Qué es un sistema de excitación : Tipos y sus elementos

El primer sistema de excitación fue desarrollado en 1971 por Kinte Industrial Co. Ltd. Algunos de los sistemas de excitación y proveedores de excitadores son Acoustical surfaces, Spincore Technologies, Mitsubishi Electric Power Products, DirectMed Parts, Basler Electric Co. Este sistema se utiliza para suministrar corriente continua o CC a las máquinas síncronas. Los excitadores de c.c., los excitadores de c.a., los circuitos de detección o procesamiento de señales, los amplificadores electrónicos, los rectificadores y los circuitos de retroalimentación de estabilización del sistema de excitación son los elementos básicos de los diferentes sistemas de excitación. En este artículo se explican los distintos tipos de sistemas de excitación, sus elementos, ventajas e inconvenientes.

¿Qué es un sistema de excitación?

Definición: Sistema que suministra corriente continua al devanado de campo de la máquina síncrona para realizar las funciones de protección y control del sistema eléctrico. Este sistema consta de excitador, PSS (Estabilizador del Sistema de Potencia), AVR (Regulador Automático de Tensión), unidad de procesamiento y elementos de medición. La corriente que proporciona este sistema es la corriente de excitación. Los valores de entrada de este sistema se obtienen utilizando los elementos de medición, ya que el devanado de campo del excitador del generador es la fuente de energía eléctrica y el circuito regulador de tensión autónomo realiza el control de la corriente de excitación, el estabilizador PSS se utiliza para producir señales adicionales en el bucle de control.

Tipos de sistemas de excitación

La clasificación del sistema de excitación se muestra en la siguiente figura.

Sistema de excitación de CC

El sistema de CC (corriente continua) consta de dos tipos de excitadores: el excitador principal y el excitador piloto. La salida del excitador se ajusta mediante el regulador automático de tensión para controlar la tensión del terminal de salida del alternador. A través del devanado de campo, se conecta la resistencia de descarga de campo cuando el interruptor de campo está abierto. Estos dos excitadores del sistema de corriente continua pueden ser accionados por el motor o por el eje principal. La tensión nominal del excitador principal es de unos 400 V. A continuación se muestra la figura del sistema de corriente continua.

Ventajas

Las ventajas del sistema de CC son

• Más fiable
• De tamaño compacto

Desventajas

Las desventajas del sistema de CC son

• Gran tamaño
• La regulación de la tensión era compleja
• Respuesta muy lenta

Sistema de excitación de CA

El sistema de corriente alterna consta de un puente rectificador tiristorizado y un alternador que se conectan directamente al eje principal. El excitador principal de un sistema de corriente alterna se excita por separado o se autoexcita. Este sistema se clasifica en dos tipos: sistema de rotor o sistema de tiristores rotativos. La clasificación del sistema de corriente alterna se muestra en la siguiente figura.

Sistema de tiristores rotativos

A continuación se muestra la figura del sistema de tiristores rotativos o rotores. La parte giratoria consta de un rectificador de campo del alternador, un circuito rectificador, una fuente de alimentación y un excitador de corriente alterna o CA. La señal de activación controlada es generada por la fuente de alimentación y el control del rectificador.

Ventajas

Las ventajas del sistema de tiristores rotativos son

• Respuesta rápida
• Simple
• Bajo coste

Desventajas

La principal desventaja es que la tasa de respuesta del tiristor es muy baja

Sistema sin escobillas

El estator y el rotor son los componentes principales del sistema de alternador sin escobillas. El cuerpo del estator está formado por el estator principal y un estator excitador, mientras que el conjunto del rotor está formado por el rotor principal y el rotor excitador, junto con un conjunto de rectificador en puente montado en una placa fijada al rotor.

El estator del excitador tiene un magnetismo residual cuando el rotor empieza a girar se genera una salida de CA (corriente alterna) en las bobinas del rotor del excitador y esta salida pasa por un puente rectificador. La salida que pasa por un puente rectificador se convierte en CC (corriente continua) y se entrega al rotor principal. El rotor principal en movimiento genera CA en las bobinas estacionarias del rotor principal.

El excitador desempeña un papel fundamental en el control de la potencia del alternador. La corriente de magnetización de CC suministrada al rotor, que es el campo del alternador principal, por lo que si aumentamos o disminuimos la cantidad de corriente a las bobinas del campo del excitador estacionario, la potencia del alternador principal puede variar. El sistema sin escobillas se muestra en la siguiente figura.

Al generador síncrono, el sistema sin escobillas le proporciona corriente de campo sin utilizar el anillo deslizante ni las escobillas de carbón. El sistema de excitación sin escobillas se acopla a un eje rotor con 16 PMG (excitador de imanes permanentes) y a un excitador principal trifásico con un rectificador de diodos de silicio. El excitador de imanes permanentes produce una alimentación de 400 Hz y 220 V de CA.

El eje del rotor principal del alternador se acopla al circuito del excitador sin escobillas, sin anillos rozantes y a través de los cables del rotor. La salida principal del excitador está conectada al puente SCR en el eje hueco, mientras que el excitador de imán permanente y el excitador principal están conectados al eje macizo.

Ventajas

Las ventajas del sistema sin escobillas son

• La fiabilidad es excelente
• La flexibilidad de funcionamiento es buena
• Las respuestas del sistema son buenas
• No hay ningún contacto móvil en el sistema sin escobillas, por lo que el mantenimiento es bajo

Desventajas

Las desventajas del sistema sin escobillas son

• La respuesta es lenta
• No hay desexcitación rápida

Sistema estático

Este sistema consta de transformadores rectificadores, etapa de salida SCR, equipo de arranque de excitación y descarga de campo, y circuitos de regulación y control operativo. En este sistema, no hay ninguna parte giratoria, por lo que no hay pérdidas de viento ni de rotación. En este sistema, la salida trifásica del alternador principal se transfiere al transformador reductor y el sistema es más económico en alternadores pequeños de menos de 500 MVA. El sistema estático se muestra en la siguiente figura.

Ventajas

Las ventajas del sistema estático son

• La fiabilidad es buena
• La flexibilidad de funcionamiento es muy buena
• Las respuestas del sistema son excelentes
• De tamaño reducido
• Baja pérdida
• Simple
• Alto rendimiento

Desventajas

Las principales desventajas del sistema estático son: requiere un anillo deslizante y un cepillo

Elementos y señales del sistema de excitación

El diagrama de bloques general del sistema de control de la máquina síncrona se muestra en la siguiente figura. La figura consta de cinco bloques, que son el bloque de elementos de control, el bloque de excitación, el transductor de tensión en bornes y el compensador de carga, la máquina síncrona y el sistema de potencia, y el estabilizador del sistema de potencia y el control de excitación discontinuo suplementario.

Donde EFD es la tensión de campo de la máquina síncrona o la tensión de salida del excitador, IFD es la corriente de campo de la máquina síncrona o la corriente de salida del excitador, IT es el fasor de corriente terminal de la máquina síncrona, VC es la salida del transductor de tensión terminal, VOEL es la salida del limitador de sobreexcitación, VR es la salida del regulador de tensión, VS es la salida del estabilizador del sistema de potencia, VSI es la entrada del estabilizador del sistema de potencia, VREF es la tensión de referencia del regulador de tensión y VUEL es la salida del limitador de subexcitación.

Preguntas frecuentes

1). ¿Cuál es la tensión de excitación?

Es una cantidad de tensión necesaria para excitar la bobina de campo y la tensión varía según el control del rectificador. La tensión alterna y la tensión continua son los dos tipos de tensión de excitación.

2). ¿Por qué se utiliza la CC para la excitación?

La corriente eléctrica sólo se produce cuando el hilo gira en un campo magnético constante que se obtiene sólo con una tensión de corriente continua (CC), por lo que se aplica una tensión de CC a una bobina para obtener el campo magnético constante.

3). ¿Por qué los generadores necesitan excitación?

La excitación es necesaria para que el generador cree un campo magnético y proporcione un campo magnético giratorio constante o fijo o estacionario.

4). ¿Qué ocurre cuando los generadores pierden la excitación?

La corriente del rotor disminuye cuando el generador pierde la excitación y, por la constante de tiempo del campo, la tensión del campo también decae.

5). ¿Por qué necesitamos un sistema de excitación para los alternadores?

Este sistema es necesario para que un alternador controle la tensión y la potencia reactiva del alternador o generador síncrono.

En este artículo, el diferentes tipos de sistemas de excitaciónse discuten las ventajas y desventajas del sistema. Aquí tienes una pregunta para ti: ¿qué es el excitador piloto en el sistema de excitación de corriente continua?