Sistema de Excitación
Sistema de Excitación
Definición
Un sistema de excitación es un componente crucial en máquinas síncronas, encargado de suministrar la corriente de campo necesaria al devanado del rotor. En términos sencillos, está diseñado para generar flujo magnético al pasar una corriente eléctrica a través del devanado de campo. Las características clave que definen un sistema de excitación ideal incluyen una confiabilidad inquebrantable en todos los escenarios operativos, mecanismos de control sencillos, facilidad de mantenimiento, estabilidad y una respuesta transitoria rápida.
La magnitud de la excitación requerida por una máquina síncrona depende de varios factores, como la corriente de carga, el factor de potencia de la carga y la velocidad de rotación de la máquina. Corrientes de carga más altas, velocidades más bajas y factores de potencia rezagados requieren un nivel de excitación más alto dentro del sistema.
En un sistema de excitación, cada alternador suele tener su propio excitador, que funciona como un generador. En un sistema de excitación centralizado, se utilizan dos o más excitadores para suministrar energía a la barra colectora. Aunque este enfoque centralizado es económico, un fallo en el sistema puede tener un impacto perjudicial en los alternadores que operan en la planta de energía.
Tipos de Sistema de Excitación
El sistema de excitación se puede clasificar principalmente en varios tipos, siendo los siguientes tres los más significativos: Sistema de Excitación DC, Sistema de Excitación AC y Sistema de Excitación Estática. Además, existen subtipos como el Sistema de Excitación del Rotor y el Sistema de Excitación sin Cepillos, que se detallarán a continuación.
Sistema de Excitación DC
El sistema de excitación DC consta de dos excitadores: un excitador principal y un excitador piloto. Un regulador automático de voltaje (AVR) juega un papel crucial en este sistema al ajustar la salida de los excitadores. Este ajuste tiene como objetivo controlar con precisión la tensión de terminal de salida del alternador. La entrada desde un transformador de corriente al AVR sirve como una medida de seguridad, asegurando que la corriente del alternador se limite durante condiciones de fallo.
Cuando el interruptor de campo está en posición abierta, se conecta un resistor de descarga de campo a través del devanado de campo. Dada la naturaleza altamente inductiva del devanado de campo, este resistor es esencial para disipar la energía almacenada, protegiendo así los componentes del sistema de posibles daños debido a las tensiones inducidas.
Sistema de Excitación DC (Continuación)
Tanto el excitador principal como el piloto pueden alimentarse de dos maneras: directamente por el eje principal de la máquina síncrona o independientemente por un motor externo. Los excitadores accionados directamente son a menudo la opción preferida. Esto se debe a que mantienen la integridad del sistema operativo de la unidad, asegurando que el proceso de excitación no se vea afectado por interrupciones externas.
El excitador principal generalmente tiene una tensión nominal de aproximadamente 400 voltios, y su capacidad es aproximadamente el 0.5% de la capacidad del alternador. Sin embargo, en turbogeneradores, los problemas con los excitadores son relativamente comunes. Las altas velocidades de rotación de estas máquinas contribuyen a un mayor desgaste, lo que hace que los excitadores sean más propensos a fallar. Para abordar esto, se instalan excitadores accionados por motores separados como unidades de respaldo, listas para tomar el control en caso de cualquier fallo de los excitadores principales.
Sistema de Excitación AC
El sistema de excitación AC integra un alternador y un puente rectificador de tiristores, ambos acoplados directamente al eje principal del alternador. El excitador principal dentro de este sistema puede operar en dos modos: autoexcitación, donde genera su propio campo magnético para producir la salida eléctrica, o excitación separada, que depende de una fuente de alimentación externa para iniciar el proceso de excitación. El sistema de excitación AC se puede dividir en dos categorías distintas, cada una con sus propias características únicas, que se explorarán en detalle a continuación.
Sistema de Excitación con Tiristores Rotatorios
Como se ilustra en la figura adjunta, el sistema de excitación con tiristores rotatorios presenta una sección rotativa claramente definida, delimitada por una línea de trazos. Este sistema consta de un excitador AC, un campo estacionario y un armazón rotatorio. La salida del excitador AC se rectifica a través de un circuito rectificador de puente de tiristores de onda completa. Esta salida de corriente directa convertida se suministra al devanado de campo del alternador principal, permitiendo la generación del campo magnético necesario para la operación del alternador.
En el sistema de excitación con tiristores rotatorios, el devanado de campo del alternador también se alimenta a través de un circuito rectificador adicional. El excitador es capaz de establecer su tensión aprovechando su flujo magnético residual. La unidad de suministro de energía, junto con el mecanismo de control del rectificador, genera señales de disparo controladas con precisión. En el modo de operación automático, la señal de tensión del alternador se promedia primero y luego se compara directamente con el valor de ajuste de tensión establecido por el operador. Por el contrario, en el modo de operación manual, la corriente de excitación del alternador se compara con una referencia de tensión ajustada manualmente.
Sistema de Excitación sin Cepillos
El sistema de excitación sin cepillos se muestra en la figura a continuación, con sus componentes rotativos claramente encerrados en un rectángulo de líneas de trazos. Este sofisticado sistema consta de un alternador, un rectificador, un excitador principal y un alternador generador de imanes permanentes. Tanto el excitador principal como el piloto son accionados por el eje principal de la máquina. El excitador principal tiene un campo estacionario y un armazón rotatorio. La salida del armazón rotatorio se conecta directamente, a través de rectificadores de silicio, al devanado de campo del alternador principal, asegurando una transferencia de energía eléctrica sin cepillos para fines de excitación.
El excitador piloto es un generador de imanes permanentes accionado por el eje. Tiene imanes permanentes rotatorios fijados al eje y un armazón estacionario trifásico. Este armazón suministra energía al campo del excitador principal a través de rectificadores de silicio, contribuyendo finalmente a la excitación del alternador principal. Además, en otra configuración, el excitador piloto, aún un generador de imanes permanentes accionado por el eje, utiliza puentes de tiristores trifásicos de onda completa controlados por fase para alimentar el excitador principal.
El sistema de excitación sin cepillos ofrece varias ventajas notables. Al eliminar el uso de colectores, retenedores y cepillos, reduce significativamente los requisitos de mantenimiento. También tiene una constante de tiempo muy corta, con un tiempo de respuesta inferior a 0.1 segundos. Esta corta constante de tiempo mejora el rendimiento dinámico de pequeña señal del sistema, permitiéndole responder más rápidamente y con mayor precisión a pequeñas perturbaciones eléctricas. Además, simplifica la integración de señales de estabilización suplementarias del sistema de potencia, que son cruciales para mantener la estabilidad de la red.
Sistema de Excitación Estática
En el sistema de excitación estática, el suministro eléctrico se deriva directamente del alternador. Esto se logra a través de un transformador de reducción trifásico conectado en estrella/delta. El devanado primario de este transformador está conectado a la barra del alternador, mientras que el devanado secundario cumple múltiples funciones. Suministra energía al rectificador, que convierte la corriente alterna en corriente directa para fines de excitación. Además, proporciona energía eléctrica al circuito de control de la red y otros equipos eléctricos asociados, asegurando el funcionamiento fluido de todo el sistema de excitación y control.
El sistema de excitación estática destaca por su tiempo de respuesta impresionantemente corto, lo que le permite reaccionar rápidamente a los cambios en las condiciones eléctricas. Esta rápida respuesta, a su vez, confiere un excelente rendimiento dinámico, permitiendo al sistema mantener una operación estable incluso bajo cargas fluctuantes y demandas eléctricas variables.
Una de las principales ventajas de este sistema radica en su capacidad para reducir significativamente los costos de operación. Al prescindir de los excitadores tradicionales, elimina las pérdidas por arrastre—la energía disipada debido a la fricción entre las partes móviles y el aire circundante. Además, sin la necesidad de un mantenimiento regular de los devanados de los excitadores, los gastos de mantenimiento se reducen sustancialmente. Estas características de ahorro de costos hacen que el sistema de excitación estática sea una opción económicamente atractiva para una amplia gama de aplicaciones.
