SISTEMA DE OBTENCIÓN DE LA RESPUESTA EN FRECUENCIA DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS.

La presente invención se centra en el campo de la monitorización on-line (en conexión) para el diagnóstico de máquinas eléctricas mediante la técnica de respuesta en frecuencia,

obtenida a partir del análisis de señales transitorias usando la transformada Wavelet, permitiendo monitorizar la máquina eléctrica sin interrumpir el suministro eléctrico, aunque es totalmente aplicable a monitorización off-line (en desconexión). La invención consta de al menos un bloque de inyección controlada de señales, un bloque de filtrado en el dominio tiempo-frecuencia, y un bloque de procesado en el dominio tiempo-frecuencia, para el cálculo de la impedancia característica o respuesta en frecuencia de una máquina eléctrica.

SISTEMA DE OBTENCIÓN DE LA RESPUESTA EN FRECUENCIA DE MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se centra en el campo de la monitorización on-line (en conexión) de máquinas eléctricas mediante la técnica de respuesta en frecuencia, obtenida a partir del análisis de señales transitorias usando la transformada wavelet, aunque es totalmente aplicable a monitorización off-line (en desconexión). El objeto de la invención es la presentación de un novedoso sistema de medida, filtrado y procesamiento de señal para el cálculo de la impedancia eléctrica de una máquina eléctrica estando energizada (on-line). Para el objeto de la invención se aplicó la metodología propuesta a una máquina eléctrica estática tal como el transformador, pero el método desarrollado puede ser también aplicado a máquinas eléctricas rotativas, logrando un avance significativo respecto a las técnicas hasta ahora existentes en cuanto a precisión, ancho de banda y repetitividad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente la respuesta en frecuencia on-line es utilizada en máquinas eléctricas estáticas tal como el transformador, conectado al sistema de potencia. Esto se realiza utilizando la técnica del impulso (IFRA), la cual consiste en registrar aquellas perturbaciones inherentes a la operación y funcionamiento de la red, como las debidas a maniobras (apertura/cierre de interruptores) o las generadas por descargas atmosféricas. Estas señales son capturadas mediante bomas con derivación capacitiva (Bushing Tap Coupler), las cuales permiten medir una tensión reducida con un amplio ancho de banda. Para la medición de la corriente se utilizan Bobinas Rogowski, las cuales, al igual que los BTC, presentan amplio ancho de banda adecuado para el registro de este tipo de señales, obteniendo de esta manera una función de transferencia basada en la impedancia eléctrica del sistema bajo prueba mediante la relación del voltaje y la corriente. El sistema de procesamiento utilizado actualmente para llevar las señales (voltaje/corriente) del dominio temporal al dominio espectral, es la transformada de Fourier.

El sistema tradicional de medida para IFRA on-line presenta actualmente algunos problemas mencionados a continuación:

1. El sistema de excitación considerado actualmente presenta la desventaja de que depende de la aleatoriedad de los eventos del sistema de potencia. Adicionalmente, la forma de la perturbación no está controlada, por lo que no se puede asegurar un contenido espectral suficiente. Por tanto, se ha identificado la necesidad de disponer de un sistema de inyección controlada de señales, en lugar del aprovechamiento de las señales no controladas presentes en el sistema. De esta forma se aseguraría una monitorización continua del estado de la maquina eléctrica y, lo que es aún más importante, se aseguraría la calidad de dichas señales con un contenido espectral adecuado.

2. El ruido en el sistema de potencia proviene de muchas fuentes indeseadas presentes de forma natural en un entorno muy energizado como es el de la máquina eléctrica en servicio, y se manifiesta significativamente en la medida tomada. Se ha identificado aquí la necesidad de filtrar la señal medida, de forma que sea posible discriminar la información propia de la máquina eléctrica respecto otros fenómenos presentes en el sistema.

3. En el momento de llevar las señales transitorias del dominio temporal al dominio espectral, se utiliza la transformada de Fourier como herramienta de procesamiento de señal, la cual presenta limitaciones para el análisis de este tipo de señales, dado que la estructura matemática está pensada para el análisis de señales estacionarias en régimen permanente. Hay que tener en cuenta que la naturaleza de las señales medidas ha de ser transitoria para poder contar con una riqueza armónica suficiente.

Por lo tanto, se han identificado limitaciones relevantes en las tres etapas que comprende el procedimiento IFRA on-line: Sistema de inyección, eliminación de ruido, y obtención adecuada del espectro a partir del análisis de señales transitorias. Una consecuencia de estas limitaciones es que, a pesar de que existen prototipos de medida desarrollados por algunos investigadores, aún las compañías del sector eléctrico no han puesto en marcha los prototipos en campo, dada la poca confiabilidad que se ha tenido con los sistemas propuestos.

Hasta el momento no se conoce en el estado de la técnica soluciones de inyección de señales controladas mediante la técnica del impulso (IFRA), al igual que el uso de la transformada Wavelet tanto para el filtrado como para el procesamiento de señal, dado que el

uso de un sistema externo para la inyección de pulsos controlados implica una electrónica compleja. Además las medidas de seguridad al conectar un sistema de baja potencia (sistema de inyección) con un equipo de alta tensión (máquina eléctrica bajo prueba) deben ser tenidas en cuenta.

En relación a técnicas matemáticas de procesamiento de señales, es bien conocida la transformada Wavelet u ondículas. Sin embargo, aún no ha sido aprovechado su verdadero potencial en el tratamiento de señales eléctricas en general, y para el método IFRA on-line en particular.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención objeto de esta patente constituye un sistema completo para la obtención de la respuesta en frecuencia de una maquina eléctrica, sin necesidad de desconexión, para su diagnóstico posterior (Figura 1), si bien la invención es completamente aplicable también en el caso de desconexión. Consta preferentemente, pero de forma no limitativa, de al menos: un bloque de inyección controlada de señales (4), un bloque de filtrado en el dominio tiempo- frecuencia basado preferentemente en la transformada Wavelet u ondículas (7), y un bloque de procesado en el dominio tiempo-frecuencia basado también preferentemente en la tranformada Wavelet u ondículas (8).

Para el filtrado de las señales eléctricas se hace necesario utilizar métodos avanzados, los cuales mejoran la calidad de los resultados. En la presente invención se propone la aplicación de la transformada wavelet en la modalidad del Análisis Multirresolución (MRA), el cual consiste en la construcción de bancos de filtros en codificación de subbandas de señales discretas, lo cual es una alternativa a los métodos clásicos, dado que no ha sido aplicado para la técnica IFRA on-line, convirtiéndose en una potente herramienta para el filtrado de señales. Este método permitiría de forma simultánea el filtrado de la señal de red (50/60 Hz) y la eliminación de ruido de fondo (ruido eléctrico), ambos presentes en el sistema de potencia, por lo que se eliminarían efectos no deseados en la medida FRA on-line.

La invención se refiere a un sistema electrónico externo dedicado específicamente a inyectar pulsos controlados, con una máquina eléctrica estática (transformador) conectada al sistema de potencia (on-line).

En el procesado para la obtención del contenido espectral de las señales, se propone emplear, al igual que en el filtrado, el uso de la transformada wavelet, debido a la versatilidad de su uso y como alternativa a la transformada de Fourier y sus derivados. La transformada wavelet permite un estudio en detalle tanto en el dominio del tiempo como el de la frecuencia, utilizando pequeñas ventanas temporales para altas frecuencias y grandes ventanas para bajas frecuencias. El uso de la transformada Wavelet ya se ha probado para el tratamiento de transitorios del sistema de potencia, análisis de descargas parciales y estudio espectral de señales armónicas.

Para que los resultados obtenidos ofrezcan certidumbre, es necesario disponer de repetitividad de la respuesta obtenida y que dicha respuesta coincida con la que se obtiene en la medida off-line (en deconexión). De esta manera, se verifica que el sistema IFRA on-line ofrece unas prestaciones con garantía suficiente como para hacer un buen diagnóstico de la máquina eléctrica.

Las principales ventajas del método propuesto objeto de la invención, son las siguientes:

Se evita desconectar la máquina eléctrica del sistema de potencia para hacer su diagnóstico. Esto se traduce en un incremento significativo de la productividad del sistema de potencia en general.

Control sobre la señal de inyección (pulsos controlados) necesaria para obtener suficiente contenido espectral de la máquina eléctrica bajo prueba. Para IFRA on- line supone una gran ventaja bajo dos puntos de vista: se dispone de la capacidad de decidir el momento exacto de inyección de la señal transitoria, y es posible garantizar la calidad armónica mediante el diseño del pulso de excitación...

1 - Sistema de obtención de la respuesta en frecuencia de máquinas eléctricas caracterizado porque consta de al menos un bloque de inyección controlada de señales, un bloque de filtrado en el dominio tiempo-frecuencia, y un bloque de procesado en el dominio tiempo-frecuencia.

2 - Sistema de obtención de la respuesta en frecuencia de máquinas eléctricas según la reivindicación 1 caracterizado porque la obtención de la respuesta en frecuencia se realiza cuando la máquina eléctrica está en funcionamiento, operación o conexión.

3 - Sistema de obtención de la respuesta en frecuencia de máquinas eléctricas según la reivindicación 1 caracterizado porque la obtención de la respuesta en frecuencia se realiza cuando la máquina eléctrica no está en funcionamiento, operación o conexión.

4 - Sistema de obtención de la respuesta en frecuencia de máquinas eléctricas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el bloque de inyección controlada de señales inyecta un pulso eléctrico controlado sobre la línea de flujo principal de potencia.

- Sistema de obtención de la respuesta en frecuencia de máquinas eléctricas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el bloque de filtrado en el dominio tiempo-frecuencia está basado en la transformada Wavelet u ondículas que extrae la respuesta temporal de la máquina eléctrica a partir de la respuesta temporal medida separándola de otras fuentes interferentes presentes, en la modalidad del Análisis Multirresolución (MRA) que se basa en la construcción de bancos de filtros en codificación de subbandas de señales discretas

6 - Sistema de obtención de la respuesta en frecuencia de máquinas eléctricas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el bloque de procesado en el dominio tiempo-frecuencia está basado en la transformada Wavelet u ondículas que extrae la respuesta temporal de la máquina eléctrica a partir de la respuesta temporal medida separándola de otras fuentes interferentes presentes.