ES2933737B2 - Método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
Método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado (o doblemente alimentadas), donde el devanado del rotor es alimentado desde una fuente de tensión y frecuencia regulable.
El método de la presente invención permite lograr un arranque más suave en máquinas de inducción de rotor bobinado para aplicaciones que necesitan un elevado par de arranque, en comparación con otros métodos de arranque conocidos.
El método de la presente invención es de especial aplicación en la gestión del funcionamiento de máquinas eléctricas rotativas de inducción. Un ejemplo de aplicación de este método son las centrales hidroeléctricas de bombeo a velocidad variable, donde se utilizan máquinas de inducción de rotor bobinado, y donde una correcta gestión del arranque de las bombas resulta de crucial importancia para maximizar la vida útil de la máquina.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver
Las máquinas de inducción de rotor bobinado (o doblemente alimentadas) son muy utilizadas en la industria, sobre todo en aplicaciones donde se requiere un elevado par de arranque, gracias a su facilidad de arranque mediante la conexión de resistencias en los devanados del rotor. Además, se utilizan en generación de energía cuando se requiere velocidad variable como puede ser en energía eólica y en centrales hidroeléctricas de bombeo con regulación de potencia.
Las centrales hidroeléctricas de bombeo a velocidad variable basadas en máquinas de inducción de rotor bobinado tienen sistemas de arranque para poder operar en modo bomba. Para ello es práctica habitual desanegar el rodete de la máquina hidráulica y realizar el arranque con un bajo par resistente, pues de esta forma se reduce la potencia requerida en el arranque. En muchas configuraciones se utiliza en el arranque el convertidor electrónico que regula la velocidad en funcionamiento normal.
Dentro de los tipos de arranque de estas máquinas es común la utilización de diversos elementos auxiliares para el arranque. Por ejemplo, es común el uso de autotransformadores para reducir la tensión de alimentación tal como se describe en: "Adapting DFIGs for doublyfed induction motors operation" Y. Zhang and B. T. Ooi, 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, USA, 2012, pp. 1-8. doi: 10.1109/PESGM.2012.6345113. Para este tipo de arranque hacen falta, además del autotransformador, varios interruptores para realizar conmutaciones.
Dentro de los métodos de arranque utilizados en las centrales hidroeléctricas de bombeo a velocidad variable son especialmente comunes los métodos que implican alimentar el rotor con el convertidor y el estator en cortocircuito. Para ello se necesita un interruptor para cortocircuitar el estator. Se alimenta la máquina por el rotor a través del convertidor y se incrementa la frecuencia hasta alcanzar la velocidad requerida. Posteriormente se abre el interruptor que cortocircuita el estator y se sincroniza la máquina con la red. Este método, que es complejo, está analizado en varias referencias:
- “Dynamic analysis of start-up strategies of AC excited Double Fed Induction Machine for pumped storage power plant’. R. Saiju, J. Koutnik y K. Krueger. 13th European Conference on Power Electronics and Applications, 2009;
- “Asynchronous Starting Characterístics and Soft Start Method of the Brushless Doubly-Fed Motor’ N. Liu, X.Wang, C. Hang, M. Kong, Z. Li y P. Nie. 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2018, pags. 1538-1542. doi: 10.23919/ICEMS.2018.8549055;
- “Optimization of the start-up time of a variable speed pump-turbine unit in pumping mode". Y. Pannatier, B. Kawkabani, C. Nicolet, A. Schwery and J.J. Simond, XXth International Conference on Electrical Machines, Marseille, France, 2012, pp. 2126-2132.doi: 10.1109/ICElMach.2012.6350176;
- " Start-up and synchronization of a variable speed pump-turbine unit in pumping mode".
Y. Pannatier, B. Kawkabani, C. Nicolet, A. Schwery and J. . -J. Simond, The XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, Rome, Italy, 2010, pp.
1-6. doi: 10.1109/ICELMACH.2010.5608223.
Los equipos necesarios para el arranque de una máquina de inducción doblemente alimentada, así como los procedimientos convencionales de arranque, requieren en su mayoría múltiples resistencias e interruptores si se pretende realizar un arranque suave.
Por ello, se hace necesario encontrar soluciones que permitan reducir al máximo el número de elementos eléctricos y mecánicos y simplificar los procedimientos de arranque para este tipo de máquinas.
Descripción de la invención
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado.
Novedosamente, El método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado objeto de la presente invención comprende:
o cuando el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado está parado (su velocidad de rotación es nula) y el interruptor que conecta un primer devanado de la máquina de inducción de rotor bobinado con un lado de fuerza está abierto, alimentar un segundo devanado de la máquina de inducción de rotor bobinado a frecuencia de la red eléctrica, de manera que se obtenga en el
primer devanado una tensión inducida de frecuencia igual a la frecuencia de la red eléctrica;
o regular la tensión y frecuencia generada por una fuente de tensión y frecuencia regulable vinculada con la máquina de inducción de rotor bobinado, hasta que la tensión en el primer devanado y la tensión en el lado de fuerza del interruptor se igualen;
o verificar, mediante un equipo de verificación de sincronismo, que la tensión en el primer devanado y la tensión en el lado de fuerza del interruptor están en fase (en sincronismo);
o cerrar el interruptor que conecta el primer devanado con el lado de fuerza del interruptor cuando se verifica que la tensión en el primer devanado y la tensión en el lado de fuerza del interruptor están en fase, y;
o regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable para reducir la frecuencia de la tensión del devanado del rotor para acelerar el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado.
El arranque de la máquina de inducción de rotor bobinado finaliza cuando se haya alcanzado la velocidad final requerida, momento en el cual se mantiene la frecuencia de alimentación del devanado del rotor.
Gracias al método descrito, se consigue lograr un arranque suave de la máquina de inducción de rotor bobinado, minimizando el número de componentes mecánicos y eléctricos necesarios para lograrlo.
Según una primera variante del método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado objeto de la presente invención, el primer devanado es el devanado del estator y el segundo devanado es el devanado del rotor, donde el lado de fuerza del interruptor es la red eléctrica y donde la fuente de tensión y frecuencia regulable está conectada al devanado del rotor, de manera que el método comprende:
o cuando el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado está parado y el interruptor que conecta el devanado del estator con la red eléctrica está abierto,
alimentar el devanado del rotor a frecuencia de la red eléctrica mediante la fuente de tensión y frecuencia regulable, de manera que se obtenga en el devanado del estator una tensión inducida igual a la tensión de la red eléctrica;
o regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable, hasta que la tensión en el devanado del estator se iguale con la tensión de la red eléctrica;
o verificar, mediante el equipo de verificación de sincronismo, que la tensión en el devanado del estator está en fase con la tensión de la red eléctrica;
o cerrar el interruptor que conecta el devanado del estator con la red eléctrica cuando se verifica que la tensión en el devanado del estator y la tensión de la red eléctrica están en fase, y;
o regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable para reducir la frecuencia de la tensión del devanado del rotor para acelerar el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado.
Según una segunda variante del método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado objeto de la presente invención el primer devanado es el devanado del rotor y el segundo devanado es el devanado del estator, donde la fuente de tensión y frecuencia regulable está configurada para conectarse a la red eléctrica y al devanado del rotor mediante el interruptor y donde el lado de fuerza del interruptor es la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable hacia el interruptor, de manera que el método comprende:
o cuando el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado está parado y el interruptor que conecta el devanado del rotor con la fuente de tensión y frecuencia regulable está abierto, alimentar el devanado del estator a frecuencia de la red eléctrica, de manera que se obtenga en el devanado rotor una tensión inducida de frecuencia igual a la frecuencia de la red eléctrica;
o regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable, hasta que la tensión en la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable hacia el interruptor se iguale con la tensión en el devanado del rotor;
o verificar, mediante el equipo de verificación de sincronismo, que la tensión en la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable hacia el interruptor está en fase con la tensión en el devanado del rotor;
o cerrar el interruptor que conecta el devanado del rotor con la fuente de tensión y frecuencia regulable cuando se verifica que la tensión en la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable hacia el interruptor y la tensión en el devanado del rotor están en fase, y;
o regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable para reducir la frecuencia de la tensión del devanado del rotor para acelerar el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado.
De manera preferente, durante la etapa de regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable para reducir la frecuencia de la tensión del devanado del rotor para acelerar el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado, se regula la amplitud de la tensión del devanado del rotor para mantener las corrientes por los devanados dentro de los límites asignados de la máquina de inducción de rotor bobinado, evitando la saturación magnética de la máquina y evitando también que las corrientes excedan unos valores máximos asignados.
Según una posible forma de realización del método de la presente invención, la fuente de tensión y frecuencia regulable empleada es un convertidor electrónico de frecuencias.
Esta fuente de tensión y frecuencia regulable puede comprender un convertidor del lado de red, una etapa de corriente continua y un convertidor del lado de máquina.
Opcionalmente, la fuente de tensión y frecuencia regulable se alimenta desde la red eléctrica mediante un transformador.
Se describe aquí de forma breve una figura a modo de ejemplo no limitativo, que ayuda a comprender mejor la invención:
Figura 1: muestra una posible configuración de un sistema eléctrico para alimentar el devanado de rotor de una máquina eléctrica de inducción de rotor bobinado.
Figura 2: muestra un caso particular del sistema eléctrico de la Figura 1, en donde la fuente de tensión y frecuencia regulable está compuesta por un convertidor del lado de red, una etapa de corriente continua y un convertidor del lado de la máquina.
Figura 3: muestra una configuración alternativa a la presentada en la Figura 1 del método de arranque de máquinas de inducción de rotor bobinado donde el interruptor de cierre se dispone en bornas del rotor de la máquina.
Descripción detallada
La presente invención se refiere, como se ha mencionado anteriormente, a un método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado (1).
En la Figura 1 se muestra una configuración de un sistema eléctrico con una máquina de inducción de rotor bobinado (1) donde el/los devanado/s del rotor (2) está/n alimentado/s a través de una fuente de tensión y frecuencia regulable (3), la cual a su vez está alimentada desde la red eléctrica (5), opcionalmente con la intermediación de un transformador (8).
El/los devanado/s del estator (4) se puede/n alimentar desde la red eléctrica (5) mediante un interruptor (6) que dispone de un equipo de verificación de sincronismo (7) para realizar su cierre.
En la Figura 2 se muestra un esquema de un caso particular del sistema eléctrico de la Figura 1, para una máquina de inducción de rotor bobinado (1) utilizada en instalaciones de bombeo. En la Figura 2 se detallan las etapas de la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) que en este caso se trata de un convertidor electrónico de frecuencias y se compone de convertidor del lado de red (9), etapa de corriente continua (10) y convertidor del lado de máquina (11).
Así pues, el método de la presente invención está basado en la sincronización de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) a la red eléctrica (5) a velocidad nula. Para ello se deben alimentar el devanado del rotor (2) a una frecuencia muy próxima a la frecuencia de la red eléctrica (5). La alimentación se realiza a través de una fuente de tensión y frecuencia regulable (3) (por ejemplo, un convertidor electrónico de frecuencias). De esta forma se crea un campo magnético giratorio que induce en el devanado del estator (4) una tensión (fuerza electromotriz) de la misma frecuencia que la frecuencia de la red eléctrica (5).
Mediante el control de la amplitud de las tensiones suministradas por la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) al devanado del rotor (2) se puede modificar las amplitudes de las tensiones inducidas en el devanado del estator (4).
Modificando la frecuencia y la amplitud de las tensiones de alimentación del devanado del rotor (2) se pueden obtener unas tensiones en el devanado del estator (4) de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) iguales a las tensiones de la red eléctrica (5). En ese momento se procede al cierre del interruptor (6) que conecta el estator de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) con la red eléctrica (5). Para ello previamente se deben comprobar las condiciones de sincronismo con el equipo de verificación de sincronismo (7).
En ese momento, teóricamente, la velocidad del rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) es nula, así como la corriente por el devanado del estator (4). En realidad, si la sincronización ha sido realizada adecuadamente, la velocidad del rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) en dicho instante es despreciable y depende de la diferencia entre las frecuencias de las tensiones a ambos lados del interruptor (6) automático, y las corrientes por el devanado del estator (4) son también despreciables y dependen de la
diferencia entre las tensiones a ambos lados del interruptor (6) automático. En el lado del rotor se suministra la corriente magnetizante.
Tras el cierre del interruptor (6) automático se debe ir reduciendo la frecuencia de las tensiones de alimentación del devanado del rotor (2), de forma que se va aumentando la velocidad de rotación del rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado (1), ya que dicha velocidad de rotación del rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) es proporcional a la diferencia entre las frecuencias de las tensiones de alimentación de estator y rotor. Una vez que se haya alcanzado la velocidad requerida por el operador, el arranque finaliza.
Como ya se ha comentado, la alimentación de la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) puede realizarse a través de un transformador (8).
Observando la Figura 3, de manera semejante al proceso descrito, la sincronización puede ser realizada (según una segunda variante del método de la invención) en bornes del devanado del rotor (2) instalando un interruptor (6) de cierre en el devanado del rotor (2). En este caso se conecta el devanado del estator (4) de la máquina directamente a la red eléctrica (5) adquiriendo la tensión y frecuencia correspondientes a la misma. El devanado del rotor (2) tendrá por lo tanto una tensión inducida a esa misma frecuencia que se deberá de igualar en amplitud y frecuencia aproximada en el lado contrario (lado de fuerza) del interruptor (6). Entonces, cuando el equipo de verificación de sincronismo (7) corrobore una diferencia de fases próxima a 0° con una amplitud de tensión semejante en ambos lados, se cierra el interruptor (6) y el equipo queda sincronizado a la red eléctrica (5). Entonces, se reduce progresivamente la frecuencia y tensión en bornes del devanado del rotor (2) mediante la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) para aumentar la velocidad de giro del eje.
Claims (5)
1. Método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado (1) caracterizado por que comprende:
o cuando el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) está parado y el interruptor (6) que conecta el devanado del rotor (2) de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) con la salida de una fuente de tensión y frecuencia regulable (3) vinculada con la máquina de inducción de rotor bobinado (1), está abierto, alimentar el devanado del estator (2) de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) a frecuencia de la red eléctrica (5), de manera que se obtenga en el devanado del rotor (2) una tensión inducida de frecuencia igual a la frecuencia de la red eléctrica (5), donde la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) está configurada para conectarse a la red eléctrica (5) y al devanado del rotor (2) mediante el interruptor (6);
o regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) hasta que la tensión en el devanado del rotor (2) y la tensión en la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) hacia el interruptor (6) se igualen;
o verificar, mediante un equipo de verificación de sincronismo (7), que la tensión en el devanado del rotor (2) y la tensión en la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) hacia el interruptor (6) están en fase;
o cerrar el interruptor (6) que conecta el devanado del rotor (2) con la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) hacia el interruptor (6) cuando se verifica que la tensión en el devanado del rotor (2) y la tensión en la salida de la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) hacia el interruptor (6) están en fase, y;
o regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) para reducir la frecuencia de la tensión del devanado del rotor (2) para acelerar el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado (1).
2. Método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que la etapa de regular la tensión y frecuencia generada por la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) para reducir la frecuencia de la tensión del devanado del rotor (2) para acelerar el rotor de la máquina de inducción de rotor bobinado (1) comprende regular la amplitud de la tensión del devanado del rotor (2) para mantener las corrientes por los devanados (2, 4) dentro de los límites asignados de la máquina de inducción de rotor bobinado (1).
3. Método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) es un convertidor electrónico de frecuencias.
4. Método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado (1) según la reivindicación 3, caracterizado por que la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) comprende un convertidor del lado de red (9), una etapa de corriente continua (10) y un convertidor del lado de máquina (11).
5. Método de arranque de una máquina de inducción de rotor bobinado (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fuente de tensión y frecuencia regulable (3) se alimenta desde la red eléctrica (5) mediante un transformador (8).
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