Sistema di eccitazione
Sistema di eccitazione
Definizione
Un sistema di eccitazione è un componente cruciale nelle macchine sincrone, incaricato di fornire la corrente di campo necessaria all'avvolgimento del rotore. In parole povere, è progettato per generare flusso magnetico facendo passare una corrente elettrica attraverso l'avvolgimento del campo. Le caratteristiche chiave che definiscono un sistema di eccitazione ideale includono affidabilità costante in tutte le situazioni operative, meccanismi di controllo semplici, facilità di manutenzione, stabilità e risposta transitoria rapida.
L'entità dell'eccitazione richiesta da una macchina sincrona dipende da vari fattori, come la corrente di carico, il fattore di potenza del carico e la velocità di rotazione della macchina. Correnti di carico più elevate, velocità inferiori e fattori di potenza sfasati richiedono un livello maggiore di eccitazione nel sistema.
In un impianto di eccitazione, ogni alternatore ha generalmente il proprio eccitatore, che funziona come un generatore. In un sistema di eccitazione centralizzato, vengono utilizzati due o più eccitatori per alimentare la barra di distribuzione. Sebbene questo approccio centralizzato sia economico, un guasto nel sistema può avere un impatto negativo sugli alternatori in funzione nella centrale elettrica.
Tipi di sistema di eccitazione
Il sistema di eccitazione può essere principalmente suddiviso in diversi tipi, con i seguenti tre che sono i più significativi: Sistema di eccitazione a corrente continua (CC), Sistema di eccitazione a corrente alternata (CA) e Sistema di eccitazione statico. Inoltre, esistono sottotipi come il Sistema di eccitazione del rotore e il Sistema di eccitazione senza spazzole, che saranno descritti in dettaglio di seguito.
Sistema di eccitazione a corrente continua (CC)
Il sistema di eccitazione a corrente continua comprende due eccitatori: un eccitatore principale ed un eccitatore pilota. Un regolatore automatico di tensione (AVR) svolge un ruolo fondamentale in questo sistema regolando l'uscita degli eccitatori. Questo aggiustamento mira a controllare con precisione la tensione terminale di uscita dell'alternatore. L'ingresso dal trasformatore di corrente all'AVR funge da salvaguardia, assicurando che la corrente dell'alternatore sia limitata in caso di guasti.
Quando l'interruttore del campo si trova in posizione aperta, un resistore di scarico del campo viene collegato attraverso l'avvolgimento del campo. Data la natura altamente induttiva dell'avvolgimento del campo, questo resistore è essenziale per dissipare l'energia accumulata, proteggendo così i componenti del sistema da possibili danni dovuti alle tensioni indotte.
Sistema di eccitazione a corrente continua (CC) (Continuazione)
Entrambi gli eccitatori principale e pilota possono essere alimentati in due modi: o direttamente dall'albero motore della macchina sincrona o indipendentemente da un motore esterno. Gli eccitatori azionati direttamente sono spesso la scelta preferita. Ciò è dovuto al fatto che mantengono l'integrità del sistema operativo dell'unità, assicurando che il processo di eccitazione rimanga inalterato da interruzioni esterne.
L'eccitatore principale ha solitamente una tensione nominale di circa 400 volt e la sua capacità è approssimativamente dello 0,5% della capacità dell'alternatore. Tuttavia, nei turbo-alternatori, i problemi con gli eccitatori sono piuttosto comuni. Le alte velocità di rotazione di queste macchine contribuiscono a un aumento dell'usura, rendendo gli eccitatori più soggetti a guasti. Per affrontare questo problema, vengono installati eccitatori azionati separatamente da un motore come unità di riserva, pronti a intervenire in caso di malfunzionamento degli eccitatori primari.
Sistema di eccitazione a corrente alternata (CA)
Il sistema di eccitazione a corrente alternata integra un alternatore e un ponte raddrizzatore a tiristori, entrambi direttamente accoppiati all'albero motore principale dell'alternatore. L'eccitatore principale all'interno di questo sistema può operare in due modalità: autoeccitazione, dove genera il proprio campo magnetico per produrre un'uscita elettrica, o eccitazione separata, che si basa su una fonte di alimentazione esterna per avviare il processo di eccitazione. Il sistema di eccitazione a corrente alternata può essere ulteriormente diviso in due categorie distinte, ciascuna con le proprie caratteristiche uniche, che saranno esplorate in dettaglio di seguito.
Sistema di eccitazione a tiristori rotanti
Come illustrato nella figura allegata, il sistema di eccitazione a tiristori rotanti presenta una sezione rotante ben definita, delimitata da una linea tratteggiata. Questo sistema comprende un eccitatore CA, un campo stazionario e un armatura rotante. L'uscita dall'eccitatore CA viene rettificata attraverso un circuito raddrizzatore a tiristori a onda completa. Questa uscita a corrente continua convertita viene quindi fornita all'avvolgimento del campo dell'alternatore principale, consentendo la generazione del campo magnetico necessario per il funzionamento dell'alternatore.
Nel sistema di eccitazione a tiristori rotanti, l'avvolgimento del campo dell'alternatore è anche alimentato tramite un circuito raddrizzatore aggiuntivo. L'eccitatore è in grado di stabilire la sua tensione sfruttando il suo flusso magnetico residuo. L'unità di alimentazione, in combinazione con il meccanismo di controllo del raddrizzatore, genera segnali di trigger controllati con precisione. Nella modalità di funzionamento automatico, il segnale di tensione dell'alternatore viene prima mediato e poi confrontato direttamente con il valore di regolazione della tensione impostato dall'operatore. Al contrario, nella modalità manuale, la corrente di eccitazione dell'alternatore viene confrontata con un riferimento di tensione regolato manualmente.
Sistema di eccitazione senza spazzole
Il sistema di eccitazione senza spazzole è rappresentato nella figura sottostante, con i suoi componenti rotanti chiaramente racchiusi in un rettangolo tratteggiato. Questo sofisticato sistema comprende un alternatore, un raddrizzatore, un eccitatore principale e un alternatore generatore a magnete permanente. Entrambi gli eccitatori principale e pilota sono azionati dall'albero motore principale della macchina. L'eccitatore principale presenta un campo stazionario e un armatura rotante. L'uscita dell'armatura rotante è collegata direttamente, attraverso raddrizzatori a silicio, all'avvolgimento del campo dell'alternatore principale, garantendo un trasferimento di energia elettrica per scopi di eccitazione senza spazzole e fluido.
L'eccitatore pilota è un generatore a magnete permanente azionato dall'albero. Presenta magneti permanenti rotanti fissati all'albero e un armatura trifase stazionario. Questo armatura fornisce energia al campo dell'eccitatore principale attraverso raddrizzatori a silicio, contribuendo alla eccitazione dell'alternatore principale. Inoltre, in un'altra configurazione, l'eccitatore pilota, ancora un generatore a magnete permanente azionato dall'albero, utilizza ponti raddrizzatori a tiristori trifase a onda completa per alimentare l'eccitatore principale.
Il sistema di eccitazione senza spazzole offre numerosi vantaggi notevoli. Eliminando l'uso di commutatori, raccoltori e spazzole, riduce significativamente i requisiti di manutenzione. Ha inoltre una costante di tempo molto breve, con un tempo di risposta inferiore a 0,1 secondi. Questa costante di tempo breve migliora le prestazioni dinamiche a piccolo segnale del sistema, consentendogli di reagire più rapidamente e con maggiore precisione a piccole perturbazioni elettriche. Inoltre, semplifica l'integrazione di segnali di stabilizzazione supplementari del sistema di potenza, che sono cruciali per mantenere la stabilità della rete.
Sistema di eccitazione statico
Nel sistema di eccitazione statico, l'alimentazione elettrica è derivata direttamente dall'alternatore. Questo viene ottenuto attraverso un trasformatore a gradinata a tre fasi con connessione stella/delta. L'avvolgimento primario di questo trasformatore è collegato alla barra dell'alternatore, mentre l'avvolgimento secondario svolge diverse funzioni. Fornisce energia al raddrizzatore, che converte la corrente alternata in corrente continua per scopi di eccitazione. Inoltre, fornisce energia elettrica al circuito di controllo della rete e ad altro equipaggiamento elettrico associato, assicurando il funzionamento fluido dell'intero sistema di eccitazione e controllo.
Il sistema di eccitazione statico ha un tempo di risposta impressionantemente breve, consentendogli di reagire rapidamente ai cambiamenti nelle condizioni elettriche. Questa risposta rapida, a sua volta, conferisce un'ottima prestazione dinamica, permettendo al sistema di mantenere un'operazione stabile anche sotto carichi fluttuanti e domande elettriche variabili.
Uno dei principali vantaggi di questo sistema sta nella sua capacità di ridurre significativamente i costi di funzionamento. Eliminando gli eccitatori tradizionali, elimina le perdite di attrito—l'energia dissipata a causa dell'attrito tra parti mobili e aria circostante. Inoltre, senza la necessità di manutenzione regolare degli avvolgimenti degli eccitatori, le spese di manutenzione sono sostanzialmente ridotte. Questi vantaggi in termini di risparmio sui costi rendono il sistema di eccitazione statico un'opzione economicamente attraente per una vasta gamma di applicazioni.
