Conjunto excitador para suministrar una corriente de campo a los devanados de rotor (16) de una máquina superconductora síncrona,

comprendiendo el conjunto excitador: - un transformador de impulsos (101) que tiene un devanado primario (7) y un devanado secundario (10); - una fuente de alimentación (100) en modo conmutada para suministrar una tensión pulsada al devanado primario (7) del transformador de impulsos (101); y - un par de conductores de transferencia (14) para suministrar una tensión pulsada del devanado secundario (10) del transformador de impulsos (101) a los devanados de rotor (16); caracterizado porque un controlador (35) para controlar la rectificación síncrona del voltaje pulsado suministrado a los devanados del rotor (16), en el cual el transformador de impulsos (101) incluye, además, un devanado terciario (34) y el controlador (35) controla la rectificación síncrona del voltaje pulsado en base a una señal procedente del devanado terciario (34)

Campo técnico

La presente invención se refiere a conjuntos excitadores, y en particular a conjuntos excitadores para suministrar corriente a los devanados de rotor de una máquina síncrona superconductora.

Técnica anterior

Es normal que el rotor de una máquina síncrona superconductora se sitúe dentro de una cámara criogénica (a menudo denominada criostato) de manera que el material superconductor que se usa en los devanados de rotor se pueda mantener por debajo de su temperatura crítica superconductora. Para un material superconductor de temperatura elevada (HTS) tal como BSCCO-2223 (Bi(2-x)PbxSr2Ca2Cu2O10) o YBCO (Yba2Cu3O7-δ) la temperatura en el criostato puede estar entre -246.15 y -163.15 grados Celsius. El resto de la máquina síncrona superconductora permanecerá a una temperatura ambiente de aproximadamente 26.85 grados Celsius. Para los fines de esta memoria de patente, el término “entorno frío” se usará para referirse al entorno de temperatura baja en el interior del criostato y el término “entorno caliente” se usará para referirse al entorno de temperatura ambiente en el exterior del criostato.

Es esencial para el funcionamiento de la máquina síncrona superconductora que los devanados de rotor se exciten suministrándoles una corriente de campo. En una máquina síncrona superconductora típica la corriente de campo pleno se suministra a los devanados de rotor a través de un par de conductores de transferencia que pasan del entorno caliente al entorno frío a través de una pared del criostato. La corriente de campo es proporcionada por una fuente de alimentación eléctrica y se puede suministrar a los conductores de transferencia usando un par de anillos colectores y contactos de escobilla. Los conductores de transferencia están diseñados para minimizar la transferencia de calor perdido entre el entorno caliente y el entorno frío para reducir cualquier posible impacto adverso sobre las condiciones de prestación del sistema de enfriamiento criogénico. Sin embargo, los conductores de transferencia deben tener también un área de sección transversal considerable si tiene que llevar la corriente de campo pleno, que puede ser de entre 10 y 2000 amperios. Incrementar el área de la sección transversal también incrementa la cantidad de transferencia de calor perdido a través de los constructores de transferencia. Por lo tanto, en la práctica, el diseño de los conductores de transferencia debe ser un compromiso entre la necesidad de maximizar la capacidad de llevar corriente y a la vez intentar minimizar la transferencia de calor perdido.

La patente de los Estados Unidos 6420842 describe un conjunto excitador para suministrar una corriente de campo a los devanados de rotor de una máquina síncrona superconductora. El conjunto excitador incluye un transformador 106 que tiene un devanado primario 108 y un devanado secundario 112. El devanado primario 108 recibe corriente de una fuente de alimentación CA 110 que es preferiblemente una fuente de excitación de alta frecuencia (por ejemplo 400 Hz a 2 kHz)-El transformador 106 es por lo tanto alimentado por una fuente de alimentación en modo conmutado. En la práctica, se apreciará fácilmente que el transformador 106 puede o no ser un transformador de impulsos dependiendo de si la fuente de alimentación en modo conmutado es filtrada o no.

Un voltaje CA se suministra desde el devanado secundario 112 a un rectificador puente de onda completa 114 cuya salida de corriente CC se suministra al condensador de almacenamiento 116. El voltaje CC a través del condensador de almacenamiento no se describe como siendo regulado de cualquier manera particular. El voltaje CC se convierte en una corriente regulada en modo conmutado que fluye en el devanado de campo 102 por dispositivos semiconductores de potencia giratorios 120, 122 y 138 que se puede situar bien en un entorno criogénico o un entorno caliente según se requiera. Cuando los dispositivos semiconductores de potencia giratorios 120, 122 y 138 se sitúan en un entorno criogénico, una corriente pulsada fluye en los conductores de transferencia que pasan entre entornos caliente y criogénico. Cuando los dispositivos semiconductores de potencia giratorios 120, 122 y 138 se sitúan en un entorno caliente, una corriente sustancialmente no pulsada fluye en los conductores de transferencia que pasan entre los entornos caliente y criogénico. En ambos casos, los dispositivos semiconductores de potencia de regulador de modo conmutado están en un entorno giratorio y llevan corriente de campo. Un proceso de regulación de corriente de campo usa un enlace telemétrico que comprende una interfaz de controlador de máquina estacionaria 134 y una interfaz de controlador de bobina de campo giratoria 130 que emplean transmisión y recepción óptica infrarroja de portador modulada por código de impulsos con el fin de transferir bidireccionalmente señales reguladoras entre entornos estacionario y giratorio. Un sensor de corriente 132 se sitúa en el entorno giratorio y es necesario transferir datos desde este sensor por el enlace telemétrico para permitir realizar una regulación de bucle cerrado de la corriente de campo.

En consecuencia, hay una necesidad de un conjunto excitador alternativo que no requiere que los dispositivos semiconductores de potencia de regulador en modo conmutado y un transductor de corriente de campo estén en un entorno giratorio y de que estos tengan que comunicarse con el entorno estacionario con el fin de permitir la realización de una regulación de bucle cerrado de corriente de campo.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona un conjunto excitador para suministrar corriente de campo a los devanados de rotor de una máquina superconductora síncrona, comprendiendo el conjunto excitador:

- un transformador de impulsos que tiene un devanado primario y un devanado secundario;

- una fuente de alimentación en modo conmutada para suministrar una corriente pulsada CC al devanado primario del transformador de impulsos; y

- un par de conductores de transferencia para suministrar una corriente pulsada CC desde el devanado secundario del transformador de impulsos a los devanados del rotor,

caracterizado porque un controlador (35) para controlar la rectificación síncrona del voltaje pulsado suministrado a los devanados de rotor (16), en el cual el transformador de impulsos (101) incluye, además, un devanado terciario

(34) y el controlador (35) controla la rectificación síncrona del voltaje pulsado basado en una señal procedente del devanado terciario (34).

Lo devanados de rotor se situarán en una región criogénica de la máquina superconductora síncrona tal como dentro de una cámara criogénica o criostato. La región criogénica se denominará en lo sucesivo el “entorno frío”.

El devanado primario del transformador de impulsos es preferiblemente estacionario y el devanado secundario del transformador de impulsos gira preferiblemente en funcionamiento. Tanto los devanados primario como secundario del transformador de impulsos, así como la fuente de alimentación en modo conmutado, se sitúan preferiblemente en el “entorno caliente” fuera de la región criogénica. Los conductores de transferencia se usan para transferir la corriente pulsada CC entre el entorno caliente y el entorno frío, normalmente a través de una pared de la cámara criogénica o criostato.

La corriente de campo es preferiblemente proporcionada por una fuente de alimentación en modo conmutada que tiene un voltaje de fuerza considerable de manera que, en la puesta en marcha, se puede establecer una corriente de campo de trabajo en los devanados de rotor durante un periodo de tiempo relativamente corto. Durante el funcionamiento normal de la máquina superconductora síncrona, los conductores de transferencia llevarán solamente la corriente de campo durante una pequeña proporción de tiempo.

El conjunto excitador comprende preferiblemente, además, un dispositivo semiconductor rectificador en serie con el devanado de rotor y un dispositivo semiconductor de efecto volante en paralelo con el devanado de rotor. El dispositivo semiconductor rectificador puede ser un tiristor de apagado por puerta (GTO) u otro dispositivo con características de bloqueo inverso y encendido por puerta similares. El dispositivo semiconductor de efecto volante puede ser un transistor de efecto campo de unión (JFET) o transistor de efecto campo de unión vertical (VJFET), por ejemplo.... [Seguir leyendo]

1. Conjunto excitador para suministrar una corriente de campo a los devanados de rotor (16) de una máquina superconductora síncrona, comprendiendo el conjunto excitador:

- un transformador de impulsos (101) que tiene un devanado primario (7) y un devanado secundario (10);

- una fuente de alimentación (100) en modo conmutada para suministrar una tensión pulsada al devanado primario (7) del transformador de impulsos (101); y

- un par de conductores de transferencia (14) para suministrar una tensión pulsada del devanado secundario (10) del transformador de impulsos (101) a los devanados de rotor (16);

caracterizado porque un controlador (35) para controlar la rectificación síncrona del voltaje pulsado suministrado a los devanados del rotor (16), en el cual el transformador de impulsos (101) incluye, además, un devanado terciario

(34) y el controlador (35) controla la rectificación síncrona del voltaje pulsado en base a una señal procedente del devanado terciario (34).

2. Conjunto excitador según la reivindicación 1, en el que el devanado primario (7) del transformador de impulsos (101) es estacionario y el devanado secundario (10) gira en uso.

3. Conjunto excitador según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende, además, un dispositivo semiconductor rectificador (11) en serie con el devanado del rotor (16) y un dispositivo semiconductor de efecto volante en paralelo (15) con el devanado del rotor.

4. Conjunto excitador según la reivindicación 3, en el cual el dispositivo semiconductor rectificador (11) y el dispositivo semiconductor de efecto volante (15) son controlados para rectificación síncrona del voltaje pulsado suministrado a los devanados del rotor (16).

5. Conjunto excitador según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el cual el dispositivo semiconductor rectificador (11) es un tiristor o tiristor de apagado por puerta (GTO).

6. Conjunto excitador según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el cual el

dispositivo semiconductor de efecto volante es un transistor de efecto campo de unión (JFET) o transistor de efecto campo de unión vertical (VJFET).

7. Conjunto excitador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual la rectificación síncrona del voltaje pulsado hace que la potencia sea transmitida desde el devanado primario (7) del transformador (101) de impulsos al devanado secundario (10) del transformador de impulsos (101) solamente en un cuadrante único del bucle B-H del circuito magnético del transformador de impulsos (101).

8. Conjunto excitador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, medios conmutables para proteger los devanados del rotor (16) contra el templado incipiente.

9. Conjunto excitador según la reivindicación 8, en el cual los medios conmutables incluyen una resistencia

(18) en serie con un dispositivo semiconductor de conmutación (19).

10. Conjunto excitador según la reivindicación 8, en el cual los medios conmutables incluyen un dispositivo resistivo no lineal en serie con un dispositivo semiconductor de conmutación.

11. Conjunto excitador según la reivindicación 10, en el cual el dispositivo resistivo no lineal tiene una característica de corriente de voltaje sustancialmente “cuadrada”.

12. Conjunto excitador según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, en el cual el dispositivo resistivo no lineal es un varistor de óxido metálico (MOV).

13. Conjunto excitador según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el cual el dispositivo semiconductor de conmutación es un transistor de efecto campo de unión (JFET) o transistor de efecto campo de unión vertical (VJFET).

14. Un conjunto excitador según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en el cual el controlador (35) controla el funcionamiento del dispositivo semiconductor de conmutación (19) en base a una señal de realimentación de corriente (37) indicativa de la corriente de campo en los devanados del rotor durante un primer periodo de tiempo cuando se suministra un impulso de voltaje a los devanados del rotor (16) y una señal de realimentación de voltaje (39) indicativa de la corriente de campo en los devanados del rotor (16) durante el primer periodo de tiempo y durante un segundo periodo de tiempo cuando no se suministra un impulso de voltaje a los devanados del rotor. (16)

15. Conjunto excitador según la reivindicación 14, en el cual la señal de realimentación de corriente (37) se deriva de un transductor de corriente (36) en serie con el devanado del rotor (16) y la señal de realimentación de tensión se deriva de un transductor de tensión (38) en paralelo con los devanados del rotor (16).

16. Conjunto excitador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un filtro o red auxiliar de conmutación que incluye un inductor (12) en serie con los devanados del rotor (16) y un condensador

(13) en paralelo con los devanados del rotor (16).

17. Máquina superconductora síncrona que tiene devanados del rotor (16) y un conjunto excitador según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 18 para suministrar una corriente de campo as los devanados del rotor (16).

18. Máquina superconductora síncrona según la reivindicación 17, en la cual los devanados del rotor (16) se sitúan en una región criogénica.

19. Máquina superconductora síncrona según la reivindicación 18, en la cual el devanado primario (7) y el devanado secundario (10) del transformador de impulsos (101) se sitúados fuera de la región criogénica.

20. Máquina superconductora síncrona según la reivindicación 18 o la reivindicación 19, en la cual la fuente de alimentación (100) en modo conmutado está situada fuera de la región criogénica.

21. Máquina superconductora síncrona según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, en la cual el dispositivo semiconductor rectificador (11) está situada fuera de la región criogénica.

22. Máquina superconductora síncrona según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, en la cual el dispositivo semiconductor de efecto volante (15) está situado fuera de la región criogénica.

23. Máquina superconductora síncrona según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, en la cual los devanados de rotor (16) están formando a partir de un material superconductor de alta temperatura (HTS).

24. Máquina superconductora síncrona según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 23, en la cual los devanados del rotor (16) incluyen medios para proteger los devanados del rotor (16) de daños en caso de extinción incipiente.