraquecimento do gerador elétrico 400.

[046] Em resposta à detecção de uma falha da carga 205, a uni dade de controle do gerador (não mostrada) do gerador elétrico 400 desliga a corrente do campo da excitatriz para um ou mais enrolamentos principais 135. No entanto, visto que a energia do campo principal já está acumulada no enrolamento de campo principal 160, a corrente de campo principal if tende a fluir ou girar em roda livre em torno do circuito de campo principal 350. Sem a contribuição da corrente do retificador 155, a corrente de campo principal if diminui lentamente, porém, o gerador elétrico 400 não supre corrente para a carga 205 (a despeito da falha de carga conhecida) enquanto o campo principal persistir.

[047] Devido à diminuição da corrente de campo principal if, a ten são ao longo do enrolamento de campo principal 160 sofre uma inversão de polaridade (ou seja, V2 - V3 > 0). De maneira adicional, a tensão do sistema V também sofre uma inversão de polaridade (ou seja, VI - V2 < 0). Nessas condições, o elemento de comutação 320a encontra-se em um estado não condutivo e o elemento de comutação 320b encontra-se em um estado condutivo.

[048] Em um exemplo, o enrolamento de contracampo 345 é dis posto em paralelo com o enrolamento de campo principal 160 em resposta à determinação do controlador 305 de que a diferença de tensão (ou seja, a tensão do sistema V) é menor do que um valor predeterminado. A corrente de campo principal if é desse modo orientada através da ramificação 335, e não através do retificador 155 e do elemento de comutação 320a. Devido à disposição relativa do enrolamento de contracampo 345 e do enrolamento de campo principal 160, o fluxo da corrente de campo principal if através do enrolamento de contracampo 345 produz um campo magnético que mitiga o campo principal gerado pelo enrolamento de campo principal.

[049] Conforme mostrado, a mesma magnitude de corrente flui através do enrolamento de campo principal 160 e através do enrolamento de contracampo 345, porém, em direções opostas. Como um resultado disso, o campo magnético líquido é substancialmente zero e nenhuma força eletromotriz é gerada nos enrolamentos de armadura principal 165. Isso resulta em uma redução da corrente fornecida à carga 205 para substancialmente zero (ou seja, correntes de fase i’a = i’b = i’c = 0), o qual em alguns casos é efetuado de modo substancialmente instantâneo. Em qualquer evento, a redução da corrente suprida para a carga 205 é efetuada muito mais rapidamente do que a lenta redução que está associada com implantações do circuito de campo principal que possuem uma constante de tempo grande (ou seja, Lf / Rd, como no gerador elétrico 200 da figura 2). Beneficamente, a falha de carga pode ser corrigida com mais rapidez e o superaquecimento e/ou danos aos componentes do gerador elétrico 400 e/ou à carga 205 podem ser evitados.

[050] Além de permitir ou impedir a ramificação 335 de conduzir toda a quantidade de corrente de campo principal if através do enrolamento de contracampo 345, exemplos alternativos do circuito de campo principal 350 também podem controlar a quantidade de corrente que flui através do enrolamento de contracampo para a obtenção de uma redução desejada do campo magnético líquido (por exemplo, durante uma operação de campo-enfraquecimento). Em um exemplo, o circuito de campo principal 350 pode ser configurado para redirecionar apenas uma porção da corrente de campo principal if através do enrolamento de contracampo 345. Em outro exemplo, o circuito de campo principal 350 pode compreender uma fonte de corrente separada da corrente de campo principal if para conduzir uma quantidade desejada de corrente através do enrolamento de contracampo 345.

[051] A figura 5A é um diagrama 500 que ilustra um rotor que pos sui uma pluralidade de fendas, durante operação normal exemplar, de acordo com os exemplos descritos aqui. De maneira mais específica, o diagrama 500 corresponde a uma vista transversal de uma implantação com quatro polos do rotor 105. A implantação ilustrada no diagrama 500 pode ser usada em conjunto com outros exemplos, tais como os geradores elétricos 300, 400 ilustrados nas figuras 3, 4.

[052] O rotor 105 define uma pluralidade de fendas 505-1, 505-2, 505-3, 505-4 (em geral como uma fenda 505) que se estende para dentro a partir de uma superfície externa 525 do rotor 105. Cada fenda 5051, 505-2, 505-3, 505-4 inclui uma porção respectiva 510-1, 510-2, 5103, 510-4 (em geral, uma porção 510) do enrolamento de campo principal 160 e uma porção respectiva 515-1, 515-2, 515-3, 515-4 (em geral, uma porção 515) do enrolamento de contracampo 345. Conforme mostrado, as porções 510, 515 estão em uma configuração empilhada, na qual as porções 510 são dispostas mais próximas à superfície externa 525 do rotor 105 do que as porções 515. O enrolamento de campo principal 160 e o enrolamento de contracampo 345 estão eletricamente isolados um do outro e do rotor 105.

[053] Outros arranjos também são possíveis para uma redução adequada do campo magnético líquido produzido pelo enrolamento de campo principal 160 e do enrolamento de contracampo 345. Em um exemplo, cada fenda 505 pode incluir porções respectivas 510, 515 organizadas lado a lado (por exemplo, substancialmente na mesma distância da superfície externa 525 do rotor 105). Em outros exemplos, as porções 510, 515 não precisam estar nas mesmas fendas 505, podendo ser dispostas de modo que os campos magnéticos produzidos pelas porções 515 possam mitigar de forma adequada os campos magnéticos produzidos pelas porções 510.

[054] Durante a operação normal do gerador elétrico (por exemplo, nenhuma falha de carga detectada, nenhuma operação de enfraquecimento de campo permitida), a corrente de campo principal flui através das porções 510-1, 510-3 em uma primeira direção (conforme visualizada fora da página) e através da porção 510-2, 510-4 em uma segunda direção (conforme visualizada dentro da página). Não há substancialmente nenhuma corrente fluindo através do enrolamento de contracampo 345.

[055] O fluxo de corrente através de cada uma das porções 510-1, 510-2, 510-3, 510-4 induz um campo magnético respectivo 520-1, 5202, 520-3, 520-4 (em geral, um campo magnético 520). Conforme visualizado, os campos magnéticos 520-1, 520-3 possuem linhas de campo magnético em uma direção anti-horária e os campos magnéticos 520-2, 520-4 possuem linhas de campo magnético em uma direção horária. Os campos magnéticos 520 se acoplam aos enrolamentos de armadura principal (por exemplo, enrolamentos de armadura principal 165 das figuras 3, 4) para suprir corrente a uma carga conectada.

[056] Por outro lado, a figura 5B é um diagrama 550 que ilustra um rotor que possui uma pluralidade de fendas durante uma operação com falha de carga exemplar, de acordo com os exemplos descritos aqui. De maneira alternativa, o diagrama 550 pode corresponder a uma condição predefinida, tal como uma operação predefinida de enfraquecimento de campo do gerador elétrico. No diagrama 550, a corrente flui através das porções 515-1, 515-2, 515-3, 515-4 do enrolamento de contracampo 345. Dentro de cada fenda 505, a corrente flui através da porção respectiva 515 em uma direção oposta à direção da corrente de campo principal na porção respectiva 510. Desse modo, os campos magnéticos gerados pelas porções 515 neutralizam (ou mitigam) os campos magnéticos gerados pelas porções 510.

[057] Conforme mostrado, o campo magnético líquido é substan cialmente zero, o que pode corresponder a um caso no qual toda a quantidade de corrente de campo principal é orientada através do enrolamento de campo principal 160 e do enrolamento de contracampo 345, e no qual as indutâncias do enrolamento de campo principal 160 e do enrolamento de contracampo 345 são substancialmente iguais. Em outros exemplos, os campos magnéticos gerados pelas porções 515 não precisam mitigar completamente os campos magnéticos gerados pelas porções 510.

[058] A figura 6 é um método 600 para uso com um gerador elé trico, de acordo com os exemplos descritos aqui. O método 600 pode ser usado em conjunto com outros exemplos, tal como o circuito de campo principal 350 ilustrado nas figuras 3, 4.

[059] O método 600 começa no bloco 605, onde o circuito de campo principal conduz uma corrente de campo principal através de um enrolamento de campo principal do gerador elétrico. No bloco 615 e em resposta a uma condição predefinida, o circuito de campo principal acopla pelo menos uma porção da corrente de campo principal a um enrolamento de contracampo que está disposto próximo ao enrolamento de campo principal. Em um exemplo, a condição predefinida compreende uma condição de falha de carga predefinida. Em outro exemplo, a condição predefinida compreende a permissão de uma operação predefinida de enfraquecimento de campo do gerador elétrico.

[060] A acoplagem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo opera para reduzir a magnitude da corrente de campo principal. Em um exemplo, a acopla- gem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo compreende operar um elemento de comutação para dispor o enrolamento de contracampo em paralelo com o enrolamento de campo principal entre uma primeira perna e uma segunda perna de um circuito de campo principal do gerador elétrico. Em um exemplo, uma primeira indutância do enrolamento de contracampo é substancialmente igual a uma segunda indutância do enrolamento de campo principal, e toda a quantidade de corrente de campo principal é acoplada ao enrolamento de contracampo. O método 600 termina acompanhando a conclusão do bloco 615.

[061] Além disso, a descrição compreende exemplos de acordo com as seguintes cláusulas:

[062] Cláusula 1. Um circuito de campo principal de um gerador elétrico, o circuito de campo principal compreendendo: um enrolamento de campo principal configurado para conduzir uma corrente de campo principal; um enrolamento de contracampo disposto próximo ao enrolamento de campo principal; e um elemento de comutação configurado para acoplar de maneira seletiva pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo para reduzir a magnitude da corrente de campo principal.

[063] Cláusula 2. O circuito de campo principal de cláusula 1, no qual o elemento de comutação é configurado para acoplar pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo em resposta à detecção de uma condição de falha de carga pre- definida.

[064] Cláusula 3. O circuito de campo principal de cláusula 1, no qual uma primeira indutância do enrolamento de contracampo é subs-tancialmente igual a uma segunda indutância do enrolamento de campo principal.

[065] Cláusula 4. O circuito de campo principal de cláusula 1, no qual o gerador elétrico compreende um rotor definindo uma pluralidade de fendas, no qual cada fenda da pluralidade de fendas inclui uma porção respectiva do enrolamento de campo principal e uma porção respectiva do enrolamento de contracampo.

[066] Cláusula 5. O circuito de campo principal de cláusula 1, no qual a acoplagem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo compreende dispor o enrolamento de contracampo em paralelo com o enrolamento de campo principal entre uma primeira perna e uma segunda perna do circuito de campo principal.

[067] Cláusula 6. O circuito de campo principal de cláusula 5, no qual a disposição do enrolamento de contracampo em paralelo com o enrolamento de campo principal ocorre em resposta à determinação de que a diferença de tensão entre a primeira perna e a segunda perna é menor do que um valor predeterminado.

[068] Cláusula 7. O circuito de campo principal de cláusula 5, no qual o enrolamento de contracampo está incluído em uma ramificação disposta entre a primeira perna e a segunda perna, no qual a resistência da ramificação é selecionada para prover uma constante de tempo desejada para o circuito de campo principal quando o enrolamento de contracampo estiver disposto em paralelo com o enrolamento de campo principal.

[069] Cláusula 8. O circuito de campo principal de cláusula 7, no qual pelo menos uma porção da ramificação é fisicamente acoplada a um eixo de rotor do gerador elétrico para transferir calor resistivo para longe da ramificação.

[070] Cláusula 9. Um sistema que compreende um gerador elétrico compreendendo: um primeiro enrolamento do rotor configurado para conduzir uma corrente de campo principal; um segundo enrolamento do rotor disposto próximo ao enrolamento de campo principal; um primeiro elemento de comutação disposto em série com o segundo enrolamento do rotor; e um controlador configurado para operar o primeiro elemento de comutação para acoplar de maneira seletiva pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao segundo enrolamento do rotor e reduzir a magnitude da corrente de campo principal.

[071] Cláusula 10. O sistema de cláusula 9, no qual o controlador é configurado para operar o primeiro elemento de comutação em um estado condutivo em resposta à detecção de uma condição de falha de carga predefinida.

[072] Cláusula 11. O sistema de cláusula 10, também compreen dendo: um segundo elemento de comutação, no qual o controlador também é configurado para operar o segundo elemento de comutação e seletivamente impedir uma corrente de armadura da excitatriz de ser adicionada ao enrolamento de campo principal.

[073] Cláusula 12. O sistema de cláusula 9, no qual uma primeira indutância do primeiro enrolamento do rotor é substancialmente igual a uma segunda indutância do segundo enrolamento do rotor.

[074] Cláusula 13. O sistema de cláusula 9, no qual o gerador elé trico também compreende um rotor definindo uma pluralidade de fendas, no qual cada fenda da pluralidade de fendas inclui uma porção respectiva do primeiro enrolamento do rotor e uma porção respectiva do segundo enrolamento do rotor.

[075] Cláusula 14. O sistema de cláusula 9, no qual a acoplagem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal dentro do segundo enrolamento do rotor compreende dispor o segundo enrolamento do rotor em paralelo com o primeiro enrolamento do rotor entre uma primeira perna e uma segunda perna de um circuito de campo principal do gerador elétrico.

[076] Cláusula 15. O sistema de cláusula 14, no qual a disposição do segundo enrolamento do rotor em paralelo com o primeiro enrolamento do rotor ocorre em resposta à determinação do controlador de que a diferença de tensão entre a primeira perna e a segunda perna é menor do que um valor predeterminado.

[077] Cláusula 16. Um método para uso com um gerador elétrico, o método compreendendo: conduzir uma corrente de campo principal através de um enrolamento de campo principal do gerador elétrico; e em resposta a uma condição predefinida, acoplar pelo menos uma porção da corrente de campo principal a um enrolamento de contracampo que está disposto próximo ao enrolamento de campo principal, no qual a acoplagem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo opera para reduzir a magnitude da corrente de campo principal.

[078] Cláusula 17. O método de cláusula 16, no qual a condição predefinida compreende uma condição de falha de carga predefinida.

[079] Cláusula 18. O método de cláusula 16, no qual a condição predefinida compreende permitir uma operação predefinida de enfraquecimento de campo do gerador elétrico.

[080] Cláusula 19. O método de cláusula 16, no qual uma primeira indutância do enrolamento de contracampo é substancialmente igual a uma segunda indutância do enrolamento de campo principal.

[081] Cláusula 20. O método de cláusula 16, no qual a acoplagem de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo compreende operar um elemento de comutação para dispor o enrolamento de contracampo em paralelo com o enrolamento de campo principal entre uma primeira perna e uma segunda perna de um circuito de campo principal do gerador elétrico.

[082] Anteriormente, referência foi feita a exemplos apresentados nesta descrição. No entanto, o escopo da presente invenção não se limita aos exemplos específicos descritos. Ao invés disso, qualquer combinação das características e elementos descritos, estejam relacionados a diferentes exemplos ou não, está prevista na implantação e prática dos exemplos contemplados. Ademais, embora os exemplos descritos aqui possam apresentar vantagens em relação a outras soluções possíveis ou à técnica anterior, o fato de uma vantagem particular ser obtida ou não por um determinado exemplo não limita o escopo da presente invenção. Desse modo, os aspectos, características, exemplos e vantagens supracitados são considerados meramente ilustrativos e não limitações das reivindicações em anexo, exceto quando for explicitamente indicado na(s) reivindicação(ões).

[083] O fluxograma e os diagramas em bloco nas figuras ilustram a arquitetura, funcionalidade e operação de possíveis implantações de sistemas, métodos e produtos do tipo programa de computador de acordo com vários exemplos. Nesse sentido, cada bloco no fluxograma ou nos diagramas em bloco pode representar um módulo, um segmento ou parte de um código que compreende uma ou mais instruções executáveis para implementação da(s) função(ões) lógica(s) especificada(s). Também é válido ressaltar que, em algumas implantações alternativas, as funções anotadas no bloco podem ocorrer fora da ordem sinalizada nas figuras. Por exemplo, dois blocos mostrados em sucessão podem, na realidade, ser executados de forma substancialmente concomitante, ou às vezes os blocos podem ser executados na ordem inversa dependendo da funcionalidade envolvida. Também é válido ressaltar que cada bloco na ilustração de diagramas em bloco e/ou fluxograma, e as combinações de blocos na ilustração de diagramas em bloco e/ou fluxo- grama, podem ser implantadas por sistemas baseados em hardware de propósito especial, os quais executam as funções ou atos especificados, ou por combinações de instruções de hardware e computador de propósito especial.

[084] Em vista da descrição supracitada, o escopo da presente in venção é determinado pelas reivindicações a seguir.

Claims (11)

1. Circuito de campo principal (350) para um gerador elétrico (300, 400), o circuito de campo principal sendo caracterizado por compreender: um retificador (155); um enrolamento de campo principal (160) configurado para conduzir uma corrente de campo principal, em que um primeiro lado do enrolamento de campo principal (160) é acoplado a uma primeira saída do retificador (155) e um segundo lado do enrolamento de campo principal (160) é acoplado à segunda saída do retificador (155); um enrolamento de contracampo (345) disposto próximo ao enrolamento de campo principal (160); e um elemento de comutação (320b) que é disposto em série com o enrolamento de contracampo (345) e é configurado para acoplar de maneira seletiva, em resposta a uma condição predefinida, pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo (345) para reduzir a magnitude da corrente de campo principal com um primeiro lado do enrolamento de contracampo (345) acoplado à primeira saída do retificador (155) e um segundo lado do enrolamento de contracampo (345) acoplado à segunda saída do retificador (155); em que o acoplamento de pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo (345) compreende dispor o enrolamento de contracampo (345) em paralelo com o enrolamento de campo principal (160) entre a primeira saída do retifica- dor (155) e a segunda saída do retificador (155).

2. Circuito de campo principal, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de comutação é configurado para acoplar pelo menos uma porção da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo em resposta à detecção de uma condição de falha de carga predefinida.

3. Circuito de campo principal, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que uma primeira indutância do enrolamento de contracampo é substancialmente igual a uma segunda in- dutância do enrolamento de campo principal.

4. Circuito de campo principal, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o gerador elétrico compreende um rotor (105) definindo uma pluralidade de fendas (505), no qual cada fenda da pluralidade de fendas inclui uma porção respectiva (510) do enrolamento de campo principal e uma porção respectiva (515) do enrolamento de contracampo.

5. Circuito de campo principal, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a disposição do enrolamento de contracampo (345) em paralelo com o enrolamento de campo principal (160) ocorre em resposta à determinação de que a diferença de tensão entre a primeira saída do retificador (155) e a segunda saída do retificador (155) é menor do que um valor predeterminado.

6. Circuito de campo principal, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o enrolamento de contracampo (345) é incluído em uma ramificação (335) disposta entre a primeira saída do retificador (155) e a segunda saída do retificador (155), no qual uma resistência da ramificação (335) é selecionada para prover uma constante de tempo desejada para o circuito de campo principal quando o enrolamento de contracampo (345) estiver disposto em paralelo com o enrolamento de campo principal (160).

7. Circuito de campo principal, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção da ramificação (335) é fisicamente acoplada a um eixo de rotor do gerador elétrico (300) para extrair calor resistivo da ramificação (335).

8. Método (600) para uso com um gerador elétrico (300, 400), o método sendo caracterizado pelo fato de que compreende: conduzir (605) uma corrente de campo principal através de um enrolamento de campo principal (160) do gerador elétrico, a corrente de campo principal fluindo de uma primeira saída de um retificador (155) para um primeiro lado do enrolamento de campo principal (160) e de um segundo lado do enrolamento de campo principal (160) para uma segunda saída do retificador (155); e em resposta a uma condição predefinida, acoplar (615) pelo menos uma porção da corrente de campo principal a um enrolamento de contracampo (345) que está disposto próximo ao enrolamento de campo principal (160), a porção da corrente de campo principal fluindo da segunda saída do retificador (155) para a primeira saída do retifica- dor (155), no qual a acoplagem de pelo menos uma porção (510) da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo (345) opera para reduzir uma magnitude da corrente de campo principal; e no qual a acoplagem de pelo menos uma porção (510) da corrente de campo principal ao enrolamento de contracampo (345) compreende operar um elemento de comutação (320b) disposto em série ao enrolamento de contracampo (345) para dispor o enrolamento de contracampo (345) em paralelo ao enrolamento de campo principal (160) entre a primeira saída do retificador (155) e a segunda saída do retificador (155).

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a condição predefinida compreende uma condição de falha de carga predefinida.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a condição predefinida compreende a permissão de uma operação predefinida de enfraquecimento de campo do gerador elétrico.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que uma primeira indutância do enrolamento de contracampo (345) é substancialmente igual a uma segunda indutância do enrolamento de campo principal.