ES2821488T3 - Bobinado auxiliar para un generador - Google Patents

Abstract

Un alternador para un sistema generador (10), que comprende: un rotor (30) que tiene un bobinado de excitación (24); un estator (32) que tiene una pluralidad de ranuras (38), en donde un bobinado principal trifásico (34) y un bobinado auxiliar monofásico (36) están enrollados cada uno en la pluralidad de ranuras (38); y un entrehierro definido entre el estator (32) y el rotor (30), en donde el bobinado auxiliar transmite potencia a un regulador automático de tensión (AVR) que regula la potencia al bobinado de excitación (24), el bobinado auxiliar (36) incluye una pluralidad de vueltas de alambre, cada vuelta enrollada en una primera dirección en una primera ranura seleccionada de la pluralidad de ranuras (38) del estator (32) y en una segunda dirección en una segunda ranura seleccionada de la pluralidad de ranuras (38) del estator (32) y en donde: cada una de la pluralidad de vueltas de alambre está enrollada en la pluralidad de ranuras (38) de acuerdo con una función de distribución; la función de distribución se define para acoplar el bobinado auxiliar (36) a un componente fundamental y un componente armónico espacial deseado seleccionado entre una pluralidad de componentes armónicos espaciales de un flujo magnético generado en el entrehierro, teniendo el componente armónico especial deseado una magnitud mayor que las magnitudes de cada uno de la pluralidad de componentes armónicos espaciales en una condición de cortocircuito; y en donde la función de distribución se define para minimizar el acoplamiento del bobinado auxiliar (36) a la pluralidad de componentes armónicos espaciales del flujo magnético distintos del componente armónico espacial deseado, estando configurada la función de distribución para vincular el bobinado auxiliar (36) al componente armónico espacial deseado durante la condición de cortocircuito, en donde el componente armónico espacial deseado es el tercer armónico, caracterizado por que la función de distribución incluye un primer componente de distribución configurado para acoplar el bobinado auxiliar (36) al componente armónico fundamental del flujo magnético y un segundo componente de distribución configurado para acoplar el bobinado auxiliar (36) al componente armónico espacial deseado del flujo magnético, en donde la función de distribución está definida por T(θ) = T1cos (nθ + Φ1) + Thcos (n-h-θ + Φh), donde: θ es la posición angular, n es el número de pares de polos, h es el componente armónico espacial deseado, T(θ) es un número de vueltas en función de la posición angular, T1 es la magnitud del primer componente de distribución para el acoplamiento al componente fundamental, Th es la magnitud del segundo componente de distribución para el acoplamiento al componente armónico espacial deseado, Φ1 es un desplazamiento de ángulo para el componente fundamental, y Φh es un desplazamiento de ángulo para el componente armónico espacial deseado.

Description

DESCRIPCIÓN

Bobinado auxiliar para un generador

Campo de la invención

Esta invención se refiere generalmente a generadores eléctricos accionados por motor y, en particular, a un bobinado auxiliar utilizado para proporcionar potencia a un regulador de tensión ajustable (AVR) sobre un generador.

Antecedentes y sumario de la invención

Los generadores eléctricos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Típicamente, un generador eléctrico individual opera en modo de espera en donde la potencia eléctrica proporcionada por una instalación se monitorea de tal manera que, si falla la potencia eléctrica comercial de la instalación, el motor del generador eléctrico se pone en marcha automáticamente haciendo que el alternador genere potencia eléctrica. Cuando la salida eléctrica generada por el alternador alcanza una tensión y frecuencia predeterminados deseados por el cliente, un interruptor de transferencia transfiere la carga impuesta por el cliente de las líneas de potencia comerciales al generador eléctrico. Tal cual se conoce, la mayoría de los equipos eléctricos residenciales en los Estados Unidos están diseñados para usarse en conexión con un suministro eléctrico que tiene una frecuencia fija, en concreto, sesenta (60) hercios (Hz). Típicamente, los generadores eléctricos utilizan un único motor de accionamiento acoplado a un generador o alternador a través de un árbol común. Al actuar el motor, el cigüeñal hace rotar el árbol común para accionar el alternador que, a su vez, genera potencia eléctrica. La frecuencia de la salida de la mayoría de los generadores eléctricos anteriores depende de una velocidad de operación fija del motor. Típicamente, la velocidad de operación predeterminada de un motor para un generador eléctrico de dos polos en espera es de aproximadamente 3600 revoluciones por minuto para producir la frecuencia nominal para la que está diseñada la unidad.

Es deseable mantener la velocidad de operación predeterminada del motor y, de este modo, mantener la frecuencia nominal de la salida del generador. Los cambios en la magnitud de la carga aplicada al generador causarán fluctuaciones en la velocidad del motor y las fluctuaciones resultantes en la tensión de salida y la frecuencia. Para minimizar las fluctuaciones en la tensión de salida, un generador puede utilizar un regulador automático de tensión (AVR). El AVR recibe una señal, o señales, desde un sensor, o sensores, conectados a la salida del generador que corresponden a la salida de corriente y/o tensión del generador. El AVR luego regula la corriente suministrada al rotor del alternador para ayudar a mantener una tensión de salida constante en la carga.

Con el fin de proporcionar la corriente regulada al rotor, el AVR convierte la potencia recibida en una entrada a la corriente regulada. Históricamente, el AVR se ha configurado para recibir potencia de una de tres fuentes. De acuerdo con una primera opción, el AVR puede recibir potencia de una batería. Alternativamente, se puede acoplar un alternador de imán permanente (PM) al rotor, y un bobinado del estator del alternador de PM puede proporcionar potencia al AVR. Como otra opción más, los sistemas generadores utilizan un par de bobinados auxiliares, donde ambos bobinados se utilizan para suministrar potencia al AVR.

Los documentos de patente GB 2011 186 A, JP 2 989135 B2, GB 2 071 430 A y US 4 121 148 A se consideran la técnica anterior pertinente y se refieren a un sistema de generador, como se describe en el preámbulo de las reivindicaciones independientes.

Cada una de las configuraciones mencionadas anteriormente para proporcionar potencia al AVR tiene ciertas desventajas. El uso de una batería requiere un sistema para mantener la batería cargada. La adición de un alternador PM adicional al rotor requiere un árbol de rotor más largo, lo que resulta en una longitud axial adicional del alternador. Tanto la batería como el alternador PM también añaden un coste significativo al sistema del generador. Cuando se utilizan bobinados auxiliares, un par de bobinados se utiliza típicamente porque la tensión inducida en el primer bobinado, acoplado al componente fundamental de la tensión generada en el alternador, cae casi a cero bajo ciertas condiciones de falla, tal como un cortocircuito. Para que el AVR continúe funcionando bajo estas condiciones de falla, se proporciona un segundo bobinado auxiliar que está acoplado a otro componente armónico de la tensión generada en el alternador. Debido a que ambos bobinados auxiliares también están enrollados sobre el estator, aumentan el tamaño del estator y la complejidad de los bobinados. Cada bobinado auxiliar también es susceptible de acoplarse a componentes armónicos indeseables que pueden interferir con la operación del AVR.

De este modo, es un objeto y una característica principales de la presente invención proporcionar un método mejorado para proporcionar potencia a un AVR de un generador.

Es otro objeto principal y característica de la presente invención proporcionar un único bobinado auxiliar sobre un estator que está acoplado a componentes armónicos deseados, pero rechaza componentes armónicos no deseados de la tensión generado por el estator.

De acuerdo con la invención, el problema se resuelve con el tema que se describe en las reivindicaciones independientes.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos ilustran una construcción preferente de la presente invención en donde las ventajas y características anteriores se divulgan claramente, así como otras que se entenderán fácilmente a partir de la siguiente descripción de la realización ilustrada.

En los dibujos:

La figura 1 es una representación en diagrama de bloques de un sistema generador ejemplar que incorpora un bobinado auxiliar de acuerdo con una realización de la invención;

la figura 2 es una representación en diagrama de bloques de otro sistema generador ejemplar que incorpora un bobinado auxiliar de acuerdo con una realización de la invención;

la figura 3 es una representación en diagrama de bloques de una realización de una sección de potencia del sistema generador de las figuras 1 y 2;

la figura 4 es una representación en diagrama de bloques de otra realización de una sección de potencia del sistema generador de las figuras 1 y 2;

la figura 5 es una vista en sección transversal parcial de una realización de un alternador del sistema generador de la figura 1;

la figura 6 es una representación gráfica de una distribución de bobinado continuo idealizada para un bobinado auxiliar de acuerdo con una realización de la invención; y

la figura 7 es una representación gráfica de una distribución de bobinado práctica basada en la distribución idealizada de la figura 6.

Descripción detallada de los dibujos

Las diversas características y detalles ventajosos de la materia objeto divulgadas en el presente documento se explican más completamente con referencia a las realizaciones no limitantes descritas en detalle en la siguiente descripción.

Haciendo referencia a las Figuras 1 y 5, un sistema generador eléctrico accionado por motor que incorpora un bobinado auxiliar 36 de acuerdo con una realización de la presente invención se identifica generalmente por el número de referencia 10. El sistema generador 10 incluye un motor 22. Como es convencional, el motor 22 recibe combustible tal como diésel, gas natural o vapor de propano líquido a través de una toma. El combustible proporcionado al motor 22 se comprime y se enciende dentro de cada uno de los cilindros en respuesta a una señal de disparo para generar un movimiento recíproco de los pistones del motor 22. El movimiento alternativo de los pistones del motor 22 se convierte en movimiento giratorio mediante un cigüeñal. El cigüeñal está acoplado operativamente al rotor 30 del alternador 20 a través de un árbol 23 de tal manera que cuando el cigüeñal rota por la operación del motor 22, el árbol 23 acciona el rotor 30 del alternador 20. Tal cual se conoce, la frecuencia de la potencia de CA en la salida 40 del sistema generador 10 depende del número de polos y de la velocidad rotacional del rotor 30 que corresponde, a su vez, a la velocidad del motor 22. La velocidad del motor correspondiente a una frecuencia particular de la potencia de CA se denomina velocidad síncrona (Ns) para esa frecuencia. A modo de ejemplo, la velocidad síncrona para un rotor de dos polos que produce potencia de CA a 60 hercios en la salida 40 es de 3600 revoluciones por minuto.

El sistema generador 10 incluye un controlador 16 conectado operativamente a uno o varios transformadores de corriente 18 y al actuador del acelerador (no mostrado) del motor 22. El transformador de corriente 18 mide una magnitud de la carga en la salida 40 del sistema generador 10 y suministra una señal correspondiente a la misma al controlador 16. El controlador 16 proporciona un comando de velocidad al motor para establecer la velocidad de operación deseada. En respuesta a las instrucciones recibidas del controlador 16, el actuador del acelerador acoplado al motor 22 aumenta o disminuye la velocidad del motor 22. Opcionalmente, uno o varios sensores de tensión pueden estar conectados a través de las fases de la salida 40 para generar una señal correspondiente a la tensión de salida y para suministrar la señal al controlador 16. También se contempla que el controlador 16 reciba diversas entradas adicionales indicativas de las condiciones de operación del motor (por ejemplo, velocidad del motor) y para proporcionar comandos de control adicionales (por ejemplo, un comando de parada del motor en caso de pérdida de presión de aceite) al motor 22.

El sistema generador 10 incluye además un alternador 20 definido por un rotor 30 alojado de forma giratoria dentro de un estator 32. El rotor 30 incluye un bobinado de excitación 24 enrollado alrededor de uno o varios pares de polos 26. El estator 32 incluye bobinados de estator 35 enrollados dentro de las ranuras 38 del estator 32. De acuerdo con la realización ilustrada, el estator 32 incluye un bobinado principal trifásico 34 y un bobinado auxiliar monofásico 36 distribuidos cada uno dentro de las ranuras 38 del estator 32. Para facilitar la ilustración, el bobinado principal trifásico 34 y el bobinado auxiliar monofásico 36 se muestran cada uno con una única vuelta en cada ranura 38 del estator. En la práctica, cada bobinado puede no tener vueltas o tener múltiples vueltas en una ranura 38 y puede estar distribuido en un número variable de vueltas a través de diferentes ranuras 38. La distribución de vueltas para el bobinado auxiliar 36 se discutirá con más detalle a continuación. Cada uno del bobinado principal 34 y el bobinado auxiliar 36 son bobinados separados, cada uno de los cuales se enrolla dentro de las ranuras 38 del estator 32. Cuando hay una corriente en el bobinado de excitación 24, la rotación del rotor 30 genera un campo magnético en movimiento alrededor del estator 32 que, a su vez, induce una tensión en los bobinados del estator 35, Como resultado, se proporciona potencia de corriente alterna (CA) a través de los bobinados 35 del estator. El bobinado principal 34 está conectado a la salida 40 del sistema generador 10 para suministrar potencia CA a una o varias cargas.

La corriente en el bobinado de excitación 24 es controlada por el AVR 50 para lograr una tensión deseada en la salida 40 del sistema generador 10. Las señales correspondientes a la corriente y/o tensión en la salida 40 del sistema generador 10 se proporcionan a un controlador 52 de AVR. De acuerdo con una realización de la invención, el AVR 50 incluye el controlador AVR 52 separado del controlador 16 del sistema generador 10. De acuerdo con otra realización de la invención, el controlador 16 del sistema generador 10 también controla el AVR 50. El AVR 50 incluye una sección de potencia 60 que recibe una tensión de corriente alterna (CA) del bobinado auxiliar 36 en una entrada 61 y suministra una tensión rectificada en una salida 63. Haciendo referencia también a la figura 3, en una realización de la invención, la sección de potencia incluye un rectificador 65 controlado por fase. El rectificador 65 controlado por fase incluye dispositivos de conmutación tal como tiristores, rectificadores de controlador de silicio (SCR), transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), o transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) que están habilitados por una señal de control 70 del controlador 52 del AVR. La señal de control 70, o una señal de control adicional 70, puede utilizarse para desactivar el dispositivo de conmutación o, opcionalmente, el dispositivo de conmutación puede desactivarse cuando la tensión a través del dispositivo, tal como un tiristor, cae por debajo de un nivel de umbral. Se puede utilizar cualquier técnica adecuada para generar las señales de control 70, como se entiende en la técnica, para convertir la tensión de CA en la entrada 61 en una tensión rectificada que tiene una amplitud variable en la salida 63. El controlador 52 del AVR genera las señales 70 de control para variar la amplitud de la tensión rectificada en función de la corriente y/o tensión en la salida 40 del sistema 10 generador. Las señales 70, que incluyen, aunque sin limitarse a, señales de retroalimentación y/o control, pueden comunicarse entre la sección de potencia 60 y el controlador AVR 52. Las señales 70 pueden incluir señales de retroalimentación de tensión y/o corriente en diversos lugares en la sección de potencia 60 o señales de activación para controlar los dispositivos de conmutación.

De acuerdo con otra realización de la invención, como se ilustra en la figura 4, la sección de potencia 60 incluye una sección rectificadora 62 que convierte una tensión de entrada de CA en una tensión de CC sobre un bus de Cc 64. La sección rectificadora 62 puede ser un rectificador pasivo, que incluye, por ejemplo, diodos, o un rectificador activo, que incluye dispositivos de conmutación, tales como tiristores, SCR, IGBT o MOSFET. Las señales 70, que incluyen, aunque sin limitarse a, señales de retroalimentación y/o control, pueden comunicarse entre la sección rectificadora 62 y el controlador AVR 60. Las señales 70 pueden incluir señales de retroalimentación de tensión y/o corriente en diversos lugares en la sección rectificadora 62 o señales de activación para controlar los dispositivos de conmutación. El bus de CC 64 puede incluir un elemento capacitivo 66 para reducir la ondulación de tensión presente sobre el bus de CC 64. El elemento capacitivo 66 puede incluir un único condensador o múltiples condensadores conectados en serie, en paralelo, o una combinación de los mismos de acuerdo con los requisitos de la solicitud. Se pueden conectar uno o varios sensores 72 al bus de CC 64 para proporcionar una señal 70 correspondiente a la tensión y/o corriente presente sobre el bus de CC al controlador 52 de AVR. Una sección de convertidor 68 convierte la tensión de CC sobre el bus de CC 64 de un potencial de tensión a un segundo potencial de tensión sobre la salida 63 del AVR 50. Opcionalmente, la sección de convertidor 68 puede convertir la tensión de CC sobre el bus de CC 64 de una tensión de CC a una tensión de CA que tiene una tensión variable y una frecuencia variable. La salida 63 del AVR 50 se proporciona al bobinado de excitación 24 para lograr una tensión deseada en la salida 40 del sistema generador 10 cuando el motor 22 está funcionando. Las señales 70, que incluyen, aunque sin limitarse a, señales de retroalimentación y/o control, pueden comunicarse entre la sección de convertidor 68 y el controlador AVR 52. Las señales 70 pueden incluir señales de retroalimentación de tensión y/o corriente en diversos lugares en la sección de convertidor 68 o señales de activación para controlar los dispositivos de conmutación.

De acuerdo con una realización de la invención, el bobinado de excitación 24 puede conectarse a la salida 63 del AVR 50 mediante anillos colectores. Con referencia de nuevo a la figura 1, esto se ilustra mediante una conexión eléctrica directa entre la salida 63 del AVR y el bobinado 24 de excitación. La corriente transportada en el bobinado de excitación 24 establece un campo magnético en el entrehierro del alternador 20. Cuando el motor acciona la rotación del rotor 30, el campo magnético se convierte en un campo magnético giratorio adecuado para inducir tensiones en los bobinados 35 del estator.

De acuerdo con otra realización de la invención, el bobinado de excitación 24 puede dividirse en un bobinado de campo principal 24 y un excitador 21. Con referencia a la figura 2, el excitador 21 incluye un estator 33 y un rotor 31. El árbol 23 del motor 22 puede extenderse a través del rotor 30 del alternador 20 u, opcionalmente, el árbol 23 del motor 22 se puede acoplar a un extremo del rotor 30 y un segundo árbol 23 se extiende desde el otro extremo del rotor 30 de tal manera que el rotor 30 del alternador 20 y el rotor del excitador 21 se accionan por el motor 22. El campo del excitador puede incluir un par de bobinados, uno estacionario 27 y uno rotacional 28, acoplados inductivamente entre sí. El bobinado fijo 27 se enrolla sobre el estator 33 del excitador 21 y se conecta a la salida 63 del AVR 50. El bobinado rotacional 28 está ubicado sobre el rotor 31 del excitador 21 y recibe una tensión, acoplado inductivamente desde el bobinado fijo 27 en función de la velocidad rotacional del rotor 31 y la magnitud de la tensión en el bobinado fijo 27. Además, se puede montar un puente de diodos 29 en el árbol 23 para convertir la tensión de CA frente al bobinado rotacional 29 en una tensión de CC para el bobinado de campo principal 25. Opcionalmente, el puente de diodos 29 puede montarse en el rotor 31 del excitador 21 o en el rotor 30 del alternador 20. La corriente transportada en el bobinado de campo principal 25 establece un campo magnético en el entrehierro del alternador 20. Cuando el motor acciona la rotación del rotor 30, el campo magnético se convierte en un campo magnético giratorio adecuado para inducir tensiones en los bobinados 35 del estator. El bobinado auxiliar 36 está configurado para proporcionar potencia al AVR 50 a partir del flujo magnético generado en el entrehierro del alternador 20 acoplando con el componente fundamental del flujo magnético, así como componentes armónicos seleccionados mientras se minimiza el acoplamiento con otros componentes armónicos seleccionados. De acuerdo con una realización de la invención, el bobinado auxiliar 36 está configurado para acoplarse con el componente fundamental y con un componente armónico espacial deseado, tal como el tercer componente armónico, del flujo magnético mientras se minimiza el acoplamiento con otros componentes armónicos del flujo magnético.

Con referencia a la figura 6, se ilustra una distribución idealizada 100 de bobinado que hace que el bobinado auxiliar 36 se acople con el componente fundamental y con el tercer componente armónico del flujo magnético mientras se minimiza el acoplamiento con otros componentes armónicos del flujo magnético. La distribución de bobinado idealizada 100 ilustra el número de vueltas, T, que estaría presente en cualquier ángulo dado, 0, para producir el acoplamiento deseado por el bobinado auxiliar 36 con el flujo magnético en el entrehierro en el alternador 20. La distribución idealizada del bobinado 100 se genera de acuerdo con una función de distribución que tiene un primer componente de distribución, configurada para acoplar el bobinado auxiliar 36 al componente fundamental del flujo magnético, y un segundo componente de distribución, configurada para acoplar el bobinado auxiliar 36 al tercer componente armónico del flujo magnético. Se contempla que la función de distribución puede incluir aún otros componentes configurados para acoplarse a otro contenido armónico sin desviarse del alcance de la invención. El primer componente de distribución define una magnitud correspondiente a una porción de las vueltas de alambre en una cualquiera de las ranuras 38 del estator 32 y también incluye una función sinusoidal, tal como una función seno o coseno. El ángulo de la función sinusoidal para el primer componente de distribución se define en función de la posición angular sobre el estator 32 y del número de pares de polos presentes en el estator 32. La posición angular puede definirse seleccionando un punto sobre el estator 32 como punto de partida, o cero grados, y la posición angular aumenta de cero grados a trescientos sesenta grados en una rotación alrededor del estator 32. El segundo componente de distribución también define una magnitud correspondiente a una porción de las vueltas de alambre en una cualquiera de las ranuras 38 del estator 32 e incluye una función sinusoidal, tal como una función seno o coseno. El ángulo de la función sinusoidal para el segundo componente de distribución se define en función de la posición angular, el número de pares de polos presentes en el estator y el número armónico del flujo magnético al que se va a acoplar el bobinado auxiliar. Además, el primer o el segundo componente de distribución puede incluir un componente de desplazamiento de ángulo que cambia la distribución del componente de bobinado alrededor del estator 32. Los componentes de distribución primero y segundo se suman para definir la distribución idealizada de los bobinados en cada ranura 38 del estator 32 en función de la posición angular de cada ranura 38 alrededor del estator 32.

De acuerdo con la invención, la distribución idealizada del bobinado 100 está representada por la ecuación. 1, dada a continuación. En la Ec. 1, el primer componente de distribución está definido por T1 cos (n9 01) y el segundo componente de distribución está definido por Thcos (nhQ 0h). De acuerdo con la realización ilustrada en la figura 6, el alternador 20 incluye dos pares de polos, el primer componente sinusoidal no tiene desplazamiento de ángulo, y el segundo componente sinusoidal se acopla al tercer componente armónico del flujo magnético y tiene ciento ochenta grados de desplazamiento de ángulo.

T (d) = Tí cos(nd 0 ^-l ) + Th cos(n • h • 0 0 h) (1)

donde:

0: posición angular dentro del alternador,

n: número de pares de polos en el alternador,

h: número del componente armónico,

T(0): número de vueltas en función de la posición angular,

T1 : magnitud del primer componente de distribución para el acoplamiento al componente fundamental del flujo magnético,

Th: magnitud del segundo componente de distribución para el acoplamiento a cada componente armónico del flujo magnético,

$1 : desplazamiento de ángulo para el componente fundamental, y

desplazamiento de ángulo para el componente armónico.

Con referencia al lado de la figura 7, se ilustra un bobinado 110 de distribución práctico basado en la distribución 100 del bobinado idealizada de la figura 6. El bobinado auxiliar 36 requiere que se ubiquen valores enteros 112 de vueltas en cada ranura 38 del estator 32 donde las ranuras se distribuyen en posiciones angulares incrementales, 0, alrededor del estator 32. Los valores enteros 112 de las vueltas se eligen seleccionando un valor entero correspondiente al valor de la distribución idealizada del bobinado 100 en cada posición angular de la correspondiente ranura 38. De acuerdo con una realización, se selecciona el valor entero más cercano correspondiente al valor de la distribución de bobinado idealizada 100. Por ejemplo, si la distribución idealizada del bobinado 100 a diez grados es cuatro y dos décimas, la distribución práctica de bobinado 110 incluirá cuatro vueltas en la ranura 38 colocada a diez grados. Opcionalmente, otro valor entero, cerca del valor de la distribución de bobinado idealizada 100 se selecciona. Por ejemplo, el otro valor entero puede proporcionar una mejor atenuación de un componente armónico no deseado que el valor entero más cercano. De acuerdo con la realización ilustrada, las vueltas finales 114 también se muestran como un método conveniente de conectar las vueltas en cada ranura 38 para formar un bobinado concéntrico.

Durante la operación, el sistema generador 10 recibe un comando para comenzar la operación. El comando puede generarse interna o externamente, por ejemplo, ante la detección de una falla en la red pública o para una operación programada. El motor 22 se pone en marcha de tal manera que el alternador 20 genera potencia eléctrica en la salida 40 del sistema generador 10, como se ha descrito hasta ahora. El controlador 16 puede acelerar inicialmente el motor 22 hasta una velocidad máxima de funcionamiento y lograr una potencia de salida estable. A continuación, se conectan una o varias cargas eléctricas a la salida 40 para recibir potencia del sistema generador 10. El controlador 16 monitorea la salida 40 del sistema generador 10 y puede proporcionar instrucciones al actuador de acelerador acoplado al motor 22 para aumentar o disminuir la velocidad del motor.

Una vez que el motor 22 se acelera, la sección de potencia 60 del AVR 50 comienza a suministrar corriente al bobinado de excitación 24. Inicialmente, el AVR 50 requiere una batería u otra fuente de energía conectada a la sección de potencia 60 con el fin de suministrar potencia al bobinado de excitación 24. Una vez que se suministra la corriente inicial al bobinado de excitación 24, el bobinado auxiliar 36 comienza a recibir potencia del flujo magnético en el entrehierro del alternador 20. El AVR 50 comienza a recibir potencia en la entrada 61 de la sección de potencia 60 desde el bobinado auxiliar 36. El bobinado principal 34 también comienza a recibir potencia del flujo magnético en el entrehierro del alternador 20, y el controlador AVR 52 monitorea la salida 40 del sistema generador 10. El controlador 52 de AVR controla la operación de la sección de potencia 60 para regular la corriente en la salida 63 de la sección de potencia 60 a una magnitud y/o frecuencia deseadas en función de la tensión en la salida 40 del sistema generador 10. De acuerdo con una realización de la invención, el controlador 52 de AVR y el controlador 16 del sistema generador 10 pueden ser el mismo controlador.

El bobinado auxiliar 36 está configurado para proporcionar potencia a la sección de potencia 60 del AVR 50 bajo diferentes condiciones de operación del sistema generador 10. El primer componente de distribución de la función de distribución conecta el bobinado auxiliar 36 con el componente fundamental del flujo magnético. En la mayoría de las condiciones de operación del sistema generador 10, que incluyen, aunque sin limitarse a, porcentajes variables de carga y en diversos factores de potencia del sistema generador 10, el componente fundamental tiene una magnitud suficiente para proporcionar la potencia requerida al AVR 50 de tal manera que el AVR 50 pueda, a su vez, energizar el bobinado de excitación 24. Bajo una condición de cortocircuito, la tensión a través de la salida 40 cae significativamente y el componente fundamental del flujo magnético cae de manera similar. La magnitud del tercer componente armónico del flujo magnético, sin embargo, aumenta, significativamente bajo la condición de cortocircuito. El segundo componente de distribución de la función de distribución, de este modo, está configurado para conectar el bobinado auxiliar 36 al tercer componente armónico del flujo magnético y para proporcionar potencia al AVR 50 durante una condición de cortocircuito.

El bobinado auxiliar 36 está configurado además para minimizar el acoplamiento con otros componentes armónicos del flujo magnético en el entrehierro. Mientras que los componentes de distribución primero y segundo de la función de distribución están configurados para acoplarse al componente fundamental y un componente armónico seleccionado del flujo magnético, respectivamente, cada uno de los componentes de distribución primero y segundo están configurados además para permanecer desacoplados con otros componentes armónicos del flujo magnético. Por lo tanto, un bobinado auxiliar 36 configurado de acuerdo con la distribución idealizada del bobinado 100 tendría solo los componentes armónicos deseados presentes en la entrada a la sección de potencia 60 del AVR 50. Sin embargo, tal y como se ilustra en la figura 7, un bobinado de distribución práctico 110 requiere números discretos de vueltas colocadas dentro de las ranuras 38 del estator 32 ubicadas a intervalos angulares fijos. De este modo, se produce algún acoplamiento entre el bobinado auxiliar 36 y los otros componentes armónicos. Sin embargo, la magnitud de las tensiones de los otros componentes armónicos permanece lo suficientemente pequeña como para no afectar la conmutación de componentes en la sección de potencia 60. Si se desea una mayor reducción del impacto del acoplamiento con componentes armónicos no deseados, la sección de potencia 60 puede incluir la sección rectificadora 62 para convertir primero la tensión en la entrada 61 en una tensión de CC. El elemento capacitivo 66 puede reducir aún más la ondulación todavía presente en la tensión de CC después de la rectificación, y la sección de convertidor 68 se controla para proporcionar la corriente y/o tensión deseados en la salida 63 de la sección de potencia 60.

Debe entenderse que la invención no está limitada en su aplicación a los detalles de construcción y disposiciones de los componentes expuestos en el presente documento. La invención es capaz de otras realizaciones y de ponerse en práctica o llevarse a cabo de diversas maneras. Se contemplan variaciones y modificaciones de lo anterior como formas alternativas de la invención en la medida en que no se aparten del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Las realizaciones descritas en el presente documento explican los mejores modos conocidos para poner en práctica la invención y permitirán a otros expertos en la materia utilizar la invención.

Claims (2)

REIVINDICACIONES

1. Un alternador para un sistema generador (10), que comprende:

un rotor (30) que tiene un bobinado de excitación (24);

un estator (32) que tiene una pluralidad de ranuras (38), en donde un bobinado principal trifásico (34) y un bobinado auxiliar monofásico (36) están enrollados cada uno en la pluralidad de ranuras (38); y

un entrehierro definido entre el estator (32) y el rotor (30), en donde el bobinado auxiliar transmite potencia a un regulador automático de tensión (AVR) que regula la potencia al bobinado de excitación (24), el bobinado auxiliar (36) incluye una pluralidad de vueltas de alambre, cada vuelta enrollada en una primera dirección en una primera ranura seleccionada de la pluralidad de ranuras (38) del estator (32) y en una segunda dirección en una segunda ranura seleccionada de la pluralidad de ranuras (38) del estator (32) y en donde:

cada una de la pluralidad de vueltas de alambre está enrollada en la pluralidad de ranuras (38) de acuerdo con una función de distribución;

la función de distribución se define para acoplar el bobinado auxiliar (36) a un componente fundamental y un componente armónico espacial deseado seleccionado entre una pluralidad de componentes armónicos espaciales de un flujo magnético generado en el entrehierro, teniendo el componente armónico especial deseado una magnitud mayor que las magnitudes de cada uno de la pluralidad de componentes armónicos espaciales en una condición de cortocircuito; y en donde

la función de distribución se define para minimizar el acoplamiento del bobinado auxiliar (36) a la pluralidad de componentes armónicos espaciales del flujo magnético distintos del componente armónico espacial deseado, estando configurada la función de distribución para vincular el bobinado auxiliar (36) al componente armónico espacial deseado durante la condición de cortocircuito,

en donde el componente armónico espacial deseado es el tercer armónico,

caracterizado por que la función de distribución incluye un primer componente de distribución configurado para acoplar el bobinado auxiliar (36) al componente armónico fundamental del flujo magnético y un segundo componente de distribución configurado para acoplar el bobinado auxiliar (36) al componente armónico espacial deseado del flujo magnético,

en donde la función de distribución está definida por T(9) = Ticos (nQ 0 i) Thcos (nhQ 0h), donde:

0 es la posición angular,

n es el número de pares de polos,

h es el componente armónico espacial deseado,

T(9) es un número de vueltas en función de la posición angular,

Ti es la magnitud del primer componente de distribución para el acoplamiento al componente fundamental, Th es la magnitud del segundo componente de distribución para el acoplamiento al componente armónico espacial deseado,

$1 es un desplazamiento de ángulo para el componente fundamental, y

$h es un desplazamiento de ángulo para el componente armónico espacial deseado.

2. Un método para proporcionar potencia a un bobinado de excitación (24) sobre un rotor (30) de un alternador en un sistema generador, comprendiendo el método las etapas de:

enrollar cada uno de un bobinado principal trifásico (34) y un bobinado auxiliar monofásico (36) sobre un estator (32) del alternador, estando separado el estator (32) del rotor (30) por un entrehierro;

recibir potencia sobre el bobinado auxiliar (36) correspondiente a una corriente conducida por el bobinado de excitación (24), en donde el bobinado auxiliar (36) está enrollado sobre el estator (32) para acoplar el bobinado auxiliar (36) a un componente fundamental y un componente armónico espacial deseado seleccionado de una pluralidad de componentes armónicos espaciales de un flujo magnético generado en el entrehierro del alternador y para minimizar el acoplamiento del bobinado auxiliar (36) a la pluralidad de componentes armónicos espaciales del flujo magnético distintos del componente armónico espacial deseado;

transmitir la potencia desde el bobinado auxiliar (36) a un regulador automático de tensión (AVR);

controlar la potencia desde el AVR al bobinado de excitación (24) en función de la tensión de salida del bobinado principal (34); y

conectar el bobinado auxiliar (36) al componente armónico espacial deseado durante una condición de cortocircuito; en donde:

el componente armónico especial deseado tiene una magnitud mayor que las magnitudes de cada uno de la pluralidad de componentes armónicos espaciales en la condición de cortocircuito,

en donde el componente armónico espacial deseado es el tercer armónico, caracterizado por que el bobinado auxiliar (36) se enrolla de acuerdo con una función de distribución que tiene un primer componente de distribución configurado para acoplar el bobinado auxiliar (36) al componente armónico fundamental del flujo magnético y un segundo componente de distribución configurado para acoplar el bobinado auxiliar (36) al componente armónico espacial deseado del flujo magnético, en donde la función de distribución está definida por T(Q) = Ti cos (nQ 0 i) Thcos (nhQ 0h), donde:

9 es la posición angular,

n es el número de pares de polos,

h es el componente armónico espacial deseado,

T(9) es un número de vueltas en función de la posición angular,

Ti es la magnitud del primer componente de distribución para el acoplamiento al componente fundamental, Th es la magnitud del segundo componente de distribución para el acoplamiento al componente armónico espacial deseado,

$i es un desplazamiento de ángulo para el componente fundamental, y

^h es un desplazamiento de ángulo para el componente armónico espacial deseado.