ES2918074B2 - Método y Sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona - Google Patents

Método y Sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
Método y Sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un método y un sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona. El sistema y el método de la presente invención permiten determinar, de manera no invasiva, 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.
El método y el sistema de supervisión 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 en el sistema de excitación tales como diodos abiertos o diodos en cortocircuito.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver
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. Estas máquinas síncronas necesitan un sistema de excitación que proporcione dicha corriente continua al devanado de campo.
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.
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.
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.
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.
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.
El documento US 5453901 A describe un método basado en la medida de la tensión del devanado de campo de la excitatriz.
El documento EP 2077613 B1 divulga la detección del cortocircuito en los diodos del rectificador mediante la característica de cebado del generador.
Los sistemas utilizados en el estado de la técnica para la supervisión del estado de los diodos del rectificador implican la necesidad de acceder a componentes internos (situados en el eje) de la excitatriz y/o de la máquina síncrona principal, resultando por tanto métodos invasivos.
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 no invasivo para detectar faltas entre espiras en el devanado de excitación, consistente en la medición del flujo disperso de una máquina síncrona de polos salientes.
No obstante, hasta la fecha no se conoce ningún método que, mediante la medición del flujo disperso de una máquina síncrona excitatriz, se consiga no sólo detectar la existencia de algún fallo en alguno de los diodos del puente rectificador, sino identificar qué tipo de fallo se está produciendo en dicho diodo del puente rectificador.
Descripción de la invención
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un método y a un sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona.
El método de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención es de aplicación en un sistema de excitación indirecta que 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 un primer devanado inductor (devanado de campo) de una máquina síncrona principal.
El método de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende:
- realizar una medición del flujo magnético disperso en las inmediaciones de la excitatriz de la máquina síncrona principal, y;
- calcular los armónicos de una señal de flujo magnético disperso procedente de la medición del flujo magnético disperso;
Novedosamente, el método de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende:
- 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:
f = k i D fExc
en cuyo caso el método de supervisión comprende determinar que el rectificador presenta un funcionamiento correcto;
- 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:
f = ki D fExc ± &2 Íexc
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 circuito abierto, y;
- 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:
f = ki D fExc ± &2 2 Íexc
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;
donde:
f es la frecuencia del armónico de flujo disperso;
ki es un número entero (0,1,2,3...);
k2 es un número entero (0 ,1,2 ,3.);
D es el número de pulsos del rectificador por cada ciclo o por unidad de tiempo;
fExc es la frecuencia asignada de la excitatriz.
Como ya se ha adelantado, la presente invención se refiere también a un sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona.
El sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención es de aplicación en un sistema de excitación indirecta que 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 un primer devanado inductor (devanado de campo) de una máquina síncrona principal.
El sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende:
- un equipo de medida del flujo magnético disperso, configurado para medir el flujo magnético disperso en las inmediaciones de la excitatriz, y;
- 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 en las inmediaciones de la excitatriz.
Novedosamente, el sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención comprende:
- 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 disperso y para:
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:
f = k i D fExc
en cuyo caso el módulo de supervisión está configurado para determinar que el rectificador presenta un funcionamiento correcto y generar una señal de funcionamiento normal;
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:
f = ki D fExc ± &2 Íexc
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 circuito abierto y generar una señal de diodo en circuito abierto, y;
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:
f = ki D fExc ± &2 2 Íexc
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 y generar una señal de diodo en cortocircuito;
donde:
f es la frecuencia del armónico de flujo disperso;
ki es un número entero (0,1,2,3...);
k2 es un número entero (0 ,1,2 ,3.);
D es el número de pulsos del rectificador por cada ciclo o por unidad de tiempo;
fExc es la frecuencia asignada de la excitatriz.
Tanto el método como el sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención se basan en analizar la intensidad del flujo magnético disperso (en las inmediaciones de la excitatriz de la máquina síncrona principal) 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 (una pluralidad de armónicos que se repiten a frecuencias f = kx D f Exc , o una pluralidad de armónicos que se repiten a frecuencias f = k t D f Exc ± k2 f Exc, o una pluralidad de armónicos que se repiten a frecuencias f = k1 D f Exc ± k2 2 f Exc ), en cuyo caso se determina, respectivamente, que:
- el rectificador presenta un funcionamiento correcto, en cuyo caso se genera una señal de funcionamiento normal, o;
- el rectificador presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en circuito abierto, en cuyo caso se genera una señal de diodo en circuito abierto, o;
- el rectificador presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en cortocircuito, en cuyo caso se genera una señal de diodo en cortocircuito.
Breve descripción de las figuras
Se describe aquí de forma breve una figura a modo de ejemplo no limitativo, que ayuda a comprender mejor la invención:
Figura 1: muestra de manera esquemática una posible forma de realización del sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de máquinas síncronas objeto de la presente invención.
Descripción detallada
La presente invención se refiere, como se ha mencionado anteriormente, a un método y a un sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona.
En la Figura 1 se representa de manera esquemática una máquina síncrona principal (1) con su primer devanado inducido (2) situado en el estator y su primer devanado inductor (3) situado en el rotor.
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 segundo devanado inductor (5) situado en el estator.
Los elementos rotativos de la Figura 1 se representan dentro de un rectángulo marcado con una línea discontinua.
Los términos "primer” y "segundo” referidos a los devanados inductor e 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 de su categoría en cada una de las máquinas síncronas (principal (1) y excitatriz (4)), sino que se emplean para distinguir a los devanados de la máquina síncrona principal (1) (que van precedidos del término "primer”) y a los devanados de la excitatriz (4) (que van precedidos del término "segundo”).
Entre el segundo devanado inducido (6) de la excitatriz (4) y el primer devanado inductor (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 primer devanado inductor (3) de la máquina síncrona principal (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 primer devanado inductor (3), el segundo devanado inducido (6) y el rectificador (8) mediante el cual se conecta el segundo devanado inducido (6) al primer devanado inductor (3). Por tanto, el segundo devanado inducido (6), el rectificador (8) y el primer devanado inductor (3) son elementos rotativos montados en el eje común (7) de la máquina síncrona principal (1) y la excitatriz (4).
El sistema de supervisión 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).
El equipo de medida (9) está configurado para captar y medir el flujo magnético disperso en las inmediaciones de la excitatriz (4). Este flujo magnético disperso se puede medir en cualquier dirección axial, radial o una mezcla de ambas.
El módulo de cálculo (10) está configurado para recibir una señal indicativa del flujo magnético 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 disperso medido en las inmediaciones de la excitatriz (4).
El módulo de supervisión (11) está configurado para supervisar el estado de funcionamiento del rectificador (8), determinando si el rectificador (8) se encuentra funcionando correctamente, en cuyo caso el módulo de supervisión (11) genera una señal de funcionamiento normal (12); si el rectificador (8) comprende algún diodo en circuito abierto, en cuyo caso el módulo de supervisión (11) genera una señal de diodo en circuito abierto (13), y; si el rectificador (8) comprende algún diodo en cortocircuito, en cuyo caso el módulo de supervisión (11) genera una señal de diodo en cortocircuito (14).
El flujo disperso de la excitatriz (4) está creado por las corrientes suministradas por el segundo devanado inducido (6) al rectificador (8). Dependiendo si la excitatriz (4) funciona en condiciones normales operación, con un diodo abierto o con un diodo en cortocircuito, estas corrientes son distintas y por tanto también lo será el flujo disperso en las inmediaciones de la excitatriz (4).
Si se realiza la descomposición mediante una transformada de Fourier aparecen diferentes armónicos dependiendo de las condiciones de operación.
La expresión general de las frecuencias del flujo disperso es la siguiente:
f — k-i D fExc ± &2 FT fExc
Donde:
f Frecuencia del armónico de flujo disperso
ki Número entero (0,1,2,3...)
k2 Número entero (0,1,2,3...)
D Número de pulsos del puente rectificador giratorio por cada ciclo o por unidad de tiempo (por ejemplo, para un rectificador trifásico de doble onda, se podrían tener 6 pulsos por cada ciclo; si la frecuencia de la excitatriz es de 100 Hz, tenemos 6 pulsos en 10 ms)
fExc Frecuencia asignada de la excitatriz (frecuencia de las corrientes del devanado del inducido de la excitatriz Se puede calcular como la frecuencia de la máquina principal dividida entre su número de pares de polos y multiplicada por el número de pares de polos de la excitatriz).
FT Constante que depende del tipo de defecto
0 operación normal
1 diodo abierto
2 diodo en cortocircuito
En el caso de condiciones normales operación la frecuencia principal del flujo disperso es proporcional a los pulsos del puente rectificador (8) y a la frecuencia asignada de la excitatriz (4), además de sus múltiplos. Esta frecuencia corresponde con el rizado de la tensión suministrada por el puente de diodos rotativos del rectificador (8). Estas frecuencias corresponden con el primer término de la ecuación anterior, es decir:
f = k i D fExc
En el caso de un diodo abierto la tensión suministrada por el puente rectificador (8) tiene un alto componente de la frecuencia de la excitatriz (4), y ésta se ve reflejada en el flujo disperso, ya que aparecen bandas laterales de la frecuencia de la excitatriz (4) según la expresión:
f = ki D fExc ± &2 Íexc
En caso de diodo abierto en cada ciclo se produce una bajada en la tensión suministrada por el puente. Por tanto aparecen bandas de la frecuencia de la excitatriz y sus múltiplos.
Por último, en el caso de un diodo en cortocircuito correspondiente con una fase, esta fase se cortocircuita con las otras dos cuando los respectivos diodos entran en conducción. Aparecen bandas laterales de frecuencia doble de la frecuencia de la excitatriz (4), según se muestra en la siguiente expresión:
f = ki D fExc ± &2 2 Íexc
En caso de diodo en cortocircuito, en cada ciclo aparecen dos cortocircuitos. Si el diodo en cortocircuito es de la fase A, cuando le toca conducir a la fase A funciona de forma normal, pero luego hay un cortocircuito con la fase B y posteriormente con la fase C. Luego la frecuencia predominante es la del doble de la excitatriz (y sus múltiplos).
Por tanto, el método de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona objeto de la presente invención requiere la medición del flujo de dispersión de la excitatriz (4) y el análisis de sus frecuencias más significativas.

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1. Método de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona, donde dicho sistema de excitación comprende una excitatriz (4) y un rectificador (8) formado por un puente de diodos, y donde el sistema de excitación está configurado para excitar con corriente continua un primer devanado inductor (3) de una máquina síncrona principal (1), donde el método de supervisión comprende:
- realizar una medición del flujo magnético disperso en las inmediaciones de la excitatriz (4) de la máquina síncrona principal (1), y;
- calcular los armónicos de una señal de flujo magnético disperso procedente de la medición del flujo magnético disperso;
donde el método de supervisión está caracterizado por que comprende:
- 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:
f = k i D fExc
en cuyo caso el método de supervisión comprende determinar que el rectificador (8) presenta un funcionamiento correcto;
- 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:
f = ki D fExc ± &2 Íexc
en cuyo caso el método de supervisión comprende determinar que el rectificador (8) presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en circuito abierto, y;
- 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:
f — kt D fExc ± &2 2 Íexc
en cuyo caso el método de supervisión comprende determinar que el rectificador (8) presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en cortocircuito;
donde:
f es la frecuencia del armónico de flujo disperso;
ki es un número entero (0,1,2,3...);
k2 es un número entero (0 ,1,2 ,3.);
D es el número de pulsos del rectificador (8);
fExc es la frecuencia asignada de la excitatriz (4).
2. Sistema de supervisión del sistema de excitación indirecta de una máquina síncrona, donde dicho sistema de excitación comprende una excitatriz (4) y un rectificador (8) formado por un puente de diodos, y donde el sistema de excitación está configurado para excitar con corriente continua un primer devanado inductor (3) de una máquina síncrona principal (1), donde el sistema de supervisión comprende:
- un equipo de medida (9) del flujo magnético disperso, configurado para medir el flujo magnético disperso en las inmediaciones de la excitatriz (4), y;
- un módulo de cálculo (10) conectado al equipo de medida (9), donde el módulo de cálculo (10) está configurado para recibir una señal indicativa del flujo magnético disperso medido por el equipo de medida (9) y calcular, mediante transformada de Fourier, los armónicos del flujo magnético disperso medido en las inmediaciones de la excitatriz (4);
donde el sistema de supervisión está caracterizado por que comprende:
- un módulo de supervisión (11) conectado al módulo de cálculo (10), donde el módulo de supervisión (11) está configurado para recibir una señal de armónicos del flujo magnético disperso y para:
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:
f = k i D fExc
en cuyo caso el módulo de supervisión (11) está configurado para determinar que el rectificador (8) presenta un funcionamiento correcto y generar una señal de funcionamiento normal (12);
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:
f = ki D fExc ± &2 Íexc
en cuyo caso el módulo de supervisión (11) está configurado para determinar que el rectificador (8) presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en circuito abierto y generar una señal de diodo en circuito abierto (13), y;
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:
f = ki D fExc ± &2 2 Íexc
en cuyo caso el módulo de supervisión (11) está configurado para determinar que el rectificador (8) presenta un funcionamiento defectuoso por la existencia de al menos un diodo en cortocircuito y generar una señal de diodo en cortocircuito (14);
donde:
f es la frecuencia del armónico de flujo disperso;
ki es un número entero (0,1,2,3...);
k2 es un número entero (0 ,1,2 ,3.);
D es el número de pulsos del rectificador (8);
fExc es la frecuencia asignada de la excitatriz (4).
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