SISTEMAS DE EXCITACIÒN

DE LAS MÁQUINASSÍNCRONAS

República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la

Educación SuperiorMaracaibo; Estado ZuliaLa Universidad del Zulia

Cátedra: Máquinas Eléctricas IIProf. Gerardo Ortigoza

Integrantes: Amesty, Laura C.I 19.547.344

Larez, Mariamny C.I 19.808.525Medina, Pablo C.I 18.497.109Morán, Lucia C.I 20.058.268Nava, Juan C.I 18.722.939

Pérez, Eduardo C.I 18.201.392

CONTENIDO Tipos de sistemas de excitación

Corriente Continua - Generadores de C.D

* Generador de excitación independiente.* Generador de autoexcitada

º Con excitación serie.º Con excitación shunt.º Con excitación compuesta

* Curvas de características de generador de C.D Corriente Alterna

* Sistema de rectificación estacionario* Generador sincrónico con:

º Rectificador con fuente compuestaº Sistema con rectificador controlado de fuente compuesta

* Sistema de excitación completa Estática Baterias

Tipos de sistemas de excitación

Los sistemas de excitación han tomado muchas formas a través de los años de suevolución. En términos generales, dependiendo de la fuente de poder usada en la excitaciónse pueden clasificar en tres categorías :

Corriente continua Corriente Alterna Estática

Excitación de corriente continua

La excitación de este tipo utiliza generadores DC como fuentes de excitación de poder para proveer la corriente al rotor de la máquina síncrona. El excitador puede ser impulsado por un motor o, aprovechando la energía primaria, por el mismo eje del generador. Puede ser excitada por si misma o excitada en forma separada.

Los sistemas de excitación de DC representan los primeros sistemas, desde los años 20 a 60. Estos pierden importancia a mediados de los 60 cuando aparecieron fuertemente los de excitación AC. Por ello en la actualidad están desapareciendo gradualmente, debido a la antigüedad de algunos están siendo reemplazados por excitación AC o estáticos. En algunos casos los reguladores de voltaje son reemplazados por modernos dispositivos electrónicos.

Los diferentes métodos de conectar los bobinados de excitación con el bobinado inducido de una máquina de corriente continua nos permiten modificar las formas de funcionamiento, ya sean de conexiones a modo de motores o generadores(en nuestro caso se estudiará sólo los generadores). Estudiaremos, por su forma de excitación, los más utilizados en la práctica:

• Excitación independiente.• Autoexcitadas - Excitación en serie. - Excitación shunt. - Excitación compund.

Excitación de corriente continua

La designación de los bornes que nos encontraremos en las placas de las máquinas de CC se muestra en la figura siguiente:

Excitación de corriente continua

Generador de excitación independiente

Son máquinas que, a través de una fuente de energía eléctrica de corriente continua exterior, alimentan bobinado de excitación, produciendo en él el campo magnético necesario para producir corriente al rotor y producir los efectos que la máquina deberá realizar, en nuestro caso como generador. El inconveniente de esta máquina es que necesita una fuente exterior para su excitación, lo que hace que su utilización sea limitada.

En la figura 1, se representa el esquema eléctrico de un generador de excitación independiente con el circuito de excitación conectado a una fuente de energía exterior.

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Excitación de corriente continua

Figura 1. Generador de excitación independiente

Excitación de corriente continua

Generador autoexcitada

Son máquinas cuya fuente de alimentación al bobinado de excitación llega a través del inducido; de ahí el nombre de “autoexcitadas”.

En los generadores, el flujo inicial de excitación se produce por el fenómeno de histéresis, es decir, que al quedar magnetismo remanente retenido en las masas polares de la máquina, se crea un flujo magnético que hace que el inducido pueda moverse dentro del campo magnético, generando así la fuerza electromotriz necesaria.

Al hacer girar el inducido mediante una máquina motriz a su velocidad nominal se induce una f.e.m muy pequeña, ya que el flujo remanente es pequeño en los primeros momentos.

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Excitación de corriente continua

Esta pequeña fem se hace circular por el inducido a veloci dad constante; esto reforzará el campo magnético aumen tando la f.e.m. inducida (E1), que aumentará a su vez la co rriente, y así sucesivamente hasta alcanzar la fem nominal (En) de la máquina.

Donde:K= constante del inducido = flujo útil producido por el magnetismo remanente

n = velocidad nominalE= f.e.m. de cebadoSí la velocidad es constante, la fuerza electromotriz será:

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Excitación de corriente continua

Según el tipo de conexión, los tipos de generadores autoexcitados son:

- Generador con excitación serie.- Generador con excitación o shunt.- Generador con excitación compuesta o compund.

Excitación de corriente continua

Excitación de corriente continua

Generador con excitación serie:

La característica exterior de la máquina de excitación en serie como generador es su elevada inestabilidad, pues varía considerablemente la tensión cuando se altera la carga. No se emplea como generador de tensión constante, sino como máquina adicional para mantener constante la tensión al final de la línea. La conexión de bobinado inductor está en serie con el bobinado inducido.

En la figura 2., el bobinado inductor (D1, D2) está conectado en serie con el inducido (A1, A2), de manera que la intensidad que circula por el circuito interior y por el exterior (carga) es la misma, esto es:

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Excitación de corriente continua

Donde:/i= intensidad que suministra el inducidoIext = intensidad o corriente de excitación/= intensidad que absorbe la cargaLa tensión en bornes del inducido según la ley de Ohm será:

Donde:E = fem de cebadoUb - tensión en bornes de la cargaR¡ = resistencia del inducidoRs - resistencia del bobinado inductor serieUe - caída de tensión de escobillas. Se considera de valor un voltio; por lo tanto, 2 ■ 1 = 2 V/ = Intensidad que absorbe la carga

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Excitación de corriente continua

GENERADOR CON EXCITACIÓN SERIE

Figura 2. Generador con excitación serie.

Generador con excitación shunt o derivación:

Trabajando como generador, tiene la característica exterior de ser bastante estable en el suministro de la energía, aunque no tanto como las de excitación independiente. En esta máquina el bobinado inductor va conectador en derivación con los bornes del inducido.Es el generador mas utilizado, por ser constante su tensión en bornes, y porque soporta bien los cortocircuitos de la línea. Se utiliza como cargador de batería de acumuladores, como generador auxiliar, etc.

En la figura 3, el bobinado inductor (E1,E2), esta conectado en derivación con el inducido (A1,A2). La intensidad que circula por el inducido es la suma de las intensidades de excitación y de la carga exterior.

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Excitación de corriente continua

La tensión en bornes del inducido, por ley de Ohm, será:

Donde:Rd = resistencia del bobinado derivación o shuntR = resistencia de la cargaR¡ - resistencia del inducidoUe = caída de tensión en las escobillas de valor 1 V. Por tanto, 2Ue=2- 1 * 2 V.

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Excitación de corriente continua

GENERADOR CON EXCITACIÓN SHUNT

Figura 3. Generador con excitación shunt.

Generador con excitación compuesta o compund :

Este generador consta de dos bobinados inductores, uno en serie (D1, D2) y otro en derivación (E1, E2) con el inducido; de ahí también el nombre de máquina compund (compuesta) o mixta.

Las formas en las que se puede conectar el bobinado inductor en derivación son:

Derivación corta, conectando el bobinado shunt antes de conectar al inducido el bobinado serie.

A diferencia de derivación corta, la derivación larga en la figura 5, se conecta el bobinado serie al inducido antes de conectar el bobinado shunt.

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Excitación de corriente continua

GENERADOR CON EXCITACIÓN COMPUND

Figura 5. Generador con excitación compund derivación corta.

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GENERADOR CON EXCITACIÓN COMPUND

Figura 5.1. Generador con excitación compund derivación larga.

Curvas de características del Generador de CD

Las curvas de características nos permiten conocer la va riación de una magnitud con respecto a otra cuando las magnitudes restantes permanecen constantes.Las magnitudes que intervienen en el funcionamiento de un generador son:- Tensión en bornes de la carga (Ub)- Corriente de excitación (Iexc)- Corriente suministrada por el inducido (l¡)- Velocidad de giro (n)

La posición de las escobillas se considera fija.La relación entre las magnitudes citadas nos lleva a la necesidad de representar una función en las que inter vengan las cuatro magnitudes.

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Como es complejo relacionar cuatro variables, se recurre a la representación de una variable en función de otra, mien tras que las demás permanecen constantes, pudiendo así determinar las diferentes curvas de características.

A continuación trataremos las curvas de características más representativas que se pueden determinar en función de las magnitudes estudiadas

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Curvas de características del Generador de CD

Característica en vacíoEs la curva que representa la tensión en bornes en va cío, para una velocidad de rotación determinada, en fun ción de la corriente de excitación. La característica en va cío se expresa:

Siendo:

Característica en cargaEs la curva que representa la tensión en bornes en función de la corriente de excitación, para una ve locidad de rotación y una intensidad en el circuito exterior constantes. La característica en carga se expresa:

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Curvas de características del Generador de CD

Característica de excitación o regulaciónEs la curva que representa la corriente de excitación en función de la corriente suministrada por la má quina, para una velocidad de rotación y una tensión en bor nes. constantes. La característica en carga se representa:

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Curvas de características del Generador de CD

Característica exterior

Es la de mayor interés, ya que es la curva que representa la tensión en bornes en función de la carga del generador, manteniendo constantes los valores de la in tensidad de excitación y la velocidad de rotación. La ca racterística exterior se representa:

Curvas de características del Generador de CD

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SERIE

Curva de característica de vacío en un generador serie.

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SERIE

Curva de característica exterior del generador serie.

Curva de característica de regulación del generador shunt.

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SHUNT

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SHUNT

Curva de característica exterior del generador shunt.

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SHUNT

Curva de característica de vacío del generador shunt.

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SHUNT

Curva de característica para dos valores de carga del generador shunt.

Curva de característica de vacío del generador compund.

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR COMPUND

CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR COMPUND

Curvas de característica exterior del generador compund.

SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

La excitación de esta categoría utiliza alternadores (maquinas de CA) como fuentes para la excitación del generador principal. Generalmente, la excitatriz está montada sobre el mismo eje de la turbina del generador. La salida de CA de la excitatriz es rectificada por rectificadores controlados o no controlados, la que produce la corriente continua necesaria para el campo del generador. Los rectificadores pueden ser estacionarios o rotacionales. Los primeros sistemas de excitación de CA usaron una combinación de amplificadores magnéticos y rotacionales como reguladores. Hoy en día se usan dispositivos electrónicos. A continuación, una descripción de las diferentes formas de sistemas de excitación de CA.

SISTEMAS DE RECTIFICACIÓN ESTACIONARIOS

Usando rectificadores estacionarios, la salida de CD se alimenta al devanado de campo del generador principal a través de anillos rozantes. Cuando se usan rectficadores no controlados, el regulador controla el campo de la excitatriz de CA, que a su vez controla el voltaje de salida de la excitatriz Aquí, la salida de CD alimenta al campo principal del generador a través de anillos deslizantes. En la Figura Nº6 se muestra el diagrama unifilar de un sistema de excitación con rectificador de alternador de campo controlado.

El sistema mostrado es representativo del sistema de excitación ALTERREX de la General Electric. El alternador excitador es impulsado por el rotor del generador principal. La excitatriz es autoexcitada, con su campo alimentado a través de un rectificador con tiristores que toma la energía en bornes del propio excitador. Una forma alternativa de alternador de campo controlado con sistema rectificador usa una excitatriz piloto como fuente para el campo de la excitatriz.

Figura 3 Sistema de excitación con rectificador con alternador de

campo controlado

Cuando se usa rectificadores controlados, el regulador controla directamente el voltaje de salida DC de la excitatriz. La figura Nº4 muestra el esquema de un alternador alimentado con un sistema rectificador controlado, representativo del sistema ALTHYREX de la General Electric. El regulador de voltaje controla el disparo de los tiristores. El alternador excitador se autoexcita y usa un regulador estático de voltaje independiente para mantener su voltaje de salida. Dado que los tiristores son controlados directamente por la salida del excitador, este sistema de modo provee una inherente respuesta inicial alta (tiempo de respuesta pequeño

Como se mostró anteriormente en las figuras 5 y 6 hay dos modos independientes de regulación: uno de CA que regula automáticamente y mantiene el voltaje en bornes del estator del generador principal a un valor correspondiente al voltaje de referencia de CA, y otro, un regulador DC que mantiene constante el voltaje del campo del generador determinada por una referencia de CD. El regulador de DC, o modo de control manual, actúa cuando del regulador AC falló o necesita ser deshabilitado. La entrada de las señales al regulador AC incluyen entradas auxiliares las cuales permiten un control adicional y funciones de protección.

Figura Nº6 Sistema de excitación de rectificador controlado alimentado con alternador

SISTEMAS DE RECTIFICADOR CONTROLADO CON FUENTE DE

POTENCIAL En este sistema, la excitación del

generador se suministra de un transformador de los terminales del generador o de la barra auxiliar de la instalación, y está regulada por un rectificador controlado. Este tipo de sistema de excitación es también comúnmente conocido como sistema estático alimentado de bus o de transformador (bus-fed o transformer-fed). Ver figura 6

Este sistema tiene una constante de tiempo muy pequeña. La salida máxima de voltaje que puede entregar este excitador es dependiente de la entrada de voltaje de CA. De aquí que durante condiciones de falla en el sistema, la caída de voltaje en los terminales del generador hace que el voltaje en el excitatriz se reduzca. Esta limitación del sistema de excitación, es en gran medida compensada por su respuesta virtualmente instantánea y alta capacidad de forzamiento del campo en condición post falla. Además, es barato y de fácil mantenimiento.

Figura N º 7 Sistema de excitación de rectificador controlado

alimentado por voltaje

SISTEMAS CON RECTIFICADOR DE FUENTE COMPUESTA

La potencia para el sistema de excitación en este caso se obtiene utilizando la corriente y el voltaje del generador principal. Esta puede ser ejecutada por medio de un transformador de potencial y un transformador de corriente con núcleo saturable. Alternativamente, la fuente de voltaje y de corriente se puede combinar utilizando de un transformador de excitación monofásico, llamado transformador de potencial de corriente saturable.

El regulador controla la salida de la excitatriz a través de una saturación controlada del transformador en la excitación. Cuando el generador esta en vacío, la corriente en la armadura es cero y la fuente de potencial suministra toda la potencia de excitación. En carga, parte de la excitación del generador es derivada de la corriente del generador. Durante condiciones de falla, con una gran disminución del voltaje terminal del generador, la entrada de corriente permite a la excitatriz suministrar una alta capacidad de forzamiento.

SISTEMA DE EXCITACIÓN CON RECTIFICADOR CONTROLADO DE FUENTE COMPUESTA

Este sistema utiliza un rectificador controlado en la salida del circuito del excitador y la fuente compuesta de voltaje y corriente dentro del estator del generador para proveer potencia de excitación. El resultado es un sistema de excitación estático de respuesta inicial alta, con capacidad de forzamiento completa con fallas.

La figura Nº8 muestra este sistema. 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 y la salida resultante de CA se rectifica por diodos de potencia estacionarios. El control se efectúa por una combinación de diodos y tiristores que forman un puente paralelo. Un regulador de voltaje estático de CA controla los circuitos de encendido de los tiristores y de este modo regula la excitación del campo del generador.

El transformador de excitación consiste de tres unidades monofásicas con tres arrollamientos: devanados primarios de corriente (C) y potencial (P), y un devanado secundario (F) de salida. En condición de falla, la corriente que fluye del enrollamiento de excitación “C” provee la capacidad de forzamiento del campo cuando el voltaje del generador cae.

El reactor cumple dos funciones: contribuye obtener las características deseadas del sistema de excitación y reduce la corriente de falla en el sistema de excitación o el generador.

Figura 8. Sistema de excitación con rectificador controlado compuesto GENERREX

SISTEMA DE EXCITACIÓN COMPLETO La efectividad de un sistema de excitación para mejorar la estabilidad de los sistemas de potencia está determinada por algunas de sus carácterisiticas claves. La figura 9 muestra la representación de un sistema de excitación completo.

Figura 9. Sistema de control de excitación en la forma clásica

Puesto que el sistema no es lineal, es conveniente clasificar la operación dinámica en operación de señal grande y operación de pequeña señal. La operación con señal grande se refiere a la operación del sistema de excitación para transitorios severos en los sistemas de potencia. La operación con señal pequeña se refiere a la evaluación de la respuesta a cambios incrementales que se presentan normalmente en los sistemas al variar las condiciones de operación.

SISTEMAS DE EXCITACIÓN ESTÁTICOS

Todos los componentes en este sistema son estáticos o estacionarios, los rectificadores estáticos, son controlados o no controlados, suministran la corriente de excitación al campo del generador principal a través de anillos deslizantes. La fuente de alimentación para los rectificadores se obtiene del generador principal a través de un transformador que baja el voltaje a un nivel apropiado, o en algunos casos, de devanados auxiliares en el generador.

Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.Las baterías, por medio de una reacción química producen, en su terminal negativo, una gran cantidad de electrones (que tienen carga negativa) y en su terminal positivo se produce una gran ausencia de electrones (lo que causa que este terminal sea de carga positiva).Ahora, si esta batería alimenta un circuito cualquiera, hará que por éste circule una corriente de electrones que saldrán del terminal negativo de la batería, (debido a que éstos se repelen entre si y repelen también a los electrones libres que hay en el conductor de cobre), y se dirijan al terminal positivo donde hay un carencia de electrones, pasando a través del circuito al que está conectado. De esta manera se produce la corriente eléctrica.

LA BATERÍA COMO GENERADOR

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ESQUEMA ELÉCTRICO DE LA BATERÍA

ESQUEMA ELÉCTRICO DE LA BATERÍA