1. INTR INTROD ODUC UCCI CIÓN ÓN La función básica de un sistema de excitación es la de proveer la corriente directa al campo del generador para alcanzar su sincronización. Además, el sistema de excit excitaci ación ón contr controla ola y proteg protege e las func funcion iones es esenc esencia iales les para para el cumpl cumplimi imien ento to satisfactorio del funcionamiento del sistema de potencia, para esto controla el volta voltaje je y la corri corrien ente te de campo campo.. Las Las func funcion iones es de contr control ol de un siste sistema ma de excitación excitación incluyen el control de voltaje y el flujo de potencia reactiva; reactiva; que permite la mejora de la estabilidad del sistema. Las funciones de protección del sistema de excitación aseguran mantener los lmites de la capacidad, de la sincronización del generador y otros equipos, para que estos trabajen dentro de los parámetros para los que fueron dise!ados. La función de los requerimientos del sistema de excitación está determinada por las conside consideraci racione ones s de la sincroni sincronizaci zación ón del generad generador or,, igual igual que del sistema sistema de potencia. "entro de los requerimientos básicos, están que el sistema de excitación supla y ajuste ajuste automátic automáticamen amente te la corrien corriente te de campo campo del generador; generador; en la etapa etapa de sincronización y con el generador interconectado, para mantener de esta manera el voltaje terminal, ya que la salida vara continuamente dentro de la capacidad del gener generad ador or.. #sto #stos s reque requerim rimie iento ntos s son visua visualiz lizad ados os a parti partirr de las curva curvas s de regulación de voltaje, estas curvas indican la corriente de excitación necesaria para para que que la tensi tensión ón nomin nominal al en las termi termina nales les del del gene generad rador or se mante manteng nga a constante al variar la carga. Además permite mantener el factor de potencia de la carga constante.
"esde el punto observador del sistema de potencia, el sistema de excitación debe contribuir a obtener un efectivo control del voltaje y a mejorar la estabilidad del sistema; debe ser capaz de responder rápidamente a una alteración ya que as participa en la estabilidad transitoria. Los elementos que conforman un sistema de excitación son$
#xcitador$ provee el voltaje de "% para formar el campo del generador. &egulador$ procesa y amplifica las se!ales del control de entrada a un nivel y forma apropiada para el control del excitador. 'ransductor de la terminal de voltaje y compensador de carga$ mide, rectifica y filtra el voltaje de la terminal del generador a un valor de voltaje de "%; y lo compara con una referencia que representa el voltaje deseado en la terminal del generador. #stabilizador del sistema de potencia$ provee una se!al adicional de entrada al regulador para mejorar las oscilaciones del sistema de potencia. Algunas de las se!ales de entrada com(nmente usadas son la desviación de la velocidad del rotor, poder de aceleración y desviación de frecuencia.
%ircuitos protectores y limitadores$ son funciones protectoras que aseguran que los lmites de la capacidad del excitador y el generador sincronizado no sean excedidos. Algunas de las funciones com(nmente usadas son limitador de la corriente de campo, limitador de la corriente de excitación máxima, limitador de la terminal de voltaje, protección y regulador de )olt por *z, limitador de baja excitación.
2. SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE DC Los sistemas de excitación de este tipo utilizan generadores de "% como la fuente de poder de la excitación y proveen la corriente de excitación al rotor del generador sincronizado por medio de anillos deslizantes. #l excitador puede ser impulsado por un motor o el eje del generador y puede ser auto excitado o excitado de manera separada. %uando es excitado de manera separada el excitador de campo es alimentado por un excitador piloto que incluye un imán permanente en el generador. Los sistemas de excitación de "% fueron utilizados y desarrollados a trav+s de los a!os, entre -/ y -0/, cuando perdieron popularidad y fueron sustituidos por excitadores de A%. #stos sistemas 1an ido desapareciendo gradualmente, as como antiguos sistemas 1an sido reemplazados por sistemas de excitación de A% o #státicos.
3. SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE AC #ste tipo de sistemas de excitación usa alternadores 2máquinas de ac3 como fuente de poder. 4sualmente el excitador está en el mismo eje del rotor del generador. 5e rectifica la salida de ac del excitador por medio de rectificadores para producir el voltaje de dc necesario para el campo del generador, los rectificadores pueden ser estacionarios o rotatorios. Los sistemas de excitación de ac antiguos usaban combinaciones de amplificadores magn+ticos y rotatorios como reguladores. 6uc1os sistemas nuevos usan reguladores amplificadores electrónicos. Los sistemas de excitación de ac pueden tomar muc1as formas seg(n los arreglos de los rectificadores, m+todos de control de salida del excitador y m+todos de control de excitación para el excitador. A continuación se describen las diferentes formas que toman los sistemas de excitación de ac en uso.
7. 585'#6A5 "# &#%'898%A": #5'A%8:A&8:5 %on rectificadores estacionarios, la salida de dc es alimentada al devanado de campo del generador por medio de anillos deslizantes. 4n diagrama unifilar simplificado de este sistema de excitación es mostrado en la figura , ilustra el campo controlado del alternador y el sistema rectificador de la excitación. #l alternador del excitador es controlado desde el rotor del generador principal. #l excitador es excitado por s sólo con potencia derivada del campo por medio de tiristores rectificadores. #l regulador de voltaje obtiene su potencia de alimentación de la salida de voltaje del excitador.
7. 585'#6A &#%'898%A":& &:'A':&8: %on el uso de rectificadores rotatorios, la necesidad del uso de anillos deslizantes y escobillas es eliminada, la salida de dc es alimentada directamente al campo del generador principal. La armadura del excitador de ac y los diodos rectificadores rotan con el campo principal del generador. 4n peque!o piloto excitador de ac, con un imán permanente en el rotor 2mostrado en la figura como <53, rota con la armadura del excitador y los diodos rectificadores. La salida rectificada del estator del piloto excitador energiza el campo estacionario del excitador de ac. #l regulador de voltaje controla el campo del excitador de ac, y el campo de excitador controla el campo del generador principal.
4. GENERADOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE %onsidere un generador con excitación independiente que es impulsado a velocidad constante y cuyo campo es excitado por una fuente externa; la corriente de excitación es constante y tambi+n el flujo resultante. =or lo tanto, el voltaje inducido es fijo. %uando la máquina funciona sin carga, el voltaje entre terminales es igual al voltaje inducido porque la cada de voltaje en la resistencia de la armadura es cero. 5in embargo, si conectamos una carga a trav+s de la armadura ,la corriente resultante a trav+s de la carga I ocasiona una cada de voltaje a trav+s de la resistencia R o. #l voltaje entre terminales E a1ora es menor que el voltaje inducido E o. %onforme incrementamos la carga, el voltaje entre las terminales disminuye progresivamente, como se muestra en la figura >.>. La gráfica del voltaje entre terminales como una función de la corriente a trav+s de la carga se llama curva de carga del generador.
5. GENERADOR DE EXCITACIÓN SERIE #l devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. "ado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección. 'iene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vaco. As mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al 1acerlo la carga, por lo que resulta poco (til para la generación de energa el+ctrica. =ara la puesta en marc1a es necesario que el circuito exterior est+ cerrado. La excitación de un generador en serie se lleva a cabo cuando los devanados de excitación y del inducido se conectan en serie y, por lo tanto la corriente que atraviesa el inducido en este tipo de generador es la misma que la que atraviesa la excitación. #ste (ltimo devanado, está constituido por pocas espiras con 1ilo conductor de gran sección, pues la f.e.m. necesaria para producir el campo principal se consigue con fuertes corrientes y pocas espiras.
6. GENERADOR EN DERIVACIÓN (SHUNT ) 5iendo el generador s1unt una maquina autoexitada, empezara a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. "espu+s a medida que el inducido va desarrollando voltaje este enva corriente a trav+s del inductor aumentando el n(mero de lneas de fuerza y desarrollando voltaje 1asta su valor normal. #l generador con excitación s1unt suministra energa el+ctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación independiente. %uando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo tanto, la tensión en bornes es máxima. %uando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitación es mnima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. =or lo tanto, un cortocircuito en la lnea no compromete la máquina, que se desexcita automáticamente, dejando de producir corriente. #sto es una ventaja sobre el generador de excitación independiente en donde un cortocircuito en lnea puede producir graves averas en la máquina al no existir +ste efecto de desexcitación automática. #l circuito de excitación no lleva fusibles por las razones ya indicadas en el caso del generador de excitación independiente; en este circuito no es necesario un interruptor porque para excitar la máquina simplemente 1ay que ponerla en marc1a y para desexcitarla no 1ay más que pararla. %uando se dispone permanentemente de tensión en las barras especiales generales, muc1as veces se prefiere tomar la corriente de excitación de +stas barras y no de las escobillas del generador, es decir, si al poner en marc1a el generador 1ay tensión en las barras generales, la máquina se comporta como generador de excitación independiente; si no 1ay tensión, como generador s1unt. =ara la puesta en marc1a, debe cuidarse de que el interruptor general est+ abierto y que el reóstato de campo tiene todas las resistencias intercaladas en el circuito. #n estas condiciones, se pone en marc1a la máquina motriz, aumentando paulatinamente su velocidad 1asta que +ste alcance su valor nominal, al mismo tiempo, aumenta la corriente de excitación y, por lo tanto, la tensión en los bornes del generador lo que indicará el voltmetro. 5i en la red no existen bateras de acumuladores, se acopla a ella el generador a una tensión algo inferior a la nominal; para conseguir esta tensión, se maniobra el reóstato de campo paulatinamente, quitando resistencias. o resulta conveniente acoplar el generador a la red antes de excitarlo o a una tensión muy baja, porque si la resistencia exterior fuese muy baja 2es decir, que la red estuviese en condiciones próximas al cortocircuito3, la corriente de excitación sera muy peque!a e insuficiente para excitar la máquina.
7. GENERADOR CON EXCITACIÓN COMPOUND #l generador con excitación %ompound tiene la propiedad de que puede trabajar a una tensión prácticamente constante, es decir, casi independiente de la carga conectada a la red, debido a que por la acción del arrollamiento s1unt la corriente de excitación tiende a disminuir al aumentar la carga, mientras que la acción del arrollamiento serie es contraria, o sea, que la corriente de excitación tiende a aumentar cuando aumente la carga. #ligiendo convenientemente ambos arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos siendo la acción conjunta una tensión constante cualquiera que sea la carga. 8ncluso, se puede obtener dimensionando convenientemente el arrollamiento serie, que la tensión en bornes aumente si aumenta la carga, conexión que se denomina 1ipercompound y que permite compensar la p+rdida de tensión en la red, de forma que la tensión permanezca constante en los puntos de consumo. #l generador compound tiene la ventaja, respecto al generador s1unt, de que no disminuye su tensión con la carga, y, además, que puede excitarse aunque no est+ acoplado al circuito exterior, tal como vimos que suceda en el generador s1unt. "urante la puesta en marc1a, funciona como un generador s1unt una vez conectado a la red, la tensión en bornes del generador s1unt, tendera a disminuir si no fuera por la acción del arrollamiento serie, que compensa esta tendencia. #s decir, que el arrollamiento serie sirve para regular la tensión del generador, en el caso de que la resistencia exterior descienda más allá de cierto lmite. 4n generador compound no puede utilizarse para cargar bateras de acumuladores. #l generador compound 2igual que suceda con el generador de excitación independiente3, no puede funcionar en cortocircuito porque entonces, la acción del arrollamiento serie puede llegar a ser superior al efecto del arrollamiento s1unt, y como consecuencia la corriente en el inducido puede alcanzar un valor de dos a tres veces mayor del normal, con el consiguiente peligro para los arrollamientos de la máquina.
