Sistema d'excitació
Sistema d'excitació
Definició
El sistema d'excitació és un component crucial en les màquines síncrones, encarregat de proporcionar la corrent necessària al bobinat del rotor. En termes simples, està dissenyat per generar flux magnètic fent passar una corrent elèctrica pel bobinat de camp. Les característiques clau que defineixen un sistema d'excitació ideal inclouen una fiabilitat inquebrantable en tots els escenaris operatius, mecanismes de control senzills, facilitat de manteniment, estabilitat i una resposta transitòria ràpida.
La magnitud d'excitació requerida per a una màquina síncrona depèn de diversos factors, com ara la corrent de càrrega, el factor de potència de la càrrega i la velocitat de rotació de la màquina. Corrents de càrrega més grans, velocitats més baixes i factors de potència retardats requereixen un nivell d'excitació més alt dins del sistema.
En un sistema d'excitació, cada alternador sol tenir el seu propi exciter, que funciona com a generador. En un sistema d'excitació centralitzat, es fan servir dos o més exciters per subministrar energia a la barra de bus. Tot i que aquest enfocament centralitzat és econòmic, un defecte dins del sistema pot tenir un impacte prejudicial sobre els alternadors que operen a la central elèctrica.
Tipus de sistemes d'excitació
El sistema d'excitació es pot classificar principalment en diversos tipus, amb els tres següents sent els més importants: Sistema d'Excitació DC, Sistema d'Excitació AC i Sistema d'Excitació Estàtica. A més, hi ha subtipus com el Sistema d'Excitació del Rotor i el Sistema d'Excitació Sense Escovetes, que s'explicaran detalladament a continuació.
Sistema d'Excitació DC
El sistema d'excitació DC consta de dos exciters: l'exciter principal i l'exciter pilot. Un regulador automàtic de tensió (AVR) desempenya un paper fonamental en aquest sistema ajustant la sortida dels exciters. Aquest ajust té com objectiu controlar amb precisió la tensió terminal de sortida de l'alternador. La entrada d'un transformador de corrent a l'AVR serveix com a protecció, assegurant que la corrent de l'alternador estigui limitada en condicions de fallada.
Quan el tret de camp està en posició oberta, un resistor de descàrrega de camp es connecta a través del bobinat de camp. Atès el caràcter altament inductiu del bobinat de camp, aquest resistor és essencial per dissipar l'energia emmagatzemada, protegint així els components del sistema de possibles danys causats per tensions induïdes.
Sistema d'Excitació DC (Continuació)
Tant l'exciter principal com l'exciter pilot poden alimentar-se de dues maneres: o bé directament pel eix principal de la màquina síncrona o independentment per un motor extern. Els exciters accionats directament sovint són la opció preferida. Això és degut al fet que mantenen la integritat del sistema operatiu de la unitat, assegurant que el procés d'excitació no es veu afectat per interrupcions externes.
L'exciter principal sol tenir una tensió nominal d'aproximadament 400 volts, i la seva capacitat és aproximadament el 0,5% de la capacitat de l'alternador. No obstant això, en els turbo-alternadors, els problemes amb els exciters són relativament freqüents. Les altes velocitats de rotació d'aquestes màquines contribueixen a un augment de l'ús i desgast, fent que els exciters siguin més propensos a fallar. Per abordar això, s'instalen exciters accionats per motors separats com a unitats de reserva, preparades per assumir la funció en cas de qualsevol malfuncionament dels exciters principals.
Sistema d'Excitació AC
El sistema d'excitació AC integra un alternador i un pont rectificador de tiristors, tots dos acoblats directament a l'eix principal de l'alternador. L'exciter principal dins d'aquest sistema pot funcionar en dos modes: auto-excitació, on genera el seu propi camp magnètic per produir una sortida elèctrica, o excitació separada, que depèn d'una font d'energia externa per iniciar el procés d'excitació. El sistema d'excitació AC es pot dividir en dues categories distintes, cadascuna amb les seves pròpies característiques, que es exploraran amb més detall a continuació.
Sistema d'Excitació amb Tiristors Rotatoris
Com es mostra en la figura adjunta, el sistema d'excitació amb tiristors rotatoris disposa d'una secció rotativa ben definida, delimitada per una línia de punts. Aquest sistema consta d'un exciter AC, un camp fixe estacionari i un armatura rotativa. La sortida de l'exciter AC es rectifica mitjançant un circuit rectificador de pont de tiristors de ones completes. Aquesta sortida de corrent contínua convertida es proporciona al bobinat de camp de l'alternador principal, permetent la generació del camp magnètic necessari per a l'operació de l'alternador.
En el sistema d'excitació amb tiristors rotatoris, el bobinat de camp de l'alternador també s'alimenta mitjançant un circuit rectificador addicional. L'exciter és capaç d'establir la seva tensió utilitzant el seu flux magnètic residual. La unitat de subministrament d'energia, juntament amb el mecanisme de control del rectificador, genera senyals de disparo controlats amb precisió. En mode de funcionament automàtic, el senyal de tensió de l'alternador es mitja primer i després es compara directament amb el valor d'ajust de tensió establert per l'operador. En canvi, en mode de funcionament manual, la corrent d'excitació de l'alternador es compara amb una referència de tensió ajustada manualment separatament.
Sistema d'Excitació Sense Escovetes
El sistema d'excitació sense escovetes es mostra en la figura següent, amb els seus components rotatius clarament inclosos dins d'un rectangle de línia de punts. Aquest sistema sofisticat consta d'un alternador, un rectificador, un exciter principal i un generador alternador de magnet permanent. Tant l'exciter principal com l'exciter pilot són accionats per l'eix principal de la màquina. L'exciter principal té un camp fixe estacionari i un armatura rotatiu. La sortida de l'armatura rotatiu es connecta directament, a través de rectificadors de silici, al bobinat de camp de l'alternador principal, assegurant una transferència elèctrica fluida i sense escovetes per a propòsits d'excitació.
L'exciter pilot és un generador de magnet permanent accionat per l'eix. Disposa de magnets permanents rotatius fixats a l'eix i un armatura estacionari trifàsic. Aquest armatura subministra energia al camp de l'exciter principal a través de rectificadors de silici, contribuint finalment a l'excitació de l'alternador principal. A més, en una altra configuració, l'exciter pilot, encara un generador de magnet permanent accionat per l'eix, utilitza ponts de tiristors trifàsics de ones completes controlats en fase per alimentar l'exciter principal.
El sistema d'excitació sense escovetes ofereix diverses avantatges notables. Eliminant l'ús de commutadors, colectors i escovetes, reduix significativament els requisits de manteniment. També té una constant de temps molt curta, amb un temps de resposta inferior a 0,1 segons. Aquesta constant de temps curta millora el rendiment dinàmic de petits senyals del sistema, permetent-li respondre més ràpidament i amb més precisió a petites pertorbacions elèctriques. A més, simplifica la integració de senyals de stabilització suplementaris del sistema d'energia, que són crucials per mantenir la estabilitat de la xarxa.
Sistema d'Excitació Estàtica
En el sistema d'excitació estàtica, el subministrament elèctric es deriva directament de l'alternador. Això s'aconsegueix mitjançant un transformador de reducció trifàsic connectat en estrella/triangle. El bobinat primari d'aquest transformador es lliga a la barra de l'alternador, mentre que el bobinat secundari serveix múltiples funcions. Subministra energia al rectificador, que converteix la corrent alternada en corrent contínua per a propòsits d'excitació. A més, proporciona energia elèctrica al circuit de control de la xarxa i a altres equips elèctrics associats, assegurant el funcionament fluid del sistema complet d'excitació i control.
El sistema d'excitació estàtica presenta un temps de resposta impressionantament curt, permetent-li reaccionar ràpidament als canvis en les condicions elèctriques. Aquesta respostabilitat ràpida, a la vegada, confereix un rendiment dinàmic excel·lent, permetent al sistema mantenir una operació estable fins i tot sota càrregues fluctuants i exigències elèctriques variables.
Una de les principals avantatges d'aquest sistema resideix en la seva capacitat per reduir significativament els costos d'operació. Eliminant els exciters tradicionals, elimina les pèrdues de ventilació—l'energia dissipada a causa de la fricció entre les parts movents i l'aire ambient. A més, sense la necessitat de manteniment regular dels bobinats dels exciters, els gastos de manteniment es redueixen substancialment. Aquests elements d'estalvi de costos fan del sistema d'excitació estàtica una opció econòmicament atractiva per a una àmplia gamma d'aplicacions.
