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Title:
RAPID DE-EXCITATION SYSTEM FOR SYNCHRONOUS MACHINES WITH INDIRECT EXCITATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/094818
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a rapid de-excitation system for synchronous machines (1) with indirect excitation by means of an excitation machine (2) and a rotating rectifier bridge (8), including: a de-excitation impedance (10) connected between the field winding (5) of the synchronous machine (1) and the rotating rectifier bridge (8); a controller (9), connected in parallel to the de-excitation impedance (10); and a control circuit (11) of the controller (9), configured to (i) keep the controller (9) closed so that the rotating rectifier bridge (8) directly feeds the field winding (5) of the synchronous machine (1) during normal operation of the synchronous machine (1), or (ii) open the controller (9) so that the de-excitation impedance (1) remains in series with the field winding (5) and with the rotating rectifier bridge (8) when the synchronous machine is to be de-excited.

Inventors:
PLATERO GAONA, Carlos Antonio (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
BLÁZQUEZ GARCÍA, Francisco (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
FRÍAS MARÍN, Pablo (Calle Alberto Aguilera nº 23, Oficina de Transferencia de Resultados de Investigación Universidad Pontificia Comillas de Madrid, Madrid, E-28015, ES)
REDONDO CUEVAS, Marta (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
GRANIZO ARRABÉ, Ricardo (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
CARRERO LÓPEZ, Carmelo (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
Application Number:
ES2010/000058
Publication Date:
August 26, 2010
Filing Date:
February 11, 2010
Export Citation:
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Assignee:
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID (Calle de Ramiro de Maeztu, 7Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
PLATERO GAONA, Carlos Antonio (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
BLÁZQUEZ GARCÍA, Francisco (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
FRÍAS MARÍN, Pablo (Calle Alberto Aguilera nº 23, Oficina de Transferencia de Resultados de Investigación Universidad Pontificia Comillas de Madrid, Madrid, E-28015, ES)
REDONDO CUEVAS, Marta (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
GRANIZO ARRABÉ, Ricardo (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
CARRERO LÓPEZ, Carmelo (Calle de Ramiro de Maeztu, 7OTRI-Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
International Classes:
H02P9/12; H02K19/38
Domestic Patent References:
WO1993020614A11993-10-14
WO2007072007A12007-06-28
Foreign References:
DE1763299A11971-10-21
US4152636A1979-05-01
GB1581646A1980-12-17
DE2127497A11972-12-07
JPS5580066A1980-06-16
Other References:
None
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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).

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.