MXPA00003035A - Maquina electrica rotativa - Google Patents

Abstract

Se describe una máquina eléctrica rotativa del tipo de corriente alternante diseñada para ser conectada directamente a una red de distribución o transmisión, que comprende por lo menos un devanado eléctrico. El devanado comprende por lo menos un conductor eléctrico, una primera capa con propiedades semiconductoras que rodea el conductor, una capa aislante sólida que rodea la primera capa y una segunda capa con propiedades semiconductoras que rodea la capa aislante. Un sistema de excitación sin escobillas, conmutable entre excitación positiva y negativa, es también arreglado para la excitación de la máquina. Una planta de potencia eléctrica comprende tal máquina eléctrica rotativa. En un método para excitar una maquina eléctrica rotativa con dirección de corriente de excitación positiva y negativa, medios de protección de sobrevoltaie de campo bidireccionales (8, 10, 12, 14) o un circuito de descarga bidireccional son conectados temporalmente a través del devanado (4) de campo de la máquina.

Description

MAQUINA ELÉCTRICA ROTATIVA CAMPO TÉCNICO La presente invención es concerniente con una máquina eléctrica rotativa del tipo de corriente alternante diseñada para ser conectada directamente a una red de distribución o red de transmisión y que comprende por lo menos un devanado eléctrico. La invención también es concerniente con una planta de potencia eléctrica que comprende tal máquina eléctrica y también con un método para excitar una máquina eléctrica rotativa.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La máquina eléctrica rotativa de acuerdo con la invención puede ser una máquina síncrona, . máquina de alimentación doble, maquina de polos externos o máquina de flujo síncrono. Para conectar las máquinas de este tipo a redes de distribución o transmisión, en lo siguiente denominadas como redes de potencia, se han utilizado hasta ahora transformadores para ajustar el voltaje al nivel de la red, esto es al rango de 130-400 KV. Los generadores que tienen un voltaje nominal de hasta 36 KV son descritos por Paul R. Sietler "36 KV Generators Arise from Insulation Research", Electric World, 15 de Octubre de 1932, páginas 524 - 527. Estos generadores REF.: 32963 comprenden devanados de cable de alto voltaje en los cuales el aislamiento está dividido en capas diferentes con diferentes constantes dieléctricas. El material aislante utilizado consiste de varias combinaciones de los tres componentes mica-hoja de mica, barniz y papel. Se ha encontrado ahora que, al fabricar el devanado mencionado anteriormente de la máquina eléctrica a partir de un conductor eléctrico de alto voltaje aislado con un aislamiento sólido de un tipo similar a aquel utilizado en los cables para transmisión de potencia, el voltaje de la máquina puede ser incrementado a tales niveles que la máquina puede ser conectada directamente a cualquier red de potencia sin el uso de transformadores intermediarios. Un rango de operación típico para estas máquinas es de 30 a 800 KV. Hoy en día se usan excitadores estáticos o excitadores sin escobillas con fuentes de rectificador de diodo rotativos son utilizados en máquinas eléctricas rotativas. Frecuentemente, se requiere que el equipo de excitación sea apto para producir un voltaje pico y corriente pico de 1.5 a 3 veces mayor que las magnitudes equivalentes en el caso de excitación con carga nominal para la máquina en cuestión, por una duración de 10-30 segundos. El equipo de excitación también debe ser apto para producir una corriente de campo equivalente a la corriente de excitación de carga nominal para un 25 % de voltaje en la terminal del estator de la máquina. El sistema de excitación será de preferencia "libre de mantenimiento" esto es, un sistema de excitación sin anillos de deslizamiento. Los tiempos de respuesta y transitorios en las perturbaciones de red también deben ser rápidos, esto es, el equipo de excitación debe ser apto para generar voltaje de campo positivo y negativo. En el caso de los compensadores síncronos, el sistema de excitación debe en general ser apto para producir una corriente de campo positiva y negativa y se pueden presentar demandas de factores de voltaje pico mayores de tres veces el voltaje de excitación de carga nominal. Los excitadores sin escobillas eliminan los problemas de desechos de polvo de carbón de las escobillas y anillos de deslizamiento. Sin embargo los excitadores sin escobillas de acuerdo con la tecnología conocida exhiben un desempeño de control más deficiente que los excitadores estáticos. El objeto de la presente invención es así proporcionar una máquina eléctrica rotativa que pueda ser conectada directamente a una red de potencia y que se proporcione con un sistema de excitación "libre de mantenimiento" con desempeño de control mejorado y una planta de potencia eléctrica que comprendan tal máquina eléctrica, también como proponer un método para la excitación de una máquina eléctrica rotativa.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Este objeto es obtenido con una máquina eléctrica rotativa del tipo descrito en la introducción que tiene los aspectos caracterizantes de la reivindicación 1, una planta de potencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 17 y un método de acuerdo con la reivindicación 18. El conductor aislante o cable de alto voltaje utilizado en la presente invención es flexible y es del tipo descrito en más detalle en el documento WO 97/45919 y WO 97/45847. El conductor o cable aislado es descrito adicionalmente en los documentos WO 97/45918, WO 97/45930 y WO 97/45931. Así, en el dispositivo de acuerdo con la invención, los devanados son de preferencia de un tipo correspondiente a cables que tienen aislamiento sólido,, extruído, como aquellos utilizados actualmente para la distribución de potencia, tales como cables XLPE o cables con aislamiento de EPR. Tal cable comprende un conductor interno compuesto de una o más hebras, una capa semiconductora interna que rodea el conductor, una capa aislante sólida que rodea esta capa semiconductora y una capa semiconductora externa que rodea la capa aislante. Tales cables son flexibles, que es una propiedad importante en este contexto puesto que la tecnología para el dispositivo de acuerdo con la invención esta basada principalmente en sistemas de devanado en los cuales el devanado es formado a partir de cables que son doblados durante el montaje. La flexibilidad de un cable de XLPE corresponde normalmente a un radio de curvatura de aproximadamente 20 cm para un cable de 30 mm de diámetro y un radio de curvatura de aproximadamente 65 cm para un cable de 80 mm de diámetro. En la presente solicitud, el término "flexible" se utiliza para indicar que el devanado es flexible a un radio de curvatura del orden de 4 veces el diámetro del cable, de preferencia 8 a 12 veces el diámetro del cable. El devanado debe ser construido para retener sus propiedades aún cuando sea doblado y cuando sea sometido a esfuerzos térmicos o mecánicos durante la operación. Es vital que las capas retengan su adhesión entre sí en este contexto. Las propiedades del material de las capas son decisivas en la presente, particularmente su elasticidad y coeficientes relativos de expansión térmica. En un cable de XLPE, por ejemplo, la capa aislante consiste de polietileno de baja densidad reticulado y las capas semiconductoras consisten de polietileno con partículas de hollín y metal mezcladas. Los cambios en el volumen como resultado de las fluctuaciones de temperatura son absorbidos completamente como cambios en el radio del cable y gracias a la comparativamente ligera diferencia entre los coeficientes de expansión térmica en las capas en relación con la elasticidad de estos materiales, la expansión radial se puede llevar a cabo sin que se pierda la adhesión entre las capas. Las combinaciones de materiales resumidas anteriormente deben ser consideradas solamente como ejemplos. Otras combinaciones que satisfacen las condiciones especificadas y también la condición de ser semiconductores, esto es, que tienen una resistividad en el rango de 10"1 - 106 ohm-cm, por ejemplo 1-500 ohm-cm o 10-200 ohm-cm, también caen naturalmente en el alcance de la invención. La capa aislante puede consistir por ejemplo de un material termoplástico sólido tal como polietileno de baja densidad (LDPE) , polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno (PP) , polibutileno (PB), polimetilpentano (PMP), materiales reticulados tales como polietileno reticulado (XLPE) o hule (caucho) tales como hule de etileno propileno (EPR) o hule de silicio. Las capas semiconductoras interna y externas pueden ser del mismo material básico pero con partículas de material conductor tales como hollín o polvo de metal mezcladas. Las propiedades mecánicas de estos materiales, particularmente sus coeficientes de expansión térmica, son afectadas relativamente poco por si el hollín o polvo de metal es mezclado en o no por lo menos en las proporciones requeridas para obtener la conductividad necesaria de acuerdo con la invención. Así, la capa aislante y las capas semiconductoras tienen sustancialmente los mismos coeficientes de expansión térmica. Un hule de copolímero de etileno - acetato de vinilo/nitrilo, butilimp polietileno, copolímeros de etileno-acrilato y copolímeros de etileno-acrilato de etilo también pueden constituir materiales apropiados para las capas semiconductoras. Aún cuando diferentes tipos de materiales son utilizados como base en las varias capas, es deseable que sus coeficientes de expansión térmica sean del mismo orden de magnitud. Este es el caso con la combinación de los materiales enlistados anteriormente. Los materiales enlistados anteriormente tienen una elasticidad relativamente buena, con un módulo E de E<500 MPa, de preferencia < 200 MPa. La elasticidad es suficiente para que cualesquier diferencias menores entre los coeficientes de expansión térmica para los materiales en las capas sean absorbidas en la dirección radial de la elasticidad de tal manera que no aparezcan fisuras u otros daños y de tal manera que las capas no sean liberadas entre sí. El material en las capas es elástico y la adhesión entre las capas es por lo menos de la misma magnitud como el más débil de los materiales. La conductividad de las dos capas semiconductoras es suficiente para igualar sustancialmente el potencial a lo largo de cada capa. La conductividad de la capa semiconductora externa es suficientemente grande para contener el campo eléctrico en el cable, pero suficientemente pequeña para no dar surgimiento a pérdidas significativas debidas a corrientes inducidas en la dirección longitudinal de la capa. Así, cada una de las dos capas semiconductoras constituye esencialmente una superficie equipotencial y el devanado compuesto de estas capas encerrará sustancialmente el campo eléctrico dentro del mismo. Por supuesto, no hay nada que impida que una o más capas semiconductoras adicionales sean arregladas en la capa aislante. Al proporcionar la máquina eléctrica en cuestión con un sistema de excitación sin escobillas conmutable entre una excitación positiva y negativa, se obtiene un sistema "libre de mantenimiento" que tiene tiempos de respuesta y transitorios rápidos en las perturbaciones de red, por ejemplo, puesto que el sistema de excitación es apto para generar voltaje de campo positivo y negativo y así corriente de campo positiva y negativa. De acuerdo con una modalidad ventajosa de acuerdo con la invención, el sistema de excitación comprende dos dispositivos de convertidor de corriente conectados en antiparalelo, controlables, para alimentar el devanado de campo de la máquina de corriente alterna, un medio de protección de sobrevoltaje de campo bidireccional o circuito de descarga conectado a través del devanado de campo y también equipo de control para controlar los convertidores de corriente y los medios de protección de sobrevoltaje o circuito de descarga. Esta es una construcción simple que no requiere fuentes de alimentación separadas galvánicamente y reactancias limitadoras de corriente y ningún dispositivo de corto circuito • separados para extinguir los tiristores conductores. El sistema de excitación es también apropiado para máquinas síncronas tales como compensadores síncronos. La presente invención aprovecha así la capacidad ofrecida- por la tecnología de semiconductores para cambiar temporalmente la polaridad de una manera simple, lo que facilita la conmutación rápida de la corriente de campo del puente del convertidor de corriente estático al circuito de corto circuito y viceversa cuando se requiere un cambio de dirección de corriente en el circuito de campo de la máquina.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para explicar la invención más claramente, modalidades de la invención, seleccionadas a manera de ejemplo, serán ahora descritas en más detalle con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales: La figura 1 muestra el cable aislado utilizado en la máquina de acuerdo con la invención, La figura 2 muestra un diagrama de circuito del sistema de excitación en la máquina de acuerdo con la invención y Las figuras 3a-f muestran la variación del voltaje y la corriente en la conmutación de puente en el sistema de excitación mostrado en la figura 2.

DESCRIPCIÓN DE UNA MODALIDAD PREFERIDA La figura 1 muestra una sección transversal a través de un conductor aislado 11 diseñado para uso en los devanados de la máquina de acuerdo con la presente invención. Así, el conductor aislado 11 comprende una diversidad de hebras 35 que tienen sección transversal circular y que consisten de cobre (Cu), por ejemplo. Estas hebras 35 son arregladas en la parte media del conductor aislado 11. Una primera capa semiconductora 13 es arreglada alrededor de las hebras 35. Una capa aislante 37, por ejemplo aislamiento de XLPE, es arreglada alrededor de la primera capa semiconductora 13. Una segunda capa semiconductora 15 es arreglada alrededor de la capa aislante 37. El conductor aislado es flexible y retiene esta propiedad en toda su vida de servicio. Tales tres capas son construidas de tal manera que se adhieren entre sí aún cuando el conductor aislado es doblado. El conductor aislado tiene un diámetro en el intervalo de 20-250 mm y un área conductora en el intervalo de 80-3000 mm cuadrados. La figura 2 muestra un diagrama de circuito para el sistema de excitación de la máquina de acuerdo con la invención. El devanado 4 de campo de la máquina, que puede ser estacionaria o rotativa, es conectado a dos puentes 1, 2 del convertidor de corriente conectado en antiparalelo. Medios de protección de sobrevoltaje bidireccionales que comprenden dos tiristores conectados en antiparalelo 8, 10 con circuitos de encendido asociados 12, 14 también se proporcionan en el devanado de campo 4. Los puentes 1, 2 del convertidor de corriente son alimentados de una fuente 16 y controlados de un circuito lógico de conmutación 18 vía amplificadores 20, 22 de impulso de control. Un generador de impulso de control 28 para los puentes 1, 2 del convertidor de corriente en forma de puentes de tiristor es también arreglado para emitir impulsos de control a los amplificadores de impulso 20, 22. Instrumentos de medición 24, 26 son también arreglados para medir las corrientes IFB1 e IFB2 respectivamente de los puentes 1, 2 del convertidor de corriente y transmitir los resultados medidos al circuito lógico de conmutación 18 por propósitos de control. La conexión de los tiristores 8, 10 de los medios de protección de sobrevoltaje es también controlada del circuito lógico de conmutación 18 vía los circuitos de encendido 12, 14. Los medios de protección de sobrevoltaje son conectados a un resistor limitante de corriente R. En el sistema con interruptores automáticos circuito de campo, este resistor R sirve como resistor de descarga. El procedimiento para conmutar del puente 1 al puente 2 es como sigue: Inicialmente se supone que el puente 1 es conductor, lo que significa que la dirección de corriente IF a través del devanado de campo 4 es positiva, véanse figuras 3a y 3b. La señal de control Ust, véase figura 2, al generador 28 de impulsos de control y el circuito lógico 18 de conmutación será negativa, resultando en una reducción de polarización y así un cambio de polaridad del puente 1, véase figura 3a. El intervalo de tiempo para el cambio de polaridad, t2-t? de acuerdo con la figura 3b, del voltaje pico positivo máximo al voltaje pico negativo máximo es de aproximadamente 8.3 ms a una frecuencia de 50 Hz y puente bidireccional de 6 impulsos. Al tiempo t3, cuando la corriente IFBI es todavía mayor de 0, un impulso de encendido es transmitido al tiristor de descarga 10 y una señal de bloqueo al puente 1. Como resultado del efecto de marcha libre a polarización negativa, una transmisión momentánea de corriente de excitación IFBI al circuito de protección de sobrevoltaje es obtenida y el puente 1 se convierte en un puente sin corriente. Una señal del instrumento de medición 24 de que el puente 1 está sin corriente inicia el desbloqueo del puente 2 y el bloqueo del circuito de encendido 14 para el tiristor 10. El intervalo de tiempo t4-t3 de acuerdo con la figura 3, esto es, el periodo desde el bloqueo del puente 1 hasta que el puente 2 es conectado es de aproximadamente 5 ms, véase figura 3. Es evidente de la figura 3d que la corriente IF en el circuito de campo 4 durante este intervalo de conmutación es mantenida como resultado de la inductancia del devanado de campo 4. Como es evidente de las figuras 3d y 3e, el puente polarizado 2 impulsa ahora una corriente IR, véase figura 3f, a través del tiristor 10 y el resistor limitante de corriente R y también una corriente IF a través del devanado de campo 4 de la máquina síncrona. El tiempo t5, la corriente de campo IF ha cambiado de polaridad y el tir.istor de descarga 10 es extinguido por medio de una reducción de polarización temporal del puente 2, esto es, un cambio temporal en polaridad para forzar una corriente en la dirección inversa del circuito de corto circuito o los medios de protección de sobrevoltaje. Una elección apropiada de niveles de corriente para generar señales de bloqueo y de detección asegura que el intervalo de tiempo sea breve para conectar los medios de protección de sobrevoltaje de campo bidireccionales 8, 10, 12, 14 que sirven como circuito auxiliar o el circuito de carga de tiristor bidireccional. La conmutación de la dirección de corriente negativa a la dirección de corriente positiva a una señal de control positiva se presenta de manera correspondiente mediante la conexión temporal del tiristor 8 en los medios de protección de sobrevoltaje. Una modalidad de la máquina eléctrica rotativa de acuerdo con la invención es descrita anteriormente a manera de ejemplo. Sin embargo, varias modificaciones son por supuesto factibles dentro del alcance de la invención. El principio descrito puede así ser utilizado por puentes de tiristor estacionados y rotativos para excitar máquinas síncronas o para alimentar motores para sistemas de accionamiento. También se puede .utilizar reducción de polarización temporal o pulsada para restablecer medios de protección de sobrevoltaje activados. En una primera fase, una señal de sobrevoltaje da entonces una señal de alarma y restablecimiento de los medios de protección. Una señal de error continua después de un número de intentos de restablecimiento generará una señal de disparo o activación. La introducción y uso de elementos semiconductores extinguibles también puede acortar el intervalo de tiempo para la conmutación entre la excitación positiva y negativa o viceversa. La introducción de elementos semiconductores extinguibles en la protección de sobrevoltaje bidireccional hace innecesaria la inversión temporal del voltaje de campo con el fin de extinguir un elemento semiconductor activado y conductor. Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Una máquina eléctrica rotativa del tipo de corriente alternante diseñada para ser conectada directamente a una red de distribución o una red de transmisión y que comprende por lo menos un devanado eléctrico, caracterizada porque el devanado comprende por lo menos un conductor eléctrico, una primera capa con propiedades semiconductoras que rodea el conductor, una capa aislante sólida que rodea la primera capa y una segunda capa con propiedades semiconductoras que rodea la capa aislante y también porque un sistema de excitación sin escobillas, conmutable entre excitación positiva y negativa es arreglado para la excitación de la máquina.
2. 2. Una máquina de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el potencial de la primera capa es substancialmente igual al potencial del conductor.
3. 3. Una máquina de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizada porque la segunda capa es arreglada para formar una superficie substancialmente equipotencial que rodea el conductor.
4. 4. Una máquina de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque la segunda capa es conectada a un potencial predeterminado.
5. 5. Una máquina de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque el potencial predeterminado es potencial de tierra.
6. 6. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque por lo menos dos capas adyacentes del devanado de la máquina tienen coeficientes de expansión térmica substancialmente igual de grandes.
7. 7. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el conductor comprende una diversidad de hebras, por lo menos algunas de las cuales están en contacto eléctrico entre sí.
8. 8. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque cada una de las tres capas es unida firmemente a capas adyacentes a lo largo de substancialmente toda su superficie de contacto.
9. 9. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las capas son arregladas para adherirse entre sí aún cuando el conductor aislado es doblado.
10. 10. Una máquina que comprende por lo menos una máquina eléctrica principal de tipo de corriente alternante diseñada para ser conectada directamente a una red de distribución o una red de transmisión y que comprende por lo menos un núcleo magnético y por lo menos un devanado eléctrico, caracterizada porque el devanado es formado a partir de un cable que comprende uno o más conductores portadores de corriente, cada conductor tiene una diversidad de hebras, una capa semiconductora interna arreglada alrededor de cada conductor, una capa aislante de material aislante sólido arreglada alrededor de la capa semiconductora interna y una capa semiconductora externa arreglada alrededor de la capa aislante y porque un sistema de excitación sin escobillas, conmutable entre excitación positiva y negativa, es arreglado para la excitación de la máquina.
11. 11. Una máquina de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque el cable comprende una malla o envolvente de metal.
12. 12. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el sistema de excitación comprende dos dispositivos de convertidor de corriente conectados en antiparalelo, controlables, para alimentar el devanado de campo de la máquina de corriente alterna, medios de protección de sobrevoltaje de campo bidireccionales o circuito de descarga conectado a través del devanado de campo y equipo de control para controlar los convertidores de corriente y medios de protección de sobrevoltaje de campo o circuito de descarga.
13. 13. Una máquina de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque para la conmutación de la dirección de la corriente de excitación del sistema de excitación, el equipo de control es arreglado para cambiar la polaridad de los convertidores de corriente, el equipo de control provoca que los medios de protección de sobrevoltaje sean conectados temporalmente en la transición de una a la otra dirección de corriente.
14. 14. Una máquina de conformidad con la reivindicación 12 o la reivindicación 13, caracterizada porque los medios de protección de sobrevoltaje o el circuito de descarga comprenden un circuito de descarga de tiristor bidireccional.
15. 15. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 - 14, caracterizada porque medios de protección de sobrevoltaje o circuito de descarga, activados, pueden ser restablecidos mediante el control de los dispositivos de convertidor conductores al cambio temporal o formado por impulsos de la polaridad.
16. 16. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 - 14, caracterizada porque medios de protección de sobrevoltaje o circuito de descarga, activados, pueden ser restablecidos por medio de elementos semiconductores extinguibles.
17. 17. Una planta de potencia eléctrica, caracterizada porque comprende una máquina eléctrica rotativa de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-16.
18. 18. Un método para excitar una máquina eléctrica rotativa de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-16 con dirección de corriente de excitación positiva y negativa, caracterizado porque medios de protección de sobrevoltaje de campo bidireccional o un circuito de descarga bidireccional son conectados temporalmente a través del devanado de campo de la máquina cuando conmuta entre las direcciones de corriente de excitación.