ES2798048B2 - Sensor rotativo para medida de corriente alterna y/o corriente continua en maquinas rotativas - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
SENSOR ROTATIVO PARA MEDIDA DE CORRIENTE ALTERNA Y/O
CORRIENTE CONTINUA EN MÁQUINAS ROTATIVAS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención consiste en un sensor para la medida tanto de corriente alterna (AC), como de corriente continua (CC) en máquinas que se encuentran girando. El sensor suministra la medida de la corriente alterna y/o de la corriente continua, de una parte rotatoria, en una parte fija mediante un acoplamiento electromagnético. Por lo tanto, el sensor consta de dos partes, una giratoria o rotor y otra estática o estator. Ambas partes tienen sendos devanados eléctricos. El devanado inductor o de excitación, ubicado en el rotor, gira a la misma velocidad que la máquina rotatoria, y por él se hace circular la corriente de dicha máquina que se desea medir. El devanado del estator está diseñado de forma que es atravesado por el flujo magnético que se induce en la culata del estator. Por tanto, la tensión en este devanado del estator es proporcional a la variación de dicho flujo de la culata del estator, lo que permite medir tanto la corriente alterna como la corriente continua que circula por el rotor.
Una clara aplicación son los sistemas de generación de energía eléctrica, en los que se utilizan generadores síncronos. Los sistemas de excitación de estos generadores síncronos pueden ser mediante excitación estática (con escobillas) o mediante sistemas sin escobillas con excitatriz de corriente alterna y diodos rotativos, conocidos normalmente como tipo brushless. En sistemas de excitación tipo brushless, el devanado de excitación de la máquina síncrona principal está girando y por él circula corriente eléctrica. Al no disponer de ningún elemento como anillos y escobillas para acceder al devanado, no es posible medir su corriente. La presente invención tiene una clara aplicación en este tipo de máquinas, ya que existen grandes fuerzas centrífugas, campos electromagnéticos, vibraciones, posible presencia de aceite de lubricación, etc. por lo que los sensores electrónicos con comunicación inalámbrica no son adecuados para estos entornos.
El sensor rotativo de la invención de corriente para la medida de corriente alterna (AC) y de corriente continua (DC) de una máquina rotativa, suministra la medida de la corriente continua que circula por el devanado de excitación mediante un acoplamiento electromagnético sin componentes electrónicos por lo que lo hace adecuado para las condiciones de trabajo que existen en estas máquinas. En los devanados de excitación, la componente fundamental es de corriente continua, pero también existe una componente de alterna debida al rizado provocado por los diodos rotativos, por lo que la invención también permite medir la corriente alterna.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La medida de parámetros eléctricos en elementos rotativos que giran a una determinada velocidad es compleja debido a la dificultad para acceder, ya que esto implica la instalación de anillos rozantes y escobillas. Tanto los anillos rozantes como las escobillas son elementos de alto mantenimiento, principalmente limpieza y sustitución respectivamente. Por lo que, en muchas instalaciones no se utilizan. Otro problema de estos elementos es la posibilidad de generación de chispas, lo que hace que, en muchas instalaciones con riesgo de explosión, tales como refinerías están terminantemente prohibidos.
Adicionalmente en las máquinas rotativas existen grandes fuerzas centrifugas, vibraciones, posible presencia de aceite de lubricación, grandes campos electromagnéticos, entre otros factores que hacen que la instalación de sistemas de medida inalámbricos no sean una solución adecuada.
En algunos generadores eléctricos sin escobillas (tipo brushless) se instalan sistemas de telemedida electrónicos basados en comunicaciones vía radio. Debido a los elevados campos electromagnéticos y altas fuerzas centrifugas muchos de estos sistemas fallan frecuentemente.
No se conoce un sensor que suministre una medida de la corriente alterna y/o continua, de una parte rotatoria, en una parte fija mediante un acoplamiento electromagnético, que resuelva el problema de esta medida, debido a la alta fuerza centrifuga y los campos electromagnéticos generados.
A su vez, también existen numerosas invenciones para la medida de la corriente,
como por ejemplo se describe en el documento US9322850B2 Current measurement. En este documento, se reivindica un equipo de medida para altas corrientes.
También es conocida la medida de magnitudes en equipos giratorios aunque, en este caso ninguno de estos equipos permite realizar la medida de corriente. Algunas de estas invenciones se recogen en las siguientes patentes:
US8536879B2 Rotating electric-field sensor. Describe un equipo para medir campo eléctrico a partir de un sensor rotativo.
DE10240239A1 Hall sensor for measurement of rotation angle or angular velocity, e.g. for use in automotive applications, has a monolithic sensor body with multiple Hall voltage taps connected to an evaluation unit. Se trata de un sensor para medir ángulos de rotación a partir de un sensor Hall de gran precisión.
EP0647854B1 Current sensor and motor rotation sensor using the current sensor. Esta invención mide la corriente del inducido del motor y a partir de la medida de la esta corriente y con un sensor que mide impedancia calcula la velocidad del motor.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere al diseño de un sensor rotativo para medida de corriente alterna y/o corriente continua. El principio de funcionamiento del sensor se basa en un acoplamiento magnético entre dos bobinas o devanados situados en un estator y en un rotor del sensor respectivamente, que están formados por chapa magnética laminada.
El rotor gira a la misma velocidad que la máquina en la que se desea realizar la medida, y su devanado, es un devanado inductor, por el que se hace circular la corriente que se desea medir, de forma que produce un flujo magnético, proporcional a la corriente y al número de espiras. Este flujo magnético alcanza la culata del estator, donde se divide por simetría en dos flujos magnéticos iguales. Estos flujos se han representado en las figuras por líneas que representan el camino que recorren.
El devanado del estator es un devanado inducido, donde se inducirá una
tensión. Se ubica de forma axial rodeando la culata del estator, de manera que es atravesado por la mitad del flujo magnético producido. La tensión inducida en este devanado es proporcional a la variación del flujo magnético.
Medida de corriente continua.
En el caso de medida de corriente continua, ésta circula por el devanado inductor. En este caso el campo magnético es unidireccional con una amplitud fija si el valor de la corriente continua a medir no varía. Sin embargo, el flujo cambia de sentido cada media vuelta del rotor, como se puede ver si comparamos la figura 1 y la figura 2. Por lo que existe una variación de flujo cada 180° de giro del rotor. Debido a esta variación de flujo se induce en el devanado inducido una tensión de frecuencia igual a la frecuencia de giro (fmec) de la máquina. El valor de esta tensión depende de la velocidad de giro y de la corriente continua que circula por el devanado inductor. Por lo tanto, conocida la velocidad de giro de la máquina y la componente de frecuencia fmec de esta tensión se puede obtener el valor de la corriente continua que circula por el devanado inducido, mediante algoritmos conocidos.
Medida de corriente alterna (f1)
En este caso el flujo magnético es variable, con una frecuencia igual a la de la corriente alterna que se quiere medir (f1). El sensor funciona como un transformador. Cada media vuelta del rotor la corriente alterna que circula por el devanado del rotor produce un campo magnético variable en el estator de igual frecuencia (f1). Cuando el rotor del sensor comienza una nueva media vuelta, el funcionamiento es similar, pero cambia la polaridad de la tensión inducida. Por lo tanto, la frecuencia de la corriente alterna que se quiere medir debe ser superior a la frecuencia de giro.
Este funcionamiento es fácilmente explicable según el teorema de Leblanc, que dice que un devanado por el que circula una corriente alterna monofásica crea un campo magnético pulsante que equivale a dos campos magnéticos que rotan en sentidos opuestos.
Esto combinado con el giro del rotor en un sentido a frecuencia (fmec), induce en el devanado inducido dos frecuencias (fmec f1) y (fmec - f1).
Si se mide la frecuencia en valor absoluto en el devanado inducido, estas dos componentes de frecuencia corresponden con (f1 fmec) y (f1 - fmec).
Los valores de estas componentes (f1 ± fmec) dependen de la amplitud de la corriente alterna que se quiere medir. Por lo tanto, conocidas las componentes de frecuencias (f1 ± fmec)c de esta tensión se puede obtener el valor de la corriente alterna que circula por el devanado inducido, mediante algoritmos conocidos.
Medida de corriente continua y de corriente alterna (f1).
En este caso se registran fundamentalmente tres frecuencias, una correspondiente a la corriente continua (fmec) y dos a la componente de alterna (fmec ± fl ):
-. Frecuencia de giro (fmec ).
El valor de esta componente depende del valor de la corriente continua.
-. Frecuencia (fmec ± f1).
El valor eficaz de estas componentes depende del valor de la corriente alterna a medir.
Por consiguiente, se dispone de una señal de tensión inducida en el devanado inducido del estator y tras analizar sus componentes se puede medir las corrientes alterna y continua mediante la aplicación de algoritmos conocidos.
En una realización se prevé que tanto el devanado inducido como inductor estén dispuestos en una parte del rotor y del estator respectivamente, tal y como se muestra en las figuras 1 a 3.
En otra realización de la invención se prevé que el devanado inducido que está ubicado en el estator, se instala dividido en dos partes a 180° y conectadas en serie. Tal como se muestra en la figura 4. De esta forma las dos partes del devanado ven el mismo flujo pero con sentidos distintos. Por tanto se induce la misma tensión. Conectando ambas partes en serie se suman las dos tensiones inducidas. Esta configuración tiene la ventaja que se pueden instalar más espiras, y la tensión inducida es mayor, con lo que el sensor tiene una mayor
relación voltios inducidos por amperio medido. En este caso el devanado inductor ubicado en el rotor también se divide en dos partes, conectadas en serie, tal como se muestra en la figura 4.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación, se describen de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La figura 1 representa una sección esquemática de una posible realización del sensor donde se observa el estator (1), el rotor (2) y los devanados inducido (3) e inductor (4). En esta realización preferente, ambos devanados (3 y 4) están concentrados en una única zona de equipo a medir. La culata (5) del estator (1) está rodeada del devanado inducido (3), por lo que este es atravesado por el flujo magnético que circula por la culata.
La figura 2 representa la misma realización de la figura 1, donde se ha representado el flujo magnético (6) que circula por la culata (5) mediante líneas de flujo. Se puede observar que el flujo creado por el devanado inductor (4) se divide por simetría en dos flujos iguales al llegar al estator. En esta figura se ha representado el rotor en una posición tal que el devanado inductor (4) está en la parte superior del rotor, por encima del devanado inducido (3). Para una determinada corriente el flujo por la culata va de arriba hacia abajo atravesando el devanado inducido (3).
La figura 3 es similar a la figura 2 sin embargo se ha representado el devanado inductor (4) en la parte inferior. En esta figura el sentido del flujo magnético es el contrario, por lo que para la misma corriente representada en la figura 2 el flujo por el devanado inducido (3) va de abajo hacia arriba
La figura 4 representa una sección esquemática de otra posible realización del sensor donde se observa el estator (1), el rotor (2) y los devanados inducido (3) e inductor (4). En esta realización, ambos devanados están ubicados en dos
zonas del sensor, y cada una de las partes de los arrollamientos están conectadas en serie. De forma que el devanado inductor (4) produce una mayor fuerza magnetomotriz al tener más espiras y en el devanado inducido (3) se induce una mayor fuerza electromotriz.
REALIZACIONES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN
Sensor con devanados concentrados
En una primera realización tanto el devanado inductor (3) como el devanado inducido (4) se instalan en un único punto del sensor, tal y como se muestra en las figuras 1 a 3.
Sensor con devanados ubicados en dos partes de la máquina
En una segunda realización tanto el devanado inductor (3) como el devanado inducido (4) se instalan en dos puntos del sensor, tal y como se muestra en la figura 4.
El sensor objeto de la presente invención va acoplado al eje de la máquina donde se quiere medir la corriente. Consta de un estator (1) y de un rotor (2), que gira a la misma velocidad que el eje de la máquina, al estar acoplado a su eje. El rotor puede estar constituido por el propio rotor de la máquina en la que se desea medir la corriente, y el estator estar dispuesto fuera de dicha máquina.
El estator (1) comprende un núcleo magnético fijo que está compuesto de chapas magnéticas laminadas y tiene alojado al menos un devanado inducido (3), bobinado axialmente, de tal forma que concatena el flujo magnético (6) que circula por la culata (5) del estator (1). Este devanado tiene un cierto número de espiras, y está representado en las figuras 1 a 3. El rotor (2) comprende un núcleo magnético giratorio, que también está compuesto por chapas magnéticas laminadas y tiene instalado al menos un devanado inductor (4), bobinado axialmente, tal como se muestra en las figuras 1 a 3, por donde se hace circular la corriente que se desea medir. Esta corriente, que circula por el devanado inductor (4), provoca un flujo radial, que una vez llega a la culata (5) del estator se divide en dos flujos magnéticos (6). La disposición del devanado inducido (3) hace que este concatene la mitad del flujo producido, y por tanto se induce una tensión proporcional a la variación del flujo magnético.
Medida de corriente continua
En el caso de medida de corriente continua, esta circula por el devanado inductor (4). En este caso el campo magnético (6) es unidireccional con una amplitud fija si el valor de la corriente continua a medir no varía. Sin embargo, el flujo cambia de sentido cada media vuelta del rotor, como se puede ver si comparamos la figura 2 y la figura 3. Por lo que existe una variación de flujo cada 180° de giro del rotor (2). Debido a esta variación de flujo se induce en el devanado inducido (3) una tensión de frecuencia igual a la frecuencia de giro (fmec) de la máquina. El valor de esta tensión depende de la velocidad de giro y de la corriente continua que circula por el devanado inductor (4). Por lo tanto, conocida la componente de frecuencia fmec de esta tensión (velocidad de giro) se puede obtener el valor de la corriente continua que circula por (3), mediante algoritmos conocidos.
Medida de corriente alterna (f1)
En este caso el flujo magnético (6) es variable, con una frecuencia igual a la de la corriente alterna que se quiere medir (f1). El sensor funciona como un transformador. Cada media vuelta del rotor la corriente alterna que circula por (4) produce un campo magnético variable en (3) de igual frecuencia (f1). Cuando el rotor (2) del sensor comienza una nueva media vuelta, el funcionamiento es similar, pero cambia la polaridad de la tensión inducida. Por lo tanto, la frecuencia de la corriente alterna que se quiere medir debe ser superior a la frecuencia de giro.
Este funcionamiento es fácilmente explicable según el teorema de Leblanc, que dice que un devanado por el que circula una corriente alterna monofásica crea un campo magnético pulsante que equivale a dos campos magnéticos que rotan en sentidos opuestos.
Esto combinado con el giro del rotor (2) en un sentido a frecuencia (fmec), induce en el devanado (3) dos frecuencias (fmec f1) y (fmec - f1).
Si se mide la frecuencia en valor absoluto en el devanado (3), estas dos componentes de frecuencia corresponden con (f1 fmec) y (f1 - fmec).
Los valores de estas componentes (f-i ± fmec) dependen de la amplitud de la corriente alterna que se quiere medir. Por lo tanto, conocidas las componentes de frecuencias (^ ± fmec)c de esta tensión se puede obtener el valor de la corriente alterna que circula por (3), mediante algoritmos conocidos.
Medida de corriente continua y de corriente alterna (f^.
En este caso se registran fundamentalmente tres frecuencias, una correspondiente a la corriente continua (fmec) y dos a la componente de alterna (fmec ± fl ):
-. Frecuencia de giro (fmec ).
El valor de esta componente depende del valor de la corriente continua.
-. Frecuencia (fmec ± f1).
El valor eficaz de estas componentes depende del valor de la corriente alterna a medir.
Por consiguiente, se dispone de una señal de tensión inducida en el estator y tras analizar sus componentes se pueden medir las corrientes alternas y continua mediante la aplicación de algoritmos conocidos.
Claims (3)
1. Sensor rotativo para medida de corriente continua y/o alterna en una máquina rotativa, que comprende:
- un rotor (2), que gira a la velocidad de rotación, conocida, de la máquina en la que se desea medir la corriente;
- un devanado inductor (4), ubicado en el rotor, por donde circula la corriente que se desea medir;
- un estator (1), dotado de una culata (5) en la que se induce un flujo magnético (6) proporcional a la corriente que circula por el devanado inductor (4) que se desea medir.
caracterizado por que comprende un devanado inducido (3), bobinado en dirección axial en el estator para inducir una tensión proporcional a la variación de dicho flujo magnético (6), inducido en la culata (5), y proporcional a la corriente que circula por el devanado inductor (4); permitiendo realizar la medida de la corriente continua y alterna mediante análisis de los armónicos de la tensión inducida.
2. Sensor, según la reivindicación 1, caracterizado por que el devanado inductor (4) está ubicado en una parte del rotor.
3. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por que el devanado de inducido (3) está dividido en dos partes ubicadas en el estator y conectadas en serie; y el devanado inductor (4) también está dividido en dos partes ubicadas en el rotor y conectadas en serie.
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