ES2289266T3 - Metodo y sistema para vigilar la resistencia de un aislamiento de devanado. - Google Patents
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Abstract
Un método de determinar la resistencia de un aislamiento de devanado, que comprende: aplicar un voltaje de impulsos (232) que tiene un valor máximo y un valor mínimo al aislamiento de devanado, en el que los valores máximo y mínimo son ambos valores negativos con respecto al negativo del devanado; determinar la corriente máxima que fluye a través del aislamiento de devanado correspondiente al valor máximo del voltaje de impulsos; determinar la corriente mínima que fluye a través del aislamiento de devanado correspondiente al mínimo del voltaje de impulsos; determinar la diferencia entre la corriente máxima y la mínima; y calcular la resistencia del aislamiento de devanado sobre la base de la diferencia entre la corriente máxima y la mínima.
Description
Método y sistema para vigilar la resistencia de
un aislamiento de devanado.
La presente invención se refiere en general a
máquinas electromagnéticas rotativas, tales como generadores y
motores síncronos y, más particularmente, a un sistema y a un método
para vigilar o controlar la resistencia al aislamiento de un
devanado o arrollamiento de máquina.
En máquinas electromagnéticas rotativas grandes,
un devanado de rotor, que está aislado de tierra, es suministrado
con una corriente desde un excitador. El propio rotor está puesto a
tierra o masa, y el devanado de rotor es encapsulado por
aislamiento de tal manera que está eléctricamente aislado del rotor.
Sin embargo, ocurren a veces fallos de puesta a tierra. Por
ejemplo, la resistencia del aislamiento a tierra puede disminuir
hasta un grado que produzca una trayectoria de baja resistencia
entre el devanado del rotor y tierra. Tales fallos de aislamiento
pueden dar lugar a daños en el rotor. Por lo tanto, las grandes
máquinas electromagnéticas rotativas están normalmente equipadas
con sistemas de detección de tierra que vigilan el aislamiento del
devanado del rotor. Con frecuencia se activa una alarma cuando se
detecta un fallo de aislamiento de manera que la máquina puede ser
detenida y hecha repararse.
Existen, sin embargo, varios inconvenientes en
los sistemas conocidos de vigilancia del aislamiento de devanado
del rotor. Por ejemplo, los sistemas de la técnica anterior sólo
proporcionan normalmente una indicación binaria del fallo de puesta
a tierra - la alarma se activa simplemente tras la detección de un
fallo. No existe medición de resistencia para proporcionar a un
operario una indicación de un fallo inminente, que permita una
reparación antes de que ocurra un fallo dañino. Muchos sistemas de
la técnica anterior son propensos a falsas alarmas, lo que puede
dar lugar a costes significativos cuando se detiene innecesariamente
la máquina, tal como un generador grande.
La presente invención está dirigida a superar, o
al menos reducir los efectos de uno o más de los problemas
expuestos anteriormente.
El documento US 2001/035.688 describe una unidad
de detección de cortocircuito de bobina del motor que determina la
existencia de un cortocircuito utilizando un sensor de corriente
para detectar el valor de la corriente suministrada a un motor
desde una fuente de energía, y un controlador para efectuar la
determinación de cortocircuito de bobinas mediante la comparación
de un voltaje o corriente detectados con un voltaje o corriente
normal previamente almacenados.
De acuerdo con un aspecto de esta invención, se
proporciona un método como se define en la reivindicación 1 de las
reivindicaciones adjuntas.
De acuerdo con otro aspecto de esta invención,
se proporciona un sistema de vigilancia del aislamiento del
devanado como se define en la reivindicación 6.
De acuerdo con un aspecto más de esta invención,
se proporciona un sistema de generador como se define en la
reivindicación 15.
Un fallo de puesta a tierra puede ser detectado
sobre la base de la resistencia calculada del aislamiento del
devanado. En ejecuciones ejemplares del método, la determinación de
la corriente máxima y mínima que fluye a través del aislamiento del
devanado incluye calcular la corriente que fluye a través de una
resistencia detectora acoplada en serie con el aislamiento del
devanado.
En realizaciones de la invención, un voltaje de
impulsos que tiene valores máximo y mínimo se aplica al aislamiento
del devanado a través de la resistencia de detección, y el
dispositivo de tratamiento determina el valor de resistencia del
aislamiento de devanado sobre la base del voltaje de impulsos. Para
determinar la resistencia del devanado de campo, el ordenador o
procesador puede ser programado para calcular la corriente que fluye
a través de la resistencia de detección.
Otros objetos y ventajas de la invención
resultarán evidentes tras la lectura de la descripción detallada
siguiente y en referencia a los dibujos, en los cuales:
La figura 1 es un diagrama de bloques que
ilustra esquemáticamente un sistema de generador que incluye un
controlador o monitor de aislamiento de devanado de rotor de acuerdo
con realizaciones de la presente invención.
La figura 2 es un diagrama de bloques que
ilustra conceptualmente otros aspectos del sistema mostrado en la
figura 1.
La figura 3 ilustra porciones de la parte
montada en rotor del sistema mostrado en las figuras 1 y 2.
La figura 4 ilustra porciones de la parte
estacionaria del sistema mostrado en las figuras 1 y 2.
Aunque la invención es susceptible de varias
modificaciones y formas alternativas, se han mostrado realizaciones
concretas de la misma a modo de ejemplo en los dibujos y se
describen aquí con detalle. Sin embargo, se ha de entender que la
descripción que se da aquí de realizaciones concretas no pretende
limitar la invención a las formas particulares descritas, sino que,
por el contrario, la intención es que cubra todas las
modificaciones, equivalentes y alternativas que caigan dentro del
alcance de la invención según se define en las reivindicaciones
adjuntas.
En lo que sigue se describen realizaciones
ilustrativas de la invención. En interés de la claridad, no se
describen en esta memoria todas las características de una ejecución
actual. Se apreciará, por supuesto, que en el desarrollo de
cualquiera de las realizaciones se deben tomar decisiones
específicas de ejecución para conseguir los objetivos concretos del
ejecutor, tales como de acuerdo con limitaciones relacionadas con el
sistema o relacionadas con el asunto, que variarán de una ejecución
a otra. Además, se apreciará que un tal esfuerzo de desarrollo
podría ser complejo y engorroso, pero, no obstante, sería una
empresa de rutina para los expertos ordinarios en la técnica que
tienen el beneficio de esta descripción.
La figura 1 es un diagrama de bloques que
ilustra conceptualmente porciones de un sistema de generador 100
que utiliza un sistema de vigilancia o control de aislamiento de
devanado de acuerdo con aspectos de la presente invención. El
sistema de generador 100 incluye un devanado de campo 110 que está
normalmente aislado del cuerpo del rotor por medio de un
aislamiento (no mostrado). El devanado de campo 110 del generador
está conectado a líneas positiva y negativa de un circuito
excitador 112 que suministra un voltaje de corriente continua (CC)
a través del devanado 110. El circuito excitador 112 de ejemplo
incluye devanados 114 conectados a un puente de diodo 116 de tal
manera que se aplica un voltaje de CC de impulsos al devanado 110 de
rotor.
El sistema de generador 100 incluye además un
sistema de vigilancia 200 del aislamiento de devanado que tiene una
porción 202 montada en el rotor y una porción estacionaria 204. La
figura 2 ilustra conceptualmente la disposición física de las
porciones montada en rotor y estacionaria 202, 204. La porción 202
montada en rotor está conectada al rotor 120 como para girar con el
mismo. Un transmisor 206 envía datos a la porción estacionaria 204
a través de una antena de transmisión 208. La porción estacionaria
204 incluye una antena de recepción 210 conectada a un receptor
212. La porción estacionaria de ejemplo 204 incluye además una
sección 214 de tratamiento de datos y una sección 216 de
entrada/salida (I/O) para conectar a un sistema de control externo.
Las líneas positiva y negativa 131, 132 del devanado de campo 110
del generador, así como el terminal 133 de puesta a tierra del
rotor, están conectados a entradas respectivas de la porción 202
montada en el rotor.
La figura 3 ilustra aspectos adicionales de la
porción 202 montada en el rotor de acuerdo con una realización de
la presente invención. Un dispositivo 220 de tratamiento de señal,
tal como un procesador de señal analógica o digital (DSP: digital
signal processor), microcontrolador o microprocesador, incluye
terminales de entrada y una salida conectada al transmisor 208. Un
dispositivo de tratamiento adecuado 220 es un modelo MSP430 de
procesador de señal, disponible de Texas Instruments. La línea
positiva 131 de campo del generador está conectada a la entrada A1
a través de un amplificador 222. La puesta a tierra 133 del rotor
está conectada a la entrada A2 a través de un diodo de bloqueo 224
y un amplificador 226. El diodo de bloqueo 224 permite la
verificación de ohnímetro sin desconectar el sistema de vigilancia.
La puesta a tierra 133 del rotor está también conectada a una
entrada A3 a través del diodo de bloqueo 224, una resistencia de
detección 223 y un amplificador 230. Un diodo 225 está conectado
entre la resistencia de detección 228 y la línea negativa de campo
del generador, o común 132.
Un voltaje de impulsos 232 se aplica a la
entrada A3 a través del amplificador 230. En la realización ejemplar
ilustrada, el impulso de voltaje varía entre -1,5 y -17 voltios,
aunque este puede variar debido a variaciones de acoplamiento de
suministro de potencia. La aplicación de impulsos de voltaje
negativos asegura que el potencial de puesta a tierra 133 no sea
nunca negativo con respecto al negativo 132 del devanado y, es ese
modo, el diodo 224 es polarizado para permanecer en un modo de
conducción continuo. Un condensador 234 está acoplado a través del
diodo 224 para asegurar que el diodo 224 permanezca en un estado de
conducción. La frecuencia del voltaje 232 de impulsos puede ser
sintonizado para adaptarlo a la capacidad de campo parásita del
generador con el fin de aumentar la velocidad y exactitud de la
medición.
La porción 202 montada en el rotor tiene una
bobina de captación 240 conectada a un convertidor 244 de CA/CC. La
porción 202 montada en el rotor es activada usando acoplamiento
inductivo. La potencia es transferida desde un bucle inductivo 242
a la bobina 240 de captación. El sistema 200 de vigilancia del rotor
vigila la resistencia del aislamiento 111 del devanado. La
resistencia del aislamiento del devanado se muestra conceptualmente
como una resistencia 236 en la figura 3.
\newpage
La figura 4 es un diagrama de bloques que
ilustra la porción estacionaria 204 del sistema de vigilancia 200.
La porción estacionaria 204 incluye un dispositivo 270 de
tratamiento de señal, tal como un procesador de señal analógico o
digital (DSP), microcontrolador o microprocesador. Un dispositivo de
tratamiento apropiado 270 es un Motorola 56000 serie DSP. El DSP
270 está conectado al bucle de inducción 242 a través de un
convertidor de A/D 272 y un amperímetro de potencia 274. Como se ha
indicado anteriormente, en otras realizaciones el bucle inductivo
242 funciona tanto como fuente de potencia para la parte 202 montada
en el rotor utilizando acoplamiento inductivo con la bobina de
captación 240 y como una antena de recepción para recibir datos
desde la porción 204 montada en el rotor, eliminando la necesidad
de la antena de recepción separada 210. Se utilizan nódulos de
ferrita 276 para controlar la impedancia de RF.
El receptor 212 de RF recibe datos del
transmisor 206 montado en el rotor, que son hechos pasar al
procesador 270 a través de un puerto o acceso 278 de interfaz. El
puerto 278 de interfaz proporciona también unos medios para
comunicar los datos recibidos u otras condiciones de operación del
sistema a un ordenador externo u otro sistema de control para
controlar la vigilancia del sistema, la protección, etc.
Como se ha hecho observar anteriormente, el
sistema de vigilancia 200 vigila el valor de resistencia del
aislamiento del devanado para determinar si la resistencia del
aislamiento de devanado a tierra ha disminuido hasta un grado que
produzca una trayectoria de baja resistencia entre el devanado del
rotor y tierra. El voltaje 232 de impulsos es utilizado para
determinar la resistencia del aislamiento del devanado para esta
finalidad. En ciertas realizaciones de la presente invención, los
niveles de corriente asociados con el voltaje 232 de impulsos son
calculados y vigilados para determinar la resistencia del
aislamiento. El cálculo de la resistencia del aislamiento
utilizando la diferencia entre los valores de impulsos permite
extraer el verdadero valor de resistencia de aislamiento a tierra
en la presencia de elevados potenciales de devanado del rotor. Los
métodos conocidos no pueden medir la resistencia verdadera a tierra
debido a que los potenciales de devanado impuestos hacen que fluyan
corrientes en la resistencia de detección que no son debidas a la
fuente de voltaje de polarización del monitor de aislamiento. De
este modo, tales monitores de aislamiento medirán probablemente una
resistencia de aislamiento artificialmente baja.
Como se muestra en la figura 3, la resistencia
de detección 228 está conectada en serie con el aislamiento de
devanado 236. Puesto que el valor de la resistencia de detección 228
(R_{detección}) es conocido, la resistencia para el aislamiento
111 puede ser determinada calculando el valor de resistencia
combinada de la resistencia de detección 228 conectada en serie y
el valor de resistencia del aislamiento, restando después el valor
de resistencia de detección conocida. Los valores alto y bajo de los
impulsos de voltaje 232 (V_{1} y V_{2}) son también conocidos
(como se ha hecho observar anteriormente, en una realización los
impulsos varían entre -1,5 y -17 voltios). Los niveles de corriente
(I_{1} e I_{2}) asociados con los niveles de voltaje por
impulsos se determinan comparando los niveles de voltaje en las
salidas A3 y A2 del procesador 220 para los valores alto y bajo de
los impulsos de voltaje 232. Se hace referencia a los niveles de
voltaje en la entrada A2 como los voltajes de detección de tierra
V_{G1} y V_{G2}. De este modo, los valores correspondientes de
corriente I_{1} e I_{2} se calculan como sigue:
I_{1} = (V_{1}
- V_{G1})/
R_{detección}
I_{2} = (V_{2}
- V_{G2})/
R_{detección}
Las diferencias entre los niveles alto y bajo de
voltaje y corriente (\DeltaV y \DeltaI) se usan entonces para
calcular la resistencia del aislamiento 111 de devanado,
representada por el resistor 236 (R_{GF}):
- \quad
- \Delta V = V_{1} - V_{2}
- \quad
- \Delta I = I_{1} - I_{2}
- \quad
- R _{GF} = (\Delta V/ \Delta I) - R_{detección}
Si el nivel de resistencia calculado del
aislamiento indica una avería o fallo de tierra, comparando el campo
principal 131 del generador y los niveles de voltaje del
aislamiento 111 de devanado (entradas A1 y A2 del dispositivo de
tratamiento 220) se puede proporcionar una indicación de la
situación relativa de la avería.
Las realizaciones particulares descritas
anteriormente son ilustrativas solamente, ya que la invención puede
ser modificada y practicada de diferentes maneras, pero
equivalentes, evidentes para los expertos en la técnica que tengan
el beneficio de las enseñanzas expuestas en esta memoria. Además, no
se pretende que haya limitaciones a los detalles de construcción o
diseño mostrados aquí. Es por lo tanto evidente que las
realizaciones particulares descritas anteriormente pueden ser
alteradas o modificadas y que están limitadas sólo por las
reivindicaciones.
Claims (18)
1. Un método de determinar la resistencia de un
aislamiento de devanado, que comprende:
aplicar un voltaje de impulsos (232) que tiene
un valor máximo y un valor mínimo al aislamiento de devanado, en el
que los valores máximo y mínimo son ambos valores negativos con
respecto al negativo del devanado;
determinar la corriente máxima que fluye a
través del aislamiento de devanado correspondiente al valor máximo
del voltaje de impulsos;
determinar la corriente mínima que fluye a
través del aislamiento de devanado correspondiente al mínimo del
voltaje de impulsos;
determinar la diferencia entre la corriente
máxima y la mínima; y
calcular la resistencia del aislamiento de
devanado sobre la base de la diferencia entre la corriente máxima y
la mínima.
2. El método de la reivindicación 1, que
comprende además detectar un fallo o avería de tierra sobre la base
de la resistencia calculada del aislamiento del devanado.
3. El método de la reivindicación 2, en el que
el devanado es un devanado de campo (110) de generador,
comprendiendo además el método determinar el voltaje del
aislamiento del devanado, y comparar el voltaje del aislamiento del
devanado con el voltaje del devanado de campo del generador para
determinar la situación relativa del fallo de tierra.
4. El método de la reivindicación 1, en el que
la aplicación del voltaje de impulsos incluye aplicar el voltaje de
impulsos a una resistencia (228) de detección conectada en serie con
el aislamiento.
5. El método de la reivindicación 4, en el que
la determinación de la corriente máxima y la mínima que fluyen a
través del aislamiento del devanado incluye calcular la corriente
que fluye a través de la resistencia de detección correspondiente a
los valores de voltaje máximo y mínimo, respectivamente.
6. Un sistema de vigilancia (200) del
aislamiento de devanado, que comprende:
una resistencia de detección (228) conectada al
aislamiento del devanado;
una fuente de voltaje de impulsos acoplada a la
resistencia de detección para aplicar un voltaje de impulsos que
tiene valores máximo y mínimo al aislamiento del devanado a través
de la resistencia de detección, en el que los valores máximo y
mínimo del voltaje de impulsos son ambos valores negativos; y
un dispositivo de tratamiento (220) que tiene
terminales de entrada acoplados a la resistencia de detección,
estando el dispositivo de tratamiento programado para determinar la
resistencia del aislamiento del devanado sobre la base de los
valores mínimo y máximo del voltaje de impulsos.
7. El sistema de vigilancia de la reivindicación
6, que comprende además un diodo (224) conectado en serie entre el
aislamiento del devanado y la resistencia de detección.
8. El sistema de vigilancia de la reivindicación
6, que comprende además un diodo (225) conectado en serie entre la
resistencia de detección y un circuito común.
9. El sistema de vigilancia de la reivindicación
6, en el que el procesador está programado para calcular la
corriente que fluye a través de la resistencia de detección.
10. El sistema de vigilancia de la
reivindicación 6, en el que el devanado es un devanado de rotor, y
en el que el sistema de vigilancia incluye una porción estacionaria
(204) y una porción rotativa (202) montada para girar con el
rotor.
11. El sistema de vigilancia de la
reivindicación 10, en el que la porción rotativa incluye el
ordenador o procesador y la resistencia de detección.
12. El sistema de vigilancia de la
reivindicación 10, que comprende además un transmisor (206) y una
antena de transmisión (208) conectada a un terminal de salida del
procesador.
13. El sistema de vigilancia de la
reivindicación 12, en el que la porción estacionaria incluye una
antena de recepción (210) para recibir datos desde la antena de
transmisión.
\newpage
14. El sistema de vigilancia de la
reivindicación 13, en el que la porción estacionaria incluye
un bucle inductivo (242) conectado a una fuente de potencia; y la
porción rotativa incluye una bobina de captación (240) conectada al
ordenador.
15. Un sistema de generador (100), que
comprende:
un rotor;
un devanado o arrollamiento de campo (110);
un aislamiento que aísla el devanado de campo
del rotor, un circuito excitador (112) conectado al devanado de
campo, y un monitor del aislamiento del devanado, que incluye:
- una porción estacionaria (204) que incluye una antena receptora (210) y un bucle de inducción (242) acoplado a una fuente de potencia; y
- una porción rotativa (202) montada para girar con el rotor, incluyendo la porción rotativa
- el sistema de vigilancia (200) del aislamiento del devanado de la reivindicación 6;
- una antena de transmisión (208) conectada a un terminal de salida del dispositivo de tratamiento (220), y
- una bobina de captación (240) para acoplamiento inductivo con el bucle de inducción para activar la porción rotativa.
16. El sistema de generador de la reivindicación
15, en el que el ordenador está programado para calcular la
corriente que fluye a través de la resistencia de detección.
17. El sistema de generador de la reivindicación
15, que comprende además un diodo (224) conectado en serie entre el
aislamiento del devanado y la resistencia de detección.
18. El sistema de generador de la reivindicación
15, que comprende además un diodo (225) conectado en serie entre la
resistencia de detección y un circuito común.
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