ES2702331T3

ES2702331T3 - Protection of a permanent magnet generator

Info

Publication number: ES2702331T3
Application number: ES12798142T
Authority: ES
Inventors: Torben Werge Møller
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2032-11-15

Abstract

Un sistema de protección para proteger un generador de imán permanente (20) con una pluralidad de devanados (21) estatóricos, comprendiendo el sistema de protección: un disyuntor (24) conectado al generador mediante un conjunto de cables de alimentación (23), y que está dispuesto para desconectar el generador de una red eléctrica, en donde el disyuntor no está incluido como parte de los devanados estatóricos (21); un relé de protección (26); y al menos un sensor de medición (25) para medir corriente, en donde cada uno de dichos devanados estatóricos tiene un primer extremo (211) y un segundo extremo (212), y en donde: - si dichos devanados estatóricos se conectan en un acoplamiento en Y, los devanados estatóricos habitualmente se conectan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, en un punto de estrella (22) en el primer extremo de cada uno de los devanados estatóricos, y - el al menos un sensor de medición se dispone para medir corriente en los devanados estatóricos en el extremo de punto de estrella de los devanados estatóricos y para comunicar la corriente medida al relé de protección, mientras que - si dichos devanados estatóricos se conectan en un acoplamiento delta, los devanados estatóricos habitualmente se conectan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, entre sí en una conexión de anillo, yel al menos un sensor de medición se dispone para medir corriente en la conexión de anillo de los devanados estatóricos y para comunicar la corriente medida al relé de protección, caracterizado por que el relé de protección (26) se configura para comunicarse con el disyuntor (24) y para garantizar que el disyuntor (24) se activa en el caso de que el relé de protección (26) determine que la corriente medida supera un límite para desconectar el generador de la red eléctrica.A protection system for protecting a permanent magnet generator (20) with a plurality of stator windings (21), the protection system comprising: a circuit breaker (24) connected to the generator by a set of power cables (23), and which is arranged to disconnect the generator from an electrical network, where the circuit breaker is not included as part of the stator windings (21); a protection relay (26); and at least one measuring sensor (25) for measuring current, wherein each of said stator windings has a first end (211) and a second end (212), and wherein: - if said stator windings are connected in a Y-coupling, the stator windings are usually connected, in a set of three stator windings, at a star point (22) at the first end of each of the stator windings, and - the at least one measurement sensor is arranged to measure current in the stator windings at the star point end of the stator windings and to communicate the measured current to the protection relay, while - if said stator windings are connected in a delta coupling, the stator windings are usually connected, in a set of three stator windings, each other in a ring connection, and the at least one measurement sensor is arranged to measure current in the ring connection of the s stator windings and to communicate the measured current to the protection relay, characterized in that the protection relay (26) is configured to communicate with the circuit breaker (24) and to ensure that the circuit breaker (24) is activated in the event that the protection relay (26) determines that the measured current exceeds a limit to disconnect the generator from the electrical network.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Protección de un generador de imán permanenteProtection of a permanent magnet generator

Campo de la invenciónField of the invention

La presente invención se refiere en general a un sistema de protección para proteger un generador de imán permanente; la invención también se refiere en general a un generador de imán permanente y un método para proteger un generador de imán permanente.The present invention relates generally to a protection system for protecting a permanent magnet generator; The invention also relates generally to a permanent magnet generator and a method for protecting a permanent magnet generator.

Antecedentes de la invenciónBACKGROUND OF THE INVENTION

Una máquina eléctrica convierte energía entre energía mecánica del rotor giratorio y energía eléctrica. Un motor convierte energía eléctrica en par mecánico giratorio, y un generador convierte un par mecánico giratorio en energía eléctrica.An electric machine converts energy between mechanical energy of the rotating rotor and electric power. A motor converts electrical energy into rotating mechanical torque, and a generator converts a rotating mechanical pair into electrical energy.

Hay diferentes tipos de máquinas eléctricas de corriente alterna (CA) disponibles. Pueden agruparse en dos tipos diferentes, una máquina de tipo síncrona y una máquina de tipo asíncrona.There are different types of electrical alternating current (AC) machines available. They can be grouped into two different types, a synchronous type machine and an asynchronous type machine.

Una máquina síncrona es una máquina giratoria de corriente alterna (CA) cuya velocidad bajo una condición de estado estacionario es proporcional a la frecuencia de la corriente en su inducido. El campo magnético creado por las corrientes del inducido gira a la misma velocidad que la creada por la corriente de campo en el rotor, que gira a la velocidad síncrona, y ocasiona un par constante. Las máquinas síncronas se utilizan habitualmente como generadores especialmente para grandes sistemas energéticos, tales como generadores de turbina y generadores hidroeléctricos en la red de suministro eléctrico. Dado que la velocidad del rotor es proporcional a la frecuencia de excitación, pueden utilizarse motores síncronos en situaciones en las que es necesaria una unidad de velocidad constante.A synchronous machine is a rotating alternating current (AC) machine whose speed under a steady-state condition is proportional to the frequency of the current in its armature. The magnetic field created by the armature currents rotates at the same speed as that created by the field current in the rotor, which rotates at synchronous speed, and causes a constant torque. Synchronous machines are commonly used as generators especially for large energy systems, such as turbine generators and hydroelectric generators in the power grid. Since the rotor speed is proportional to the excitation frequency, synchronous motors can be used in situations where a constant speed unit is necessary.

Un motor de inducción o asíncrono es un tipo de motor AC donde se suministra energía al rotor por medio de inducción electromagnética. Estos motores se utilizan mucho en transmisores industriales, en particular, motores de inducción polifásica, porque son resistentes y no tienen escobillas. Su velocidad puede controlarse con una unidad de frecuencia variable también conocida como convertidor de alimentación o convertidor de frecuencia.An induction or asynchronous motor is a type of AC motor where energy is supplied to the rotor by means of electromagnetic induction. These motors are widely used in industrial transmitters, in particular polyphase induction motors, because they are rugged and have no brushes. Its speed can be controlled with a variable frequency unit also known as a power converter or frequency converter.

Cuando el campo magnético que excita flujo de corriente en devanados estatóricos de una máquina eléctrica se proporciona por medio de un imán permanente (a diferencia de una bobina o devanado en el rotor), la máquina se conoce como máquina síncrona de imán permanente. Por lo tanto, un "generador de imán permanente" como se utiliza el término en el presente documento, es un generador que tiene una pluralidad de devanados estatóricos y uno o más imanes permanentes cuyo campo magnético excita flujo de corriente en los devanados estatóricos durante el funcionamiento.When the magnetic field that excites current flow in stator windings of an electric machine is provided by means of a permanent magnet (as opposed to a coil or winding in the rotor), the machine is known as a permanent magnet synchronous machine. Therefore, a "permanent magnet generator" as the term is used herein, is a generator having a plurality of stator windings and one or more permanent magnets whose magnetic field excites current flow in the stator windings during the functioning.

Una máquina eléctrica puede terminar en un modo de avería con diferentes escenarios de fallo. Ejemplos típicos de escenarios de fallo incluyen:An electrical machine can end up in a fault mode with different failure scenarios. Typical examples of failure scenarios include:

• fase de circuito abierto de un estátor (por ejemplo, un cable de conexión se rompe o un disyuntor abierto o contactor abierto)• Open circuit phase of a stator (for example, a connection cable breaks or an open circuit breaker or open contactor)

• fase de cortocircuito a tierra (por ejemplo, defecto de aislamiento por daño mecánico, o daño debido, por ejemplo, a descarga parcial)• short-circuit phase to ground (for example, insulation fault due to mechanical damage, or damage due, for example, to partial discharge)

• cortocircuito de uno o más devanados de fase (por ejemplo, defecto de aislamiento debido a tensión térmica dentro del estátor o rotor, o daño debido, por ejemplo, a descarga parcial)• shorting one or more phase windings (for example, insulation fault due to thermal stress inside the stator or rotor, or damage due, for example, to partial discharge)

Hay diversos motivos para los fallos de cortocircuitos en máquinas eléctricas; para todos ellos es habitual la importancia de desconectar la máquina eléctrica del suministro eléctrico siempre que se detecta un fallo. Un generador sin un campo magnético no puede producir energía si hay un par mecánico en el árbol, mientras que un generador de imán permanente siempre tiene campo magnético completo todo el tiempo, debido a los imanes permanentes y, por tanto, es capaz de producir energía eléctrica siempre que haya un par mecánico en el árbol. La posibilidad de desimantar la máquina mediante un circuito de control de la corriente de excitación al circuito del rotor no existe en máquinas de imán permanente.There are several reasons for short circuit failures in electrical machines; for all of them it is usual the importance of disconnecting the electric machine from the electric supply whenever a fault is detected. A generator without a magnetic field can not produce energy if there is a mechanical torque in the tree, while a permanent magnet generator always has a full magnetic field all the time, due to the permanent magnets and, therefore, is capable of producing energy electrical whenever there is a mechanical torque in the tree. The possibility of demagnetizing the machine by means of a control circuit of the excitation current to the rotor circuit does not exist in permanent magnet machines.

En las centrales de energías renovables cada vez es más habitual utilizar generadores de imanes permanentes, lo cual puede hacerse en generadores de turbinas eólicas, centrales de energía undimotriz u otras donde es necesaria una conversión de energía mecánica a eléctrica.In renewable energy plants, it is increasingly common to use permanent magnet generators, which can be done in wind turbine generators, wave power plants or others where a mechanical to electrical conversion is necessary.

A modo de antecedentes adicionales, US2008/0043383 A1 describe diversas técnicas para identificar condiciones de fallo en un generador de imán permanente mientras el generador está en un modo operativo. El documento de la técnica anterior más cercana US2008/0030606 A1 describe un sistema para aislar fallos de cortocircuito en un generador de imán permanente. By way of additional background, US2008 / 0043383 A1 describes various techniques for identifying failure conditions in a permanent magnet generator while the generator is in an operational mode. The closest prior art document US2008 / 0030606 A1 describes a system for isolating short-circuit faults in a permanent magnet generator.

Si un fallo de cortocircuito en un generador de imán permanente no se detecta, puede ocasionar un incendio en el generador y sus partes circundantes, por lo que es importante poder detectar un fallo de cortocircuito en un generador de imán permanente. La presente invención presenta una solución para proteger generadores de imanes permanentes.If a short circuit fault in a permanent magnet generator is not detected, it can cause a fire in the generator and its surrounding parts, so it is important to be able to detect a short circuit fault in a permanent magnet generator. The present invention presents a solution for protecting permanent magnet generators.

Sumario de la invenciónSummary of the invention

La presente invención define un sistema de protección para un generador de imán permanente de acuerdo con la reivindicación 1 y un método para proteger un generador de imán permanente de acuerdo con la reivindicación 8. Este Sumario se proporciona para introducir una selección de conceptos de forma simplificada que se describen con más detalle a continuación en la Descripción Detallada. Este Sumario no tiene por objeto identificar elementos clave o elementos esenciales de la materia objeto reivindicada, ni tiene por objeto ser utilizado como ayuda para determinar el alcance de la materia objeto reivindicada.The present invention defines a protection system for a permanent magnet generator according to claim 1 and a method for protecting a permanent magnet generator according to claim 8. This Summary is provided to introduce a selection of concepts in simplified form which are described in more detail below in the Detailed Description. This Summary is not intended to identify key elements or essential elements of the subject matter claimed, nor is it intended to be used as an aid in determining the scope of the subject matter claimed.

En un aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de protección con un disyuntor, un relé de protección y al menos un sensor de medición, para medir corriente, para proteger un generador de imán permanente que tiene una pluralidad de devanados estatóricos, teniendo cada uno de dichos devanados estatóricos un primer extremo y un segundo extremo. El disyuntor se dispone para desconectar el generador de una red eléctrica y el relé de protección se comunica con el disyuntor. Si dichos devanados estatóricos se conectan en un acoplamiento en Y, habitualmente se acoplan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, en un punto de estrella en el primer extremo de cada uno de los devanados estatóricos o, si dichos devanados estatóricos se conectan en un acoplamiento delta, habitualmente se acoplan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, entre sí en una conexión de anillo. Además, el al menos un sensor de medición se dispone para medir corriente en el punto de estrella de los devanados estatóricos acoplados en Y, o se dispone para medir corriente en la conexión de anillo para los devanados estatóricos acoplados en delta, y para comunicar la corriente medida al relé de protección. El relé de protección se configura para garantizar que el disyuntor se activa en el caso de que el relé de protección determine que la corriente medida supera un límite.In one aspect, the present invention relates to a protection system with a circuit breaker, a protection relay and at least one measurement sensor, for measuring current, for protecting a permanent magnet generator having a plurality of stator windings, having each of said stator windings a first end and a second end. The circuit breaker is arranged to disconnect the generator from an electrical network and the protection relay communicates with the circuit breaker. If said stator windings are connected in a Y coupling, they are usually coupled, in a set of three stator windings, at a star point at the first end of each of the stator windings or, if said stator windings are connected in a Delta coupling, usually are coupled, in a set of three stator windings, to each other in a ring connection. In addition, the at least one measurement sensor is arranged to measure current at the star point of the Y-coupled stator windings, or is arranged to measure current at the ring connection for the delta-coupled stator windings, and to communicate the measured current to the protection relay. The protection relay is configured to ensure that the circuit breaker is activated in the event that the protection relay determines that the measured current exceeds a limit.

Una ventaja del primer aspecto es que los fallos pueden detectarse pronto, tanto si se producen durante el funcionamiento o mientras el generador está en reposo sin una conexión del convertidor.An advantage of the first aspect is that faults can be detected early, whether they occur during operation or while the generator is at rest without a converter connection.

Una detección temprana de fallos en el generador minimiza el riesgo de incendios en el generador y sus partes circundantes.An early detection of generator failures minimizes the risk of fires in the generator and its surrounding parts.

Otra ventaja es que, en caso de fallo, es importante poder desconectar el generador de la red.Another advantage is that, in case of failure, it is important to be able to disconnect the generator from the network.

Para aplicaciones de generadores de turbinas eólicas el riesgo de incendio puede ocasionar incluso daños mayores ya que las turbinas suelen encontrarse lejos y, por tanto, un incendio en un generador de turbina eólica puede ocasionar un daño grave o incluso destruir la góndola y las palas.For applications of wind turbine generators the risk of fire can cause even greater damage since the turbines are often far away and, therefore, a fire in a wind turbine generator can cause serious damage or even destroy the nacelle and the blades.

Una ventaja de esta realización de la presente invención es que una fuente principal de sobrecalentamiento y, finalmente, de causa de incendio, es la sobrecorriente, por lo que es importante supervisar el nivel de corriente en el generador.An advantage of this embodiment of the present invention is that a major source of overheating and, ultimately, cause of fire, is overcurrent, so it is important to monitor the current level in the generator.

De acuerdo con una realización de la invención el sistema de protección se dispone para proteger un generador con al menos un conjunto de tres devanados estatóricos, en donde cada devanado se detecta con un sensor de corriente.According to one embodiment of the invention, the protection system is arranged to protect a generator with at least one set of three stator windings, wherein each winding is detected with a current sensor.

De acuerdo con una realización de la invención el sistema de protección se dispone para proteger un generador, en donde el generador comprende más de un segmento, comprendiendo cada segmento uno o más conjunto/s de tres devanados estatóricos, en donde habitualmente cada conjunto de tres devanados estatóricos está conectado.According to an embodiment of the invention, the protection system is arranged to protect a generator, wherein the generator comprises more than one segment, each segment comprising one or more set / s of three stator windings, where usually each set of three stator windings is connected.

Una ventaja de esta realización de la presente invención es que al hacer funcionar un gran generador segmentado es una ventaja desconectar un segmento averiado, continuando con el funcionamiento utilizando los segmentos no averiados.An advantage of this embodiment of the present invention is that in operating a large segmented generator it is an advantage to disconnect a faulty segment, continuing the operation using the non-damaged segments.

De acuerdo con una realización de la invención, cada segmento tiene al menos un relé de protección dispuesto para proteger el uno o más conjunto/s de tres devanados estatóricos del correspondiente segmento.According to an embodiment of the invention, each segment has at least one protection relay arranged to protect the one or more set / s of three stator windings of the corresponding segment.

Una ventaja de esta realización de la presente invención es que es posible proteger un generador segmentado de una manera en que cada segmento pueda inutilizarse en caso de avería eléctrica.An advantage of this embodiment of the present invention is that it is possible to protect a segmented generator in a manner in which each segment can be rendered inoperable in the event of electrical failure.

De acuerdo con una realización de la invención, el sistema de protección se dispone para proteger un generador con más de un conjunto de tres devanados estatóricos, en donde cada conjunto de tres devanados estatóricos se cambia de fase eléctrica con respecto a los otros. According to an embodiment of the invention, the protection system is arranged to protect a generator with more than one set of three stator windings, wherein each set of three stator windings is changed from electric phase to the others.

Una ventaja de esta realización de la presente invención es que al fabricar una máquina eléctrica más grande en algunos casos se prefiere fabricar una máquina con N veces tres estátores, en donde N es un entero 2 o mayor, para beneficiarse de este 6, 9 o un número de fases mayor es necesario insertar los devanados de fase en las ranuras del estátor de una manera que dejará las fases en un conjunto de devanado de tres fases fuera de fase eléctricamente con otro conjunto de devanado de tres fases, puede utilizarse un ángulo de desplazamiento de 30 grados (eléctricos), pero sin limitarse a este valor, ángulos de 10, 15 o 20 grados también proporcionan una eliminación harmónica.An advantage of this embodiment of the present invention is that in manufacturing a larger electric machine in some cases it is preferred to manufacture a machine with N times three stators, where N is an integer 2 or greater, to benefit from this 6, 9 or a larger number of phases it is necessary to insert the phase windings into the stator slots in a manner that will leave the phases in a three-phase winding assembly out of phase electrically with another three-phase winding assembly, an angle of displacement of 30 degrees (electrical), but without being limited to this value, angles of 10, 15 or 20 degrees also provide a harmonic elimination.

De acuerdo con una realización de la invención el relé de protección se dispone para subsanar el cambio de fase entre los conjuntos de tres devanados estatóricos.According to one embodiment of the invention, the protection relay is arranged to correct the phase change between the sets of three stator windings.

De acuerdo con una realización de la invención el segundo extremo de cada uno de la pluralidad de devanados estatóricos opuesto al primer extremo en el que cada uno de los devanados estatóricos se acopla habitualmente en un punto de estrella, es un terminal de extremo, y en donde el sistema de protección también comprende al menos un sensor de medición adicional para medir un parámetro en el terminal de extremo de al menos uno de los devanados estatóricos, y en donde el relé de protección se dispone para comunicar con ambos sensores y comparar ambos parámetros medidos.According to one embodiment of the invention the second end of each of the plurality of stator windings opposite the first end in which each of the stator windings is usually coupled at a star point, is an end terminal, and in wherein the protection system also comprises at least one additional measurement sensor for measuring a parameter at the end terminal of at least one of the stator windings, and wherein the protection relay is arranged to communicate with both sensors and compare both parameters measured.

Una ventaja de esta realización de la presente invención es que es posible detectar fugas de corriente en cada devanado de fase, ya que la corriente se mide en ambos extremos del devanado.An advantage of this embodiment of the present invention is that it is possible to detect current leakage in each phase winding, since the current is measured at both ends of the winding.

De acuerdo con una realización de la invención un generador de imán permanente se pone en marcha con un sistema de protección descrito anteriormente.According to an embodiment of the invention a permanent magnet generator is started with a protection system described above.

En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un método para proteger un generador de imán permanente con un sistema de protección que comprende un disyuntor dispuesto para desconectar el generador desde una red eléctrica, un relé de protección que se comunica con el disyuntor y al menos un sensor de medición, teniendo dicho generador de imán permanente una pluralidad de devanados estatóricos, en donde si dichos devanados estatóricos se conectan en un acoplamiento en Y, habitualmente se acoplan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, en un punto de estrella en el primer extremo de los devanados, y si dichos devanados se conectan en un acoplamiento delta, habitualmente se acoplan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, entre sí en una conexión de anillo, comprendiendo el método las etapas de:In a second aspect, the present invention relates to a method for protecting a permanent magnet generator with a protection system comprising a circuit breaker arranged to disconnect the generator from an electrical network, a protection relay communicating with the circuit breaker and at least one measuring sensor, said permanent magnet generator having a plurality of stator windings, wherein if said stator windings are connected in a Y-coupling, they are usually coupled, in a set of three stator windings, at a star point at the first end of the windings, and if said windings are connected in a delta coupling, they are usually coupled, in a set of three stator windings, to each other in a ring connection, the method comprising the steps of:

medir corriente i) en el punto de estrella de los devanados estatóricos acoplados en Y o ii) en la conexión de anillo de los devanados estatóricos acoplados en delta, con el al menos un sensor de medición,measuring current i) at the star point of the Y-coupled stator windings or ii) at the ring connection of the delta-coupled stator windings, with the at least one measurement sensor,

comunicar la corriente medida al relé de protección,communicate the measured current to the protection relay,

comparar la corriente medida con un primer valor límite, ycompare the measured current with a first limit value, and

activar el relé de protección si dicha corriente medida está por encima del primer valor límite y, si necesario, desconectar el generador de la red eléctrica mediante el disyuntor.activate the protection relay if said measured current is above the first limit value and, if necessary, disconnect the generator from the electrical network by means of the circuit breaker.

Las ventajas del segundo aspecto y sus realizaciones son equivalentes a las ventajas para el primer aspecto de la presente invención. De acuerdo con una realización del segundo aspecto de la invención, el generador de imán permanente tiene al menos un conjunto de tres devanados estatóricos, y en donde la corriente en cada devanado estatórico se mide con un sensor de corriente distinto.The advantages of the second aspect and its embodiments are equivalent to the advantages for the first aspect of the present invention. According to an embodiment of the second aspect of the invention, the permanent magnet generator has at least one set of three stator windings, and wherein the current in each stator winding is measured with a different current sensor.

De acuerdo con una realización del segundo aspecto de la invención, el generador comprende más de un segmento, comprendiendo cada segmento uno o más conjunto/s de tres devanados estatóricos, y cada segmento tiene al menos un relé de protección dispuesto para proteger el uno o más conjunto/s de tres devanados estatóricos del correspondiente segmento, en donde cada conjunto de tres devanados estatóricos se conecta en un acoplamiento en Y o delta, comprendiendo el método además la etapa de:According to an embodiment of the second aspect of the invention, the generator comprises more than one segment, each segment comprising one or more set / s of three stator windings, and each segment has at least one protection relay arranged to protect the one or more more assembly / s of three stator windings of the corresponding segment, where each set of three stator windings is connected in a Y or delta coupling, the method also comprising the step of:

- si el parámetro medido está por encima del primer valor límite, seleccionar el relé de protección correspondiente al uno o más conjunto/s de tres devanados estatóricos relacionados con el parámetro medido, y- if the measured parameter is above the first limit value, select the protection relay corresponding to the one or more set / s of three stator windings related to the measured parameter, and

- desconectar el uno o más conjunto/s de tres devanados estatóricos por medio del relé de protección seleccionado.- disconnect the one or more set / s of three stator windings by means of the selected protection relay.

De acuerdo con una realización del segundo aspecto de la invención, el generador tiene más de un conjunto de tres devanados estatóricos, en donde cada conjunto de tres devanados estatóricos se cambia de fase eléctrica con respecto a los otros.According to an embodiment of the second aspect of the invention, the generator has more than one set of three stator windings, wherein each set of three stator windings is changed from electric phase to the others.

De acuerdo con una realización del segundo aspecto de la invención, el relé de protección protege cada conjunto de tres devanados estatóricos individualmente.According to an embodiment of the second aspect of the invention, the protection relay protects each set of three stator windings individually.

De acuerdo con una realización del segundo aspecto de la invención, el relé de protección se dispone para tener en cuenta el cambio de fase entre los conjuntos de tres devanados estatóricos. According to an embodiment of the second aspect of the invention, the protection relay is arranged to take into account the phase change between the sets of three stator windings.

De acuerdo con una realización del segundo aspecto de la invención, el método también comprende las etapas de - medir la corriente en un segundo extremo del al menos un devanado estatórico,According to an embodiment of the second aspect of the invention, the method also comprises the steps of - measuring the current at a second end of the at least one stator winding,

- comunicar el segundo extremo corriente medida al relé de protección,- communicate the second measured current end to the protection relay,

- encontrar una diferencia entre la corriente medida del primer extremo y el segundo extremo,- find a difference between the measured current from the first end and the second end,

- activar el relé de protección si dicha diferencia está por encima de un segundo valor límite.- activate the protection relay if this difference is above a second limit value.

Muchas de las características relacionadas se apreciarán más fácilmente cuando se entiendan mejor haciendo referencia a la siguiente descripción detallada considerada en relación con los dibujos adjuntos. Las características preferidas pueden combinarse como convenga, como entenderá un experto en la materia, y pueden combinarse con cualquiera de los aspectos de la invención.Many of the related features will be more readily appreciated when they are better understood by reference to the following detailed description considered in connection with the accompanying drawings. Preferred features may be combined as appropriate, as will be understood by one skilled in the art, and may be combined with any aspect of the invention.

Breve descripción de los dibujosBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La Figura 1 muestra una estructura general de un generador de turbina eólica.Figure 1 shows a general structure of a wind turbine generator.

La Figura 2 muestra un sistema de protección conocido de la técnica anterior.Figure 2 shows a protection system known from the prior art.

La Figura 3a muestra un sistema de protección de acuerdo con una realización de la presente invención con un generador en un acoplamiento en Y.Figure 3a shows a protection system according to an embodiment of the present invention with a generator in a Y-coupling.

La Figura 3b muestra un sistema de protección con un generador en un acoplamiento delta.Figure 3b shows a protection system with a generator in a delta coupling.

La Figura 4 muestra un esquema de un relé de protección.Figure 4 shows a schematic of a protection relay.

La Figura 5 muestra sensores de medición en el extremo de punto de estrella de un generador con dos conjuntos de tres devanados de fase.Figure 5 shows measurement sensors at the star point end of a generator with two sets of three phase windings.

La Figura 6 muestra sensores de medición en los extremos de punto de estrella y los terminales de extremo de los devanados en un generador con dos conjuntos de tres devanados de fase.Figure 6 shows measurement sensors at the ends of the star point and the end terminals of the windings in a generator with two sets of three phase windings.

La Figura 7 muestra la protección de un generador y cableado de acuerdo con la técnica anterior.Figure 7 shows the protection of a generator and wiring according to the prior art.

La Figura 8 muestra la protección de un generador y cableado.Figure 8 shows the protection of a generator and wiring.

La Figura 9 muestra un diagrama de flujo de un método de acuerdo con una realización de la presente invención.Figure 9 shows a flow chart of a method according to an embodiment of the present invention.

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

A continuación se explicarán realizaciones ejemplares de la presente invención con más detalles. Si bien las realizaciones de la invención son susceptibles a diversas modificaciones y formas alternativas, se han desvelado realizaciones específicas a modo de ejemplos. Sin embargo, hay que entender que la invención no pretende limitarse a las formas particulares desveladas. Por el contrario, la invención cubrirá todas las modificaciones, equivalentes, y alternativas que entren dentro del alcance de las realizaciones de la invención según se define en las reivindicaciones adjuntas.Next, exemplary embodiments of the present invention will be explained in more detail. While the embodiments of the invention are susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments have been disclosed by way of examples. However, it is to be understood that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed. On the contrary, the invention will cover all modifications, equivalents, and alternatives that come within the scope of embodiments of the invention as defined in the appended claims.

En las centrales de energías renovables cada vez es más habitual utilizar generadores de imanes permanentes. La central puede ser una central eólica, una central de energía undimotriz, o cualquier otro tipo donde se necesite una conversión de energía mecánica a eléctrica.In renewable energy plants it is increasingly common to use permanent magnet generators. The plant can be a wind power plant, a wave power plant, or any other type where a conversion of mechanical to electrical energy is needed.

Un evento de cortocircuito interno en una máquina eléctrica, ya sea un motor o un generador, no puede detectarse en determinadas condiciones, por ejemplo, en modos de reposo en un generador de turbina eólica, u otra central de energía donde el fluido para hacer girar el árbol esté presente todo el tiempo. Esto podría convertir una elevada corriente de falta constante en un fallo interno ocasionando un posible riesgo de incendio a la turbina. En definitiva, la detección, el estacionamiento de una cadena de tracción del generador de turbina eólica y el desencadenamiento de una rápida respuesta de servicio es importante. El tiempo de respuesta de servicio permitido en estos casos es reducido y la necesidad de aplicar, por ejemplo, el freno de estacionamiento a la cadena de tracción tiene tiempo limitado para evitar dañar los cojinetes y piñones de la rueda de cambios.An internal short-circuit event in an electric machine, either a motor or a generator, can not be detected under certain conditions, for example, in rest modes in a wind turbine generator, or other power plant where the fluid to spin the tree is present all the time. This could convert a high constant fault current into an internal fault causing a possible risk of fire to the turbine. In short, the detection, the parking of a traction chain of the wind turbine generator and the triggering of a rapid service response is important. The service response time allowed in these cases is reduced and the need to apply, for example, the parking brake to the drive chain has limited time to avoid damaging the bearings and pinions of the shift wheel.

Las realizaciones de la presente invención mueven los transformadores del circuito de medición hacia el punto de estrella del generador o dentro del acoplamiento delta y proporcionan así información de carga de corriente independiente de la etapa operativa. Por ejemplo, en caso de un cortocircuito permanente al ralentí el fallo se detecta y el personal de servicio puede adoptar medidas preventivas.Embodiments of the present invention move the transformers of the measuring circuit to the star point of the generator or within the delta coupling and thus provide current load information independent of the operating stage. For example, in the event of a permanent short-circuit at idle the fault is detected and the service personnel can take preventive measures.

En una realización, se instalan bobinas de protección de corriente o sensores / transformadores de corriente en el extremo de punto de estrella de LOS devanados del estátor del generador, haciendo que la detección de fallos sea posible durante el funcionamiento así como en reposo sin conexión al convertidor de alimentación o conexión a la red.In one embodiment, current protection coils or current sensors / transformers are installed at the star point end of the windings of the generator stator, making fault detection possible during operation as well as at rest without connection to the generator. power converter or connection to the network.

Si un fallo de cortocircuito en un generador de imán permanente no se detecta puede ocasionar un incendio en el generador y sus partes circundantes, por lo que es importante poder detectar un fallo de cortocircuito en un generador de imán permanente. El motivo de este posible incendio es que la fuente del par mecánico, por ejemplo, en un generador de turbina eólica el rotor aerodinámico con una pluralidad de palas, se conecta al árbol del generador sin un dispositivo de desconexión para desenganchar el generador de la fuente de energía mecánica, en algunos casos mediante una caja de cambios. De este modo, aunque el rotor esté lentamente en reposo, se aplica potencia al árbol y el lugar averiado en el generador se alimenta con energía.If a short circuit fault in a permanent magnet generator is not detected it can cause a fire in the generator and its surrounding parts, so it is important to be able to detect a short circuit fault in a permanent magnet generator. The reason for this possible fire is that the source of the mechanical torque, for example, in a wind turbine generator the aerodynamic rotor with a plurality of blades, is connected to the generator shaft without a disconnection device to disengage the generator from the source of mechanical energy, in some cases through a gearbox. In this way, even if the rotor is slowly at rest, it is applied power to the tree and the damaged place in the generator is powered with energy.

La mayoría de las centrales de energías renovables, tales como generadores de turbinas eólicas, centrales de energía undimotriz y centrales hidroeléctricas undimotrices tienen su dispositivo de captura de energía mecánica en un fluido. De este modo, se recomienda evitar una parada o frenado si es posible, para que, salvo que se detecte un fallo, el árbol del generador gire gran parte del tiempo. La posibilidad de detectar la corriente de falta en cualquier etapa de funcionamiento mejorará la gestión de fallos y hará posibles las medidas de prioridad preventiva (evitando posiblemente incendios del generador de la turbina eólica).Most renewable power plants, such as wind turbine generators, wave power plants and wave power plants have their device for capturing mechanical energy in a fluid. In this way, it is recommended to avoid stopping or braking if possible, so that, unless a fault is detected, the generator shaft rotates much of the time. The possibility of detecting the fault current at any stage of operation will improve the fault management and make preventive priority measures possible (possibly avoiding wind turbine generator fires).

En determinadas configuraciones de instalación de generador de imán permanente y cable de alimentación, la detección de fallos se basa en la medición de corriente en el extremo "receptor" de la instalación del cable de alimentación en la caja terminal. Esto significa que los cables y el propio generador no están supervisados para situaciones de fallos de cortocircuitos. Los fallos ubicados antes de los disyuntores no pueden detectarse. En caso de cortocircuito el convertidor podría no ser capaz de detectar la asimetría de corriente resultante y/o la corriente de cortocircuito. La detección solo se produce si el convertidor está en modo operativo. Una supervisión básica de la instalación eléctrica (generador y cables principales y, posiblemente otros componentes en el circuito) no es posible con la configuración conocida de la técnica anterior, que puede generar problemas cuando una cadena de tracción está en reposo. En caso de fallos de cortocircuito, la FEM trasera del generador proporcionará potencia en el fallo sin detección.In certain installation configurations of permanent magnet generator and power cable, the fault detection is based on the measurement of current at the "receiver" end of the installation of the power cable in the terminal box. This means that the cables and the generator itself are not supervised for short circuit fault situations. Faults located before the circuit breakers can not be detected. In the event of a short circuit, the inverter may not be able to detect the resulting current asymmetry and / or the short-circuit current. Detection only occurs if the converter is in operating mode. A basic supervision of the electrical installation (generator and main cables and possibly other components in the circuit) is not possible with the configuration known from the prior art, which can generate problems when a tension chain is at rest. In case of short circuit failures, the rear EMF of the generator will provide power in the fault without detection.

Las realizaciones de la presente invención se utilizan para la detección de cortocircuitos. En caso de un cortocircuito fase a fase la corriente de falta se detectará si es superior al nivel de corriente asignado porque, según las leyes de Kirchhoff, sigue sobre el punto de estrella. El principio (y posibilidades de protección) es el mismo que si el circuito de detección de corriente (por ejemplo, transformadores) estuviera ubicado en un disyuntor corriente arriba, es decir, en el otro extremo del devanado, salvo que las posibilidades para detectar cortocircuitos de máquinas internas aumentan.The embodiments of the present invention are used for the detection of short circuits. In the event of a phase-to-phase short circuit, the fault current will be detected if it exceeds the assigned current level because, according to Kirchhoff's laws, it follows the star point. The principle (and protection possibilities) is the same as if the current detection circuit (for example, transformers) was located in an upstream circuit breaker, that is, at the other end of the winding, except that the possibilities for detecting short circuits of internal machines increase.

En una realización de la presente invención una supervisión de aislamiento utiliza transformadores de tensión (no mostrados en las Figuras) para la detección de fallos de tierra, posiblemente solo antes de la conexión del convertidor, ya que los elevados dV/dt de la conmutación de los convertidores de alimentación puede generar un falso accionamiento de relés de protección de tierra averiados.In one embodiment of the present invention an insulation monitoring uses voltage transformers (not shown in the Figures) for the detection of ground faults, possibly only before the converter connection, since the high dV / dt of the switching of The power converters can generate a false drive of faulty earth protection relays.

En algunas realizaciones, los conductores de tres fases neutros pueden llevarse a un "espacio vacío" donde se encuentran los transformadores. En máquinas síncronas "normales" de medio tamaño este espacio vacío se ha incluido como parte del sistema de refrigeración de aire interno en la propia la máquina, permitiendo también el acceso, mantenimiento y servicio, etc. Por lo tanto, la cabeza del devanado de la máquina simplemente puede hacer fluir las corrientes de fase total al espacio vacío con los transformadores.In some embodiments, conductors of three neutral phases can be carried to an "empty space" where the transformers are located. In "normal" medium sized synchronous machines this empty space has been included as part of the internal air cooling system in the machine itself, also allowing access, maintenance and service, etc. Therefore, the winding head of the machine can simply flow the total phase currents to the empty space with the transformers.

En una realización de la presente invención el sistema de protección se pone en marcha en un gran generador de imán permanente, que es de tipo segmentado, lo que significa que cada segmento funciona de manera independiente de los demás segmentos del generador. Si uno o más segmentos fallan, pueden desconectarse y los demás segmentos pueden seguir funcionando, bien después de una parada de reconfiguración stop o sobre la marcha sin parada.In one embodiment of the present invention the protection system is started in a large permanent magnet generator, which is a segmented type, which means that each segment operates independently of the other segments of the generator. If one or more segments fail, they can be disconnected and the other segments can continue to work, either after a stop reconfiguration stop or on the run without stopping.

En una realización alternativa, pueden añadirse múltiples transformadores de medición (cerca de la cabeza del devanado) y las señales de corriente se añaden por fase, ya sea en el lado análogo o el lado digital del sistema de protección.In an alternative embodiment, multiple measurement transformers (near the winding head) can be added and the current signals are added per phase, either on the analogue side or the digital side of the protection system.

La Figura 1 muestra una configuración general de un generador de turbina eólica 1. El generador de turbina eólica 1 incluye una torre 2 que tiene un número de secciones de torre, una góndola 3 colocada encima de la torre 2, y un rotor 4 que se extiende desde la góndola 3. La torre 2 se levanta sobre una base 7 construida en el suelo. El rotor 4 es giratorio con respecto a la góndola 3, e incluye un cubo 5 y una o más palas 6. El incidente del viento en las palas 6 hace que el rotor 4 gire con respecto a la góndola 3. La energía mecánica procedente del giro del rotor 4 se convierte en energía eléctrica mediante un generador (no mostrado) en la góndola 3. La energía eléctrica se convierte después en una energía eléctrica de frecuencia fija mediante un convertidor de alimentación que se suministrará a una red de alimentación. El generador de turbina eólica también puede formar parte de un parque eólico o una central eólica que comprenda una pluralidad de turbinas eólicas. Toda la energía eléctrica generada por los generadores de turbinas eólicas individuales en el parque eólico se consolida y se suministra a la red de alimentación a través de un Punto de Acoplamiento Común (PAC).Figure 1 shows a general configuration of a wind turbine generator 1. The wind turbine generator 1 includes a tower 2 having a number of tower sections, a nacelle 3 positioned above the tower 2, and a rotor 4 which is extends from gondola 3. Tower 2 rises on a base 7 built on the ground. The rotor 4 is rotatable with respect to the nacelle 3, and includes a bucket 5 and one or more blades 6. The wind incident on the blades 6 causes the rotor 4 to rotate with respect to the nacelle 3. The mechanical energy coming from the rotation of the rotor 4 is converted into electrical energy by means of a generator (not shown) in the nacelle 3. The electrical energy is then converted into a fixed frequency electric power by means of a power converter that will be supplied to a power supply network. The wind turbine generator can also be part of a wind farm or a wind farm comprising a plurality of wind turbines. All electric power generated by the individual wind turbine generators in the wind farm is consolidated and supplied to the power grid through a Common Coupling Point (PAC).

Aunque la turbina eólica 1 mostrada en la Figura 1 tiene tres palas 6, cabe señalar que una turbina eólica puede tener un número de palas diferente. Es habitual encontrar turbinas eólicas con entre dos y cuatro palas. El generador de turbina eólica 1 mostrado en la Figura 1 es una Turbina Eólica de Eje Horizontal (HAWT) ya que el rotor 4 gira alrededor de un eje horizontal. Cabe señalar que el rotor 4 puede girar alrededor de un eje vertical. Los generadores de turbinas eólicas cuyo rotor gira alrededor del eje vertical se conocen como Turbina Eólica de Eje Vertical (VAWT). Las realizaciones descritas en adelante no se limitan a HAWT con 3 palas. Pueden ponerse en marcha en HAWT y VAWT, y con cualquier número de palas 6 en el rotor 4.Although the wind turbine 1 shown in Figure 1 has three blades 6, it should be noted that a wind turbine can have a different number of blades. It is common to find wind turbines with between two and four blades. The wind turbine generator 1 shown in Figure 1 is a Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) since the rotor 4 rotates about a horizontal axis. It should be noted that the rotor 4 can rotate about a vertical axis. Wind turbine generators whose rotor rotates around the vertical axis are known as Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). The embodiments described hereinafter are not limited to HAWT with 3 blades. They can be launched in HAWT and VAWT, and with any number of blades 6 in rotor 4.

Los generadores de turbinas eólicas se conectan normalmente a una red eléctrica. El generador 20 puede considerarse un componente principal, en el suministro de potencia a la red eléctrica, aunque el generador puede conectarse a la red a través de un convertidor electrónico de potencia, sigue considerándose que está conectado a la red en la medida en que haya una conexión eléctrica. Esta conexión puede interrumpirse mediante un disyuntor 24, u otros tipos de interruptores electrónicos, tales como relés de estado sólido.Wind turbine generators are normally connected to a power grid. The generator 20 can be considered a main component, in the power supply to the electrical network, although the generator can be connected to the network through an electronic power converter, it is still considered that it is connected to the network as long as there is an electrical connection. This connection can be interrupted by a circuit breaker 24, or other types of electronic switches, such as solid state relays.

La Figura 2 muestra un sistema de protección conocido de la técnica anterior. Un generador 20 se conecta a un disyuntor 24 mediante un conjunto de cables de alimentación 23. El generador tiene tres devanados 21 de fase (también denominados en el presente documento devanados estatóricos o simplemente devanados), todos ellos conectados en un punto de estrella 22 en el generador. La corriente que fluye en el generador 20 y los cables de alimentación 23 se miden mediante un sensor de medición 25 en un terminal de extremo del devanado, es decir, los extremos que están en la caja terminal del generador (caja terminal no mostrada en la Figura). Aunque la Figura 2 muestra el sensor 25 como una unidad, cada una de las tres fases puede supervisarse con su propio sensor de medición. La señal procedente del sensor de medición se comunica a un relé de protección 26. El relé de protección 26 puede activar el disyuntor 24 si es necesario.Figure 2 shows a protection system known from the prior art. A generator 20 is connected to a circuit breaker 24 by a set of supply wires 23. The generator has three phase windings 21 (also referred to herein as stator windings or simply windings), all connected at a star point 22 in the generator. The current flowing in the generator 20 and the power cables 23 are measured by a measurement sensor 25 at a terminal end of the winding, ie the ends that are in the terminal box of the generator (terminal box not shown in FIG. Figure). Although Figure 2 shows the sensor 25 as a unit, each of the three phases can be monitored with its own measurement sensor. The signal from the measurement sensor is communicated to a protection relay 26. The protection relay 26 can activate the circuit breaker 24 if necessary.

La Figura 3A muestra una realización de la presente invención. Como se muestra en la Figura 3A, el sensor de medición 25 se mueve hacia el punto de estrella del generador 22 proporcionando información de carga de corriente al relé de protección 26 independiente de una etapa operativa del generador. En caso, por ejemplo, de cortocircuito permanente al ralentí el fallo se detecta y el personal de servicio puede adoptar medidas preventivas. Un generador 20 se conecta a un disyuntor 24 mediante un conjunto de cables de alimentación 23. El generador tiene tres devanados 21 de fase, todos conectados en un punto de estrella 22 en el generador. La corriente que fluye en el generador 20 y los cables de alimentación 23 se mide mediante un sensor de medición 25. El sensor de medición 25 mide las corrientes en los devanados 21 en el extremo de punto de estrella de los devanados. El sensor de medición 25 podría incluir un sensor de corriente, tal como un transformador de corriente, o un sensor de fuerza electromagnética (FEM), que mide una fuerza electromagnética que es indicativa de información de carga de corriente. La Figura 2 muestra el sensor 25 como una unidad pero, realmente, cada una de las tres fases puede supervisarse con su propio sensor de medición. La señal procedente del sensor de medición se comunica a un relé de protección 26. El relé de protección 26 puede activar el disyuntor 24 si es necesario.Figure 3A shows an embodiment of the present invention. As shown in Figure 3A, the measurement sensor 25 moves toward the star point of the generator 22 providing current charging information to the protection relay 26 independent of an operating stage of the generator. In case, for example, of permanent short-circuit at idle the fault is detected and the service personnel can take preventive measures. A generator 20 is connected to a circuit breaker 24 by a set of power cables 23. The generator has three phase windings 21, all connected at a star point 22 in the generator. The current flowing in the generator 20 and the power cables 23 is measured by a measurement sensor 25. The measurement sensor 25 measures the currents in the windings 21 at the star point end of the windings. The measurement sensor 25 could include a current sensor, such as a current transformer, or an electromagnetic force sensor (EMF), which measures an electromagnetic force that is indicative of current load information. Figure 2 shows the sensor 25 as a unit but, actually, each of the three phases can be monitored with its own measurement sensor. The signal from the measurement sensor is communicated to a protection relay 26. The protection relay 26 can activate the circuit breaker 24 if necessary.

La Figura 3B muestra un esquema de un conjunto de tres devanados 21 estatóricos, habitualmente acoplados en un acoplamiento delta. El sensor del circuito de medición se mueve hacia el generador acoplamiento delta proporcionando información de carga de corriente al relé de protección 26 por medio de una línea de comunicación 27, independiente de la etapa operativa. En caso, por ejemplo, de un cortocircuito permanente al ralentí el fallo se detecta y el personal de servicio puede adoptar medidas preventivas. Los devanados 21 del generador se conectan a un conjunto de 30 cables de alimentación 23 directamente en el segundo extremo de cada uno de los devanados 212, mientras que el primer extremo 211 se conecta a un disyuntor 24, que, en la Figura, está dividido en tres ramas porque, en la mayoría de las realizaciones, el disyuntor 24 es un disyuntor de tres fases. La corriente que fluye en los devanados 21 del generador y los cables de alimentación 23 se mide mediante sensores de medición 25, que podrían incluir un sensor de corriente, tal como un transformador de corriente, o un sensor de FEM. La señal procedente del sensor de medición se comunica 27 a un relé de protección 26. El relé de protección 26 puede activar el disyuntor 24 si es necesario por medio de una línea de comunicación 28.Figure 3B shows a diagram of a set of three stator windings 21, usually coupled in a delta coupling. The measuring circuit sensor moves towards the delta coupling generator providing current charging information to the protection relay 26 via a communication line 27, independent of the operating stage. In case, for example, of a permanent short-circuit at idle the fault is detected and the service personnel can take preventive measures. The windings 21 of the generator are connected to a set of 30 power cables 23 directly at the second end of each of the windings 212, while the first end 211 is connected to a circuit breaker 24, which, in the Figure, is divided. in three branches because, in most embodiments, circuit breaker 24 is a three phase circuit breaker. The current flowing in the windings 21 of the generator and the power cables 23 is measured by measurement sensors 25, which could include a current sensor, such as a current transformer, or an FEM sensor. The signal from the measurement sensor is communicated 27 to a protection relay 26. The protection relay 26 can activate the circuit breaker 24 if necessary by means of a communication line 28.

En la Figura 3B, el disyuntor 24 está integrado con la conexión delta pero, en otras realizaciones no mostradas, el disyuntor 24 puede insertarse alternativamente a lo largo de los cables de alimentación 23.In Figure 3B, the circuit breaker 24 is integrated with the delta connection but, in other embodiments not shown, the circuit breaker 24 may alternatively be inserted along the supply wires 23.

Los cables de alimentación 23 conectan el generador 20 a una red eléctrica o a un convertidor electrónico de potencia (no mostrado en las Figuras).The power cables 23 connect the generator 20 to an electrical network or to an electronic power converter (not shown in the Figures).

En otra realización de la presente invención un circuito de protección diferencial puede proteger el generador poniendo sensores de medición adicionales en el lado de entrada del convertidor para medir la corriente en los devanados estatóricos en los terminales de extremo. Con dicha configuración, puede medirse la corriente de fase total de la máquina. Esta información puede utilizarse con fines de control y protección (tanto para fallos internos de la máquina como para fallos externos de la máquina).In another embodiment of the present invention a differential protection circuit can protect the generator by placing additional measurement sensors on the input side of the converter to measure the current in the stator windings at the end terminals. With this configuration, the total phase current of the machine can be measured. This information can be used for control and protection purposes (both for internal machine faults and for external machine faults).

En una realización, los sensores de medición en los terminales de extremo son transformadores de corriente que también pueden utilizarse para controlar el generador.In one embodiment, the measurement sensors at the end terminals are current transformers that can also be used to control the generator.

Un transformador de corriente utilizado para proteger de acuerdo con la presente invención puede tener una asignación de corriente elevada, por ejemplo, 3 veces la corriente asignada (o más) del generador tiene por objeto proteger, con el fin de no saturar. La necesidad de un ancho de banda de frecuencia elevado, por otro lado, es limitada, por lo que puede bastar un simple transformador laminado.A current transformer used to protect according to the present invention may have a high current assignment, for example, 3 times the rated current (or more) of the generator is intended to protect, in order not to saturate. The need for a high frequency bandwidth, on the other hand, is limited, so a simple laminated transformer may suffice.

Lo contrario es el caso de transformadores utilizados con fines de control, donde sería suficiente la corriente asignada, o 1-2 veces la corriente asignada. El transformador de corriente de control tiene que tener un ancho de banda similar a la frecuencia de conmutación del convertidor de alimentación que controla el generador/motor. El objeto de tener dos conjuntos de transformadores de corriente, uno a cada extremo de cada uno de los devanados, es comparar los dos conjuntos de señal y detectar así si hay una fuga de corriente. Si se utilizan diferentes tipos de transformadores con diferente precisión, podría ser necesario subsanar algún error.The opposite is the case of transformers used for control purposes, where the current would be sufficient assigned, or 1-2 times the rated current. The control current transformer must have a bandwidth similar to the switching frequency of the power converter that controls the generator / motor. The purpose of having two sets of current transformers, one at each end of each of the windings, is to compare the two sets of signal and thus detect if there is a current leak. If different types of transformers are used with different accuracy, it may be necessary to correct some error.

La Figura 4 muestra un esquema de un relé de protección 26. Un relé de protección es un aparato electromecánico complejo, a menudo con más de una bobina, diseñado para calcular condiciones operativas de un circuito eléctrico y activar disyuntores cuando se detecta un fallo. A diferencia de los relés de tipo conmutador con límites de tensión y tiempos operativos fijos y normalmente mal definidos, los relés de protección tienen curvas de tiempo/corriente (u otro parámetro operativo) bien establecidas y seleccionables. Puede utilizarse un conjunto de señales de entrada 30 como entrada 27 para el relé de protección 26. El relé de protección también tiene un número de valores de ajuste 31. Este puede ser un valor límite de corriente 31, u otros tales como un límite de tensión, tiempo máximo en el que puede producirse una situación determinada. Las salidas 28 del relé de protección 26 pueden incluir diversas señales 32, tales como una indicación visual, una alarma de aviso, otras comunicaciones, y/o un mando para retirar potencia, por ejemplo, un mando que haga que el disyuntor 24 que alimenta el componente eléctrico averiado se active.Figure 4 shows a schematic of a protection relay 26. A protection relay is a complex electromechanical device, often with more than one coil, designed to calculate operating conditions of an electrical circuit and activate circuit breakers when a fault is detected. Unlike switch-type relays with fixed and normally ill-defined voltage limits and operating times, protection relays have well-established and selectable time / current curves (or other operating parameters). A set of input signals 30 can be used as input 27 for the protection relay 26. The protection relay also has a number of adjustment values 31. This can be a current limit value 31, or others such as a limit of tension, maximum time at which a given situation can occur. The outputs 28 of the protection relay 26 may include various signals 32, such as a visual indication, a warning alarm, other communications, and / or a knob to withdraw power, for example, a command that causes the circuit breaker 24 to supply the damaged electrical component is activated.

Dichos relés de protección 26 pueden ser complejos, utilizando series de discos de inducción, imanes de polo sombreado, bobinas de funcionamiento y restricción, operadores de tipo solenoide, contactos de relé de teléfono y redes de cambio de fase. Los relés de protección responden a condiciones tales como as sobrecorriente, sobretensión, flujo de potencia inverso, sobrefrecuencia y subfrecuencia.Said protection relays 26 can be complex, using series of induction disks, shaded pole magnets, operation and restriction coils, solenoid type operators, telephone relay contacts and phase change networks. The protection relays respond to conditions such as overcurrent, overvoltage, reverse power flow, overfrequency and underfrequency.

Los relés de protección 26 actuales han sido sustituidos casi en su totalidad por relés de protección 26 digitales basados en microprocesador (relés numéricos) que imitan a sus predecesores electromecánicos con gran precisión y comodidad de aplicación. Combinando diversas funciones en un paquete, los relés numéricos también tienen un gasto económico y un gasto de mantenimiento con respecto a los relés electromecánicos.The current protection relays 26 have been replaced almost entirely by digital protection relays 26 based on microprocessors (numerical relays) that imitate their electromechanical predecessors with great precision and ease of application. Combining various functions in a package, the numerical relays also have an economic expense and a maintenance expense with respect to the electromechanical relays.

En una realización el relé de protección 26 está integrado junto con el disyuntor 24, y en otra realización los dos se construyen en módulos separados, comunicándose entre sí.In one embodiment, the protection relay 26 is integrated together with the circuit breaker 24, and in another embodiment the two are constructed in separate modules, communicating with each other.

Las máquinas eléctricas 20 más grandes suelen tener dos o más conjuntos de tres devanados 21 estatóricos. En algunas realizaciones los conjuntos de devanados 21a, 21b se insertan en las ranuras del estátor (no mostradas) de una manera que hace que la salida de cada conjunto de devanados 21a, 21b esté en fase eléctrica entre sí, pero con un desplazamiento angular entre las fases dentro de un conjunto.The largest electric machines 20 usually have two or more sets of three stator windings. In some embodiments the winding assemblies 21a, 21b are inserted into the stator slots (not shown) in a manner that causes the output of each set of windings 21a, 21b to be in electric phase with each other, but with an angular displacement between the phases within a set.

En otra realización los conjuntos de devanados 21a, 21b se insertan en una configuración que facilitará un desplazamiento eléctricamente angular entre los conjuntos. Es habitual un desplazamiento de 30 grados, pero no se limita a este valor; también pueden utilizarse ángulos de 10, 15 o 20 grados.In another embodiment the winding assemblies 21a, 21b are inserted in a configuration that will facilitate an electrically angular displacement between the assemblies. A displacement of 30 degrees is usual, but it is not limited to this value; angles of 10, 15 or 20 degrees can also be used.

La Figura 5 muestra un generador con una doble conexión en Y, es decir, dos conjuntos de devanados 21a, 21b con un punto de estrella 22a, 22b. Un conjunto de tres sensores de corrientes 25a, 25b supervisan la corriente en los devanados 21a, 21b. La señal de salida 50 procedente de los sensores 25a, 25b se comunica al relé de protección 26 (no mostrado en esta Figura)Figure 5 shows a generator with a double Y connection, that is, two sets of windings 21a, 21b with a star point 22a, 22b. A set of three current sensors 25a, 25b monitor the current in the windings 21a, 21b. The output signal 50 from the sensors 25a, 25b is communicated to the protection relay 26 (not shown in this Figure)

La configuración mostrada en la Figura 5 puede utilizarse si el cambio de ángulo entre los dos sistemas es 0 grados. si no, la alternativa es añadir las corrientes de medición de forma digital dentro del relé de protección 26, necesitando así que dos conjuntos de señales 27 se comuniquen al relé de protección 26.The configuration shown in Figure 5 can be used if the angle change between the two systems is 0 degrees. if not, the alternative is to add the measurement currents digitally inside the protection relay 26, thus requiring two sets of signals 27 to communicate to the protection relay 26.

Aunque la Figura solo muestra una configuración con más de un acoplamiento en Y, las realizaciones de la presente invención no se limitan a dicha configuración. Por ejemplo, también es posible una configuración con más de un acoplamiento delta.Although the Figure only shows a configuration with more than one Y-coupling, the embodiments of the present invention are not limited to said configuration. For example, a configuration with more than one delta coupling is also possible.

La Figura 6 muestra una posible extensión del sistema de protección que permitirá la supervisión diferencial de corriente. Un fallo entre espiras en la misma fase puede verse como una asimetría entre las tres fases. Este tipo de supervisión puede ser difícil de ajustar óptimamente a un nivel de detección bajo y, por tanto, puede resultar bastante cara. El problema principal de un sistema diferencial es que también se producirá una asimetría si se aplica una carga de corriente asimétrica - por lo tanto, normalmente la función de desvío de los relés de protección 26 es "elevada" y depende de la discriminación de nivel de tiempo y de corriente (una corriente de carga superior equivale a un mayor nivel de asimetría aceptable - en la escala de tiempo se aceptan niveles de asimetría superiores en un intervalo de tiempo breve, no durante largos periodos de tiempo). El motivo de esto es permitir, por ejemplo, corrientes de irrupción de la máquina de inducción, que se sabe que son muy asimétricas.Figure 6 shows a possible extension of the protection system that will allow differential current monitoring. A fault between turns in the same phase can be seen as an asymmetry between the three phases. This type of monitoring can be difficult to adjust optimally to a low detection level and, therefore, can be quite expensive. The main problem of a differential system is that an asymmetry will also occur if an asymmetric current load is applied - therefore, normally the deflection function of the protection relays 26 is "high" and depends on the level discrimination of the time and current (a higher load current equals a higher level of acceptable asymmetry - in the time scale, higher asymmetry levels are accepted in a short time interval, not for long periods of time). The reason for this is to allow, for example, inrush currents of the induction machine, which are known to be very asymmetric.

La Figura 6 también muestra un generador con una doble conexión en Y, es decir, dos conjuntos de devanados 21a, 21b con un punto de estrella 22a, 22b. Un conjunto de tres sensores de corrientes 25a, 25b supervisa la corriente en los devanados 21a, 21b. Además, el generador puede estar provisto de otro conjunto de sensores de corrientes 55a, 55b que detecten la corriente en el extremo opuesto del devanado, cuyo extremo puede denominarse el terminal de extremo, ya que está cerca de la caja terminal del generador 20. Las señales de salida 27a, 27b procedentes de los sensores 25a, 25b se comunican al relé de protección 26 (no mostrado in esta Figura). Aunque la Figura 6 muestra una configuración con dos conjuntos de devanados 21a, 21b, la configuración con una medición diferencial también puede ponerse en marcha en un generador 20 con un conjunto de devanados 21.Figure 6 also shows a generator with a double Y connection, that is, two sets of windings 21a, 21b with a star point 22a, 22b. A set of three current sensors 25a, 25b monitors the current in the windings 21a, 21b. In addition, the generator may be provided with another set of current sensors 55a, 55b that detect the current at the opposite end of the winding, whose end may be referred to as the end terminal, since it is close to the terminal box of the generator 20. output signals 27a, 27b from the sensors 25a, 25b communicate to the protection relay 26 (not shown in this Figure). Although Figure 6 shows a configuration with two sets of windings 21a, 21b, the configuration with a differential measurement can also be started in a generator 20 with a set of windings 21.

La Figura 7 muestra un sistema de protección de la técnica anterior donde el disyuntor 24 está ubicado antes del cableado 23 y todos los devanados 21 del el generador terminan en el punto de estrella 22. El relé de protección 26 solo puede supervisar el generador siempre que el disyuntor 24 esté cerrado, lo que significa que un fallo en el generador 20 o los cables 23 no se observará salvo que el disyuntor 24 esté cerrado. Como se ha mencionado, esto podría causar problemas al manejar generadores de imanes permanentes 20.Figure 7 shows a protection system of the prior art where the circuit breaker 24 is located before the wiring 23 and all the windings 21 of the generator end at the star point 22. The protection relay 26 can only monitor the generator provided that the circuit breaker 24 is closed, which means that a fault in the generator 20 or the cables 23 will not be observed unless the circuit breaker 24 is closed. As mentioned, this could cause problems when handling permanent magnet generators 20.

La Figura 8 muestra un sistema donde el disyuntor 24 se mueve hacia el lado del punto de estrella 22 del devanado 21 estatórico, lo que significa que los cables 23 también están protegidos si el generador 20 está operando en modo de reposo.Figure 8 shows a system where the circuit breaker 24 moves towards the star point side 22 of the stator winding 21, which means that the cables 23 are also protected if the generator 20 is operating in standby mode.

La Figura 9 muestra un diagrama de flujo de un método de acuerdo con una realización de la presente invención. En la etapa 910 se mide un parámetro eléctrico en el al menos un devanado de fase en un primer extremo, con el al menos un sensor de medición. Después, en la etapa 920 el parámetro medido se comunica al relé de protección. Entonces, en la etapa 930 el parámetro eléctrico medido se compara con un valor límite. Finalmente, en la etapa 940, el al menos un relé de protección se activa si dicho parámetro eléctrico medido está por encima del valor límite. Las realizaciones de la presente invención se refieren a un sistema de protección con un relé de protección y al menos un sensor de medición para proteger un generador de imán permanente que tiene una pluralidad de devanados estatóricos, teniendo cada uno de dichos devanados estatóricos un primer extremo y un segundo extremo, y en donde si los devanados estatóricos se conectan en un acoplamiento en Y, habitualmente se acoplan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, en un punto de estrella en el primer extremo de cada uno de los devanados estatóricos, y si los devanados estatóricos se conectan en un acoplamiento delta, habitualmente se acoplan, en un conjunto de tres devanados estatóricos, en un anillo entre sí. El sensor de medición se dispone para medir un parámetro en el primer extremo de al menos uno de los devanados estatóricos y para comunicar con el relé de protección. La invención también se refiere a un método de proteger un generador de imán permanente.Figure 9 shows a flow chart of a method according to an embodiment of the present invention. In step 910 an electrical parameter is measured in the at least one phase winding at a first end, with the at least one measurement sensor. Then, in step 920 the measured parameter is communicated to the protection relay. Then, in step 930 the measured electrical parameter is compared with a limit value. Finally, in step 940, the at least one protection relay is activated if said measured electrical parameter is above the limit value. Embodiments of the present invention relate to a protection system with a protection relay and at least one measurement sensor for protecting a permanent magnet generator having a plurality of stator windings, each of said stator windings having a first end and a second end, and wherein if the stator windings are connected in a Y-coupling, they are usually coupled, in a set of three stator windings, at a star point at the first end of each of the stator windings, and if the stator windings are connected in a delta coupling, they are usually coupled, in a set of three stator windings, in a ring with each other. The measurement sensor is arranged to measure a parameter at the first end of at least one of the stator windings and to communicate with the protection relay. The invention also relates to a method of protecting a permanent magnet generator.

Cualquier valor de rango o dispositivo presentado en el presente documento puede extenderse o alterarse sin perder el efecto deseado, como entenderá el experto en la materia.Any value of range or device presented in the present document can be extended or altered without losing the desired effect, as will be understood by the expert in the field.

Se entenderá que los beneficios y las ventajas descritos anteriormente pueden referirse a una realización o pueden referirse a diversas realizaciones. También se entenderá que una referencia a “un” elemento se refiere a uno o más de dichos elementos.It will be understood that the benefits and advantages described above may relate to one embodiment or may relate to various embodiments. It will also be understood that a reference to "an" element refers to one or more of said elements.

Se entenderá que cualquier referencia a un generador, también se aplica a muchos otros tipos de generadores, por ejemplo, motor, condensador síncrono, etc.It will be understood that any reference to a generator also applies to many other types of generators, for example, motor, synchronous capacitor, etc.

Se entenderá que la descripción anterior de una realización preferida solo se facilita a modo de ejemplo y que los expertos en la materia pueden realizar diversas modificaciones. La memoria descriptiva anterior, los ejemplos y los datos proporcionan una descripción completa de la estructura y el uso de realizaciones ejemplares de la invención. Aunque diversas realizaciones de la invención se han descrito anteriormente con un cierto grado de particularidad, o con referencia a una o más realizaciones individuales, los expertos en la materia podrían hacer numerosas alteraciones en las realizaciones desveladas sin apartarse del alcance de esta invención. It will be understood that the above description of a preferred embodiment is given only by way of example and that various modifications can be made by those skilled in the art. The above specification, examples and data provide a complete description of the structure and use of exemplary embodiments of the invention. Although various embodiments of the invention have been described above with a certain degree of particularity, or with reference to one or more individual embodiments, those skilled in the art could make numerous alterations to the disclosed embodiments without departing from the scope of this invention.

Claims

A protection system for protecting a permanent magnet generator (20) with a plurality of stator windings (21), the protection system comprising:

a circuit breaker (24) connected to the generator by a set of power cables (23), and arranged to disconnect the generator from an electrical network, wherein the circuit breaker is not included as part of the stator windings (21);

a protection relay (26);

Y

at least one measuring sensor (25) for measuring current,

wherein each of said stator windings has a first end (211) and a second end (212), and wherein:

- if said stator windings are connected in a Y-coupling, the stator windings are usually connected, in a set of three stator windings, at a star point (22) at the first end of each of the stator windings, and

- the at least one measurement sensor is arranged to measure current in the stator windings at the star point end of the stator windings and to communicate the measured current to the protection relay, while

- if said stator windings are connected in a delta coupling, the stator windings are usually connected, in a set of three stator windings, to each other in a ring connection, and

- the at least one measurement sensor is arranged to measure current in the ring connection of the stator windings and to communicate the measured current to the protection relay,

characterized by that

the protection relay (26) is configured to communicate with the circuit breaker (24) and to ensure that the circuit breaker (24) is activated in the event that the protection relay (26) determines that the measured current exceeds a limit for disconnecting the generator of the electric network.

2. A protection system according to claim 1 arranged to protect a generator, wherein the generator comprises more than one segment, each segment comprises one or more set / s of three stator windings, wherein each set of three stator windings is usually connected.

A protection system according to claim 2, wherein each segment has at least one protection relay arranged to protect the one or more set / s of three stator windings of the corresponding segment.

4. A protection system according to claim 1 arranged to protect a generator with more than one set of three stator windings (21a, 21b), wherein each set of three stator windings is changed electrical phase with respect to the other .

5. A protection system according to claim 2, wherein the protection relay is arranged to correct the phase change between the sets of three stator windings.

6. A protection system according to any one of claims 1 to 5 wherein the second end of each of the plurality of stator windings, opposite the first end in which each of the stator windings is usually coupled in a star point, is an end terminal, and wherein the protection system also comprises at least one additional measurement sensor (55) for measuring current at the end terminal of at least one of the stator windings, and wherein the Protection relay is available to communicate with both sensors and compare both measured parameters.

7. A permanent magnet generator with a protection system according to claim 1 to 6.

8. A method for protecting a permanent magnet generator (20) with a protection system comprising a circuit breaker (24) connected to the generator by a set of power cables (23), and which is arranged to disconnect the generator from a electrical network, where the circuit breaker is not included as part of the stator windings, a protection relay (26) communicating with the circuit breaker and at least one measuring sensor (25) for measuring current, having said permanent magnet generator a plurality of stator windings (21), wherein if said stator windings are connected in a Y-coupling, the stator windings are usually coupled, in a set of three stator windings, at a star point (22) at a first end of each of the stator windings, and if said stator windings are connected in a delta coupling, the stator windings are usually coupled, in a set of three stator windings, each other in a ring connection, the method comprising the steps of:

- measuring current i) in the stator windings at the star point end of the stator windings coupled in Yo ii) in the ring connection of the delta-coupled stator windings, with the at least one measurement sensor,

- communicate the measured current to the protection relay,

- compare the measured current with a first limit value, and

- activate the protection relay if said measured current is above the first limit value, thus disconnecting the generator from the electrical network by means of the circuit breaker (24).

A method for protecting a permanent magnet generator according to claim 8, wherein said permanent magnet generator has at least a set of three stator windings, and wherein the current in each stator winding is measured with a sensor of different current.

A method for protecting a permanent magnet generator according to claim 8 or 9, wherein the generator comprises more than one segment, each segment comprises one or more set / s of three stator windings, and each segment has at least a protection relay arranged to protect the one or more set (s) of three stator windings of the corresponding segment, wherein each set of three stator windings is connected in a Y or delta coupling, the method further comprising the step of:

- if the measured current is above the first limit value, select the protection relay corresponding to the one or more set / s of three stator windings associated with the measured current, and

- disconnect the one or more set / s of three stator windings by means of the selected protection relay.

A method for protecting a permanent magnet generator according to claim 9, wherein the generator has more than one set of three stator windings, and wherein each set of three stator windings is changed from electric phase to others.

A method for protecting a permanent magnet generator according to claim 11, wherein the protection relay protects each set of three stator windings individually.

A method for protecting a permanent magnet generator according to claim 11, wherein the protection relay is arranged to take into account the phase change between the sets of three stator windings.

A method for protecting a permanent magnet generator according to claim 8, the method further comprising the steps of

- measuring current at a second end of the at least one stator winding,

- communicate the measured current from the second end to the protection relay,

find a difference between the measured current of the first end and the second end, and activate the protection relay if said difference is above a second limit value.