ES2200134T3 - Procedimiento de control de una maquina electrica giratoria de doble alimentacion y maquina que utiliza este procedimiento. - Google Patents
Procedimiento de control de una maquina electrica giratoria de doble alimentacion y maquina que utiliza este procedimiento.Info
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Abstract
SEGUN ESTE PROCEDIMIENTO SE CORTACIRCUITAN LOS ARROLLAMIENTOS (ES) DEL ESTATOR (S), SE APLICA UNA TENSION A LOS ARROLLAMIENTOS (ER) DEL ROTOR (R) POR MEDIO DE UN CONVERTIDOR ESTATICO DE FRECUENCIA (2), SE HACE SUBIR LA VELOCIDAD DEL ROTOR HASTA UNA VELOCIDAD PREDETERMINADA POR CONTROL DE LA FRECUENCIA DEL CONVERTIDOR, SE DESCONECTAN LOS ARROLLAMIENTOS DEL ESTATOR EN EL MISMO INSTANTE EN QUE EL ROTOR ES ARRASTRADO EN ROTACION A ESTA VELOCIDAD PREDETERMINADA, SE APLICA LA TENSION DE LA RED (8) A LOS ARROLLAMIENTOS DEL ESTATOR Y SE REDUCE TODAVIA MAS LA FRECUENCIA DEL CONVERTIDOR. SEGUN LA INVENCION, ANTES DE ALCANZAR LA VELOCIDAD NOMINAL DE LA MAQUINA SE CAMBIA LA RELACION DE TRANSFORMACION DE ESTA ULTIMA PARA PODER UTILIZAR UN CONVERTIDOR DE TAMAÑO REDUCIDO. APLICACION EN EL ARRASTRE DE UN ARBOL EN ROTACION.
Description
Procedimiento de control de una máquina eléctrica
giratoria de doble alimentación y máquina que utiliza este
procedimiento.
La invención se refiere al control de una máquina
eléctrica rotativa de doble alimentación.
Se sabe que una máquina de este tipo puede
constituir especialmente un motor para arrastrar a velocidad
variable cargas rotativas utilizando un convertidor estático de
frecuencia. Permite entonces además un control del par de arrastre
en los cuatro cuadrantes de par-velocidad. De manera
general, una máquina de este tipo incorpora los elementos
siguientes.
- Un estator que tiene bornes de conexión y un
grupo de arrollamientos polifásicos unidos entres estos bornes y
repartidos angularmente alrededor de un eje. Estos enrollamientos
reciben corrientes estatóricas alternas que tienen una misma
frecuencia y defasajes mutuos que definen un sentido de defasaje
estatórico. Estas corrientes crean, al circular en estos
arrollamientos, un campo magnético rotativo alrededor de este eje a
una velocidad proporcional a esta frecuencia en un sentido de
rotación definido por este sentido de defasaje.
- Un rotor que tiene bornes de conexión y un
grupo de arrollamientos unidos entres estos bornes y portados por
un árbol montado giratorio alrededor de dicho eje, siendo una
velocidad de dicha máquina una velocidad de rotación de este árbol.
Estos enrollamientos están repartidos angularmente alrededor de
este eje y reciben corrientes rotóricas alternas que tienen una
misma frecuencia y defasajes mutuos que definen un sentido de
defasaje rotórico. Estas corrientes crean, al circular en estos
arrollamientos, un campo magnético rotativo alrededor de este eje
con respecto a este rotor, a una velocidad proporcional a esta
frecuencia, en un sentido de rotación definido por este sentido de
defasaje. Se realiza un acoplamiento inductivo entre los
arrollamientos del estator y los del rotor para que una circulación
simultánea de las corrientes estatóricas y rotóricas aplique un par
a este árbol. Este acoplamiento inductivo trae consigo la
existencia de una relación de transformación de la máquina igual a
la relación de una tensión primaria, que puede ser aplicada entre
los bornes de conexión del rotor, a una tensión secundaria, que
aparece en los bornes de conexión del estator en razón de este
acoplamiento, en ausencia de rotación del motor.
- Finalmente dos conjuntos auxiliares que
constituyen un conjunto estatórico y un conjunto rotórico
conectados a los bornes de conexión del estator y del rotor para
hacer circular corrientes estatóricas y rotóricas que atraviesan
estos dos conjuntos al menos en las partes de estos dos conjuntos
unidas a estos bornes, respectivamente. Uno al menos de estos dos
conjuntos auxiliares constituye un conjunto auxiliar activo que
controla al menos la frecuencia de dichas corrientes que atraviesan
este conjunto.
El conjunto estatórico puede típicamente unir los
bornes de conexión del estator a una red que constituye una fuente
de tensión alterna a una frecuencia de red. Entonces hace circular
dichas corrientes estatóricas que crean un campo magnético rotativo
alrededor de dicho eje a una velocidad de sincronismo. El conjunto
auxiliar activo está entonces constituido por el conjunto rotórico,
y este último tiene una frecuencia controlada y un sentido de
defasaje controlado. Está unido a los bornes de unión del rotor
para hacer atravesar estos bornes por dichas corrientes rotóricas,
que tienen la frecuencia de este generador y un sentido de defasaje
rotórico definido por el sentido de defasaje de este conjunto.
El conjunto rotórico es habitualmente un
convertidor de frecuencia conectado entre la red y los bornes de
conexión del rotor.
El documento
US-A-4 956 596 describe una máquina
de este tipo. En esta máquina, a velocidades bajas, desde el
arranque hasta una velocidad predeterminada, el estator de la
máquina está alimentado, a tensión y frecuencia variables, por un
ondulador y después, a partir de esta velocidad, el estator está
alimentado directamente por la red, mientras que el ondulador es
conmutado hacia el rotor y funciona en recuperación. Finalmente, al
100% de la velocidad de funcionamiento, el ondulador es
desconectado y la red sola alimenta directamente al estator.
Las ventajas de un motor constituido por una
máquina de este tipo van acompañadas desgraciadamente de un costo de
fabricación más elevado que el de un motor de tipo más ordinario sin
convertidor asociado. Una fracción importante de este suplemento de
costo resulta de la necesidad de alimentar al rotor por un
convertidor de potencia suficiente.
La presente invención tiene especialmente por
objeto disminuir el costo del conjunto que asocia la máquina y su
convertidor de alimentación rotórica, con respecto a las soluciones
convencionales.
Con esta finalidad, tiene especialmente por
objeto un procedimiento de control de una máquina eléctrica
rotativa de doble alimentación, estando caracterizado este
procedimiento por el hecho de que se modifica una relación de
transformación de la máquina en función de la velocidad de la
máquina. Se puede alcanzar así la finalidad de la presente
invención porque la modificación de dicha relación de transformación
permite mantener las potencias activa y reactiva proporcionadas al
rotor por el convertidor disminuyendo una potencia aparente de este
último. Esta potencia aparente es igual al producto de la
intensidad máxima por la tensión máxima susceptibles de ser
proporcionadas por el convertidor. Constituye un factor importante
de su costo de fabricación. Para permitir la disminución del tamaño
del convertidor, esta invención saca partido del hecho de que, en
las máquinas conocidas, la intensidad y la tensión de salida del
convertidor adquieren sus valores máximos respectivos para dos
velocidades diferentes de la máquina. La modificación de la relación
de transformación de la máquina entre estas dos velocidades permite
entonces reducir uno al menos de estos dos valores máximos, por
tanto disminuir el tamaño del convertidor.
En una realización de la invención, se
cortocircuita inicialmente los arrollamientos del estator. Se
aplica una tensión a los arrollamientos del rotor a través de un
convertidor estático de frecuencia. Se hace subir el rotor de
velocidad aumentando la frecuencia del convertidor hasta una
velocidad predeterminada Nmin inferior a la velocidad de
sincronismo. Se desconectan los arrollamientos del estator en el
instante en el que el rotor alcanza en rotación esta velocidad
predeterminada. Se aplica la tensión de red a los arrollamientos
del estator. A continuación se disminuye la frecuencia del
convertidor para hacer girar la máquina hasta una velocidad Ntrs
definida por el tipo de carga. A la velocidad Ntrs se cambia la
relación de transformación de la máquina. Finalmente se disminuye
todavía la frecuencia hasta la velocidad nominal de la máquina Mmax.
Las velocidades Nmin, Ntrs, Nmax se predeterminan en función de las
características de la carga a aplicar a la máquina.
Con respecto al sistema conocido llamado de
"recuperación de energía rotórica" o todavía "cascada
hiposíncrona o hipo-hipersíncrona", una máquina
de doble alimentación presenta la ventaja de tener una velocidad
continuamente variable desde la parada hasta la velocidad nominal e
inversamente. Por otra parte, gracias al procedimiento según la
invención, es posible utilizar un convertidor de frecuencia cuya
potencia sea muy inferior a la potencia proporcionada por la
velocidad de la máquina de la cual regula la velocidad de rotación.
De ello resulta que se podrán utilizar convertidores estáticos de
muy gran potencia, disponibles hoy, en máquinas de doble
alimentación de potencia todavía mayores. De ahí se deduce que
máquinas de doble alimentación cuya potencia ha sido fijada se
podrán equipar con un convertidor estático de menor potencia.
La reducción del tamaño del convertidor estático
de frecuencia adquiere toda su importancia y su interés cuando el
par resistente aplicado a la máquina funcionando como motor es
proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación. Este es
particularmente el caso cuando la máquina está destinada a ser
acoplada a una bomba centrífuga, un ventilador, un compresor, una
turbina, una hélice de propulsión de navío, etc.
Puesto que las máquinas de doble alimentación
tienen un funcionamiento reversible, el procedimiento de la presente
invención se aplica también para el suministro de energía a la red
eléctrica cuando la máquina está acoplada a una turbina eólica, a
una turbina hidráulica o a cualquier otro dispositivo motor.
También se puede controlar la potencia relativa
suministrada o absorbida por el estator hacia la red.
Con ayuda de las figuras esquemáticas adjuntas,
se va a describir a continuación a simple título de ejemplo, cómo
se puede poner en ejecución la presente invención. Cuando un mismo
elemento se representa en varias figuras, se designa por idénticos
signos de referencia.
La figura 1 representa una máquina según la
invención.
La figura 2 representa un dispositivo de
adaptación de la máquina de la figura 1.
La figura 3 representa diagramas de variación de
una corriente rotórica IR y de una tensión rotórica UR de esta
máquina en función de su velocidad N representada en abscisas.
También muestra la sucesión de los modos de funcionamiento de esta
máquina.
En conformidad a la figura 1, una máquina de
doble alimentación comprende esencialmente:
- un conjunto principal 1 que tiene un eje A y
constituido por un estator S que tiene arrollamientos ES y un rotor
R que tiene arrollamientos ER,
- un conjunto estatórico constituido por un
conjunto de contactores mecánicos o estáticos 4 para cortocircuitar
los arrollamientos del estator y unirlos a la red eléctrica 8 a
través de órganos de protección convencionales tales como
disyuntores 5,
- un conjunto rotórico activo constituido por un
convertidor estático de frecuencia 2 unido a la salida a los
arrollamientos del rotor y a la entrada a la red eléctrica 8 a
través de un órgano de protección 6, y
- un transformador 7 que sirve para adaptar las
tensiones de la máquina y del convertidor a la tensión de la red
eléctrica. La máquina está destinada a ser acoplada por medio de su
árbol AB a una carga mecánica 3 por medio de un eventual reductor o
multiplicador de velocidad 9. Un llamado dispositivo de adaptación
está representado en 10. El estator y el rotor son de tipo
polifásico, por ejemplo trifásico. Se entiende que son posibles
otras configuraciones, como por ejemplo un bobinado estatórico
compuesto por dos arrollamientos trifásicos, decalados 30 grados
eléctricos, de acoplamiento en triángulo o en estrella y un
bobinado rotórico de acoplamiento en estrella o cualquier otra
disposición, por ejemplo un bobinado rotórico bifásico.
El convertidor estático de frecuencia 2 es del
tipo ondulador fuente de tensión u ondulador fuente de corriente o
incluso cicloconvertidor y puede traer consigo diferentes tipos de
semiconductores: transistores, bipolares o IGBT o de otro tipo,
tiristores o tiristores GTO, MCT, etc...
Los contactores 4a y 4b del conjunto 4 son por
ejemplo del tipo mecánico convencional y en este caso es útil prever
un interenclavamiento que impida el cortocircuito de los
arrollamientos del estator simultáneamente a la alimentación de
éstos por la red. También pueden ser del tipo estático que utiliza
tiristores con conmutación forzada o tiristores del tipo GTO o
cualesquiera otros semiconductores que realizan la función de
cierre y de apertura de circuitos eléctricos.
Los contactores 4a, 4b están controlados por un
circuito electrónico (no representado) de manera que sean accionados
simultáneamente y en oposición para cortocircuitar los
arrollamientos del estator o unirlos a la red eléctrica 8 cuando la
máquina alcanza una velocidad predeterminada particular.
Preferentemente, estos contactores son del tipo estático cuando la
máquina pasa frecuentemente por este valor predeterminado
particular de velocidad de rotación en el curso de su
funcionamiento. Están constituidos por ejemplo por tiristores,
siendo los arrollamientos del estator del tipo trifásico. Al igual
que los demás elementos de la máquina, están representados en el
esquema unifilar de la figura 1. Pueden ser de otra naturaleza,
transistor, por ejemplo y ser entonces controlados en todo o nada,
es decir, a plena apertura o bloqueados o todavía pueden ser
controlados con un ángulo de cebado variable con respecto a la fase
de las ondas sinusoidales de la red o del conjunto 1, que permiten
así una regulación de la tensión o de la corriente estatórica.
El número de polos depende de la velocidad de la
máquina y de las frecuencias estatórica y rotórica escogidas en
función de la red de alimentación y del tipo de convertidor
estático utilizado.
Los valores a dar a la relación de transformación
de la máquina son determinadas, por una parte, por el recorrido
total de la velocidad de rotación mecánica alrededor de la
velocidad de sincronismo, y por otra parte, por la tensión de
dimensionamiento del convertidor estático.
Se va a describir a continuación el procedimiento
de control de la máquina con doble alimentación.
En el arranque de la máquina, los arrollamientos
del estator son cortocircuitados por el conjunto 4 (contactor 4a en
estado abierto sin paso y contactor 4b en estado cerrado con paso).
Los arrollamientos del rotor son alimentados en tensión por la red
8 a través del convertidor 2.
Esta primera fase de funcionamiento de la máquina
se denomina en lo sucesivo modo I.
En una segunda fase, denominada en lo sucesivo
modo II, se suprime el cortocircuito de los arrollamientos del
estator y se unen los arrollamientos del estator a la red 8. Esta
conmutación se realiza por los contactores del conjunto 4
(contactor 4a colocado en el estado cerrado con paso y contactor 4b
colocado en el estado abierto sin paso). Con esta finalidad, estos
contactores son controlados por una circuitería electrónica no
representada que compara la velocidad de la máquina con la
velocidad predeterminada particular y que está dispuesta también
para realizar la conmutación en el momento de concordancia de fase
de las tensiones estatóricas y de la red con fines de acoplamiento.
Cuando los contactores son de tipo estático, la conmutación puede
no durar más de algunos milisegundos.
En un modo III, después de la conmutación y de la
sincronización del modo II, se disminuye la frecuencia del
convertidor para aumentar la velocidad de la máquina desde la
velocidad Nmin hasta una velocidad Ntra definida por el tipo de
carga.
A la velocidad Ntrs se pasa al modo IV. Para ello
se cambia una relación de transformación interna en el conjunto
principal de la máquina o se añade un órgano entre la red y el
estator o entre el rotor y el convertidor de forma que se cambia la
relación de transformación de la máquina vista por el convertidor.
Éste tiene por finalidad adaptar la potencia aparente del
convertidor a las tensión y corriente rotóricas correspondientes a
la potencia activa rotórica consumida.
A continuación se disminuye la frecuencia hasta
la velocidad nominal de la máquina Nmax. La velocidad Ntrs está
comprendida entonces entre Nmin y Nmax. Al paso por la velocidad de
sincronismo Nsyn (función del número de polos y de la frecuencia de
la red), el rotor está alimentado por corrientes continuas. En los
modos III y IV, el convertidor estático impone al rotor una
frecuencia rotórica igual a la diferencia entre la frecuencia de la
red y la frecuencia correspondiente a la velocidad de la
máquina.
Entre la velocidad Nmin y la velocidad Nsyn, el
convertidor reenvía a la red 8 energía eléctrica llamada de
deslizamiento del conjunto principal 1 con respecto a la velocidad
Nsyn.
A la velocidad Nsyn, el convertidor 2 alimenta el
rotor con corrientes continuas.
Por encima de la velocidad Nsyn, el convertidor 2
proporciona potencia a la máquina, por el rotor, y esto
proporcionalmente al deslizamiento con respecto a la velocidad
Nsyn.
El dispositivo de adaptación que cambia la
relación de transformación vista desde el convertidor puede ser de
diferentes tipos:
O bien es interno al conjunto principal:
- -
- arrollamiento con número variable de espiras en el rotor o en el estator,
- -
- cambio del acoplamiento estrella-triángulo en el estator o en el rotor.
O bien externo a este conjunto:
- -
- inserción o supresión de un autotransformador o transformador entre el rotor y el convertidor,
- -
- inserción o supresión de un autotransformador o transformador entre el estator y la red.
Según la figura 2, y a simple título de ejemplo,
los arrollamientos estatóricos ES y rotóricos ER son de tipo
trifásico. Los arrollamientos estatóricos son invariables. El
dispositivo de adaptación 10 de la máquina permite dar al grupo de
arrollamiento ER del rotor R una primera y una segunda
configuraciones que dan respectivamente un primer valor y un
segundo valor a la relación de transformación de la máquina. Para
ello, cada una de las fases de los arrollamientos rotóricos
incorpora dos bobinas idénticas 11 y 12. Un conmutador 13
controlado por la velocidad de la máquina permite al convertidor 2
alimentar sea a las dos bobinas en serie o sea solamente a la bobina
11, colocándose entonces la bobina 12 en circuito abierto. La
duplicación así efectuada de la relación de transformación de la
máquina aparece particularmente adaptada al caso en el que el árbol
AB está acoplado a una carga 3 cuyo par resistente es proporcional
al cuadrado de la velocidad de la máquina.
Se ha indicado anteriormente, a título de
ejemplo, que se ha realizado un único cambio de relación de
transformación, a la velocidad Ntrs. Sin embargo, se puede utilizar
más de dos relaciones de transformación, haciéndose los cambios a
velocidades sucesivas comprendidas entre Nmin y Nmax. Esto permite
reducir todavía más el tamaño del convertidor.
Una variante del procedimiento descrito
anteriormente se puede realizar invirtiendo el estator y el rotor.
El estator se alimenta entonces por el convertidor y el rotor se
sitúa inicialmente en cortocircuito, para posteriormente acoplarse a
la red.
La eventual utilización de un reductor o
multiplicador de velocidad mecánico permite en todos los casos
posicionar la velocidad de sincronismo Nsyn de forma óptima
respecto a la velocidad Nmax.
Claims (8)
1. Procedimiento de control de una máquina
eléctrica rotativa de doble alimentación, siendo controlada la
frecuencia de una corriente que recorre unos arrollamientos de esta
máquina, estando caracterizado este procedimiento por el
hecho de que se modifica una relación de transformación de la
máquina en respuesta a una variación de la velocidad de la
máquina.
2. Máquina eléctrica rotativa de doble
alimentación que incorpora:
- un estator (S) que tiene bornes de conexión
(BS) y un grupo de arrollamientos (ES) polifásicos unidos entre
estos bornes y repartidos angularmente alrededor de un eje (A) de
esta máquina para que corrientes estatóricas alternas, que tienen
una misma frecuencia y defasajes mutuos que definen un sentido de
defasaje estatórico, puedan crear, al circular en estos
arrollamientos, un campo magnético rotativo alrededor de este eje,
a una velocidad proporcional a esta frecuencia, en un sentido de
rotación definido por este sentido de defasaje.
- un rotor (R), que tiene bornes de conexión (BR)
y un grupo de arrollamientos (ER), unidos entre estos bornes y
portados por un árbol (AB) montado rotativo alrededor de dicho eje,
siendo una velocidad de dicha máquina una velocidad de rotación de
este árbol, estando estos arrollamientos repartidos angularmente
alrededor de este eje para que corrientes rotóricas alternas que
tienen una misma frecuencia y defasajes mutuos que definen un
sentido de defasaje rotórico puedan crear, circulando en estos
arrollamientos, un campo giratorio alrededor de este eje con
relación a este rotor a una velocidad proporcional a esta
frecuencia en un sentido de rotación definido por este sentido de
defasaje, realizándose un acoplamiento inductivo entre los
arrollamientos del estator y los del rotor para que una circulación
simultánea de las corrientes estatóricas y rotóricas aplique un par
a este árbol, trayendo consigo este acoplamiento inductivo la
existencia de una relación de transformación de la máquina igual a
la relación de una tensión primaria que puede ser aplicada entre
los bornes de conexión del rotor a una tensión secundaria que
aparece en los bornes de conexión del estator en razón de este
acoplamiento en ausencia de rotación del rotor, y
- dos conjuntos auxiliares que constituyen un
conjunto estatórico (4) y un conjunto rotórico (2) unidos a los
bordes de conexión del estator y del rotor para hacer circular
corrientes estatóricas y rotóricas que atraviesan estos dos
conjuntos al menos en unas partes de estos dos conjuntos conectadas
a estos bornes, respectivamente, constituyendo, uno al menos de
estos dos conjuntos auxiliares, un conjunto auxiliar activo (2) que
controla al menos la frecuencia de dichas corrientes que atraviesan
este conjunto,
estando caracterizada esta máquina por el
hecho de que incorpora además un dispositivo de adaptación (10) que
controla dicha relación de transformación de la máquina.
3. Máquina según la reivindicación 2, pudiendo
dicho conjunto estatórico (4) unir los bornes de conexión (BS) del
estator a una red (8) que constituye una fuente de tensión alterna
a una frecuencia de red para hacer circular dichas corrientes
estatóricas, que crean un campo magnético rotativo alrededor de
dicho eje (A) a una velocidad que constituye una velocidad de
sincronismo, estando constituido dicho conjunto auxiliar activo por
dicho conjunto rotórico (2), teniendo este conjunto rotórico una
frecuencia controlada y un sentido de defasaje controlado y estando
unido a los bornes de conexión (BR) del rotor para hacer pasar por
dichos bornes dichas corrientes rotóricas que tienen la frecuencia
de este generador y un sentido de defasaje rotórico definido por el
sentido de defasaje de este conjunto.
4. Máquina según la reivindicación 3, siendo
dicho conjunto rotórico un convertidor de frecuencia (2) conectado
entre dicha red (8) y dichos bornes de conexión (BR) del rotor
(R).
5. Máquina según la reivindicación 3,
permitiendo dicho dispositivo de adaptación (10) dar a dicha
relación de transformación de la máquina en primer lugar un primer
valor, para a continuación realizar una conmutación de relación que
da a esta relación un segundo valor superior al primero, siendo
estos dos valores predeterminados.
6. Máquina según la reivindicación 5,
permitiendo dicho conjunto estatórico (4) colocar en primer lugar
los arrollamientos (ES) del estator (S) en cortocircuito, para a
continuación realizar una conmutación estatórica que conecta los
bornes de conexión (BS) del estator a dicha red (8), siendo dicha
conmutación estatórica, la frecuencia y el sentido de defasaje de
dicho conjunto rotórico (2) y dicha conmutación de relación
controlados por la velocidad de la máquina, siendo la velocidad que
controla la conmutación estatórica inferior a dicha velocidad de
sincronismo y a la velocidad que controla la conmutación
rotórica.
7. Máquina según la reivindicación 3,
permitiendo dicho dispositivo de adaptación (10) dar a dicho grupo
de arrollamientos (ER) del rotor (R) una primera y una segunda
configuraciones que realizan respectivamente dicho primer valor y
dicho segundo valor de la relación de transformación de la
máquina.
8. Máquina según la reivindicación 3, estando
dicho árbol (AB) acoplado a una carga (3) que le aplica un par
resistente sensiblemente proporcional al cuadrado de la velocidad
de la máquina, siendo dicho segundo valor sensiblemente igual al
doble de dicho primer valor de la relación de transformación de la
máquina.
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