ES2639811B2 - Sistema y método de protección ante faltas internas en máquinas de inducción de rotor bobinado - Google Patents
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Abstract
Sistema y método de protección ante faltas internas en máquinas de inducción de rotor bobinado.#La presente invención puede detectar faltas internas en sistemas, tanto si el cortocircuito se produce en el estátor como en el rotor de una máquina de inducción de rotor bobinado (2).#Se utiliza como indicador de los defectos, la onda de corriente diferencial calculada como resultado de la comparación de las corrientes medidas en el estátor (9) y en el rotor (10), tras la aplicación de diferentes factores correctores (11) y la transformada de Park (12) y (13).#La amplitud de dicha corriente diferencial, permite distinguir entre defectos internos a la máquina y externos a la misma.
Description
Se aplicarán una serie de factores de corrección para poder comparar las corrientes medidas de estátor y de rotor:
• El número de espiras del estátor es diferente al del rotor lo que implica que los niveles de tensión sean diferentes y por lo tanto las corrientes que circulan. Es por 5 ello por lo que es necesario aplicar un factor de corrección para corregir la relación de transformación.
• El grupo de conexión de los arrollamientos estatóricos y rotóricos también influye en las corrientes circulantes. Por lo general, ambos arrollamientos se conectarán 10 en estrella por lo que no será necesario aplicar ningún factor de corrección.
• Las frecuencias de las corrientes del estátor y del rotor son diferentes debido al deslizamiento existente entre ambos.
15
El modelo de la invención tiene en cuenta estos factores de tal forma quese obtienen dos corrientes equivalentes comparables directamente entre sí.
El análisis de la señal obtenida, se hará de la siguiente forma, las señales medidas por los transformadores de intensidad se envían a un relé de protección que efectúa 20 el siguiente tratamiento:
Primero se aplica un factor de correccióna las corrientes medidas en el rotor para conseguir corrientes equivalentes en amplitud, corrigiendo así las diferencias existentes como consecuencia del diferente número de espiras y grupo de conexión.
25
En segundo lugar, se aplicará la transformada de Park a ambos sistemas trifásicos de corrientes medidas en el estátor y en el rotor. Con dicha transformada, las corrientes medidas se referencian a un sistema de coordenadas giratorio pulsando a la velocidad del campo magnético correspondiente, obteniendo así señales continuas comparables entre sí. 30
La matriz de transformada de Park se muestra a continuación.
Para aplicar dicha transformada es necesario conocer el ángulo de referencia del estátor y del rotor.
5
El ángulo de referencia del estátor se mide directamente analizando la tensión de alimentación del estátor
El ángulo de referencia del rotor se puede obtener directamente midiendo el ángulo de giro del eje rotor de la máquina o midiendo la velocidad de giro del eje del rotor y 10 añadiendo una etapa de cálculo del ángulo de referencia del rotor.
Las corrientes obtenidas al aplicar la transformada de Park son:
15
Por último, se obtiene la diferencia entre estas señales transformadas y se envían a unos comparadores, que estarán previamente regulados a unos valores establecidos por debajo de los cuales no habrá actuación de la protección. 20
Ante condiciones normales de funcionamiento o fallo externo, la comparación de las corrientes transformadas dará lugar a una corriente diferencial nula o casi nula.
Cuando el fallo es interno, la corriente diferencial resultante de una o varias de las corrientes transformadas será de un elevado valor y el relé enviará la señal de disparo al elemento de corte correspondiente.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una 5 mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
FIGURA 1: Muestra un esquema del sistema en el que tiene aplicación la presente 10 invención, donde:
(1) Red a la que se entrega o de la que se absorbe potencia.
(2) Máquina de inducción de rotor bobinado
(3) Anillos rozantes del rotor
15
FIGURA 2: Muestra un esquema de un sistema particular en el que tiene aplicación la presente invención, donde:
(1) Red a la que se entrega o de la que se absorbe potencia.
(2) Máquina de inducción de rotor bobinado
(3) Anillos rozantes del rotor 20
(4) Sistema convertidor
(5) Convertidor lado de la máquina
(6) Convertidor lado de la red
(7) Barras de continua
(8) Transformador de conexión del rotor 25
FIGURA 3: Muestra un esquema del método diferencial, indicando el modo de actuación del relé con medida indirecta del ángulo de referencia del rotor en una máquina de inducción de rotor bobinado, donde:
(1) Red a la que se entrega o de la que se absorbe potencia. 30
(2) Máquina de inducción de rotor bobinado
(3) Anillos rozantes del rotor
(9) Transformador de corriente de medida del estátor
(10) Transformador de corriente de medida del rotor
(11) Factor de corrección por número de espiras y grupo de conexión
(12) Transformada de Park de las corrientes de estátor
(13) Transformada de Park de las corrientes de rotor
(14) Cálculo de la corriente diferencial componente eje d 5
(15) Cálculo de la corriente diferencial componente eje q
(16) Cálculo de la corriente diferencial componente homopolar
(17) Umbral de disparo de la corriente diferencial componente eje d
(18) Umbral de disparo de la corriente diferencial componente eje q
(19) Umbral de disparo de la corriente diferencial componente homopolar 10
(20) Comparador de corriente diferencial componente eje d
(21) Comparador de corriente diferencial componente eje q
(22) Comparador de corriente diferencial componente homopolar
(23) Puerta “Or”
(24) Señal de disparo 15
(25) Relé
(26) Medida del ángulo de referencia del estátor
(27) Medida de la velocidad de giro del eje del rotor
(28) Cálculo del ángulo de referencia del rotor
20
FIGURA 4: Muestra un esquema del método diferencial, indicando el modo de actuación del relé con medida directa del ángulo de referencia del rotor en una máquina de inducción de rotor bobinado, donde:
(29) Medida del ángulo de referencia del rotor
25
FIGURA 5: Muestra un esquema del método diferencial, indicando el modo de actuación del relé con medida indirecta del ángulo de referencia del rotor, en una máquina de inducción doblemente alimentada.
FIGURA 6: Muestra un esquema del método diferencial, indicando el modo de actuación 30 del relé con medida directa del ángulo de referencia del rotor, en una máquina de inducción doblemente alimentada.
FIGURA 7: Muestra las ondas obtenidas en una simulación realizada con el modelo de una máquina de inducción de rotor bobinado, donde se han realizado diferentes defectos en un punto interno de la máquina.
Los defectos inducidos de duración 0,1s son: 5
• Cortocircuito trifásico t=1s
• Cortocircuito bifásico t=1,5s
• Cortocircuito bifásico a tierra t=2s
• Cortocircuito monofásico a tierra t=2,5s
10
Se muestran los siguientes sistemas de corriente:
• Corrientes estatóricas
• Corrientes rotóricas
• Corriente diferencial eje d
• Corriente diferencial eje q 15
• Corriente diferencial eje o
FIGURA 8: Muestra la onda obtenida en una simulación realizada con el modelo de una máquina de inducción de rotor bobinado, donde se han realizado diferentes defectos en un punto externo de la máquina. 20
Los defectos inducidos de duración 0,1s son:
• Cortocircuito trifásico t=1s
• Cortocircuito bifásico t=1,5s
• Cortocircuito bifásico a tierra t=2s 25
• Cortocircuito monofásico a tierra t=2,5s
Se muestran los siguientes sistemas de corriente:
• Corrientes estatóricas
• Corrientes rotóricas 30
• Corriente diferencial eje d
• Corriente diferencial eje q
• Corriente diferencial eje o
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
1.- Protección diferencial aplicada a una máquina de inducción de rotor bobinado.
5
A continuación, se describe un modo de realización preferente del objeto de la invención, aplicado al caso particular de una máquina de inducción de rotor bobinado, cuyo rotor está conectado a cualquier otro equipo o cortocircuitado:
La figura 1 muestra el esquema de una máquina de inducción de rotor bobinado (2) 10 cuyo estátor se alimenta directamente desde una red trifásica (1) y cuyo rotor es accesible a través de los anillos rozantes (3).
En las figuras 3 y 4 se muestra el esquema del modelo de la invención aplicado a una máquina asíncrona de rotor bobinado. 15
Para la detección del defecto, se debe medir corriente en bornas del estátor (9) y de los anillos del rotor (10). Dichas corrientes medidas se llevan a un relé (25).
Para referenciar las corrientes medidas por los equipos (9) y (10) a un sistema 20 equivalente en amplitud, se aplicará un factor de corrección (11) que tendrá en cuenta el diferente número de espiras del estátor y el rotor y su grupo de conexión.
Para eliminar el efecto del deslizamiento en las frecuencias de las corrientes del estátor y el rotor se aplicará la transformada de Park (12) y (13) a ambos sistemas de 25 corrientes. Para ello será necesario obtener los ángulos de referencia del estátor y del rotor.
El ángulo de referencia del estátor se mide directamente analizando la tensión de alimentación del estátor (26). 30
El ángulo de referencia del rotor se puede obtener directamente midiendo el ángulo de giro del eje rotor de la máquina (Figura 4 – (29)) o midiendo la velocidad de giro del eje del rotor (Figura 3 – (27)) y añadiendo una etapa de cálculo del ángulo de referencia del rotor (Figura 3 – (28)).
Las diferencias entre las corrientes continuas del estátor y el rotor calculadas en (14), (15) y (16) se llevarán a los comparadores (20), (21) y (22).
5
Si cualesquiera de las señales diferenciales superan un cierto valor umbral preestablecido (17), (18) y (19) se dará señal de disparo (24) al elemento de corte correspondiente.
Ante un cortocircuito sea de la índole que sea en el interior de la máquina de 10 inducción, las corrientes diferenciales calculadas (14), (15) y (16) tendrán un valor muy elevado, por lo que se superará los valores umbrales establecidos (17), (18) y (19) y se enviará la señal de disparo (24).
Si el defecto se produce externo a la máquina, las corrientes diferenciales calculadas 15 en (14), (15) y (16) serán casi nulas y muy inferiores a los valores umbrales (17), (18) y (19) por lo que no se enviará señal de disparo (24).
En la figura 7 se puede ver la onda obtenida en una simulación realizada con el modelo de una máquina de inducción de rotor bobinado, donde se han realizado 20 diferentes defectos en un punto interno de la máquina.
Los defectos inducidos de duración 0,1s son:
• Cortocircuito trifásico t=1s
• Cortocircuito bifásico t=1,5s 25
• Cortocircuito bifásico a tierra t=2s
• Cortocircuito monofásico a tierra t=2x5s
Se muestran los siguientes sistemas de corriente:
• Corrientes estatóricas 30
• Corrientes rotóricas
• Corriente diferencial eje d
• Corriente diferencial eje q
• Corriente diferencial eje o
En la figura 8 se puede ver la onda obtenida en la misma simulación, cuando el defecto se produce externo a la máquina.
Los defectos inducidos de duración 0,1s son: 5
• Cortocircuito trifásico t=1s
• Cortocircuito bifásico t=1,5s
• Cortocircuito bifásico a tierra t=2s
• Cortocircuito monofásico a tierra t=2x5s
10
Se muestran los siguientes sistemas de corriente
• Corrientes estatóricas
• Corrientes rotóricas
• Corriente diferencial eje d
• Corriente diferencial eje q 15
• Corriente diferencial eje o
2.- Protección diferencial aplicada a una máquina de inducción de doblemente alimentada.
20
A continuación, se describe un modo de realización preferente del objeto de la invención, aplicado al caso particular de una máquina de inducción doblemente alimentada, cuyo rotor está conectado a un sistema convertidor:
La figura 2 muestra el esquema de una máquina de inducción de doblemente 25 alimentada cuyo estátor se alimenta directamente desde una red trifásica (1) y cuyo rotor está conectado a un sistema convertidor (4) y un transformador (8)
En las figuras 5 y 6 se muestra el esquema del modelo de la invención aplicado a una máquina asíncrona doblemente alimentada. 30
Para la detección del defecto, se debe medir corriente en bornas del estátor (9) y de los anillos del rotor (10). Dichas corrientes medidas se llevan a un relé (25).
Para referenciar las corrientes medidas por los equipos (9) y (10) a un sistema equivalente en amplitud, se aplicará un factor de corrección (11) que tendrá en cuenta el diferente número de espiras del estátor y el rotor y su grupo de conexión.
5
Para eliminar el efecto del deslizamiento en las frecuencias de las corrientes del estátor y el rotor se aplicará la transformada de Park (12) y (13) a ambos sistemas de corrientes. Para ello será necesario obtener los ángulos de referencia del estátor y del rotor.
10
El ángulo de referencia del estátor se mide directamente analizando la tensión de alimentación del estátor (26).
El ángulo de referencia del rotor se puede obtener directamente midiendo el ángulo de giro del eje rotor de la máquina (Figura 6 – (29)) o midiendo la velocidad de giro 15 del eje del rotor (Figura 5 – (27)) y añadiendo una etapa de cálculo del ángulo de referencia del rotor (Figura 5 – (28)).
Las diferencias entre las corrientes continuas del estátor y el rotor calculadas en (14), (15) y (16) se llevarán a los comparadores (20), (21) y (22).
20
Si cualesquiera de las señales diferenciales superan un cierto valor umbral preestablecido (17), (18) y (19) se dará señal de disparo al elemento de corte correspondiente (24).
Ante un cortocircuito sea de la índole que sea en el interior de la máquina de 25 inducción, las corrientes diferenciales calculadas (14), (15) y (16) tendrán un valor muy elevado, por lo que se superará los valores umbrales establecidos (17), (18) y (19) y se enviará la señal de disparo (24).
Si el defecto se produce externo a la máquina, las corrientes diferenciales calculadas 30 en (14), (15) y (16) serán casi nulas y muy inferiores a los valores umbrales (17), (18) y (19) por lo que no se enviará señal de disparo (24).
Claims (4)
- REIVINDICACIONES1.- Método de protección diferencial para máquinas de inducción de rotor bobinado, que comprende:a) etapa de medida de las corrientes del estátor 5b) etapa de medida de las corrientes del rotorc) etapa de medida de la velocidad de eje de la máquinad) etapa de cálculo del ángulo de referencia del rotore) etapa de cálculo del ángulo de referencia del estátorf) etapa de cálculo que aplica la transformada de Park a las corrientes de rotor y 10 estátorg) etapa de comparación de las componentes homopolar, d y q de las corrientes de rotor y de estátorcaracterizado por que realiza el disparo de la máquina en función de la diferencia de las componentes homopolar, d y q del rotor y del estátor. 15
- 2.- Método de protección diferencial para máquinas de inducción de rotor bobinado, que comprende:a) etapa de medida de las corrientes del estátorb) etapa de medida de las corriente del rotor 20c) etapa de medida del ángulo de giro de eje de la máquinad) etapa de cálculo del ángulo de referencia del estátore) etapa de cálculo que aplica la transformada de Park a las corrientes de rotor y estátorf) etapa de comparación de las componentes homopolar, d y q de las corrientes 25 de rotor y de estátorcaracterizado por que realiza el disparo de la máquina en función de la diferencia de las componentes homopolar, d y q del rotor y del estátor.
- 3.- Sistema de protección diferencial para máquinas de inducción de rotor bobinado, 30 que comprende:a) subsistema de medida de las corrientes del estátorb) subsistema de medida de las corriente del rotorc) subsistema de medida de la velocidad de eje de la máquinad) subsistema de cálculo del ángulo de referencia del rotore) subsistema de cálculo del ángulo de referencia del estátorf) subsistema de cálculo que aplica la transformada de Park a las corrientes de rotor y estátor 5g) subsistema de comparación de las componentes homopolar, d y q de las corrientes de rotor y estátorcaracterizado por que la señal de disparo se activa en función de la diferencia de las componentes homopolar, d y q del rotor y estátor.10
- 4.- Sistema de protección diferencial para máquinas de inducción de rotorbobinado, que comprende:a) subsistema de medida de las corrientes del estátorb) subsistema de medida de las corriente del rotorc) subsistema de medida del ángulo de giro de eje de la máquina 15d) subsistema de cálculo del ángulo de referencia del estátore) subsistema de cálculo que aplica la transformada de Park a las corrientes de rotor y estátorf) subsistema de comparación de las componentes homopolar, d y q de las corrientes de rotor y estátor 20caracterizado por que la señal de disparo se activa en función de la diferencia de las componentes homopolar, d y q del rotor y estátor.
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