ES2914524B2 - Method and system of supervision of the field winding and of the indirect excitation system of a synchronous machine - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Método y Sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncronaMethod and system of supervision of the field winding and of the indirect excitation system of a synchronous machine
Objeto de la invenciónObject of the invention
La presente invención se refiere a un método y un sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona. El sistema y el método de la presente invención permiten determinar el estado de funcionamiento o de “salud” del puente de diodos de un rectificador ubicado a la salida de una máquina excitatriz, en el eje de una máquina síncrona excitada (de manera indirecta) mediante dicha máquina excitatriz, así como detectar la posible existencia de faltas entre espiras en el devanado de campo (o devanado de excitación) situado en el rotor de la máquina síncrona.The present invention relates to a method and a system for monitoring the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine. The system and method of the present invention make it possible to determine the state of operation or "health" of the diode bridge of a rectifier located at the output of an exciter machine, on the axis of a synchronous machine excited (indirectly) by means of said exciter machine, as well as to detect the possible existence of faults between turns in the field winding (or excitation winding) located in the rotor of the synchronous machine.
El método y el sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona según la presente invención son de particular utilidad en sistemas de generación de energía eléctrica, en los que se utilizan generadores síncronos. Con el método objeto de la presente invención se pretende detectar defectos entre espiras del devanado de campo de la máquina síncrona, así como defectos en el sistema de excitación tales como diodos abiertos o diodos en cortocircuito.The method and system for supervising the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine according to the present invention are particularly useful in electric power generation systems, where synchronous generators are used. With the method object of the present invention, it is intended to detect defects between turns of the field winding of the synchronous machine, as well as defects in the excitation system such as open diodes or short-circuited diodes.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolverBackground of the invention and technical problem to be solved
Las máquinas síncronas comprenden un devanado de campo, generalmente en su rotor, que genera un campo magnético de amplitud constante, producido por la circulación de una corriente continua por dicho devanado de campo.Synchronous machines comprise a field winding, generally in its rotor, which generates a magnetic field of constant amplitude, produced by the circulation of a direct current through said field winding.
Las máquinas síncronas necesitan un sistema de excitación que proporcione la corriente continua al devanado de campo. Synchronous machines need an excitation system that provides direct current to the field winding.
En el caso de máquinas síncronas con excitación indirecta, este sistema consta de una máquina síncrona auxiliar de potencia reducida acoplada en el mismo eje que el rotor de la máquina síncrona principal. Esta máquina síncrona auxiliar, llamada excitatriz, comprende su devanado inductor o de campo en el estator y su devanado inducido en el rotor. A la salida del devanado inducido de la máquina auxiliar existe un rectificador formado por un puente de diodos rotativos. Este rectificador transforma la corriente alterna a la salida del devanado inducido de la máquina auxiliar en corriente continua que alimenta el devanado de campo (inductor) de la máquina síncrona principal, el cual está situado en el rotor de la máquina síncrona principal.In the case of indirectly excited synchronous machines, this system consists of an auxiliary synchronous machine of reduced power coupled on the same axis as the rotor of the main synchronous machine. This auxiliary synchronous machine, called an exciter, comprises its inductor or field winding in the stator and its induced winding in the rotor. At the output of the induced winding of the auxiliary machine there is a rectifier formed by a bridge of rotating diodes. This rectifier transforms the alternating current at the output of the induced winding of the auxiliary machine into direct current that feeds the field winding (inductor) of the main synchronous machine, which is located in the rotor of the main synchronous machine.
Mediante este sistema de excitación indirecta, se elimina la necesidad de disponer de un sistema de anillos y escobillas para excitar el devanado de campo de la máquina síncrona principal.Through this indirect excitation system, the need for a ring and brush system to excite the field winding of the main synchronous machine is eliminated.
Uno de los fallos más comunes que se dan en las máquinas síncronas con este tipo de sistema de excitación indirecta es el fallo de los diodos del rectificador. Estos diodos pueden fallar por quedarse de manera permanente en configuración de circuito abierto o en cortocircuito. En estos casos la máquina síncrona auxiliar o excitatriz puede sufrir daños en caso de funcionamiento prolongado.One of the most common failures that occur in synchronous machines with this type of indirect excitation system is the failure of the rectifier diodes. These diodes can fail by being permanently shorted or open circuited. In these cases, the auxiliary or exciter synchronous machine may be damaged in case of prolonged operation.
La técnica de supervisión más utilizada para detectar este tipo de defectos en los diodos es la medida del rizado de la corriente de excitación de la excitatriz.The most commonly used monitoring technique to detect this type of fault in diodes is the measurement of the exciting current ripple of the exciter.
Por otro lado, el documento US 20150198655 A1 describe un sistema que supervisa los diodos rotativos a partir del análisis de la tensión de salida del puente rectificador. Para ello utiliza un sistema de telemetría.On the other hand, the document US 20150198655 A1 describes a system that supervises the rotating diodes from the analysis of the output voltage of the rectifier bridge. To do this, it uses a telemetry system.
El documento US 5453901 A describe un método basado en la medida de la tensión del devanado de campo de la excitatriz. Document US 5453901 A describes a method based on the measurement of the voltage of the field winding of the exciter.
El documento EP 2077613 B1 divulga la detección del cortocircuito en los diodos del rectificador mediante la característica de cebado del generador.The document EP 2077613 B1 discloses the detection of the short circuit in the diodes of the rectifier by means of the ignition characteristic of the generator.
Otro fallo muy común en las máquinas síncronas es la aparición de faltas o cortocircuitos entre espiras en el devanado de campo de la máquina síncrona principal. En el estado de la técnica se conoce el documento ES 2738649 A1, que describe un método de protección ante faltas entre espiras en devanados de excitación de máquinas síncronas de polos salientes. Este documento divulga un método para detectar faltas entre espiras en el devanado de excitación, consistente en la medición del flujo disperso en el exterior de una máquina síncrona de polos salientes.Another very common fault in synchronous machines is the appearance of faults or short circuits between turns in the field winding of the main synchronous machine. Document ES 2738649 A1 is known in the state of the art, which describes a protection method against interturn faults in excitation windings of salient pole synchronous machines. This document discloses a method for detecting inter-turn faults in the excitation winding, consisting of the measurement of the stray flux outside a salient pole synchronous machine.
Hasta la fecha no se conoce ningún método que, mediante la medición del flujo disperso de una máquina síncrona, se consiga al mismo tiempo detectar la posible existencia de faltas o cortocircuitos entre espiras del devanado de campo de una máquina síncrona y también detectar la posible existencia de algún fallo en alguno de los diodos del puente rectificador.To date, no method is known that, by measuring the stray flux of a synchronous machine, can simultaneously detect the possible existence of faults or short circuits between turns of the field winding of a synchronous machine and also detect the possible existence of a failure in one of the diodes of the rectifier bridge.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un método y a un sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona.In order to solve the aforementioned drawbacks, the present invention refers to a method and a system for monitoring the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine.
El método de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención es de aplicación en máquinas síncronas que comprenden un sistema de excitación indirecta que a su vez comprende una excitatriz (máquina síncrona auxiliar) y un rectificador formado por un puente de diodos, donde el sistema de excitación está configurado para excitar con corriente continua el devanado de campo de una máquina síncrona principal.The supervision method of the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine object of the present invention is applicable to synchronous machines that comprise an indirect excitation system that in turn comprises an exciter (auxiliary synchronous machine) and a rectifier formed by a diode bridge, where the excitation system is configured to excite the field winding of a main synchronous machine with direct current.
El método de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende: The supervision method of the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine object of the present invention comprises:
- realizar una medición del flujo magnético disperso de la máquina síncrona principal, y;- perform a measurement of the stray magnetic flux of the main synchronous machine, and;
- calcular los armónicos de una señal de flujo magnético disperso procedente de la medición del flujo magnético disperso.- calculating the harmonics of a stray magnetic flux signal from the stray magnetic flux measurement.
Novedosamente, según el método de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención, la medición del flujo magnético disperso de la máquina síncrona principal se realiza en proximidad a los polos de la máquina síncrona principal y es una medición del flujo magnético axial disperso de los polos de la máquina síncrona principal.In novelty, according to the supervision method of the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine object of the present invention, the measurement of the stray magnetic flux of the main synchronous machine is carried out in proximity to the poles of the main synchronous machine. and is a measurement of the stray axial magnetic flux from the poles of the main synchronous machine.
Asimismo, el método de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende:Likewise, the supervision method of the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine object of the present invention comprises:
- verificar si la frecuencia del armónico principal de la señal de flujo magnético axial disperso es sustancialmente igual a una frecuencia que se puede expresar mediante:- verify if the frequency of the main harmonic of the scattered axial magnetic flux signal is substantially equal to a frequency that can be expressed by:
f = f if = f i
en cuyo caso el método de supervisión comprende determinar que el devanado de campo de la máquina síncrona principal no comprende faltas entre espiras que hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina síncrona principal y que el rectificador presenta un funcionamiento correcto;in which case the monitoring method comprises determining that the field winding of the main synchronous machine does not include inter-turn faults that cause certain limits of safe operation of the main synchronous machine to be exceeded and that the rectifier is functioning correctly;
- verificar si la frecuencia del armónico principal de la señal de flujo magnético axial disperso es sustancialmente igual a una frecuencia que se puede expresar mediante:- verify if the frequency of the main harmonic of the scattered axial magnetic flux signal is substantially equal to a frequency that can be expressed by:
en cuyo caso el método de supervisión comprende determinar que el devanado de campo de la máquina síncrona principal comprende faltas entre espiras que hacen que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina síncrona principal, y;in which case the monitoring method comprises determining that the main synchronous machine field winding contains interturn faults that cause that certain limits of safe operation of the main synchronous machine are exceeded, and;
- verificar si la frecuencia de los armónicos principales de la señal de flujo magnético axial disperso es sustancialmente igual a una frecuencia que se puede expresar mediante:- verify if the frequency of the main harmonics of the scattered axial magnetic flux signal is substantially equal to a frequency that can be expressed by:
f = f l k Í exc f = flk Í exc
en cuyo caso el método de supervisión comprende determinar que el rectificador presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en cortocircuito o al menos un diodo en circuito abierto;in which case the monitoring method comprises determining that the rectifier is malfunctioning by the existence of at least one short-circuited diode or at least one open-circuited diode;
donde:where:
f es la frecuencia del armónico de flujo magnético axial disperso; f is the harmonic frequency of stray axial magnetic flux;
f l es la frecuencia asignada de la máquina síncrona principal; fl is the assigned frequency of the main synchronous machine;
k es un número entero (0,1,2,3...); k is an integer (0,1,2,3...);
p es el número de pares de polos de la máquina síncrona principal, y; p is the number of pairs of poles of the main synchronous machine, and;
fExc es la frecuencia asignada de la excitatriz. fExc is the rated frequency of the exciter.
Como ya se ha adelantado, la presente invención se refiere también a un sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona.As already mentioned, the present invention also refers to a monitoring system for the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine.
El sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención es de aplicación en una máquina síncrona que comprende un sistema de excitación que a su vez comprende una excitatriz (máquina síncrona auxiliar) y un rectificador formado por un puente de diodos, y donde el sistema de excitación está configurado para excitar con corriente continua el devanado de campo de una máquina síncrona principal. The supervision system of the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine object of the present invention is applicable to a synchronous machine that includes an excitation system that in turn includes an exciter (auxiliary synchronous machine) and a rectifier formed by a diode bridge, and where the excitation system is configured to excite with direct current the field winding of a main synchronous machine.
El sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende:The field winding supervision system and indirect excitation system of a synchronous machine object of the present invention comprises:
- un equipo de medida del flujo magnético disperso, configurado para medir el flujo magnético disperso de la máquina síncrona principal, y;- a stray magnetic flux measurement equipment, configured to measure the stray magnetic flux of the main synchronous machine, and;
- un módulo de cálculo conectado al equipo de medida, donde el módulo de cálculo está configurado para recibir una señal indicativa del flujo magnético disperso medido por el equipo de medida y calcular, mediante transformada de Fourier, los armónicos del flujo magnético disperso medido por el equipo de medida.- a calculation module connected to the measurement equipment, where the calculation module is configured to receive a signal indicative of the stray magnetic flux measured by the measurement equipment and to calculate, by means of a Fourier transform, the harmonics of the stray magnetic flux measured by the meter. measuring device.
Novedosamente, en el sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención el equipo de medida está configurado para medir el flujo magnético axial disperso en proximidad a uno de los polos de la máquina síncrona principal.As a novelty, in the supervision system of the field winding and the indirect excitation system of a synchronous machine, object of the present invention, the measurement equipment is configured to measure the scattered axial magnetic flux in proximity to one of the poles of the synchronous machine. major.
Asimismo, el sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende:Likewise, the field winding supervision system and the indirect excitation system of a synchronous machine that is the object of the present invention comprises:
- un módulo de supervisión conectado al módulo de cálculo, donde el módulo de supervisión está configurado para recibir una señal de armónicos del flujo magnético axial disperso y para:- a supervision module connected to the calculation module, where the supervision module is configured to receive a harmonic signal from the stray axial magnetic flux and to:
o verificar si la frecuencia del armónico principal de la señal de flujo magnético axial disperso es sustancialmente igual a una frecuencia que se puede expresar mediante: or verify if the main harmonic frequency of the stray axial magnetic flux signal is substantially equal to a frequency that can be expressed by:
f = f if = f i
en cuyo caso el módulo de supervisión está configurado para determinar que el devanado de campo de la máquina síncrona principal no comprende faltas entre espiras que hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina síncrona principal y que el rectificador presenta un funcionamiento correcto, y para generar una señal de funcionamiento normal; in which case the supervision module is configured to determine that the field winding of the main synchronous machine does not include inter-turn faults that cause certain limits of safe operation of the main synchronous machine to be exceeded and that the rectifier is functioning correctly, and to generate a normal operation signal;
o verificar si la frecuencia del armónico principal de la señal de flujo magnético axial disperso es sustancialmente igual a una frecuencia que se puede expresar mediante: or verify if the main harmonic frequency of the stray axial magnetic flux signal is substantially equal to a frequency that can be expressed by:
en cuyo caso el módulo de supervisión está configurado para determinar que el devanado de campo de la máquina síncrona principal comprende faltas entre espiras que hacen que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina síncrona principal y para generar una señal de falta entre espiras, y;in which case the supervision module is configured to determine that the field winding of the main synchronous machine contains inter-turn faults that cause certain limits of safe operation of the main synchronous machine to be exceeded and to generate an inter-turn fault signal, and;
o verificar si la frecuencia de los armónicos principales de la señal de flujo magnético disperso es sustancialmente igual a una frecuencia que se puede expresar mediante: or verify if the frequency of the main harmonics of the stray magnetic flux signal is substantially equal to a frequency that can be expressed by:
f = f l k Í exc f = flk Í exc
en cuyo caso el módulo de supervisión está configurado para determinar que el rectificador presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en cortocircuito o al menos un diodo en circuito abierto y para generar una señal de fallo en diodos;in which case the supervision module is configured to determine that the rectifier has a malfunction due to the existence of at least one short-circuited diode or at least one open-circuited diode and to generate a diode failure signal;
donde:where:
f es la frecuencia del armónico de flujo magnético axial disperso; f is the harmonic frequency of stray axial magnetic flux;
f l es la frecuencia asignada de la máquina síncrona principal; fl is the assigned frequency of the main synchronous machine;
k es un número entero (0,1,2,3...); k is an integer (0,1,2,3...);
p es el número de pares de polos de la máquina síncrona principal, y; p is the number of pairs of poles of the main synchronous machine, and;
fExc es la frecuencia asignada de la excitatriz. fExc is the rated frequency of the exciter.
Tanto el método como el sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención se basan en analizar la intensidad del flujo magnético axial disperso en su espectro de frecuencias y verificar si el/los armónico/s principal/es (la/s frecuencia/s a la/s cual/es se observa una intensidad de flujo magnético significativamente por encima de la media de intensidad de flujo magnético a otras frecuencias) se produce/n a una/s frecuencia/s que puede/n asimilarse a una/s frecuencia/s predeterminada/s (un armónico a frecuencia f = f 1 (y eventualmente a múltiplos de dicha frecuencia f 1), o un armónico a frecuencia f = y (y eventualmente a Both the method and the supervision system of the field winding and of the indirect excitation system of a synchronous machine object of the present invention are based on analyzing the intensity of the dispersed axial magnetic flux in its frequency spectrum and verifying if the harmonics Main /s (the frequency/s at which a magnetic flux intensity is observed significantly above the average magnetic flux intensity at other frequencies) one/s frequency/s occurs which can be assimilated to a predetermined frequency(ies) (a harmonic at frequency f = f 1 (and possibly multiples of said frequency f 1), or a harmonic at frequency f = y (and possibly at
múltiplos de dicha frecuencia y ) , o una pluralidad de armónicos que se repiten a frecuencias f = f 1+ k f Exc), en cuyo caso se determina, respectivamente, que:multiples of said frequency and ), or a plurality of harmonics that repeat themselves at frequencies f = f 1+ kf Exc), in which case it is determined, respectively, that:
- el devanado de campo de la máquina síncrona principal no comprende faltas entre espiras que hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina síncrona principal y que el rectificador presenta un funcionamiento correcto, en cuyo caso se genera una señal de funcionamiento normal, o;- the field winding of the main synchronous machine does not include inter-turn faults that cause certain limits of safe operation of the main synchronous machine to be exceeded and that the rectifier presents a correct operation, in which case a normal operation signal is generated, either;
- el devanado de campo de la máquina síncrona principal comprende faltas entre espiras que hacen que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina síncrona principal, en cuyo caso se genera una señal de falta entre espiras, o;- the field winding of the main synchronous machine includes inter-turn faults that cause certain limits of safe operation of the main synchronous machine to be exceeded, in which case an inter-turn fault signal is generated, or;
- el rectificador presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en cortocircuito o al menos un diodo en circuito abierto en cuyo caso se genera una señal de fallo en diodos.- The rectifier presents a faulty operation due to the existence of at least one short-circuited diode or at least one open-circuited diode, in which case a diode failure signal is generated.
Breve descripción de las figurasBrief description of the figures
Se describe aquí de forma breve una figura a modo de ejemplo no limitativo, que ayuda a comprender mejor la invención:A figure is briefly described here as a non-limiting example, which helps to better understand the invention:
Figura 1: muestra de manera esquemática una posible forma de realización del sistema de supervisión del devanado de campo y del sistema de excitación indirecta de máquinas síncronas objeto de la presente invención. Figure 1: schematically shows a possible embodiment of the field winding supervision system and the indirect excitation system of synchronous machines object of the present invention.
Figura 2: muestra de manera esquemática una vista en sección de una máquina síncrona de polos salientes, en donde se observa esquemáticamente una posible disposición del equipo de medida o sensor de flujo axial disperso en relación a los polos de la máquina síncrona.Figure 2: schematically shows a sectional view of a salient-pole synchronous machine, where a possible disposition of the measuring equipment or dispersed axial flow sensor in relation to the poles of the synchronous machine is schematically observed.
Figura 3: muestra de manera esquemática una vista en alzado de la máquina síncrona de la Figura 2, en donde se observa esquemáticamente una posible disposición del equipo de medida o sensor de flujo axial disperso en relación a la máquina síncrona.Figure 3: schematically shows an elevation view of the synchronous machine of Figure 2, where a possible disposition of the measuring equipment or axial flow sensor dispersed in relation to the synchronous machine is schematically observed.
Descripción detalladaDetailed description
La presente invención se refiere, como se ha mencionado anteriormente, a un método y a un sistema de supervisión del devanado de campo (3) y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona.The present invention refers, as previously mentioned, to a method and a system for monitoring the field winding (3) and the indirect excitation system of a synchronous machine.
En la Figura 1 se representa de manera esquemática una máquina síncrona principal (1) con su devanado de campo (3) (o devanado inductor) situado en el rotor y su primer devanado inducido (2) situado en el estator.Figure 1 schematically represents a main synchronous machine (1) with its field winding (3) (or field winding) located on the rotor and its first armature winding (2) located on the stator.
En la Figura 1 se representa también de manera esquemática una máquina síncrona auxiliar o excitatriz (4), con su segundo devanado inducido (6) situado en el rotor y su devanado de excitación (5) (o devanado inductor) situado en el estator.Figure 1 also schematically represents an auxiliary or exciter synchronous machine (4), with its second armature winding (6) located on the rotor and its excitation winding (5) (or inductor winding) located on the stator.
Los términos “primer” y “segundo” referidos al devanado inducido de la máquina síncrona principal (1) y de la excitatriz (4) no se emplean para referirse a la existencia de más de un devanado inducido en cada una de las máquinas síncronas (principal (1) y excitatriz (4)), sino que se emplean para distinguir al devanado inducido de la máquina síncrona principal (1) (que va precedido del término “primer”) y al devanado inducido de la excitatriz (4) (que va precedido del término “segundo”). The terms "first" and "second" referring to the induced winding of the main synchronous machine (1) and exciter (4) are not used to refer to the existence of more than one induced winding in each of the synchronous machines ( main (1) and exciter (4)), but are used to distinguish the induced winding of the main synchronous machine (1) (which is preceded by the term “primer”) and the induced winding of the exciter (4) (which is preceded by the term "second").
Entre el segundo devanado inducido (6) de la excitatriz (4) y el devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1) existe un rectificador (8) formado por un puente de diodos y configurado para convertir la corriente alterna a la salida del segundo devanado inducido (6) en corriente continua para alimentar o excitar el devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1).Between the second induced winding (6) of the exciter (4) and the field winding (3) of the main synchronous machine (1) there is a rectifier (8) formed by a diode bridge and configured to convert alternating current to the output of the second induced current winding (6) in direct current to feed or excite the field winding (3) of the main synchronous machine (1).
El rotor de la máquina síncrona principal (1) y el rotor de la excitatriz (4) van montados en un eje común (7) en el cual se sitúan el devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1), el segundo devanado inducido (6) de la excitatriz (4) y el rectificador (8) mediante el cual se conecta el segundo devanado inducido (6) al devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1). Por tanto, el segundo devanado inducido (6) de la excitatriz (4), el rectificador (8) y el devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1) son elementos rotativos montados en el eje común (7) de la máquina síncrona principal (1) y la excitatriz (4).The rotor of the main synchronous machine (1) and the rotor of the exciter (4) are mounted on a common shaft (7) in which the field winding (3) of the main synchronous machine (1), the second armature winding (6) of the exciter (4) and the rectifier (8) through which the second armature winding (6) is connected to the field winding (3) of the main synchronous machine (1). Therefore, the second armature winding (6) of the exciter (4), the rectifier (8) and the field winding (3) of the main synchronous machine (1) are rotating elements mounted on the common axis (7) of the main synchronous machine (1) and the exciter (4).
El sistema de supervisión del devanado de campo (3) y del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona comprende un equipo de medida (9) del flujo magnético conectado a un módulo de cálculo (10) y, a través de éste, a un módulo de supervisión (11).The supervision system of the field winding (3) and of the indirect excitation system of a synchronous machine comprises a magnetic flux measurement unit (9) connected to a calculation module (10) and, through this, to a supervision module (11).
El equipo de medida (9) está configurado para captar y medir el flujo magnético axial disperso en proximidad a uno de los polos de la máquina síncrona principal (1) y preferentemente alejado lo más posible del estator de la máquina síncrona principal (1), de tal forma que al girar el rotor de la máquina síncrona principal (1), el equipo de medida (9) pueda medir el flujo axial de cada uno de los polos de la máquina síncrona principal (1).The measurement equipment (9) is configured to capture and measure the scattered axial magnetic flux close to one of the poles of the main synchronous machine (1) and preferably as far as possible from the stator of the main synchronous machine (1), in such a way that when the rotor of the main synchronous machine (1) rotates, the measuring equipment (9) can measure the axial flux of each of the poles of the main synchronous machine (1).
En la Figura 2 y en la Figura 3 se observa, de manera esquemática, una posible disposición del equipo de medida (9) con relación a la máquina síncrona principal (1) y con relación a los polos de la máquina.Figure 2 and Figure 3 show, schematically, a possible arrangement of the measuring equipment (9) in relation to the main synchronous machine (1) and in relation to the poles of the machine.
En esta zona de la máquina síncrona principal (1) el flujo axial disperso de la máquina está creado por la corriente de excitación (la corriente continua que circula por el devanado de campo (3)), que es suministrada por los diodos rotativos. En la posición preferente de instalación del equipo de medida (9), el equipo de medida (9) no se ve afectado por otros flujos magnéticos o corrientes de la máquina síncrona principal (1).In this zone of the main synchronous machine (1) the stray axial flux of the machine is created by the excitation current (the direct current that circulates through the synchronous winding). field (3)), which is supplied by the rotating diodes. In the preferred installation position of the measuring equipment (9), the measuring equipment (9) is not affected by other magnetic fluxes or currents of the main synchronous machine (1).
El módulo de cálculo (10) está configurado para recibir una señal indicativa del flujo magnético axial disperso medido por el equipo de medida (9) y calcular, mediante transformada de Fourier, los armónicos fundamentales (típicamente los primeros 2, 3 ó 4 primeros armónicos) del flujo magnético axial disperso medido en proximidad a uno de los polos de la máquina síncrona principal (1).The calculation module (10) is configured to receive a signal indicative of the stray axial magnetic flux measured by the measurement equipment (9) and calculate, by Fourier transform, the fundamental harmonics (typically the first 2, 3 or 4 first harmonics ) of the stray axial magnetic flux measured in proximity to one of the poles of the main synchronous machine (1).
El módulo de supervisión (11) está configurado para supervisar el estado del devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1) así como el estado de funcionamiento del rectificador (8), determinando si el devanado de campo (3) se encuentra en buen estado y sin faltas entre espiras (o con faltas entre espiras que no hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina) y determinando si el rectificador (8) se encuentra funcionando correctamente (sin diodos cortocircuitados o en circuito abierto). En caso de que el devanado de campo (3) se encuentre en buen estado y sin faltas entre espiras (o con faltas entre espiras que no hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina) y en caso de que el rectificador (8) se encuentre funcionando correctamente (sin diodos cortocircuitados o en circuito abierto), el módulo de supervisión (11) genera una señal de funcionamiento normal (12).The supervision module (11) is configured to supervise the state of the field winding (3) of the main synchronous machine (1) as well as the state of operation of the rectifier (8), determining if the field winding (3) is is in good condition and without inter-turn faults (or with inter-turn faults that do not cause certain limits of safe operation of the machine to be exceeded) and determining if the rectifier (8) is working correctly (without short-circuited diodes or open circuit ). In the event that the field winding (3) is in good condition and without inter-turn faults (or with inter-turn faults that do not cause certain safe operating limits of the machine to be exceeded) and in the event that the rectifier ( 8) is operating correctly (no short-circuited or open-circuited diodes), the supervision module (11) generates a normal operating signal (12).
En caso de que el devanado de campo (3) comprenda faltas entre espiras que hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina, el módulo de supervisión (11) genera una señal de falta entre espiras (13)In the event that the field winding (3) includes inter-turn faults that cause certain safe operating limits of the machine to be exceeded, the supervision module (11) generates an inter-turn fault signal (13)
En caso de que el rectificador (8) comprenda algún diodo en circuito abierto o en cortocircuito, el módulo de supervisión (11) genera una señal de fallo en diodos (14).In the event that the rectifier (8) includes any diode in open circuit or in short circuit, the supervision module (11) generates a fault signal in diodes (14).
Como ya se ha comentado, en la zona de instalación del equipo de medida (9), el flujo magnético axial disperso del devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1) está creado por la corriente de excitación de dicho devanado de campo (3), la cual a su vez proviene del rectificador (8) de diodos rotativos.As already mentioned, in the area where the measuring equipment (9) is installed, the stray axial magnetic flux of the field winding (3) of the main synchronous machine (1) is created by the excitation current of said field winding (3), which in turn comes from the rectifier (8) of rotating diodes.
Dependiendo si el devanado de campo (3) comprende o no faltas entre espiras que hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina, y/o dependiendo de si el rectificador (8) comprende algún diodo en circuito abierto o en cortocircuito, el flujo magnético axial disperso en proximidad a los polos de la máquina síncrona principal (1) comprenderá armónicos cuya frecuencia variará en una u otra situación.Depending on whether or not the field winding (3) includes faults between turns that cause certain limits of safe operation of the machine to be exceeded, and/or depending on whether the rectifier (8) includes a diode in an open circuit or in a short circuit, the scattered axial magnetic flux in proximity to the poles of the main synchronous machine (1) will comprise harmonics whose frequency will vary in one situation or another.
Si se realiza la descomposición mediante una transformada de Fourier del flujo magnético axial disperso en proximidad a los polos de la máquina síncrona principal (1), aparecen diferentes armónicos dependiendo de las condiciones de operación.If the decomposition is carried out by means of a Fourier transform of the scattered axial magnetic flux in proximity to the poles of the main synchronous machine (1), different harmonics appear depending on the operating conditions.
En funcionamiento normal sin avería la corriente de excitación en el devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1) es igual en todos los polos y tiene un rizado que es proporcional a la frecuencia de la excitatriz (4) y al número de pulsos de los diodos rotativos del rectificador (8). La frecuencia dominante en este caso corresponde con la frecuencia de la máquina síncrona principal (1). Se tiene entonces:In normal operation without fault, the excitation current in the field winding (3) of the main synchronous machine (1) is the same in all poles and has a ripple that is proportional to the frequency of the exciter (4) and the number of pulses of the rotating diodes of the rectifier (8). The dominant frequency in this case corresponds to the frequency of the main synchronous machine (1). One then has:
f = ff = f
donde:where:
f Frecuencia del armónico de flujo magnético axial disperso f Harmonic frequency of stray axial magnetic flux
fi Frecuencia asignada de la máquina síncrona principal (1) fi Rated frequency of the main synchronous machine (1)
En este caso de que existan faltas entre espiras del devanado de campo (3) que hagan que se rebasen ciertos límites de funcionamiento seguro de la máquina síncrona principal (1), la corriente de excitación no circula por parte de un polo. En el flujo magnético axial disperso aparece una frecuencia relacionada con la frecuencia de giro. Esta frecuencia es igual a la frecuencia de la máquina síncrona principal (1) dividida del número de pares de polos. Se tiene entonces:In the event that there are faults between turns of the field winding (3) that cause certain limits of safe operation of the main synchronous machine (1) to be exceeded, the excitation current does not flow through one pole. In the scattered axial magnetic flux a frequency related to the frequency of rotation appears. This frequency is equal to the frequency of the main synchronous machine (1) divided by the number of pole pairs. One then has:
f = f i /Vf = fi /V
donde:where:
f Frecuencia del armónico de flujo magnético axial disperso f Harmonic frequency of stray axial magnetic flux
fi Frecuencia asignada de la máquina síncrona principal (1) fi Rated frequency of the main synchronous machine (1)
p Numero de pares de polos de la máquina síncrona principal (1) p Number of pairs of poles of the main synchronous machine (1)
Por último, en caso de que el rectificador (8) comprenda algún diodo abierto o algún diodo en cortocircuito, aparecen unas componentes de la frecuencia de la excitatriz (4) y sus múltiplos en la corriente de excitación del devanado de campo (3) de la máquina síncrona principal (1). Esta corriente induce en el equipo de medida (9) de flujo magnético tensiones relacionadas con la frecuencia de la excitatriz (4), el número de pulsos de los diodos del rectificador (8) y la frecuencia de la máquina síncrona principal (1) de acuerdo con la siguiente expresión:Finally, in the event that the rectifier (8) includes an open diode or a short-circuited diode, there are some components of the exciter frequency (4) and their multiples in the excitation current of the field winding (3) of the main synchronous machine (1). This current induces in the magnetic flux measuring equipment (9) voltages related to the frequency of the exciter (4), the number of pulses of the rectifier diodes (8) and the frequency of the main synchronous machine (1) of according to the following expression:
f = f i k fExc f = fik fExc
donde:where:
f Frecuencia del armónico de flujo magnético axial disperso f Harmonic frequency of stray axial magnetic flux
fi Frecuencia asignada de la máquina síncrona principal (1) fi Rated frequency of the main synchronous machine (1)
p Numero de pares de polos de la máquina síncrona principal (1) p Number of pairs of poles of the main synchronous machine (1)
fsxc Frecuencia asignada de la excitatriz (4) fsxc Rated exciter frequency (4)
k Número entero (0,1,2,3...) k Integer (0,1,2,3...)
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