WO2010094818A1 - Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta - Google Patents

Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta Download PDF

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Francisco BLÁZQUEZ GARCÍA
Pablo FRÍAS MARÍN
Marta Redondo Cuevas
Ricardo GRANIZO ARRABÉ
Carmelo CARRERO LÓPEZ
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    • H02P9/302—Brushless excitation

Definitions

  • the purpose of the present invention patent is to present a new de-excitation system for synchronous machines with indirect excitation by means of rotating diodes, which would improve the dynamic response and safety at the time of de-exciting the machine, which implies that in case of internal short circuit the damages in the machine would be much smaller.
  • the brushes and the rubbing rings are elements with maintenance, especially in machines of great power.
  • the brushes wear out with use and must be replaced and maintained. Sparks and carbon deposits are also always a focus of possible problems. So in synchronous machines, excitation mechanisms of the brushless inductor tend to be used.
  • the system object of the present invention allows a synchronous indirect excitation machine to behave, for the purpose of de-excitation, in a similar way to what a direct excitation machine would do, but maintaining the advantages of brushless excitation.
  • de-excitation impedance preferably a resistance, connected between the inductor winding of the synchronous machine and the rotating rectifier bridge;
  • a maneuvering element preferably of the semiconductor type, connected in parallel with the de-excitation impedance
  • control circuit of the operating element configured to: • in normal operation of the synchronous machine, keep the operating element closed so that the rectifier bridge Rotary directly feeds the inductor winding of the synchronous machine;
  • the control circuit is preferably configured to open the operating element depending on the voltage at the exit of the rotating rectifier bridge, so that when acting on the inductor winding of the exciter, the voltage at the output of the rectifier bridge can be controlled rotating and therefore the de-excitation of the synchronous machine.
  • a voltage divider in parallel with the rotating rectifier bridge and consisting of a first and second auxiliary resistors, said voltage divider being configured to open the maneuvering element when the voltage on the second resistance reaches a certain value.
  • the control circuit may additionally comprise a zener diode in parallel with the second resistor in order to limit the voltage at the control input of the operating element.
  • FIG. 1 shows a scheme of the rapid de-excitation system for synchronous machines with indirect excitation, object of the present invention patent.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of the rapid de-excitation system for synchronous machines with indirect excitation, object of the present invention patent.
  • FIG. 3 shows the results of the simulation of a short circuit in bums of a 2MVA synchronous machine with conventional indirect excitation.
  • FIG. 4 shows the results of the simulation of a short circuit in bums of the same synchronous machine of 2MVA above on which the de-excitation system object of this invention has been included.
  • Figure 1 shows a scheme of the de-excitation method object of this invention, where the following references are used: - Synchronous machine 1.
  • FIG. 2 shows a scheme of the preferred embodiment, where additionally the following references are used:
  • the rapid de-excitation system for synchronous machines with indirect excitation comprises, at least, a set of rotating components connected between the rotating rectifier bridge 8 and the inductor winding 5 of the main synchronous machine 1.
  • Said rotating components comprise, in turn and at least, a de-excitation impedance 10, a maneuvering element 9 and a control circuit 11 of the maneuvering element 9, these elements being in turn connected to the inductor winding 5 of the machine synchronous 1.
  • the de-excitation impedance 10 is connected, in series, with the inductor winding 5 and the maneuvering element 9, which is connected in parallel with the de-excitation impedance 10.
  • the operating element 9 is closed in such a way that the rectifier bridge Rotary 8 feeds the inductor winding 5 of the synchronous machine 1, just as it would in a conventional synchronous machine.
  • the control circuit 11 sends an order to open the operating element 9 so that the de-excitation impedance 10 is in series with the inductor winding 5 of the machine synchronously 1 and with the rotating rectifier bridge 8, so that the current in the inductor winding 5 of the synchronous machine 1 tends to extinguish very quickly (see Figure 4), thanks to the de-excitation impedance 10.
  • Figure 3 corresponds to the short-circuit current in the case of traditional indirect excitation
  • Figure 4 shows the result of implementing the system object of this invention patent to the previous machine, and where it is observed that the duration of the current Short circuit is greatly reduced.
  • a semiconductor, transistor will be used as operating element 9
  • this semiconductor will be triggered, that is, it conducts, when the voltage at its door or control input is positive and of a certain value.
  • a control circuit 11 will be used which comprises, in turn and at least one voltage divider, formed by two auxiliary resistors, a first 12 and a second 13 resistors. So no control element external to the generator rotor is needed.
  • the entrance to the semiconductor door will be protected by means of a zener diode (14) or another surge protector.

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Abstract

Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas (1) con excitación indirecta a través de una máquina excitatriz (2) y puente rectificador giratorio (8), que comprende: - una impedancia de desexcitación (10) conectada entre el devanado de inductor (5) de la máquina síncrona (1) y el puente rectificador giratorio (8); - un elemento de maniobra (9) conectado en paralelo con la impedancia de desexcitación (10); - un circuito de control (11) del elemento de maniobra (9) configurado para que: o en funcionamiento normal de la máquina síncrona (1), mantener el elemento de maniobra (9) cerrado de forma que el puente rectificador giratorio (8) alimenta directamente el devanado inductor (5) de la máquina síncrona (1); o en caso de tener que desexcitar la máquina sincrona, abrir el elemento de maniobra (9) de forma que la impedancia de desexcitación (10) queda en serie con el devanado inductor (5) y con el puente rectificador giratorio (8).

Description

SISTEMA DE DESEXCITACIÓN RÁPIDA PARA MÁQUINAS SÍNCRONAS
CON EXCITACIÓN INDIRECTA
La presente patente de invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema de desexcitación para máquinas síncronas con excitación indirecta mediante diodos rotativos, con el que se conseguiría mejorar Ia respuesta dinámica y Ia seguridad a Ia hora de desexcitar Ia máquina, Io que implica que en caso de cortocircuito interno los daños en Ia máquina serían mucho menores.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Al producirse cortocircuitos internos en un generador, o antes del interruptor de generador, se producen daños debido a Ia propia aportación al cortocircuito del mismo generador. En este caso es fundamental reducir Ia corriente de excitación Io antes posible, de forma que no se induzca tensión en el estator y por tanto no haya más aportación al cortocircuito.
Existen fundamentalmente dos tipos de excitación para máquinas síncronas: - Excitación directa, a través de anillos rozantes y escobillas.
Excitación indirecta, sin escobillas ("brushless"), a través de una máquina excitatriz y diodos rotativos.
Las escobillas y los anillos rozantes son elementos con mantenimiento, especialmente en máquinas de gran potencia. Las escobillas se desgastan con el uso y es preciso reponerlas y mantenerlas. También las chispas y los depósitos de carbonilla son siempre un foco de posibles problemas. De modo que en las máquinas síncronas, se tiende a utilizar mecanismos de excitación del inductor sin escobillas.
Con Ia excitación indirecta se elimina el problema de las escobillas, pero tiene Ia desventaja de que empeora Ia respuesta dinámica de Ia máquina, al no tener acceso directo al devanado de excitación del generador principal, ya que se utiliza un elemento intermedio, otra máquina eléctrica, Ia excitatriz.
En el caso de un defecto interno, Ia rapidez de respuesta de Ia excitación juega un papel fundamental, limitando Ia aportación del alternador al cortocircuito.
Este problema se soluciona en las máquinas de excitación directa (a través de escobillas) intercalando una resistencia en el circuito de excitación, que se conecta para desexcitar Ia máquina rápidamente cuando ocurre una falta. Eso no es tan sencillo en las máquinas de excitación indirecta a través de diodos rotativos, donde no se tiene acceso directamente al devanado de excitación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema objeto de Ia presente invención permite que una máquina síncrona de excitación indirecta se comporte, a efectos de desexcitación, de una forma similar a como Io haría una máquina de excitación directa, pero manteniendo las ventajas de Ia excitación sin escobillas.
El sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta a través de una máquina excitatriz y puente rectificador giratorio comprende:
- una impedancia de desexcitación, preferentemente una resistencia, conectada entre el devanado de inductor de Ia máquina síncrona y el puente rectificador giratorio;
- un elemento de maniobra, preferentemente de tipo semiconductor, conectado en paralelo con Ia impedancia de desexcitación;
- un circuito de control del elemento de maniobra configurado para: • en funcionamiento normal de Ia máquina síncrona, mantener el elemento de maniobra cerrado de forma que el puente rectificador giratorio alimenta directamente el devanado inductor de Ia máquina síncrona;
• para desexcitar Ia máquina síncrona (en caso de cortocircuito o en caso de desconexión de Ia máquina síncrona de Ia red), abrir el elemento de maniobra de forma que Ia impedancia de desexcitación queda en serie con el devanado inductor y con el puente rectificador giratorio.
El circuito de control está preferentemente configurado para abrir el elemento de maniobra en función de Ia tensión a Ia salida del puente rectificador giratorio, de forma que al actuar sobre el devanado inductor de Ia excitatriz, se pueda controlar Ia tensión a Ia salida del puente rectificador giratorio y por tanto Ia desexcitación de Ia máquina síncrona.
En una realización particular el circuito de control comprende:
- un divisor de tensión en paralelo con el puente rectificador giratorio y que consta de una primera y una segunda resistencias auxiliares, estando configurado dicho divisor de tensión para abrir el elemento de maniobra cuando Ia tensión sobre Ia segunda resistencia alcance un determinado valor.
El circuito de control puede comprender adicionalmente un diodo zener en paralelo con Ia segunda resistencia con el objetivo de limitar Ia tensión en Ia entrada de control del elemento de maniobra.
Gracias al sistema así descrito se consigue, en caso de defecto interno de Ia máquina síncrona, limitar los daños. En una máquina síncrona con excitación indirecta convencional, Ia corriente de defecto ante un cortocircuito interno puede durar del orden de varios segundos, con los consiguientes daños para el alternador. Sin embargo, implementando el sistema de desexcitación objeto de Ia invención, se consigue reducir este tiempo considerablemente, minimizando los daños. A Io largo de Ia descripción y las reivindicaciones Ia palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en Ia materia, otros objetos, ventajas y características de Ia invención se desprenderán en parte de Ia descripción y en parte de Ia práctica de Ia invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de Ia presente invención. Además, Ia presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS.
FIG. 1 muestra un esquema del sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta, objeto de Ia presente patente de invención.
FIG. 2 muestra una realización preferente del sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta, objeto de Ia presente patente de invención.
FIG. 3 muestra los resultados de Ia simulación de un cortocircuito en bomas de una máquina síncrona de 2MVA con excitación indirecta convencional.
FIG. 4 muestra los resultados de Ia simulación de un cortocircuito en bomas de Ia misma máquina síncrona de 2MVA anterior sobre Ia que se ha incluido el sistema de desexcitación objeto de esta invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La Figura 1 muestra un esquema del método de desexcitación objeto de esta invención, donde se emplean las siguientes referencias: - Máquina síncrona 1.
- Máquina excitatriz 2.
- Componentes giratorios 3. - Estator 4 de Ia máquina síncrona 1.
- Devanado inductor 5 de Ia máquina síncrona 1.
- Devanado inductor 6 de Ia máquina excitatriz 2.
- Devanados inducidos 7 de Ia máquina excitatriz 2. - Puente rectificador giratorio 8.
- Elemento de maniobra 9.
- Impedancia de desexcitación 10.
- Circuito de control 11 del elemento de maniobra 9.
La Figura 2 muestra un esquema de Ia realización preferente, donde adicionalmente se emplean las siguientes referencias:
- Divisor de tensión formado por una primera 12 y una segunda 13 resistencias.
- Diodo zener 14 para Ia protección del elemento de maniobra 9.
Tal y como se puede observar en Ia figura 1 el sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta comprende, al menos, una conjunto de componentes giratorios conectados entre el puente rectificador giratorio 8 y el devanado inductor 5 de Ia máquina síncrona 1 principal.
Dichos componentes giratorios comprenden, a su vez y al menos, una impedancia de desexcitación 10, un elemento de maniobra 9 y un circuito de control 11 del elemento de maniobra 9, estando a su vez estos elementos conectados con el devanado inductor 5 de Ia máquina síncrona 1.
La impedancia de desexcitación 10 está conectada, en serie, con el devanado inductor 5 y el elemento de maniobra 9, el cual está conectado en paralelo con Ia impedancia de desexcitación 10.
En el caso de un funcionamiento normal de Ia máquina síncrona 1 , el elemento de maniobra 9 está cerrado de tal forma que el puente rectificador giratorio 8 alimenta el devanado inductor 5 de Ia máquina síncrona 1, tal y como Io haría en una máquina síncrona convencional.
No obstante, en el caso de que se deba desexcitar Ia máquina síncrona 1 , el circuito de control 11 envía una orden de abrir el elemento de maniobra 9 de forma que Ia impedancia de desexcitación 10 queda en serie con el devanado inductor 5 de Ia máquina síncrona 1 y con el puente rectificador giratorio 8, de modo que Ia corriente en el devanado inductor 5 de Ia máquina síncrona 1 tiende a extinguirse de una forma muy rápida (ver figura 4), gracias a Ia impedancia de desexcitación 10.
En Ia figura, 3 y 4 se representan los resultados de dos simulaciones, en las que se ha simulado un cortocircuito en bornes de una máquina síncrona con excitación indirecta. La figura 3 corresponde a Ia corriente de cortocircuito en el caso de excitación indirecta tradicional, mientras que Ia figura 4 muestra el resultado de implementar el sistema objeto de esta patente de invención a Ia máquina anterior, y donde se observa que Ia duración de Ia corriente de cortocircuito se reduce considerablemente.
Se utilizará como elemento de maniobra 9 un semiconductor, transistor
IGBT o similar, de forma que se eviten los posibles problemas que pueda crear Ia fuerza centrífuga en un elemento de maniobra mecánico como pudiera ser un contactor o interruptor automático. Adicionalmente este semiconductor será disparado, es decir conduce, cuando Ia tensión en su puerta o entrada de control sea positiva y de un valor determinado. Para conseguir esta tensión de control se va a utilizar un circuito de control 11 que comprende, a su vez y al menos, un divisor de tensión, formado por dos resistencias auxiliares, una primera 12 y una segunda 13 resistencias. De forma que no se necesita ningún elemento de control externo al rotor del generador. Por último se protegerá Ia entrada a Ia puerta del semiconductor mediante diodo zener (14) u otro elemento protector de sobretensiones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas (1) con excitación indirecta a través de una máquina excitatriz (2) y puente rectificador giratorio (8), caracterizado porque comprende:
- una impedancia de desexcitación (10) conectada entre el devanado de inductor (5) de Ia máquina síncrona (1) y el puente rectificador giratorio (8);
- un elemento de maniobra (9) conectado en paralelo con Ia impedancia de desexcitación (10); - un circuito de control (11) del elemento de maniobra (9) configurado para que:
• en funcionamiento normal de Ia máquina síncrona (1), mantener el elemento de maniobra (9) cerrado de forma que el puente rectificador giratorio (8) alimenta directamente el devanado inductor (5) de Ia máquina síncrona (1);
• en caso de tener que desexcitar Ia máquina síncrona, abrir el elemento de maniobra (9) de forma que Ia impedancia de desexcitación (10) queda en serie con el devanado inductor (5) y con el puente rectificador giratorio (8).
2.- Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia impedancia de desexcitación (10) es una resistencia.
3.- Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento de maniobra (9) es un interruptor de tipo estático.
4.- Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito de control (11) está configurado para abrir el elemento de maniobra
(9) en función de Ia tensión a Ia salida del puente rectificador giratorio (8), de forma que al actuar sobre el devanado inductor de Ia excitatriz (6), se pueda controlar Ia tensión a Ia salida del puente rectificador giratorio y por tanto Ia desexcitación de Ia máquina síncrona (1).
5.- Sistema de acuerdo con Ia reivindicación 4, caracterizado porque el circuito de control (11) comprende:
- un divisor de tensión en paralelo con el puente rectificador giratorio (8) y que comprende una primera (12) y una segunda (13) resistencias auxiliares, estando configurado dicho divisor de tensión para cerrar el elemento de maniobra (9) cuando Ia tensión sobre Ia segunda resistencia (13) alcance un determinado valor.
6.- Sistema de acuerdo con Ia reivindicación 5, caracterizado porque el circuito de control (11) comprende adicionalmente un diodo zener (14) en paralelo con Ia segunda resistencia (13) y configurado para Ia protección del elemento de maniobra (9).
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