Sistemas de excitación de generadores sincrónicos y teoría de regulación

Objetivos de nuestra presentación: Materializar conceptos desarrollados en el cursado Profundizar conocimientos Conocer aspectos puntuales del funcionamiento de las M.S. Aplicación de conceptos adquiridos

Introducción La excitación de un generador esta formada por un grupo de dispositivos que funcionando en conjunto producen el efecto deseado, siendo así tenemos que hablar de un sistema de excitación. Tal sistema esta formado por: Circuito magnético Fuente de corriente continua

Excitación y regulación La calidad del servicio de un generador, esta dada por la capacidad de mantener constante la tensión y la frecuencia ante distintos estados de carga. Esto se denomina regulación del generador, en consecuencia una buena regulación del generador estará dada por el control óptimo de estas dos magnitudes Podemos decir que la regulación y la excitación están íntimamente ligadas, pues mediante un cambio en el valor del campo de excitación, se incide en el valor de la tensión entregada en bornes de la máquina.

Teoría básica de reguladores Para regular un generador de deben controlar la velocidad y la tensión, por lo tanto estudiaremos por separado : Reguladores de velocidad Reguladores de tensión

Regulación de la velocidad: Cuando aumenta el par resistente → Disminuye la velocidad Cuando disminuye el par resistente → Aumenta la velocidad Téngase en cuenta, además, que la frecuencia de la red depende de la velocidad del generador y que ésta depende, a su vez, de la velocidad de la máquina motriz. Hay que solucionar este problema, equilibrando en cada caso, el trabajo motor de la máquina motriz con el trabajo resistente de las cargas conectadas a la red.

En el caso de turbinas hidráulicas, graduando la entrada de agua, ya que la altura del salto no puede variarse; de esta forma, en caso de aumento del par resistente, la turbina recibirá más caudal hasta que su par motor equilibre el par resistente y, salvo ligera variación, la velocidad de la turbina será la misma que antes de la variación de la carga; en caso de disminución de la carga el efecto sería contrario. En el caso de turbinas de vapor se produce un efecto semejante, graduando la válvula de admisión de vapor.

Estudio dinámico de un regulador

Regulador estable

Regulador inestable

Para cada máquina y regulador existe un grado de irregularidad que es el más favorable; el regulador pasa a la nueva posición de equilibrio sin sobrerregulación, o sea, que llega a dicha posición a la primera oscilación. Este grado de irregularidad depende de la inercia de regulador y de la del árbol motor. Un mayor grado de irregularidad tiene el inconveniente de que el regulador tarda mucho tiempo en llegar a la posición de equilibrio; teóricamente, un tiempo infinito, aunque en la práctica, por efecto de los rozamientos presentes, se consigue este nuevo estado de equilibrio al cabo de varias oscilaciones. Si el grado de irregularidad es menor que el más favorable, el regulador oscila alrededor de la posición de equilibrio, acercándose cada vez más a ella y, por tanto, la regulación es más lenta. El grado de irregularidad mínimo utilizable es aquél que produce oscilaciones de amplitud constante: el regulador no llega nunca a la posición de equilibrio. Un regulador sin grado de insensibilidad (es decir sin resistencias) no es utilizable sea cual fuere su grado de irregularidad.

Regulación de la tensión: Los reguladores de tensión tienen por objeto hacer que la tensión del generador vuelva a un valor de régimen después de una perturbación, nos interesa estudiar el régimen transitorio. Para hacer más fácil nuestros estudios supondremos un generador a velocidad constante, cualquiera sea la carga, lo que, por otra parte, es el caso más corriente en la práctica.

Respuesta temporal de la tensión de un G. S Respuesta temporal de la tensión de un G.S. ante una variación en la carga

Funcionamiento de un regulador de tensión La inercia de sus órganos. La distancia a recorrer. El par del órgano motor.

Cualidades de los reguladores de tensión Rapidez de respuesta. Es decir, ha de intervenir rápidamente después de una variación de carga, para evitar que la tensión caiga rápidamente. Para ello, ha de tener poca inercia, elevado par motor, y corto recorrido. Exactitud. Para llevar exactamente la tensión al valor de régimen, después de una perturbación. Sensibilidad. Para reaccionar a las perturbaciones débiles. Amortiguación eficaz. Para evitar la producción de oscilaciones. A ser posible el amortiguamiento ha de ser ajustable para que el usuario pueda ajustarlo a las características de su generador. Sobrerregulación. Para aprovechar al máximo las posibilidades del generador.

Sistemas de excitación de los generadores trifásicos sincrónicos La excitación de los alternadores se realiza por medio de corriente continua que recorre el circuito de las bobinas inductoras del rotor. El sistema de excitación consta de aparatos y máquinas cuyo objeto es suministrar la energía necesaria para excitar el alternador. El sistema de excitación no debe únicamente suministrar una potencia fija, sino que debe desarrollar la potencia que convenga y modificarla tan rápidamente como sea posible, es decir poseer una gran velocidad de respuesta, según ciertas leyes bien determinadas.

Velocidad de respuesta de las excitatrices Para apreciar una máquina de corriente continua como tal excitatriz es preciso, por consiguiente, conocer la rapidez con la cual reacciona a un impulso de corriente, y la potencia que precisa poner en juego para provocar esta reacción. La velocidad de respuesta de una excitatriz se expresa en voltios por segundo

Características de funcionamiento de las excitatrices La potencia del equipo de excitación depende de la importancia de la central y del tipo de generadores empleados. Para generadores de pequeña potencia y baja velocidad, es necesaria una potencia de excitación de, aproximadamente, un 3 % de la potencia total del generador. La tensión de excitación generalmente utilizada, es de 125 V en las centrales de pequeña y de mediana potencia. En las centrales de gran potencia de 250 V En generadores de gran potencia y elevada velocidad (por ejemplo, los turbogeneradores) basta con una potencia de excitación equivalente a un 0,5 % de la potencia total del generado

Sistemas de excitación Excitación independiente

Excitación propia

Excitación por un grupo de excitación

Excitación por medio de un grupo

Excitación con tensión auxiliar constante

Excitación de cada generador por medio de un grupo excitatriz independiente por alternador

Sistemas modernos de excitación de los generadores trifásicos sincrónicos Desde hace algunos años, los sistemas clásicos de excitación, que hemos nombrado anteriormente, están dando paso a otros sistemas de excitación que utilizan, de una manera u otra, dispositivos electrónicos varios: diodos, tiristores, amplificadores magnéticos, etc. Con estos nuevos procedimientos, se consiguen ventajas sustanciales, tales como mayor velocidad de respuesta, menor oscilación en la tensión del alternador, ausencia de aparatos móviles, etc. Unas veces se emplean excitatrices normales pero cuya tensión está regulada por procedimientos electrónicos; en otras ocasiones, se suprimen el colector y las escobillas, sustituyendo la excitatriz clásica por un conjunto alternador de excitación-dispositivo rectificador; finalmente, en otras ocasiones, se suprime totalmente la excitatriz, sustituyéndola por dispositivos estáticos de excitación.

Sistemas de excitación con excitatriz de corriente continua

Sistemas de excitación con excitatriz de corriente alterna

La excitatriz y el rectificador pueden ir conectados en uno de estos dos circuitos básicos: Una excitatriz de corriente alterna conectada en estrella para alimentar los diodos en cada fase y provista de circuito de retorno que pasa por el neutro . Una excitatriz de corriente alterna conectada en triángulo para alimentar un circuito de onda completa en derivación.

Sistemas de excitación sin excitatriz Generadores autoexcitados. La corriente de excitación procede del propio generador y es rectificada después, utilizándose, generalmente, diodos de silicio. Generadores excitados por una fuente independiente de energía.

Generadores autoexcitados

Dispositivo simple para redes trifásicas

El acoplamiento representado en la figura permite la desexcitación en caso de embalamiento

Generadores excitados por una fuente independiente de energía