ES2325729A1 - Sistema de desexcitacion rapida para maquina sincronas con excitacion indirecta. - Google Patents

Sistema de desexcitacion rapida para maquina sincronas con excitacion indirecta. Download PDF

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Abstract

Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas (1) con excitación indirecta a través de una máquina excitatriz (2) y puente rectificador giratorio (8), que comprende: - una impedancia de desexcitación (10) conectada entre el devanado de inductor (5) de la máquina síncrona (1) y el puente rectificador giratorio (8); - un elemento de maniobra (9) conectado en paralelo con la impedancia de desexcitación (10); - un circuito de control (11) del elemento de maniobra (9) configurado para que: - en funcionamiento normal de la máquina síncrona (1), mantener el elemento de maniobra (9) cerrado de forma que el puente rectificador giratorio (8) alimenta directamente el devanado inductor (5) de la máquina sincrona (1); - en caso de tener que desexcitar la máquina sincrona, abrir el elemento de maniobra (9) de forma que la impedancia de desexcitación (10) queda en serie con el devanado inductor (5) y con el puente rectificador giratorio (8).

Description

Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta.
La presente patente de invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema de desexcitación para máquinas síncronas con excitación indirecta mediante diodos rotativos, con el que se conseguiría mejorar la respuesta dinámica y la seguridad a la hora de desexcitar la máquina, lo que implica que en caso de cortocircuito interno los daños en la máquina serían mucho menores.
Antecedentes de la invención
Al producirse cortocircuitos internos en un generador, o antes del interruptor de generador, se producen daños debido a la propia aportación al cortocircuito del mismo generador. En este caso es fundamental reducir la corriente de excitación lo antes posible, de forma que no se induzca tensión en el estator y por tanto no haya más aportación al cortocircuito.
Existen fundamentalmente dos tipos de excitación para máquinas síncronas:
-
Excitación directa, a través de anillos rozantes y escobillas.
-
Excitación indirecta, sin escobillas ("brushless"), a través de una máquina excitatriz y diodos rotativos.
Las escobillas y los anillos rozantes son elementos con mantenimiento, especialmente en máquinas de gran potencia. Las escobillas se desgastan con el uso y es preciso reponerlas y mantenerlas. También las chispas y los depósitos de carbonilla son siempre un foco de posibles problemas. De modo que en las máquinas síncronas, se tiende a utilizar mecanismos de excitación del inductor sin escobillas.
Con la excitación indirecta se elimina el problema de las escobillas, pero tiene la desventaja de que empeora la respuesta dinámica de la máquina, al no tener acceso directo al devanado de excitación del generador principal, ya que se utiliza un elemento intermedio, otra máquina eléctrica, la excitatriz.
En el caso de un defecto interno, la rapidez de respuesta de la excitación juega un papel fundamental, limitando la aportación del alternador al cortocircuito.
Este problema se soluciona en las máquinas de excitación directa (a través de escobillas) intercalando una resistencia en el circuito de excitación, que se conecta para desexcitar la máquina rápidamente cuando ocurre una falta. Eso no es tan sencillo en las máquinas de excitación indirecta a través de diodos rotativos, donde no se tiene acceso directamente al devanado de excitación.
Descripción de la invención
El sistema objeto de la presente invención permite que una, máquina síncrona de excitación indirecta se comporte, a efectos de desexcitación, de una forma similar a como lo haría una máquina de excitación directa, pero manteniendo las ventajas de la excitación sin escobillas.
El sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta a través de una máquina excitatriz y puente rectificador giratorio comprende:
-
una impedancia de desexcitación, preferentemente una resistencia, conectada entre el devanado de inductor de la máquina síncrona y el puente rectificador giratorio;
-
un elemento de maniobra, preferentemente de tipo semiconductor, conectado en paralelo con la impedancia de desexcitación;
-
un circuito de control del elemento de maniobra configurado para:
\circ
en funcionamiento normal de la máquina síncrona, mantener el elemento de maniobra cerrado de forma que el puente rectificador giratorio alimenta directamente el devanado inductor de la máquina síncrona;
\circ
para desexcitar la máquina síncrona (en caso de cortocircuito o en caso de desconexión de la máquina síncrona de la red), abrir el elemento de maniobra de forma que la impedancia de desexcitación queda en serie con el devanado inductor y con el puente rectificador giratorio.
El circuito de control está preferentemente configurado para abrir el elemento de maniobra en función de la tensión a la salida del puente rectificador giratorio, de forma que al actuar sobre el devanado inductor de la excitatriz, se pueda controlar la tensión a la salida del puente rectificador giratorio y por tanto la desexcitación de la máquina síncrona.
\global\parskip0.930000\baselineskip
En una realización particular el circuito de control comprende:
-
un divisor de tensión en paralelo con el puente rectificador giratorio y que consta de una primera y una segunda resistencias auxiliares, estando configurado dicho divisor de tensión para abrir el elemento de maniobra cuando la tensión sobre la segunda resistencia alcance un determinado valor.
El circuito de control puede comprender adicionalmente un diodo zener en paralelo con la segunda resistencia con el objetivo de limitar la tensión en la entrada de control del elemento de maniobra.
Gracias al sistema así descrito se consigue, en caso de defecto interno de la máquina síncrona, limitar los daños. En una máquina síncrona con excitación indirecta convencional, la corriente de defecto ante un cortocircuito interno puede durar del orden de varios segundos, con los consiguientes daños para el alternador. Sin embargo, implementando el sistema de desexcitación objeto de la invención, se consigue reducir este tiempo considerablemente, minimizando los daños.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.
Breve descripción de los dibujos
Fig. 1 muestra un esquema del sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta, objeto de la presente patente de invención.
Fig. 2 muestra una realización preferente del sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta, objeto de la presente patente de invención.
Fig. 3 muestra los resultados de la simulación de un cortocircuito en bornas de una máquina síncrona de 2MVA con excitación indirecta convencional.
Fig. 4 muestra los resultados de la simulación de un cortocircuito en bornas de la misma máquina síncrona de 2MVA anterior sobre la que se ha incluido el sistema de desexcitación objeto de esta invención.
Realización preferente de la invención
La Figura 1 muestra un esquema del método de desexcitación objeto de esta invención, donde se emplean las siguientes referencias:
-
Máquina síncrona 1.
-
Máquina excitatriz 2.
-
Componentes giratorios 3.
-
Estator 4 de la máquina síncrona 1.
-
Devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1.
-
Devanado inductor 6 de la máquina excitatriz 2.
-
Devanados inducidos 7 de la máquina excitatriz 2.
-
Puente rectificador giratorio 8.
-
Elemento de maniobra 9.
-
Impedancia de desexcitación 10.
-
Circuito de control 11 del elemento de maniobra 9.
La Figura 2 muestra un esquema de la realización preferente, donde adicionalmente se emplean las siguientes referencias:
-
Divisor de tensión formado por una primera 12 y una segunda 13 resistencias.
-
Diodo zener 14 para la protección del elemento de maniobra 9.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Tal y como se puede observar en la figura 1 el sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta comprende, al menos, una conjunto de componentes giratorios conectados entre el puente rectificador giratorio 8 y el devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1 principal.
Dichos componentes giratorios comprenden, a su vez y al menos, una impedancia de desexcitación 10, un elemento de maniobra 9 y un circuito de control 11 del elemento de maniobra 9, estando a su vez estos elementos conectados con el devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1.
La impedancia de desexcitación 10 está conectada, en serie, con el devanado inductor 5 y el elemento de maniobra 9, el cual está conectado en paralelo con la impedancia de desexcitación 10.
En el caso de un funcionamiento normal de la máquina síncrona 1, el elemento de maniobra 9 está cerrado de tal forma que el puente rectificador giratorio 8 alimenta el devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1, tal y como lo haría en una máquina síncrona convencional.
No obstante, en el caso de que se deba desexcitar la máquina síncrona 1, el circuito de control 11 envía una orden de abrir el elemento de maniobra 9 de forma que la impedancia de desexcitación 10 queda en serie con el devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1 y con el puente rectificador giratorio 8, de modo que la corriente en el devanado inductor 5 de la máquina síncrona 1 tiende a extinguirse de una forma muy rápida (ver figura 4), gracias a la impedancia de desexcitación 10.
En la figura, 3 y 4 se representan los resultados de dos simulaciones, en las que se ha simulado un cortocircuito en bornes de una máquina síncrona con excitación indirecta. La figura 3 corresponde a la corriente de cortocircuito en el caso de excitación indirecta tradicional, mientras que la figura 4 muestra el resultado de implementar el sistema objeto de esta patente de invención a la máquina anterior, y donde se observa que la duración de la corriente de cortocircuito se reduce considerablemente.
Se utilizará como elemento de maniobra 9 un semiconductor, transistor IGBT o similar, de forma que se eviten los posibles problemas que pueda crear la fuerza centrífuga en un elemento de maniobra mecánico como pudiera ser un contactor o interruptor automático. Adicionalmente este semiconductor será disparado, es decir conduce, cuando la tensión en su puerta o entrada de control sea positiva y de un valor determinado. Para conseguir esta tensión de control se va a utilizar un circuito de control 11 que comprende, a su vez y al menos, un divisor de tensión, formado por dos resistencias auxiliares, una primera 12 y una segunda 13 resistencias. De forma que no se necesita ningún elemento de control externo al rotor del generador. Por último se protegerá la entrada a la puerta del semiconductor mediante diodo zener (14) u otro elemento protector de sobretensiones.

Claims (6)

1. Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas (1) con excitación indirecta a través de una máquina excitatriz (2) y puente rectificador giratorio (8), caracterizado porque comprende:
-
una impedancia de desexcitación (10) conectada entre el devanado de inductor (5) de la máquina síncrona (1) y el puente rectificador giratorio (8);
-
un elemento de maniobra (9), conectado en paralelo con la impedancia de desexcitación (10);
-
un circuito de control (11) del elemento de maniobra (9) configurado para que:
\circ
en funcionamiento normal de la máquina síncrona (1), mantener el elemento de maniobra (9) cerrado de forma que el puente rectificador giratorio (8) alimenta directamente el devanado inductor (5) de la máquina síncrona (1);
\circ
en caso de tener que desexcitar la máquina síncrona, abrir el elemento de maniobra (9) de forma que la impedancia de desexcitación (10) queda en serie con el devanado inductor (5) y con el puente rectificador giratorio (8).
2. Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la impedancia de desexcitación (10) es una resistencia.
3. Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento de maniobra (9) es un interruptor de tipo estático.
4. Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito de control (11) está configurado para abrir el elemento de maniobra (9) en función de la tensión a la salida del puente rectificador giratorio (8), de forma que al actuar sobre el devanado inductor de la excitatriz (6), se pueda controlar la tensión a la salida del puente rectificador giratorio y por tanto la desexcitación de la máquina síncrona (1).
5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el circuito de control (11) comprende:
-
un divisor de tensión en paralelo con el puente rectificador giratorio (8) y que comprende una primera (12) y una segunda (13) resistencias auxiliares, estando configurado dicho divisor de tensión para cerrar el elemento de maniobra (9) cuando la tensión sobre la segunda resistencia (13) alcance un determinado valor.
6. Sistema de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el circuito de control (11) comprende adicionalmente un diodo zener (14) en paralelo con la segunda resistencia (13) y configurado para la protección del elemento de maniobra (9).
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