Sistema de Excitación

Sistema de Excitación

Definición

O sistema de excitación é un compoñente crucial nas máquinas síncronas, encargado de suministrar a corrente de campo necesaria para o devanado do rotor. En resumo, está deseñado para xerar fluxo magnético pasando corrente eléctrica polo devanado de campo. As características clave que definen un sistema de excitación ideal inclúen unha fiabilidade inquebrantable en todas as situacións operativas, mecanismos de control sinxelos, facilidade de manutención, estabilidade e unha rápida resposta transitoria.

A magnitude da excitación demandada por unha máquina síncrona depende de varios factores, nomeadamente a corrente de carga, o factor de potencia de carga e a velocidade de rotación da máquina. Correntes de carga maiores, velocidades máis baixas e factores de potencia retrasados requirén un nivel de excitación maior no sistema.

Nunha configuración de excitación, cada alternador xeralmente ten o seu propio excitador, que funciona como un xerador. Nuns sistemas de excitación centralizados, empreganse dous ou máis excitadores para suministrar enerxía á barra de barramento. Aínda que esta aproximación centralizada é económica, un fallo no sistema pode ter un impacto pernicioso nos alternadores que operan na central eléctrica.

Tipos de Sistema de Excitación

O sistema de excitación pode categorizarse principalmente en varios tipos, sendo os seguintes tres os máis significativos: Sistema de Excitación DC, Sistema de Excitación AC e Sistema de Excitación Estático. Ademais, hai subtipos como o Sistema de Excitación do Rotor e o Sistema de Excitación Sen Escovas, que se detallarán a continuación.

Sistema de Excitación DC

O sistema de excitación DC consta de dous excitadores: un excitador principal e un excitador auxiliar. Un regulador automático de tensión (AVR) desempeña un papel fundamental neste sistema ao axustar a saída dos excitadores. Este axuste ten como obxectivo controlar precisamente a tensión terminal de saída do alternador. A entrada dun transformador de corrente ao AVR actúa como unha medida de seguridade, asegurando que a corrente do alternador estea limitada en condicións de fallo.

Cando o interruptor de campo está na posición aberta, conectase un resistor de descarga de campo a través do devanado de campo. Dada a natureza altamente inductiva do devanado de campo, este resistor é esencial para disipar a enerxía almacenada, protexendo así os componentes do sistema de posibles danos debido a voltaxes inducidos.

Sistema de Excitación DC (Continuación)

Ambos, o excitador principal e o auxiliar, poden alimentarse de dúas formas: directamente polo eixo principal da máquina síncrona ou independentemente por un motor externo. Os excitadores accionados directamente son a opción preferida. Isto é porque mantén a integridade do sistema operativo da unidade, asegurando que o proceso de excitación permanezca inalterado por perturbacións externas.

O excitador principal xeralmente ten unha tensión nominal de aproximadamente 400 volts, e a súa capacidade é aproximadamente o 0,5% da capacidade do alternador. Nos turbogeneradores, no entanto, os problemas con os excitadores son relativamente comúns. As altas velocidades de rotación destas máquinas contribúen ao aumento do desgaste, facendo que os excitadores sexan máis propensos a fallar. Para abordar isto, instálanse excitadores accionados por motores separados como unidades de reserva, listos para tomar o control en caso de calquera fallo dos excitadores principais.

Sistema de Excitación AC

O sistema de excitación AC integra un alternador e un puente rectificador de tiristores, ambos acoplados directamente ao eixo principal do alternador. O excitador principal dentro deste sistema pode funcionar en dous modos: autoexcitación, onde xera o seu propio campo magnético para producir saída eléctrica, ou excitación separada, que depende dunha fonte de enerxía externa para iniciar o proceso de excitación. O sistema de excitación AC pode dividirse ademais en dúas categorías distintas, cada unha coas súas propias características únicas, que se explorarán con maior detalle a continuación.

Sistema de Excitación con Tiristores Rotativos

Como ilustra a figura acompañante, o sistema de excitación con tiristores rotativos presenta unha sección rotativa claramente definida, delimitada por unha liña de trazos. Este sistema consta dun excitador AC, un campo estacionario e un armadura rotativo. A saída do excitador AC pasa por un circuito rectificador de ponte de tiristores de onda completa. Esta saída convertida en corrente continua entón se suministra ao devanado de campo do alternador principal, permitindo a xeración do campo magnético necesario para a operación do alternador.

No sistema de excitación con tiristores rotativos, o devanado de campo do alternador tamén se alimenta a través dun circuito rectificador adicional. O excitador é capaz de establecer a súa tensión aproveitando o seu flujo magnético residual. A unidade de fornecemento de enerxía, xunto co mecanismo de control do rectificador, xera sinais de disparo controlados con precisión. No modo de funcionamento automático, o sinal de tensión do alternador primeiro se media e logo se compara directamente co valor de axuste de tensión fixado polo operador. Por outro lado, no modo manual de funcionamento, a corrente de excitación do alternador compárase con unha referencia de tensión axustada manualmente.

Sistema de Excitación Sen Escovas

O sistema de excitación sen escovas está representado na figura a continuación, con os seus componentes rotativos claramente encerrados nun rectángulo de liñas de trazos. Este sofisticado sistema consta dun alternador, un rectificador, un excitador principal e un xerador alternador de imanes permanentes. Tanto o excitador principal como o auxiliar son accionados polo eixo principal da máquina. O excitador principal ten un campo estacionario e un armadura rotativo. A saída do armadura rotativo conectase directamente, a través de rectificadores de silicio, ao devanado de campo do alternador principal, asegurando unha transferencia eléctrica sinxela e sen escovas para fins de excitación.

O excitador auxiliar é un xerador de imanes permanentes accionado polo eixo. Dispón de imanes permanentes fixados ao eixo e un armadura estacionario trifásico. Este armadura fornece enerxía ao campo do excitador principal a través de rectificadores de silicio, contribuíndo finalmente á excitación do alternador principal. Ademais, noutra configuración, o excitador auxiliar, aínda un xerador de imanes permanentes accionado polo eixo, utiliza puentes de tiristores trifásicos de onda completa controlados por fase para alimentar o excitador principal.

O sistema de excitación sen escovas ofrece varias vantaxes notables. Ao eliminar o uso de conmutadores, colectores e escovas, reduce significativamente os requisitos de manutención. Tamén ten unha constante de tempo moi curta, con un tempo de resposta inferior a 0,1 segundos. Esta constante de tempo curta mellora o rendemento dinámico de pequenas señales do sistema, permitindo-lle responder de xeito máis rápido e preciso a pequenas perturbacións eléctricas. Ademais, simplifica a integración de señales estabilizadores adicionais do sistema de enerxía, que son cruciais para manter a estabilidade da rede.

Sistema de Excitación Estático

No sistema de excitación estático, o suministro eléctrico derívase directamente do alternador. Isto lográselle a través dun transformador de redución trifásico conectado en estrela/triángulo. O devanado primario deste transformador está ligado ao bus do alternador, mentres que o devanado secundario cumpre múltiples funcións. Fornece enerxía ao rectificador, que converte a corrente alternada en corrente continua para fins de excitación. Ademais, proporciona enerxía eléctrica ao circuito de control da rede e a outros equipos eléctricos asociados, asegurando o funcionamento sinxelo de todo o sistema de excitación e control.

O sistema de excitación estático ten un tempo de resposta impresionantemente curto, permitíndolle reaccionar rapidamente aos cambios nas condicións eléctricas. Esta rápida respuesta, a su vez, confiere un rendemento dinámico excelente, permitindo que o sistema mantenga un funcionamento estable incluso baixo cargas fluctuantes e demandas eléctricas variables.

Unha das principais vantaxes deste sistema reside na súa capacidade de reducir significativamente os custos de operación. Ao eliminar os excitadores tradicionais, elimina as perdas de arrastre—la enerxía disipada debido á fricción entre as partes móbeis e o aire circundante. Ademais, sen a necesidade de manutención regular dos devanados de excitadores, os gastos de manutención diminúense substancialmente. Estas características de aforro de custos fan do sistema de excitación estático unha opción económicamente atractiva para un amplio rango de aplicacións.