MXPA00003036A - Maquina electrica rotativa con circuito magnetico - Google Patents

Abstract

La invención es concerniente con una máquina eléctrica rotativa que tiene un circuito magnético para alto voltaje. La máquina tiene un estator (11), el devanado del cual comprende un cable de lato voltaje (1) y un rotor (9) que rodea el estator (11).

Description

MAQUINA ELÉCTRICA ROTATIVA CON CIRCUITO MAGNÉTICO Descripción de la invención Las" máquinas eléctricas rotativas a las que se hace referencia en la presente comprenden máquinas síncronas utilizadas principalmente como generadores para conexión a redes de distribución y transmisión en lo siguiente denominadas como redes de potencia. Las máquinas síncronas son también utilizadas como motores, también como para compensación de fase y control de voltaje y en aquel caso como máquinas de circuito mecánicamente abierto. El campo técnico también incluye máquinas de alimentación dual, cascadas de convertidor de corriente estáticos asincronos, máquinas de polos externos y máquinas de flujo síncrono. Estas máquinas están diseñadas para uso con altos voltajes. En la presente se debe entender que altos voltajes significan voltajes eléctricos de más de 10 KV. Un rango de operación típico para la máquina de acuerdo con la invención puede ser de 36 a 800 KV. El uso de conductores eléctricos aislados de alto voltaje en el devanado del estator, los conductores en lo siguiente son denominados cables, con aislamiento sólido similar a aquel utilizado en los cables para transmitir potencia eléctrica (por ejemplo cables TEX) , permite que el voltaje de la máquina sea incrementado a tales niveles que pueda ser conectada directamente a la red de potencia sin un REF.: 32961 transformador intermediario. La necesidad de una potencia reactiva rápida, ajustable continuamente es así satisfecha, conectada directamente a nivel de subtransmisión o de transmisión con el fin de tratar- con la estabilidad del sistema y/o la dependencia de la masa rotativa y fuerza electromotriz en la vecindad de las transmisiones de corriente directa de alto voltaje o alternativamente para generar o consumir corriente alternante de alto voltaje conectada directamente al nivel de subtransmisión o de transmisión. La estación puede ser para unos pocos MVA hasta de miles de MVA. La ventaja obvia es que los transformadores en los cuales la reactancia consume potencia reactiva sor. innecesarios, como también lo son los interruptores automáticos de circuito de alta potencia tradicionales. También se ganan ventajas con respecto a la calidad de la red puesto que se obtiene compensación de rotación y con respecto a la capacidad de sobrecarga que puede ser de más del 100% en tales máquinas. El rango de control puede ser de más del 100% para la potencia reactiva. Sin embargo, pueden surgir problemas puesto que el devanado del estator en tal máquina de alto voltaje, con cable del tipo descrito, adquiere considerable dimensión radial. A un diámetro dado del espacio de aire en la máquina, el diámetro se incrementa en proporción al número de vueltas del devanado y las ranuras en las laminaciones del estator que llevan el cable deben ser profundas y las laminaciones del estator numerosas . El objeto de la presente invención es resolver los problemas mencionados anteriormente y proporcionar una máquina con un estator más pequeño y así un arreglo que sea más pequeño en dimensión pero no en potencia. Este objeto es obtenido por la máquina de acuerdo con la invención dadas las características definidas en las reivindicaciones. La invención será descrita en más detalle con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales: La figura 1 muestra una vista en sección transversal a través de un cable utilizado en la invención, la figura 2 muestra una sección axial a través de una máquina de acuerdo con la invención, diseñada como un generador hidroeléctrico, La figura 3 muestra asimismo una sección axial a través de una segunda modalidad de la máquina de acuerdo con la invención, La figura 4 muestra asimismo una sección axial a través de una tercera modalidad de la invención de acuerdo con la invención y la figura 5 muestra asimismo una sección axial a través de una cuarta modalidad de la invención de acuerdo con la invención.

La invención está en primer lugar diseñada para uso con un cable uno de alto voltaje del tipo (figura 1) integrado de un núcleo que tiene una pluralidad de partes de hebra 2, una capa aislante 4 que rodea la capa semiconductora interna y una capa semiconductora externa 5 y sus ventajas son resumidas particularmente en la presente. La invención es concerniente en particular con tal cable que tiene un diámetro en el intervalo de 20-200 mm y un área conductora en el intervalo de 80-3000 mm cuadrados. Por consiguiente el cable no incluye la envolvente externa que rodea normalmente un cable para la distribución de potencia. El conductor aislado o cable de alto voltaje utilizado en la presente invención es flexible y es del tipo descrito en más detalle en el documento WO 97/45919 y WO 97/45847. El conductor o cable aislado es descrito adicionalmente en los documentos WO 97/45918, WO 97/45930 y WO 97/45931. Así, los devanados, en el arreglo de acuerdo con ia invención, son de preferencia de un tipo correspondiente a cables que tienen aislamiento sólido, extruído, de un tipo ahora utilizado para la distribución de potencia, tales como cables XLPE o cables con aislamiento de EPR. Tal cable comprende un conductor interno compuesto de una o más hebras, una capa semiconductora interna que rodea el conductor, una capa aislante sólida que rodea esta capa semiconductora y una capa semiconductora externa que rodea la capa aislante. Tales cables son flexibles, que es una propiedad importante en este contexto puesto que la tecnología para el arreglo de acuerdo con la invención está basada principalmente en sistemas de devanado en los cuales el devanado es formado a partir de cables que son doblados durante el montaje. La flexibilidad de un cable de XLPE corresponden normalmente a un radio de curvatura de aproximadamente 20 cm para un cable con un diámetro de 30 mm y un radio de curvatura de aproximadamente 65 cm para un cable con un diámetro de 80 mm. En la presente solicitud, el término "flexible" se utiliza para indicar que el devanado es flexible a un radio de curvatura del orden de 4 veces el diámetro del cable, de preferencia 8 a 12 veces el diámetro del cable. El devanado debe ser construido para retener sus propiedades aún cuando sea doblado y cuando sea sometido a esfuerzos térmicos o mecánicos durante la operación. Es vital que las capas retengan su adhesión entre sí en este contexto. Las propiedades del material de las capas son decisivas en la presente, particularmente su elasticidad y coeficientes relativos de expansión térmica. En un cable de XLPE, por ejemplo, la capa aislante consiste de polietiieno de baja densidad reticulado y las capas semiconductoras consisten de polietileno con partículas de hollín y metal mezcladas. Los cambios en el volumen como resultado de las fluctuaciones de temperatura son absorbidos completamente como cambios en el radio del cable y gracias a la comparativamente ligera diferencia" entre los coeficientes de expansión térmica en las capas en relación con la elasticidad de estos materiales, la expansión radial se puede llevar a cabo sin que se pierda la adhesión entre las capas. Las combinaciones de materiales resumidas anteriormente deben ser consideradas solamente como ejemplos. Otras combinaciones que satisfacen las condiciones especificadas y también la condición de ser semiconductores, esto es, que tienen una resistividad en el rango de 10"* - 106 ohm-cm, por ejemplo 1-500 ohm-cm o 10-200 ohm-cm, también cae naturalmente en el alcance de la invención. La capa aislante puede consistir por ejemplo de un material termoplástico sólido tai como polietileno de baja densidad (LDPE) , polietileno de alta densidad (HDPE) , polipropileno (PP) , polibutileno (PB), polimetilpenteno ("TPX'U materiales reticulados tales como polietileno reticulado (XLPE) o hule (caucho) tales como hule de etileno propileno (EPR) o hule de silicio. Las capas semiconductoras interna y externas pueden ser del mismo material básico pero con partículas de material conductor tales como hollín o polvo de metal mezcladas. Las propiedades mecánicas de estos materiales, particularmente sus coeficientes de expansión térmica, son afectadas relativamente poco por si el hollín o polvo de metal es mezclado en o no por lo menos en las proporciones requeridas para obtener la conductividad necesaria de acuerdo con la invención. Así, la capa aislante y las capas semiconductoras tienen sustancialmente los mismos coeficientes de expansión térmica. Un hule de copolímeros de etileno - acetato de vinilo/nitrilo (EVA/NBR) , polietileno injerto de butilo, copolímeros de etileno - acrilato de butilo (EBA) y copolímeros de etileno - acrilato de etilo (EEA) también pueden constituir materiales , apropiados para las capas semiconductoras . Aún cuando diferentes tipos de materiales son utilizados como base en las varias capas, es deseable que sus coeficientes de expansión térmica sean sustancialmente los mismos. Este es el caso con la combinación de los materiales enlistados anteriormente. Los materiales enlistados anteriormente tienen una elasticidad relativamente buena, con un módulo E de E<500 MPa, de preferencia < 200 MPa. La elasticidad es suficiente para que cualesquier diferencias menores entre los coeficientes de expansión térmica para los materiales en las capas sean absorbidas en la dirección radial de la elasticidad de tal manera que no aparezcan fisuras o cualquier otro daño y de tal manera que las capas no sean liberadas entre sí. El material en las capas es elástico y la adhesión entre las capas es por lo menos de la misma magnitud como el más débil de los materiales. - La conductividad de ias dos capas semiconductoras es suficiente para igualar sustancialmente el potencial a lo largo de cada capa. La conductividad de la capa semiconductora externa es suficientemente alta para encerrar el campo eléctrico en el cable, pero suficientemente pequeña para no dar surgimiento a pérdidas significativas debidas a corrientes inducidas en la dirección longitudinal de la capa. Así, cada una de las dos capas semiconductoras constituye esencialmente una superficie equipotencial y estas capas encerrarán sustancialmente el campo eléctrico entre las mismas . Por supuesto, no hay nada que impida que una o más capas semiconductoras adicionales sean arregladas en la capa aislante . En la figura 1, que ilustra el conductor aislado o cable, las tres capas son realizadas de tal manera que se adhieren entre sí aún cuando el cable es doblado. El cable mostrado es flexible y esta propiedad es retenida en toda la vida del cable. La figura 2 muestra en sección axial una primera modalidad de una máquina rotativa de alto voltaje de acuerdo con la invención, en este caso en forma de un generador hidroeléctrico. Los rayos 8 del estator son unidos sobre el eje 6 de la turbina que en este caso es impulsada en un solo rodamiento 7 de guía. Estos rayos soportan el rotor 9 con su devanado de excitación 10. El estator 11 es soportado desde abajo en una cimentación fija 12 y extremos 14 de bobina del devanado del estator 13 sobresalen del estator 11. En comparación con las máquinas de alto voltaje propuestas anteriormente, así, el estator y el rotor han intercambiado lugares en cada lado del espacio de aire 15. Esto significa que la profundidad 16 del estator para el devanado 13 del estator será más pequeña y también^ que el número de laminaciones del estator será menor para un diámetro 17 de espacio de aire dado. El número 18 indica los frenos para el rotor 9, arreglado sobre la cimentación fija 12 para el acoplamiento de fricción con el rotor. Las flechas en la figura 2 indican el flujo de aire de enfriamiento a través del estator 11. Los polos 21 sobre el rotor son pronunciados y puesto que son colocados en el interior del rotor 9 , contra el estator 11, el anillo del rotor puede ser girado a alta velocidad sin el riesgo de problemas con respecto a su resistencia como puede ser de otra manera el caso en el registrador de velocidad más alta. Las figuras 3-5 muestran otras tres modalidades de la máquina de acuerdo con la invención, diseñada como un generador hidroeléctrico. Estas figuras revelan varias maneras para utilizar el foso 22 del generador con grados variables de éxito. La figura 3 muestra el estator -11 suspendido del balancín fijo 19, en tanto que el rotor 9 es soportado mediante rayos 8 arreglados debajo del estator. En este caso, sin embargo dos rodamientos de guía 7 y 20 son requeridos para el árbol 6. La figura 4 muestra una modalidad de la máquina en la cual, como en la figura 3, los rayos 8 del rotor son arreglados debajo del estator 11. El foso 22 del generador es utilizado mejor y la altura total es menor puesto que los rayos 8 están inclinados ligeramente hacia arriba. Sin embargo, todavía ser requieren dos rodamientos de guía 7 y . La figura 5 muestra una modalidad aún más comprimida con los rayos 8 inclinados todavía adicionalmente. La máquina ha sido así comprimida a tal extensión que un rodamiento de guía 7 es suficiente. El rotor 9 y el estator 11 pueden ser dimensionados de tal manera que a un voltaje nominal, factor de potencia nominal y operación sobreexcitada, los límites de corriente del estator y el rotor térmicamente son excedidos aproximadamente de manera simultánea. Sin embargo, también pueden ser dimensionados de tal manera que a un voltaje nominal, factor de potencia nominal y operación sobreexcitada, el límite del estator térmicamente se ha excedido antes de que se exceda el límite de corriente del rotor térmicamente. A un voltaje nominal, factor de potencia nominal y operación sobreexcitada, la máquina tiene de preferencia 100% de capacidad de sobrecarga durante dos horas. La reactancia síncrona en dirección transversal es, de manera apropiada, considerablemente menor que la reactancia síncrona en dirección directa. La máquina es equipada apropiadamente con sistemas de excitación que permiten la excitación negativa y positiva. Las fases del devanado del estator en la máquina son de preferencia conectados en Y. El punto Y del devanado del estator puede entonces ser aislado y protegido de los sobrevoltajes mediante desviadores de picos. Sin embargo, el • punto Y del devanado del estator puede ser conectado a tierra con ayuda de un filtro de tercer armónica, esto es, un filtro de supresión entre el punto Y y tierra. El filtro de supresión puede ser diseñado de tal manera que reduzca extensamente ó aún elimine las corrientes de tercera armónica a través de la máquina en tanto que al mismo tiempo sea dimensionado de tal manera que los voltajes y corrientes sean limitados en el caso de fallas del sistema. El filtro de tercera armónica puede ser protegido contra los sobrevoltajes mediante desviadores de picos conectados en paralelo con el filtro de tercera armónica.

Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo -contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Una máquina eléctrica rotativa que tiene un circuito magnético para alto voltaje, caracterizada porque comprende un estator, el devanado del cual comprende un cable de alto voltaje y un rotor que rodea el estator, ei cable comprende un conductor flexible rodeado por aislamiento sólido que tiene una capa interna con propiedades semiconductoras, una parte aislante y una capa externa con propiedades semiconductoras .
2. 2. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las capas son arregladas para adherirse entre sí aún cuando el cable es doblado.
3. 3. Una máquina de conformidad con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, caracterizada porque el rotor es conectado rígidamente al árbol de la máquina para la energía cinética saliente ó entrante vía rayos que se extienden más allá del estator.
4. 4. Una máquina de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque el estator es soportado desde abajo en una cimentación fija y porque el rotor es soportado desde arriba mediante rayos que se extienden sobre el estator desde el árbol de la máquina.
5. 5. Una máquina de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque el estator es soportado desde arriba mediante balancines radiales fijos y porque el rotor es soportado desde abajo mediante rayos que se extienden debajo del estator desde el árbol de la máquina.
6. 6. Una máquina de conformidad con la reivindicación 4 ó la reivindicación 5, caracterizada porque los frenos para ei rotor son arreglados sobre la cimentación fija para un acoplamiento de fricción con el rotor.
7. 7. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizada porque el rotor tiene polos pronunciados. MAQUINA ELÉCTRICA ROTATIVA CON CIRCUITO MAGNÉTICO RESUMEN DE LA INVENCIÓN La invención es concerniente con una máquina eléctrica rotativa que tiene un circuito magnético para alto voltaje. La máquina tiene un estator (11), el devanado del cual comprende un cable de alto voltaje (1) y un rotor (9) que rodea el estator (11) .