Finite element method applied to magnetic flux analysis in large synchronous machines with short circuit faults in the rotor

Método de los elementos finitos aplicado al análisis del flujo magnético en grandes máquinas síncronas con fallos de cortocircuito en el rotor

Este artículo presenta un estudio sobre la densidad de flujo magnético en una máquina síncrona de gran tamaño cuando está funcionando como generador. Se ha utilizado un software de elementos finitos para simular las características físicas y eléctricas de la máquina real. Los resultados de estas simulaciones ayudan a encontrar los puntos óptimos para colocar sensores de flujo magnético, lo que permite detectar cortocircuitos en las bobinas del rotor. Estos resultados también sirven como referencia para evaluar y comparar las magnitudes medidas por los sensores sin crear cortocircuitos en la bobina de la máquina real. Además, el modelo propuesto basado en elementos finitos puede utilizarse para realizar pruebas de simulación de nuevos tipos de sensores. En resumen, este estudio proporciona información crucial para el diseño y la implementación de sistemas de monitorización y diagnóstico en máquinas síncronas de gran tamaño.

INTRODUCCIÓN

Debido a la necesidad mundial de sistemas de gestión de energía más eficientes y confiables, se ha incrementado la investigación sobre generadores síncronos para mejorar su rendimiento y detectar fallas que puedan provocar paradas no planificadas, lo que provoca un amplio tiempo de indisponibilidad de la máquina y un alto costo de mantenimiento.

La peculiaridad de la máquina síncrona (SM) es que gira a velocidad constante en estado estacionario. A diferencia de las máquinas de inducción, el campo magnético y el rotor giran en el SM a la misma velocidad, llamada velocidad síncrona ( 1 . Además de usarse en grandes centrales eléctricas, los generadores síncronos también se utilizan para generar electricidad en pequeñas plantas y los generadores de emergencia instalados en industrias, hospitales, aeropuertos y otros, en este caso el generador no está conectado a un sistema eléctrico extenso sino que funciona de manera soleada 2. Los SM se utilizan en la mayoría de los sistemas de generación de energía eléctrica en todo el mundo y su funcionamiento puede afectar la confiabilidad y estabilidad del sistema de energía eléctrica. Los SM son considerados uno de los elementos principales del sistema de energía, y fallas por cortocircuito en el devanado del rotor pueden causar un aumento de temperatura y vibraciones en el rotor, así como variación en la voltaje de salida. Estas fallas son difíciles de detectar mediante mediciones simples de voltaje y corriente o análisis de vibración. Se deben analizar variables SM adicionales, como la densidad de flujo magnético dentro de la máquina, para diagnosticar este tipo de falla 3 .