Exposición: Funcionamiento de la máquina sincrónica: Al generador sincrónico se le debe aplicar una corriente continua al devanado del rotor para producir un campo magnético en este; el rotor debe girar mediante alguna fuerza rotativa y se obtiene un campo giratorio que inducirá voltajes trifásicos dentro de los devanados del estator. Un banco de baterías no es suficiente para generadores de grandes potencias, por lo tanto se utilizan generadores de corriente continua o corriente alterna y luego la rectifican, estas máquinas son llamadas máquinas excitatrices. Recordando: Idealmente un generador sincrónico debe proveer energía eléctrica a voltaje constante a pesar de tener carga variable, para lograrlo se puede intervenir sobre la magnitud del campo magnético, no sobre la velocidad, dado que es requisito generar a una frecuencia constante. Para manipular el campo magnético se debe manipular la cantidad de corriente continua que se aplica al devanado del rotor. Como se estudió esto se puede hacer mediantes sistemas de excitación convencionales que utilizan una máquina excitatriz que es un generador ya sea de corriente continua o de corriente alterna que luego es rectificada, y también existen los sistemas de excitación estáticos que son sistemas modernos que se utilizan hoy en día y de los cuales hablaremos hoy. Un Sistema de excitación estático:
El sistema de excitación estático produce la corriente de campo utilizando un convertidor de tiristores y conduce la corriente hacia el campo a través de anillo rozantes. El convertidor de potencia se alimenta desde los terminales del generador a través de un transformador. SISTEMA DE FUENTE DE POTENCIAL Y RECTIFICADOR CONTROLADO FUNCIONAMIENTO: Se alimenta al convertidor de potencia a través de un transformador seco llamado de excitación, enfriado por circulación natural de aire, en el lado de alta tensión se conecta el voltaje de salida del del generador y el de baja tensión está conectado al rectificador, como se observa este es utilizado para bajar el voltaje a un nivel apropiado dado que en el lado de alta tensión se tiene niveles de voltaje del orden de los kvoltios. En ocasiones es utilizado para alimentar la parte de control del rectificador.
El rectificador provee la potencia para excitar el campo del generador, consiste de 2 rectificadores trifásicos de onda completa tipo puente que toma la alimentación trifásica del transformador de excitación y la convierte a Dc para alimentar el arrollamiento del campo por medio de anillos rozantes, el puente de rectificación es controlado por una señal de pulsos proveniente de un circuito de disparo. El regulador de voltaje recibe las muestras de voltaje y corriente de salida del generador a través de transformadores de medición, estos son de precisión, uno es utilizado para el censado trifásico del voltaje de salida del generador y un segundo para la corriente en una de las fases. El transformador de potencial es de propia impedancia muy alta, debido a que trabaja prácticamente en régimen de vacío ya que la carga conectada en su secundario son los circuitos del AVR y el circuito de disparos. El transformador de corriente consiste en un toroide o galleta debidamente aislado. Al censar el voltaje del línea por medio del TP, esta señal es reducida y rectificada a una pequeña señal de DC representativa del voltaje de línea del generador, esta señal es comparada con un señal de referencia de voltaje, que está relacionada con el voltaje nominal de línea del generador. Si la señal del voltaje de línea del generador excede o disminuye de la señal de referencia, se produce una señal de error, esta es amplificada y traducida al circuito de control de disparo de los tiristores. Para el arranque es necesario alimentar el arrollamiento de campo con un corriente que proviene de un banco de baterías a través de un circuito de crecimiento de tensión. Proceso: Puesta en marcha de la máquina. Mediante control, se cierra el contacto que permite alimentar el campo por medio de un banco de baterías. El contacto se mantiene cerrado hasta que se detecta a la salida del generador la tensión de sincronización (que es ajustable). Una vez alcanzado el voltaje requerido, se abre el contacto y el control lo pasa a tomar el convertidor de potencia con todo el anterior proceso mencionado. OTROS SISTEMAS DE EXCITACIÓN ESTÁTICOS: Sistema de Fuente Compuesta y rectificador
La potencia para el sistema de excitación en este caso se obtiene utilizando la corriente y voltaje del generador. Se aprovecha el voltaje por medio de un transformador de potencial (PPT) y un transformador de corriente con núcleo saturable (SCT). En este caso el regulador controla la salida de la excitatriz a través de una saturación controlada del transformador en la excitación. Sistema con Rectificador Controlado de Fuente Compuesta
Utiliza un rectificador controlado y una fuente compuesta de voltaje y corriente dentro del estator del generador para proveer la potencia de excitación. El voltaje de la fuente está formado por un conjunto de tres devanados colocados en tres ranuras del estator del generador y un reactor lineal serie. La fuente de corriente es obtenida desde un transformador de corriente en el neutro del estator. Estas fuentes están combinadas
a través de un transformador de voltaje llamado de excitación (se pueden observar los tres arrollamientos: devanados primarios de corriente C y potencial P, y un devanado secundario de salida F, esta salida resultante de AC es rectificada por una combinación de diodos y tiristores que forman un puente paralelo. El regulador de voltaje estático de AC controla los circuitos de encendido de los tiristores y de este modo regula la excitación del campo del generador. El regulador de corriente DC que provee el control manual, es utilizado para la regulación de la corriente de campo del generador.
*La potencia nominal del transformador de excitación está en función del tamaño del generador y de su corriente de campo. EJEMPLO: Central: Central Hidroeléctrica Daule-Peripa Formada por tres generadores de las siguientes características: Tipo Conexión del devanado del estator Potencia Nominal Máxima Continua Tensión nominal Amperaje Factor de potencia Frecuencia Velocidad sincrónica Velocidad de embalamiento Voltaje nominal de excitación Corriente nominal de excitación
Paraguas de eje vertical Estrella 78.89 MVA 83.82 MVA 13.8 kV 3305 A 0.9 60 Hz 163.64 RPM 324 RPM 194 Vdc 1206 A
En los bornes de cada generador se tiene un voltaje de 13.8 kV que luego serán elevados por medio de un transformador de potencia a 138 kV , 230 kV para ser entregados al Sistema Nacional Interconectado. SISTEMA DE EXCITACIÓN: Para alimentar el rectificador se utilizará un transformador de excitación de las siguientes características: Potencia Conexión Rango de tensión nominal
Baja tensión Alta tensión
85 MVA Y-D 230 V 13.8 kV +- 2x2.5%kV
El rectificador trifásico tipo puente de onda completa deberá proporcionar una potencia de excitación de 243 kVA aproximadamente que es el 0.3% de la potencia que se genera.
Transformadores de medición: Transformador de corriente: En el lado de alta tensión se conecta a una de las fases del generador y en el secundario a los circuitos del regulador de voltaje Corriente nominal primaria Corriente nominal secundario
1910 A 5A
Transformador de potencial: Conectado entre los bornes del generador (alta tensión) y al regulador de voltaje (baja tensión) Voltaje nominal del sistema Voltaje nominal secundario
13,8 kV 220 V
El regulador controlará el voltaje con una precisión del 1% según la norma IEE/ANSI C57.12.01 del valor del voltaje nominal, en cualquier condición dentro de los límites de operación del regulador. Permitirá controlar el voltaje del generador desde el 90% hasta el 110% del valor nominal.
El regulador de voltaje regulará entre 12.42 kV a 15.18 kV.
