MXPA99005169A - Sistema electrico para turbina y alternador montados en un eje comun - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un sistema eléctrico (1) para una turbina (10)/alternador (1) que incluye una turbina accionada con gas y un alternador permanenente (3) que giran sobre un eje común, compuesto por un circuito inversor (17) que se puede conectar ya sea a un circuito de salida de CA o al devanado del estator del alternador. Un circuito de control que durante la modalidad de arranque conmuta circuito inversor al devanado del estator del alternador (3), y que durante la modalidad de potencia de salida conmuta el circuito inversor (17) al circuito de salida de CA. De esta manera, durante la modalidad de arranque, del alternador (11) funciona como motor para asíelevar la velocidad de la turbina (10) a una velocidad de encendido segura, y en la modalidad de la potencia de salida, el sistema eléctrico (1) le suministra energía eléctrica al circuito de salida de CA, teniendo dicha energía eléctrica una frecuencia que no estárelacionada con la velocidad rotacional del alternador (3).

Description

SISTEMA ELÉCTRICO PARA TURBINA Y ALTERNADOR MONTADOS EN UN EJE COMÚN ANTECEDENTES DEL INVENTO Para que las turbinas de gas giren a la velocidad de arranque, deben ser accionadas por medios auxiliares antes de la inyección del combustible, del encendido y de que empiecen a funcionar, de manera autónoma. Por ejemplo, en el pasado, los sistemas de-cajas de engranajes accionados por motores eléctricos o de aire comprimido auxiliares se han utilizado para hacer girar la turbina a la velocidad de arranque. También se han utilizado sistemas de arranque por colisión de "aire" para pequeñas turbinas y se han operado dirigiendo un chorro de gas, generalmente aire, hacia el rotor de la turbina o del compresor, para hacer girar el rotor principal. Estos sistemas de inventos previos son complejos y difíciles de llevar a la práctica. La energia eléctrica puede generarse utilizando una turbina de gas para accionar un alternador. El alternador puede ser accionado por una turbina libre que está acoplada al rotor del alternador o a través de una caja de engranajes. En estos sistemas, se tiene que controlar con precisión la velocidad de la turbina para poder mantener la frecuencia y el voltaje deseados de la salida de corriente alterna.

De acuerdo con el presente invento, un alternador que tiene un rotor con imanes permanentes se conecta al rotor principal de la turbina, lo cual hace posible que se pueda arrancar la turbina y también generar energia eléctrica. El sistema eléctrico descrito en esta memoria permite que el motor funcione a diferentes velocidades con una frecuencia y un voltaje de salida que no se relacionan con la velocidad del rotor. El sistema eléctrico incorpora un inversor único que genera el voltaje y la frecuencia adecuados tanto en la modalidad de funcionamiento de arranque como en la modalidad de operación de generación de energia eléctrica. El sistema eléctrico se utiliza para causar la rotación de la turbina durante la modalidad de arranque, y, subsecuentemente, se utiliza para extraer energía eléctrica del alternador después de que la turbina ha alcanzado sus condiciones de funcionamiento normal . En el arranque, el alternador funciona como motor eléctrico. En el arranque, las funciones del sistema eléctrico incluyen amplificación de potencia, cambio de potencia y control para proporcionar, por ejemplo, energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica al alternador. Tanto la frecuencia como el voltaje son controlados como una función de tiempo y de la velocidad de rotación. Durante el arranque, la energía eléctrica para el sistema eléctrico se obtiene de una fuente de corriente continua (CC) como una batería, por ejemplo, o de un cable de corriente alterna (CA) . El circuito de arranque puede funcionar como sistema de control de bucle abierto o como sistema de control de bucle cerrado, tomando como base la realimentación de la posición del rotor. Según se aproxima la turbina a sus condiciones de funcionamiento normal con velocidades de rotación muy altas energizadas a través de la combustión controlada de combustible y aire, los circuitos electrónicos utilizados para el accionamiento inicial del alternador •como motor, se reconfiguran automáticamente para que acepten energía eléctrica del alternador. Posteriormente, se puede extraer del sistema eléctrico, con los voltajes y frecuencias deseados, energía eléctrica trifásica. En resumen, de acuerdo con_ este invento, un sistema eléctrico para una turbina/alternador incluye una turbina y un alternador accionados con gas que giran en un eje común. El alternador tiene un devanado rotórico y estatórico con imán permanente. Un circuito del estator se conecta al devanado del estator. Una barra colectora de CC energiza un circuito inversor. La salida del circuito inversor se conecta a una circuito de salida CA, o a través de un primer contactor, al circuito del estator. Se conecta un rectificador entre el circuito del estator y la barra colectora de CC. Un generador de señales es excitado por las señales derivadas de la rotación del eje común, y un generador _de formas de onda de bucle abierto produce formas de onda de manera independiente a la rotación del eje común. Un segundo contactor conecta el generador de señales o el generador de formas de onda de bucle abierto a un accionador, que está conectado para causar la conmutación del circuito inversor. Una fuente de energía eléctrica temporal le suministra energía a la barra colectora de CC. Durante la modalidad de arranque, un circuito de control conmuta el primer contactor para así conectar el circuito inversor al circuito del estator, y conmuta el segundo contactor para conectar el generador de señales al excitador, de manera preferente un modulador de anchura de impulsos. Durante la modalidad de potencia de salida, el circuito de control conmuta al primer contactor para desconectar el inversor del circuito del estator, y conmuta el segundo contactor para conectar el generador de formas de onda de bucle abierto al excitador. Durante la modalidad de arranque, el alternador funciona como motor para elevar la velocidad de la turbina hasta una velocidad de encendido segura. El inversor se utiliza para conmutar los devanados del estator como respuesta a la señal enviada por el generador de señales. Durante la modalidad de potencia de salida, el inversor se emplea para convertir la salida rectificada del alternador en señales de CA aplicadas al circuito de salida de CA como respuesta al generador de formas de onda de bucle abierto, produciéndose así energía eléctrica que tiene una frecuencia no conectada a la velocidad rotacional del alternador. De acuerdo con una realización preferida, un sistema eléctrico para una turbina/alternador incluye una turbina accionada por gas y un alternador que giran en un eje común. El alternador está constituido por un rotor de imanes permanentes y por un devanado estatórico. El devanado estatórico está conectado, por medio de un contactor, a un circuito inversor. El circuito inversor está conectado a una barra colectora _ e CC. El circuito inversor también está conectado a un generador de señales. Un codificador de posición está conectado al eje de accionamiento de la turbina/alternador. Su salida también está conectada al generador de señales . El inversor procesa el voltaje de la barra colectora de_CC y la salida del generador de señales, para desarrollar voltajes de salida CA trifásicos. El generador de señales controla la frecuencia de salida del inversor. De manera simultánea, una fuente de energía de CC con voltaje variable le aplica un voltaje de variación temporal a la barra colectora de CC. El voltaje de la barra colectora de CC controla el nivel de voltaje de salida . del inversor. De esta manera, las frecuencias y los voltajes de salida del inversor son totalmente controlables. Durante la modalidad de arranque, la salida 'del inversor se aplica, a través de un contactor, al alternador, el cual funciona como motor eléctrico. Al iniciarse la modalidad de arranque, el voltaje de alimentación de energía de CC empieza a elevarse a partir de 0 voltios. La frecuencia de salida del generador de -señales se regula a una frecuencia baja fija. Según empieza a incrementarse el voltaje de la barra colectora de CC, el rotor del alternador empieza a girar a baja velocidad. El codificador detecta los cambios de posición del eje y le envia esa información al generador de señales., El generador de señales procesa esa información y empieza a elevar su frecuencia de salida como una función de la velocidad del motor. Esa frecuencia que se va incrementando se dirige al inversor en donde se utiliza para controlar la frecuencia del voltaje de salida del inversor. Este proceso controlado da como resultado una salida del inversor con variante temporal cuya frecuencia y voltaje se aplican, por medio de una contactor, al alternador. Como resultado de ello, el alternador funciona como motor y acelera la velocidad del eje de la turbina hasta un valor adecuado para el encendido— Una vez que la turbina ha alcanzado su velocidad de funcionamiento normal, se desactiva la fuente de energía de voltaje variable. Además, se desconecta la señal del codificador de posición del eje, del generador de señales, y se reemplaza con una señal base de precisión de tiempo fijo. Posteriormente, se rectifica el voltaje de salida de CA y los voltajes de salida de CC resultantes se aplican a la barra colectora de CC. Esta reconfiguración permite que el inversor funcione como fuente de potencia de salida con frecuencia fija, independiente de la velocidad del rotor de la turbina. En la modalidad de potencia de salida, el inversor suministra energía a través de los filtros de salida. Después, la energía de salida filtrada se conecta a un contactor que la dirige hacia un conjunto de terminales en donde se puede disponer de la misma para uso del consumidor. Un sistema de control integra la operación del inversor, el suministro de energía, el generador de señales y los contactores, tanto durante la modalidad de funcionamiento de arranque como en el de potencia de salida. Durante la modalidad de funcionamiento con potencia de salida, el sistema de control mide continuamente los voltajes de salida del inversor y le envia señales al generador de señales para compensar- las fluctuaciones del voltaje de salida causadas por las variantes condiciones de la carga de salida. De acuerdo con una realización preferida, el generador de señales es un modulador de la anchura de los impulsos. Generalmente, el devanado estatórico - del alternador es un devanado trifásico, y el circuito inversor y los circuitos de CA son circuitos trifásicos. De acuerdo con una realización preferida, el sistema eléctrico incluye un circuito de alimentación energizado con batería, incluyendo una batería y un circuito inversor que eleva su voltaje desde 0 para alimentarle a la barra colectora de CC un voltaje entre 0 y el que necesita el inversor para energizar al alternador a velocidades de encendido seguras. De acuerdo con otro circuito preferido, el circuito de alimentación energizado con batería tiene un circuito reductor para recargar la batería y para energizar aparatos de voltaje bajo, como ventiladores y bombas, desde la barra colectora de CC durante la modalidad de salida. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otras características, objetivos y ventajas, resultarán obvios con la siguiente descripción detallada que se hace con referencia a los dibujos, en los cuales: La Figura 1 es un dibujo esquemático _ que ilustra la relación general existente entre el sistema eléctrico y la turbina/alternador de gas; La Figura 2 es un dibujo esquemático en donde se muestra el sistema eléctrico para suministrar energía eléctrica al alternador durante la modalidad de arranque y para transmitirle a la carga la energía generada durante- la modalidad de potencia de salida; La Figura 3 muestra de manera esquemática un circuito rectificador para convertir la salida del alternador a un voltaje de corriente continua en la barra colectora de CC; Las Figuras 4a y 4b ilustran esquemáticamente el circuito inversor que consta de seis interruptores IGBT que se utilizan para conmutar la corriente que va al alternador durante la modalidad de arranque y para suministrar una salida trifásica durante la modalidad de potencia de salida; La Figura 5 ilustra esquemáticamente el generador de formas de onda de bucle abierto y el excitador de bucle cerrado del circuito inversor; La Figura 6 ilustra un cortador periódico elevador/reductor adecuado para utilizar energía de una batería durante la modalidad de arranque para así suministrarle energía a la barra colectora de CC durante la modalidad de potencia de salida; y La Figura 7 ilustra esquemáticamente la totalidad del sistema eléctrico, incluyendo los sensores de la turbina y los controles de la turbina. DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS La Figura 1 ilustra la relación existente entre el sistema de control eléctrico 1, de acuerdo con este invento, y el sistema de generación de potencia, incluyendo una turbina de gas 2 y un alternador 3. El inducido del alternador está montado en un eje común con eje de la turbina. El sistema de control eléctrico interactúa con el sistema de generación de potencia para suministrar potencia de arranque, control del motor, procesamiento de señales, carga de la batería, interfaces del usuario, así como conversión y control de la potencia para generar potencia para el usuario. Se facilitan tanto las operaciones independientes como las operaciones en línea. Refiriéndonos ahora a la Figura 2, se ilustra la disposición general de los circuitos de energía eléctrica de un generador de turbina de acuerdo con este invento. La turbina 10 está conectada al alternador de imán permanente 11 (samario-cobalto de tierras raras) por un eje común 12. El estator se construye utilizando un conjunto de laminas de acero eléctricas de alta calidad y pérdida baja. Este conjunto contiene un devanado distribuido de manera trifásica en 12 ranuras _ del estator, con un alojamiento que tiene un enfriador de aceite. El rendimiento del alternador depende de que haya un enfriamiento eficaz. En la realización que se está poniendo en práctica, el rotor de imán permanente de cuatro polos tiene las siguientes dimensiones: longitud inducida 3.55 pulgadas; diámetro bajo los imanes 1.00 pulgadas; diámetro sobre los imanes 1.430 pulgadas; peso de los imanes 0.70 libras; peso del rotor J_.S5 libras.

Los devanados trifásicos del estator del alternador están conectados al rectificador 15 por medio de una barra colectora de CA 14. La salida del rectificador está conectada a una barra colectora de CC 16. Durante la generación de energia, es decir, la modalidad de potencia de salida cuando la turbina está accionando el alternador, la salida trifásica de la barra colectora de CA es rectificada por el rectificador suministrando energia de CC en la barra colectora de CC. -La energía de CC se aplica al inversor 17. Durante la modalidad de potencia de salida, el inversor 17 conmuta la energia CC para proporcionar una salida trifásica que tiene una frecuencia que no está relacionada con la velocidad rotacional del alternador. La frecuencia es controlada por las señales provenientes del- controlador del sistema 18. La salida del inversor es filtrada por los inductores 19 y por los condensadores 20. La salida trifásica filtrada es pasada a una carga a través del contactor de salida 21 (que está controlado por el controlador del sistema 18 a través del relé 22) y de los interruptores de salida 23. Un transformador de corriente 25 detecta la corriente de salida, la cual es realimentada al controlador del sistema 18 permitiendo así un límite de corriente y un equilibrio de potencia de la salida trifásica del inversor. Para arrancar la turbina es- necesario acelerarla hasta una velocidad _de encendido adecuada. Durante la modalidad de arranque, el alternador es operado como un motor. Durante la modalidad de arranque, se conecta el inversor 17 a los devanados estatórlcos del alternador 11 por medio de un contactor de arranque 30 que está controlado por el controlador del sistema 18. Al mismo tiempo, el contactor del condensador 31 elimina del circuito de salida a los condensadores de filtro 20. Debido a las frecuencias tan altas existentes durante el arranque, es necesario quitar los condensadores de filtro 20 de los circuitos del estator. - Durante el arranque, la energia de CC- es derivada de la batería 33 a través del fusible 34 y se aplica al cortador periódico elevador 36. El cortador periódico elevador eleva el voltaje de la energía de la batería de CC de 0 a un voltaje, el cual, al ser convertido a CA por el inversor 17, accionará el alternador como motor a una velocidad que permitirá el arranque seguro de la turbina. De manera preferente, un sensor 37 de la posición del eje genera una señal que se le aplica al controlador del sistema 18, el cual a su vez utiliza la señal para controlar el inversor 17 para así generar una salida trifásica que conmuta los devanados estatóricos del alternador para elevar el alternador y la turbina hasta la velocidad de encendido. Con referencia a la Figura 3, se ilustra esquemáticamente un circuito rectificador. Los devanados trifásicos del estator 40, 41, 42, conectados en delta, son conectados, tal como se ilustra, por seis diodos 43a, 43b, 43c, 43d, 43e, 43f a la barra colectora de CC 16.

Con referencia a las Figuras 4a y 4b, se ilustra esquemáticamente un circuito inversor adecuado. (La Figura 4a ilustra una conexión en delta, y la Figura 4b una conexión en estrella del devanado del estator) . El inversor consta de seis interruptores de estado sólido (IGBI) , los cuales, durante la modalidad de arranque, pueden conectar alternativamente una esquina de los devanados del estator conectados en delta al lado positivo o negativo de la barra colectora de CC 16 a través del contactor 30. También los interruptores de estado sólido 44a, 44b, 44c, 44d, 44e y 44f- conectan ya sea el lado positivo o el negativo de la barra colectora de CC a los inductores de filtro 19, en todo momento y después del arranque, a los condensadores de filtro 20 a través del contactor 31. El inversor se utiliza para generar señales de salida trifásicas. Es capaz de suministrar una amplia variedad de voltajes y frecuencias de salida ya que está controlado por un microprocesador ubicado en el controlador del sistema. El inversor de salida se emplea de dos diferentes maneras durante las operaciones de arranque y de potencia de salida del sistema de generación de energía eléctrica. Durante la fase de arranque, el inversor se emplea para suministrar los voltajes y frecuencias -con variación temporal que se necesitan para hacer funcionar el alternador como motor y para acelerar el eje de accionamiento de la turbina del alternador a las velocidades de rotación necesarias para lograr un funcionamiento sostenido del sistema de generación de energia eléctrica. En su configuración presente, para esto se necesitan voltajes trifásicos que fluctúen entre 0 y 350 voltios en frecuencias que van desde cerca de 0 hasta 2 kHz. Durante la fase de potencia de salida, el inversor se utiliza para suministrar voltajes trifásicos que sean compatibles con la demanda de energía eléctrica del usuario. Los voltajes típicos son 480 vea. 240 vea, 208 vea y 120 vea en frecuencias de 50, 60 y 400 Hz. Este sistema no se limita a esos valores, y si se desea se puede seleccionar una gama casi infinita del voltajes y frecuencias. En determinadas aplicaciones del sistema de generación de energía eléctrica se necesita que el inversor de potencia de salida sea capaz de acoplarse en línea a una potencia de rejilla existente. Se utilizan en circuitos de enfasamiento en línea, en conjunción con un controlador del sistema, para monitorear la fase del voltaje de potencia por la rejilla y sincronizar el sistema de generación de energía que va a dar a los mismos. De igual manera, el controlador del sistema puede monitorear las amplitudes del voltaje de potencia por la rejilla y regular la salida del sistema de generación de energia para así facilitar y controlar la transferencia de energía a la rejilla. La Figura 5 ilustra esquemáticamente la porción del controlador del sistema para generar una forma de onda de bucle abierto para excitar el inversor 17. El generador de frecuencias 50 genera impulsos de salida en frecuencias seleccionadas entre 250 Hz y 600 kHz por la CPU 61. Estos impulsos se aplican para hacer avanzar la salida que hay en los PROMs (memorias muertas programables) de la onda sinosoidal 52a, 52b y 52c. Las salidas provenientes de los PROMs de onda sinosoidal (básicamente 256 K en el cuadro de consulta) se desplazan en fase unas de otras exactamente 120° aparte. La salida de los PROMs se aplica a los convertidores digito-analógicos 53a, 53b y 53c, para así producir tres ondas sinosoidales analógicas. La amplitud de cada forma de onda que sale de los convertidores digito-analógicos es controlada individualmente por un comando de onda sinosoidal (amplitud) . Luego, las ondas sinosoidales se comparan en los moduladores de la anchura de los impulsos 54a, 54b y 54c con una onda triangular de un generadox de ondas triangulares. La frecuencia del generador de ondas triangulares es controlable. A continuación, las formas de onda moduladas por la anchura del impulso se aplican a través de las compuertas de selección de excitación 55a, 55b y 55c a los excitadores 57a, 57b y 57c. En esta realización específica, los excitadores producen tres pares complementarios de señales de impulsos para controlar el inversor. El generador de formas de onda se utiliza para excitar el inversor durante la modalidad de potencia de salida cuando la turbina está excitando al alternador. El circuito de formas de onda, tal como se ha descrito hasta el momento, es un bucle abierto. En otras palabras, no es controlado por la velocidad de rotación del alternador. Sin embargo, se pueden emplear diferentes señales de realimentación para regular la amplitud de las señales que salen del convertidor dígito-analógico.

Aunque el circuito de formas de onda se utiliza principalmente para excitar el inversor durante la modalidad de potencia de salida, también se puede utilizar para controlar el inversor exactamente- al 5 principio de la modalidad de arranque para hacer que. el inducido gire por lo menos una vez. Esto permite poner en fase las señales del sensor por efecto Hall. Tres interruptores por efecto Hall 58 están montados, con 120° de separación, para captar impulsos magnéticos según va girando el eje común. Estas señales son procesadas por un circuito lógico Hall 59 !>ara producir un par de señales correspondientes a cada impulso de captación. Los tres pares de señales- son aplicadas por las compuertas de selección del excitador 55a, 55b y 55c a los excitadores 57a, 57b y 57c. El sistema sensor de posición está conformado por imanes permanentes y sensores por efecto Hall que se utilizan durante el arranque del motor de la turbina para transferirle energía eléctrica a los devanados del estator del alternador. La puesta en fase de los sensores se realiza al comienzo de la fase de arranque, haciendo girar brevemente el eje del alternador de la turbina en la dirección de rotación normal. La rotación del eje durante este periodo inicial de la fase de arranque es realizado por el control de microcomputadora del sistema del inversor de salida en una configuración de bucle abierto en la que no se utilizan los sensores de efecto Hall. Una vez terminada la puesta en fase de los sensores, la señal de los mismos se dirige a la sección del inversor de salida del sistema para así facilitar el arranque del motor de la turbina bajo un control de bucle cerrado. Las transformaciones realizadas por el efecto Hall permiten una conmutación de bucle cerrado del inversor 17 y de los devanados del estator del alternador. El circuito regulador de la amplificación 61 procesa la realimentación proveniente del circuito inversor 17, para regular la ganancia de los circuitos del excitador y así equilibrar la salida de la salida de tres fases del inversor 17. Durante la modalidad de arranque, la batería le suministra energía a la barra colectora de CC a través del cortador - periódico elevador. La Figura 6 es una representación esquemática de un cortador periódico elevador que le suministra a la barra colectora de CC un voltaje de 0 a 350 voltios desde una batería de 12 o 24 voltios durante la modalidad de arranque.' Cuando se cierran (es decir, que están conduciendo) los interruptores 65a y 65b del cortador periódico elevador, la corriente fluye por el inductor 66. Cuando se abren los interruptores 65a y 65b, el campo magnético del inductor se evanece, haciendo que el extremo A del inductor sea muy positivo respecto al extremo B, y suministra corriente a través de los diodos 67a, 67b a los lados positivo y negativo de la barra colectora de CC respectivamente. Los interruptores 65a y 65t) se excitan a 4 kHz. El ciclo de operación es controlado de 0 a 100%, permitiendo así que el voltaje de salida existente a través de los condensadores 70 de la barra colectora de CC varíen de 0 a 350 voltios. La utilización de una elevación del circuito cortador periódico 0, permite- un incremento gradual de la velocidad rotacional del alternador durante el arranque. Durante la modalidad de potencia de salida, la batería es cargada por un circuito cargador. Los interruptores 68a y 68b del cargador se conmutan a aproximadamente 1 kHz . El ciclo de operación es regulable. Cuando los interruptores 68a y 68b del cargador están cerrados, la corriente de la barra colectora de CC fluye a través del inductor 66. Cuando los interruptores del cargador se abren, el lado B del inductor se pone en positivo respecto al lado A, y carga la batería derivando corriente a través de los diodos 69a y 69b. Tal como se ilustra en esta memoria, no es necesario que los circuitos del elevador y del cargador compartan el mismo inductor. En la realización preferida de este invento, diseñada para una potencia de salida de 45 KW, los siguientes componentes se dimensionan, según su tamaño, tal como se expone a continuación: inductores de filtro 19 300 mH por fase condensadores de filtro 20 100 µP por fase condensador de la barra colectora de CC 70 4,700 µP interruptores IGBT del inversor 17 400A/600V La Figura 7 ilustra la interacción existente entre el controlador del sistema y la turbina de gas. El controlador del sistema emplea tres microprocesadores que se comunican entre sí por medio de un enlace en serie de alta velocidad y que realiza las siguientes funciones: (1) control de la energía eléctrica requerida para hacer girar el rotor de la turbina a las velocidades necesarias para sostener el funcionamiento de la turbina; (2) procesamiento y control de la energía eléctrica generada por el alternador durante la operación del sistema de potencia de salida, para suministrar potencia de salida trifásica en voltajes y frecuencias de línea común; (3) control de otros subsistemas necesarios para hacer funcionar el sistema de generación de energía eléctrica, como el ignitor, los ventiladores de enfriamiento, y las bombas de combustible y aceite; (4) condicionamiento de las señales y control de los instrumentos que miden presión, temperatura, flujo y velocidad; y ( 5) generación " <~nnrr<-.l Ho un pan«l rip control, proporcionando una interlace con tu LUJULU U ^uiu ^ ^ . < • , del sistema . Cada uno de los tres microprocesadores tiene programada su memoria asociada para que funciones de manera independiente. Uno de los microprocesadores sirve para monitorear el teclado numérico, la pantalla y los comunicadores RS232. Un segundo microprocesador está dedicado a monitorear los parámetros de la turbina, para activar las desconexiones de protección y para registrar el historial de los parámetros de funcionamiento de— la última hora de funcionamiento. El tercer microprocesador monitorea . dirige las frecuencias, voltajes, y activa los 'es, etc., seleccionados del circuito eléctrico. OPERACIÓN Existen dos modalidades distintas para operar el sistema. En la primera modalidad se emplea el controlador del sistema 18 para controlar el cortador periódico elevador 36 y los inversores de salida 17, para modificar el voltaje y la frecuencia de salida como función de tiempo. Al funcionar de esta manera, el alternador se está utilizando como motor de velocidad variable para hacer girar el motor a las velocidades necesarias para que la turbina de gas tenga un funcionamiento sostenido. En la segunda modalidad de funcionamiento, la sección del inversor es reconfígurada automáticamente por el controlador del sistema 18 para proporcionarle potencia de salida al usuario^ En esta modalidad de funcionamiento, la potencia de salida de CA de alta frecuencia proveniente del alternador es convertida en potencia de CC por el rectificador 15, misma que se le aplica a la entrada del inversor. El inversor, en conjunción con el controlador del sistema, proporciona los voltajes y las frecuencias de salida trifásicos deseados que se necesitan para las aplicaciones normales del usuario. La frecuencia y la fase del voltaje de salida son controladas de manera compatible con las aplicaciones independientes y en línea del usuario. El panel de control 72 proporciona la interface entre el usuario y el controlador. Le ofrece al usuario diversas opciones de control e instrumentación, como por ejemplo arranque, paradas, unión con la línea y diagnósticos. Durante el arranque y funcionamiento normal del sistema, el controlador del sistema determina las secuencias y controla de la siguiente manera al sistema de generación de energía. 1) Mediante una orden emitida desde el panel de control 72, el controlador 18 le envía las órdenes adecuadas a los generadores de formas de onda y al cortador periódico elevador para iniciar una rotación breve de las turbinas, para que los sensores de posición Hall estén enfasados adecuadamente para las funciones de arranque subsecuentes. 2) Después, el controlador controla al cortadox periódico elevador 36 y al generador de formas de onda (ver puntos 50 a 54 y 58 de la Figura 5) para elevar los voltajes y frecuencias trifásicos al inversor. Las salidas trifásicas son dirigidas al alternador, el cual reacciona acelerando la rotación del eje de la turbina a las velocidades necesarias para que la misma tenga un funcionamiento sostenido. 3) Durante la anterior secuencia de arranque, el controlador del sistema monitorea y controla otras funciones, como el flujo de combustible, el encendido, las velocidades de rotación, la temperatura y la presión. 4) Después de la fase de arranque, el controlador del sistema configura de nuevo el cortador periódico elevador para que funcione como cargador de la batería. Además, el generador de formas de onda se repone para que suministre las señales necesarias para la generación de la demanda de salida de energía eléctrica para el usuario. Estas señales están conectadas a la entrada del conmutador selector, y de ahí son dirigidas a los excitadores y al inversor. Como resultado de ello, el inversor suministra los voltajes_ y frecuencias de salida trifásicos deseados por el usuario. 5) Durante el funcionamiento de potencia de salida normal, tal como se describe en el punto 4) anterior, el controlador del sistema monitorea y controla todas las funciones necesarias para controlar el sistema de generación de energía eléctrica, incluyendo en forma enunciativa mas no limitativa, el control y/o monitoreo del flujo de combustible, temperatura, presión, velocidad, tiempo de funcionamiento y diversos diagnósticos exclusivos de los componentes del sistema completo de generación de energía eléctrica. - Una vez descrito de esta manera nuestro invento, con los detalles y particularidades exigidas por las Leyes de Patentes, en las siguientes reivindicaciones se expone lo que se desea quede protegido por la Patente de Invención.

Claims (18)

1. LO QUE SE REIVINDICA ES: 1. Un sistema eléctrico para una turbina/alternador, que incluye una turbina accionada con gas y un alternador con imán permanente que están en un ej e común, incluyendo : a) teniendo dicho alternador un rotor de imán permanente y un devanado de estator; b) un circuito de estator conectado al devanado del estator; c) un circuito de salida de Corriente
2. Alterna; d) un circuito inversor conectado al circuito de salida de CA; e) un primer contactor para conectar el circuito inversor al circuito del estator; f) una barra colectora de CC conectada- al circuito inversor; g) un rectificador conectado entre el circuito del estator y la barra colectora de CC; h) un circuito de suministro- de _energía eléctrica temporal conectado a la barra colectora de CC; i) un excitador conectado para causar la conmutación del circuito inversor; j) un generador de señales excitado por las señales derivadas de la rotación del eje común; k) un generador de formas de onda_ de bucle abierto; 1) un segundo contactor para conectar ya sea el generador de señales o el generador de formas de onda de bucle abierto al inversor; y m) un circuito de control para que durante la modalidad de arranque conmute el primer contactor para conectar el circuito inversor al circuito del estator y conmute el segundo contactor para conectar el generador de señales al excitador de impulsos, y para que durante la modalidad de potencia de salida conmute el primer contactor para desconectar el circuito inversor del circuito del estator y conmute el segundo contactor para conectar el generador de formas de onda de bucle cerrado al excitador; con lo cual durante la modalidad de arranque, el alternador funciona como motor para así elevar la velocidad de la turbina hasta una velocidad de encendido segura, y en la modalidad de potencia de salida, el sistema eléctrico le suministra al circuito de salida de CA una energia eléctrica de CA que tiene una frecuencia que no está relacionada con la velocidad rotacional del alternador. 2. El sistema de acuerdo -con la reivindicación 1, en donde el excitador conectado para causar la conmutación de la corriente del inversor es un excitador modulado por la anchura del impulso.
3. 3. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el devanado del estator del alternador es un devanado trifásico, y el circuito inversor y los circuitos de salida de CA son circuitos trifásicos.
4. 4. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de alimentación energizado con batería incluye una batería y una elevación desde el circuito inversor 0 para suministrarle a la barra colectora de CC un voltaje entre 0 y el requerido para elevar el alternador a velocidades de encendido seguras.
5. 5. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de alimentación energizado con batería incluye un circuito reductor para cargar de nuevo la batería durante la modalidad de salida.
6. 6. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de alimentación energizado con batería incluye un circuito inversor que comparte un inductor común para que, durante la modalidad de arranque, eleve el voltaje que va a la barra colectora de CC, y durante la modalidad de carga de batería, reduce el voltaje de la barra colectora de CC, para cargar la batería.
7. 7. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de alimentación energizado por batería incluye un modulador de la anchura de los impulsos, de frecuencia constante, para excitar el circuito elevador.
8. 8. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el circuito de. control controla el ciclo de operación del modulador de la anchura de los impulsos, para controlar el voltaje que va a la barra colectora de CC.
9. 9. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el circuito energizado por batería incluye un modulador de la anchura de los impulsos, de frecuencia constante, para excitar el circuito cargador, y medios para regular el ciclo de operación del modulador de la anchura de los impulsos, para controlar el voltaje de carga de la batería.
10. 10. Un sistema eléctrico ~de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el generador de señales es excitado por señales de captación provenientes de sensores magnéticos excitados por un imán unido al eje común .
11. 11. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 10, en donde los sensores magnéticos son sensores de efecto Hall.
12. 12. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el circuito de formas de onda de bucle cerrado incluye, además, un circuito codificador sensor Hall.
13. 13. - Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las bombas del aceite y las bombas del combustible y la alimentación de energía eléctrica para los dispositivos -electrónicos son alimentadas por medio de la energía de CC proveniente de la batería.
14. 14. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de salida de CA incluye un transformador que detecta corriente, para proporcionar un control del limite de corriente.
15. 15. Un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de salida de- CA incluye inductores y condensadores de filtro para cada fase.
16. 16. El sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 15, en donde un contactor controlado por el circuito de control elimina, durante el arranque, los condensadores de filtro del circuito de salida de CA.
17. 17. El sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el generador de formas de onda de bucle abierto se utiliza para iniciar el arranque, seguido de un control de bucle cerrado par'a elevar la velocidad del eje común a una velocidad de rotación segura para el encendido.
18. 18. El sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la generación de formas de onda incluye contadores, PROMs, convertidores dígito-analógicos y amplificadores con control de amplitud para cada fase que se esté controlando individualmente.