BR112020012412A2

BR112020012412A2 - arranjo para a excitação elétrica do rotor de máquina elétrica e método para a operação

Info

Publication number: BR112020012412A2
Application number: BR112020012412-5A
Authority: BR
Inventors: Thomas Hildinger
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-11-24
Also published as: EP3729616B1; WO2019120707A1; CN111527682A; CA3086221A1; EP3729616A1; US11336157B2; US20210367487A1; CN111527682B; DE102017131050B3

Abstract

Arranjo para a excitação elétrica do rotor de uma máquina elétrica, em que o desgaste dos contatos deslizantes em condições operacionais com baixa densidade de corrente nos contatos deslizantes é reduzido pela linha de alimentação adicional de uma corrente alternada sobreposta à corrente contínua, em que os polos do rotor atuam como um circuito aberto em relação à corrente alternada através de um capacitor co-rotativo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “ARRANJO PARA A EXCITAÇÃO ELÉTRICA DO ROTOR DE MÁQUINA ELÉTRICA E MÉTODO PARA A OPERAÇÃO".

[001] A presente invenção refere-se a um arranjo para excitação elétrica do rotor de uma máquina elétrica e a um método para operação dessa máquina elétrica. A presente invenção refere-se a máquinas elétricas que são excitadas com corrente contínua.

[002] No caso de muitas máquinas elétricas, o rotor é eletricamente excitado por meio de contatos deslizantes. Em muitas máquinas elétricas, o rotor é eletricamente excitado por meio de contatos deslizantes. A corrente necessária para operar a máquina elétrica no rotor é alimentada através dos contatos deslizantes formados desta maneira.

[003] Durante a operação da máquina elétrica, os elementos de contato deslizante estão sujeitos a desgaste mais ou menos severo. Se um ou mais elementos de contato deslizantes estiverem desgastados, será necessária uma medida de serviço, o que leva a tempos de paralisação geradores de custos. Para retardar a falha da máquina elétrica o maior tempo possível por essa causa, várias medidas foram propostas no estado da técnica. Por exemplo, é feita referência ao documento DE 10 2006 040 262 B3 e EP 1 885 034 A1.

[004] Uma razão para o aumento do desgaste dos elementos de contato pode ser encontrada no fato de que a densidade de corrente através dos elementos de contato excede um certo valor (confira por exemplo, o documento DE 10 2006 040 262 B3). No entanto, os inventores reconheceram que há um aumento no desgaste dos elementos de contato, mesmo que a densidade de corrente através dos elementos de contato caia abaixo de um determinado valor. A partir de uma certa densidade de corrente, o fluxo de corrente através das escovas de carvão conhecidas e amplamente usadas leva a um efeito lubrificante que reduz a abrasão. Os elementos de contato, por exemplo, de um gerador síncrono, são geralmente projetados para que o desgaste com carga nominal seja o mais baixo possível, ou seja, em carga nominal, a densidade de corrente através do elemento de contato se situe na faixa favorável ao desgaste. No entanto, existem certas condições de operação nas quais máquinas elétricas excitadas por corrente contínua com baixas densidades de corrente nos elementos de contato são operadas por um longo período de tempo. Isso inclui, por exemplo, uma máquina síncrona operada no modo de mudança de fase (ver, por exemplo, documento DE 10 2015 111 394 A1). Dependendo de qual consumo de potência reativa atualmente se faz necessário, uma máquina síncrona é operada de modo subexcitado ou sobreexcitado.

[005] O inventor assumiu a tarefa de reduzir o desgaste dos elementos de contato de máquinas elétricas excitadas por corrente contínua, quando a densidade de corrente através dos elementos de contato ultrapassa a faixa favorável na direção de pequenas densidades de corrente. De acordo com a solução de acordo com a invenção, o desgaste dos contatos deslizantes em condições operacionais com baixa densidade de corrente nos contatos deslizantes é reduzido por uma alimentação adicional de uma corrente alternada sobreposta à corrente contínua, em que os polos do rotor atuam como um circuito aberto em relação à corrente alternada através de um capacitor co- rotativo, ou seja, a corrente alternada não circula através dos polos do rotor. Pode-se dizer também que os polos do rotor estão em curto- circuito na corrente alternada pelo capacitor.

[006] O objetivo é alcançado por um arranjo com os recursos da reivindicação 1. O objetivo é ainda alcançado com um método para operar tal arranjo com os recursos da reivindicação 2.

[007] A solução de acordo com a invenção é explicada abaixo com referência às figuras. O seguinte é mostrado em detalhes:

[008] A figura 1 mostra arranjo para excitação elétrica do rotor de uma máquina elétrica de acordo com o estado da técnica;

[009] A figura 2 mostra arranjo de acordo com a invenção para excitação elétrica do rotor de uma máquina elétrica;

[010] A figura 3 mostra fluxograma do método de acordo com a invenção.

[011] A figura 1 mostra uma representação bastante esquemática de um arranjo para a excitação elétrica do rotor de uma máquina elétrica de acordo com o estado da técnica com corrente contínua. O rotor compreende um corpo de rotor, que é designado pelo número 7 e que compreende os polos de rotor elétricos. O rotor compreende ainda um eixo, que é indicado por 3 e que carrega os anéis coletores, um dos quais é indicado por 4. Para o fornecimento elétrico dos polos de rotor, o arranjo compreende uma fonte de tensão, que é indicada por 2 e que fornece uma tensão de corrente contínua. O arranjo compreende ainda elementos de contato para o estabelecimento de contato dos anéis coletores, um dos quais é designado por 5. No eixo 3 existem condutores elétricos que conectam os anéis coletores 4 aos polos de rotor e um deles é designado por 6. A fonte de tensão 2 está conectada aos elementos de contato 5. Neste caso, a fonte de tensão 2, a conexão elétrica aos elementos de contato 5 e os condutores 6 são dispostos no eixo de modo que uma corrente contínua possa circular através de um circuito de excitação formado desta maneira, a fim de excitar os polos do rotor. A máquina elétrica compreende ainda um controlador, que é indicado por 1 e é projetado e conectado à fonte de tensão 2, de modo que possa controlar o mesmo. Naturalmente que são necessários pelo menos dois anéis coletores (4) e dois elementos de contato (5).

[012] A figura 2 mostra uma representação bastante esquemática de um arranjo de acordo com a invenção para excitação elétrica do rotor de uma máquina elétrica. As designações da figura 2 correspondem às designações da figura 1. Diferentemente da figura 1, a fonte de tensão 2 da figura 2 pode fornecer uma tensão que compreende um componente de tensão contínua e um componente de tensão alternada. Ambos os componentes se sobrepõem. Isso é indicado pelos símbolos da fonte de tensão para tensão contínua e tensão alternada conectadas em paralelo. A figura 2 não diz nada sobre a implementação real da fonte de tensão 2. O versado na técnica está suficientemente familiarizado com as várias opções de concretização adequadas para este. O controlador 1 é projetado e conectado à fonte de tensão 2 de modo que ele possa definir os componentes de tensão contínua e tensão alternada dos mesmos independentemente um do outro. Equivalentemente, duas fontes de tensão controláveis separadas também podem ser usadas, cada uma das quais fornece os componentes de tensão contínua e tensão alternada e são interconectadas de modo correspondente. No contexto da invenção, esse arranjo seria entendido como uma fonte de tensão 2. Além disso, o rotor compreende um capacitor, que é designado por 8 e é disposto e configurado no circuito situado no rotor para alimentar os polos do rotor de forma que permita que os polos do rotor atuem como um circuito aberto em relação ao componente de tensão contínua A da fonte de tensão 2. Isso garante que uma corrente possa circular através dos elementos de contato 5, que compreende um componente de corrente contínua e corrente alternada, mas apenas uma corrente contínua circula através dos polos do rotor, ou a corrente que circula através dos polos do rotor possui um componente de corrente alternada que é insignificantemente pequeno em comparação ao componente de corrente contínua. A seguir é explicado como o versado na técnica deve projetar o capacitor 8 para essa finalidade.

[013] A figura 3 mostra o fluxograma do método de acordo com a invenção para operar um arranjo de acordo com a invenção de acordo com a figura 2. As etapas individuais do processo são denominadas V1 a V4. As etapas do processo incluem as seguintes atividades na ordem especificada:

[014] V1: Determinação do estado operacional da máquina elétrica;

[015] V2: Seleção do componente de tensão contínua necessário;

[016] V3: Seleção do componente de tensão alternada necessário;

[017] V4: Controle da fonte de tensão 2 de acordo com os componentes de tensão selecionados em V2 e V3.

[018] Na etapa V1, o estado operacional da máquina elétrica é determinado. Isso pode ser feito por uma solicitação externa ao controlador 1 ou pelo próprio controlador 1. Na etapa V2, o controlador 1 seleciona o componente de tensão contínua da fonte de tensão 2 necessária para o estado operacional definido em V1. Na etapa V3, o controlador 1 seleciona o componente de tensão alternada da fonte de tensão 2. A seleção na V3 é baseada nos seguintes critérios. O componente de corrente direta da densidade de corrente, que circula através dos elementos de contato 5, resulta do componente de tensão contínua selecionado em V2. Se a densidade de corrente contínua nos elementos de contato 5 exceder um valor predefinido, nenhum componente de tensão alternada será necessário, uma vez que o componente de corrente alternada é suficiente para aumentar a densidade de corrente nos elementos de contato 5 acima do valor limite inferior da faixa, na qual o desgaste dos elementos de contato é aceitável, ou seja, em que o efeito lubrificante é suficiente. No entanto, se a densidade da corrente contínua cair abaixo do valor predefinido mencionado acima, será necessário um componente de tensão alternada para obter um efeito lubrificante suficiente. O efeito lubrificante resulta do aquecimento dos elementos de contato 5 pelo fluxo de corrente através deles. Se a densidade de corrente direta cair abaixo do valor predefinido em Delta_i_ igual, será necessária uma densidade de corrente alternada com um valor efetivo de pelo menos i_mudança_eff ≥ Delta_i_ igual para obter um efeito lubrificante aceitável. É claro que o valor predefinido mencionado depende do material e da geometria dos elementos de contato 5 utilizados. No entanto, é suficientemente claro para o versado na técnica como ele pode definir esse valor predefinido. Se necessário, o versado na técnica também pode determinar experimentalmente esse valor medindo o desgaste dos elementos de contato 5 em função da densidade de corrente contínua. O valor procurado resulta do desgaste medido e da vida útil mínima desejada dos elementos de contato. Na etapa V4, o controlador 1 controla a fonte de tensão 2 de acordo com os componentes de tensão contínua a e alternada selecionados nas etapas V2 e V3.

[019] O projeto do capacitor 8 depende da frequência f do componente de tensão alternada da fonte de tensão 2 e da indutância L dos polos do rotor. A capacitância C do capacitor 8 deve atender à seguinte condição para que o componente de corrente alternada indesejável devido aos polos do rotor se torne insignificantemente pequeno: (4π2 * f2 * C * L) ≫ 1. Essa condição pode, portanto, ser alcançada por uma frequência suficientemente grande f e / ou por uma capacitância C suficientemente grande do capacitor 8. Como o capacitor 8 também gira com o rotor, pretende-se projetar o capacitor não muito grande. Por outro lado, é mais fácil escolher a frequência da rede para f, uma vez que a fonte de tensão 2 pode ser projetada de maneira simplificada. Dependendo das condições de base existentes, o versado na técnica pode facilmente selecionar uma combinação favorável dos parâmetros f e C do que foi dito.

[020] Por fim, também deve ser mencionado que a seleção dos componentes de tensão em V2 e V3 pode ser feita pelo controlador 1 com base em uma tabela pré-estabelecida e / ou com base em cálculos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Arranjo para a excitação elétrica de uma máquina elétrica compreendendo um rotor com um corpo de rotor (7), que compreende pelo menos um polo de rotor, e com um eixo (3), que compreende pelo menos dois anéis coletores (4), e em que o arranjo compreende ainda uma fonte de tensão (2), que pode fornecer uma tensão contínua e compreende um controlador (1), que é projetado e conectado à fonte de tensão (2), de modo que ele possa controlar a tensão contínua da fonte de tensão (2), e em que o arranjo compreende ainda pelo menos dois elementos de contato (5) para o estabelecimento de contato dos anéis coletores (4) e linhas elétricas (6) para conectar os anéis coletores (4) com o pelo menos um polo de rotor, e em que a fonte de tensão (2) está conectada aos elementos de contato (5) e os condutores elétricos (6) são projetados, de modo que uma corrente contínua possa fluir através de um circuito de excitação assim formado, a fim de excitar o pelo menos um polo de rotor, caracterizado pelo fato de que a fonte de tensão (2) pode fornecer uma tensão alternada que é sobreposta à tensão contínua da fonte de tensão (2), a fim de reduzir o desgaste dos elementos de contato (5) em condições operacionais com baixa densidade de corrente nos elementos de contato (5) por uma alimentação adicional de uma corrente alternada sobreposta à corrente contínua , e o controlador (1) é projetado e conectado à fonte de tensão (2) de modo que ele possa controlar a tensão alternada da mesma independentemente da tensão contínua, e o arranjo compreende ainda um capacitor (8) que está disposto na parte que fica no rotor do circuito de excitação e é projetado de modo que ele possa permitir que o pelo menos um polo do rotor atue como circuito aberto em relação ao componente de tensão alternada da fonte de tensão (2), de modo que a corrente alternada não flua através do pelo menos um polo de rotor.

2. Método para operar um arranjo para a excitação elétrica de uma máquina elétrica, compreendendo um rotor com um corpo de rotor (7) que compreende pelo menos um polo de rotor e com um eixo (3) que compreende pelo menos dois anéis coletores (4), e em que o arranjo compreende ainda fonte de tensão (2), que pode fornecer uma tensão contínua, e compreende um controlador (1), que é projetado e conectado à fonte de tensão (2), de forma que ele possa controlar a tensão contínua da fonte de tensão (2), e em que o arranjo compreende ainda pelo menos dois elementos de contato (5) para contatar os anéis coletores (4) e linhas elétricas (6) para conectar os anéis coletores (4) com o pelo menos um polo do rotor, e em que a fonte de tensão (2) é conectado aos elementos de contato (5) e os condutores elétricos (6) são projetados de modo que uma corrente contínua possa fluir através de um circuito de excitação assim formado, a fim de excitar o pelo menos um polo de rotor, caracterizado pelo fato de que a fonte de tensão (2) pode fornecer uma tensão alternada, que é sobreposta à tensão contínua da fonte de tensão (2), a fim de reduzir o desgaste dos elementos de contato (5) em condições operacionais com baixa densidade de corrente nos elementos de contato (5) por uma alimentação adicional de uma corrente alternada sobreposta à corrente contínua, e o controlador (1) é projetado e conectado à fonte de tensão (2) de modo que ele possa controlar a tensão alternada da mesma independentemente da tensão contínua, e o arranjo compreende ainda um capacitor (8), que é disposto na parte do circuito de excitação situada no rotor e é projetado de modo que ele possa permitir que o pelo menos um polo do rotor em relação ao componente de tensão contínua da fonte de tensão (2) atue como circuito aberto para que a corrente alternada não flua através do pelo menos um polo de rotor, em que o método compreende as etapas do método na ordem indicada: V1: Determinação do estado operacional para a máquina elétrica; V2: Seleção do componente de tensão contínua necessário; V3: Seleção do componente de tensão alternada necessário; V4: Controle da fonte de tensão (2) de acordo com os componentes de tensão selecionados em V2 e V3; em que as etapas V2 a V3 são realizadas pelo controlador (1) e, em que na etapa V2, a seleção do componente de tensão contínua necessário ocorre com base na determinação do estado operacional realizado na etapa V1, e na etapa V3 a seleção do componente de tensão alternada necessário corresponde aos seguintes critérios: se o componente de tensão contínua selecionado em V2 não for suficiente para aumentar a densidade de corrente contínua nos elementos de contato (5) acima de um valor predefinido, que garante um efeito lubrificante suficiente dos elementos de contato (5) nos anéis coletores (4), então esse componente de tensão alternada é selecionado, de modo que o valor efetivo da densidade de corrente alternada que flui através dos elementos de contato (5), que é causado pelo componente de tensão alternada selecionado, seja pelo menos tão grande quanto o desvio da densidade de corrente contínua em relação ao valor predefinido mencionado.