El sistema de excitación de un generador es uno de los sistemas más cruciales de un generador y de todo el sistema de energía, y a menudo se lo denomina el corazón del generador. Hoy, brindaremos una explicación completa y detallada desde tres aspectos: principio, modo de trabajo y función.
I. Principio básico
Concepto central: la electricidad genera magnetismo y el magnetismo genera electricidad.
2. La base de la generación de energía: El generador funciona según la ley de inducción electromagnética de Faraday - un conductor cerrado que se mueve a través de un campo magnético y corta las líneas de fuerza magnéticas generará una corriente eléctrica.
3. Fuente del campo magnético: Se requiere un campo magnético fuerte. Este campo magnético es generado por un devanado de excitación (es decir, el devanado del rotor) que transporta corriente continua. Esta corriente continua se conoce como corriente de excitación.
4. Clave de control: Al ajustar la magnitud de la corriente de excitación, se puede controlar la fuerza del campo magnético, determinando así la salida de voltaje del generador y la cantidad de potencia reactiva que genera.
Aumente la corriente de excitación → Fortalezca el campo magnético → Aumente el potencial eléctrico dentro del generador → Tiende a elevar el voltaje y generar más potencia reactiva inductiva.
Reducción de la corriente de excitación → Debilitamiento del campo magnético → Disminución del potencial eléctrico dentro del generador → Tendencia a bajar el voltaje, genera menos potencia reactiva inductiva (incluso absorbiendo potencia reactiva).
Por lo tanto, la tarea fundamental del sistema de excitación es proporcionar una corriente de excitación continua controlable para el rotor del generador.
II. Método de trabajo (composición del sistema y proceso)
1. El sistema de excitación moderno adopta principalmente el sistema autoexcitado estático. El diagrama de flujo del principio de funcionamiento se muestra a continuación:
2. Los componentes básicos que intervienen en el proceso anterior y sus funciones son los siguientes:
1) Transformador de Excitación: Recibe energía del extremo de la máquina, cumpliendo las funciones de reducción de voltaje y aislamiento eléctrico, protegiendo así equipos de bajo-voltaje como el puente rectificador.
2) Puente rectificador de tiristores: Convierte corriente alterna en corriente continua controlable. Al cambiar el ángulo del disparador, la magnitud del voltaje de salida de corriente continua se puede ajustar suavemente, controlando así con precisión la corriente de excitación.
3) Regulador automático de voltaje (AVR): El cerebro del sistema. Monitorea continuamente el voltaje terminal del generador y lo compara con un valor establecido. Una vez que se detecta una desviación (como una disminución en el voltaje debido a un aumento en la carga), inmediatamente emite una instrucción para cambiar el ángulo de disparo de los tiristores, aumentar la corriente de excitación y llevar el voltaje nuevamente al valor establecido. Este es un proceso de control de bucle cerrado-continuo y de alta-velocidad.
4) Dispositivo de supresión de magnetización y protección contra sobretensión del rotor: El guardián del sistema.
5) Eliminación de Magnetización: En caso de fallas internas o apagado del generador, es necesario eliminar de manera rápida y segura el campo magnético del rotor. Esto se logra transfiriendo la energía magnética a la resistencia de eliminación de magnetización para su disipación, y es la medida más efectiva para proteger el generador.
6) Protección contra sobretensión: Evite daños al aislamiento en el circuito del rotor causados por sobretensiones del sistema, operación asíncrona, etc., que pueden generar altos voltajes.
Otros métodos: además del sistema autoexcitado convencional, también existe el sistema de excitación tradicional, pero aún en uso, de un sistema excitado por separado (que funciona con una máquina de excitación independiente) y el sistema de excitación sin escobillas (que utiliza diodos giratorios para la rectificación y no requiere escobillas de carbón ni anillos colectores).
III. Funciones principales
El sistema de excitación es mucho más que simplemente proporcionar corriente continua. También realiza otras funciones importantes:
1. Control y regulación de voltaje.
Ésta es la función más fundamental. A través de la regulación automática del AVR, la tensión en el terminal del generador se mantiene en el nivel nominal, asegurando la calidad de la energía eléctrica y no viéndose afectada por cambios de carga.
2. Control y distribución de potencia reactiva
Cuando se opera en modo de conexión a la red, el ajuste de la corriente de excitación puede controlar la potencia reactiva enviada o absorbida por el generador a la red.
Impulsar la excitación: enviar energía reactiva inductiva a la red para soportar el voltaje de la red.
Desmagnetizar: Reducir la potencia reactiva de salida, o incluso absorber potencia reactiva inductiva de la red (funcionamiento asimétrico) para reducir una tensión excesivamente alta del sistema.
Esto es crucial para mantener la estabilidad del voltaje y el equilibrio de potencia reactiva de la red.
3. Mejorar la estabilidad del funcionamiento en paralelo de los generadores síncronos
Estabilidad estática: un sistema de excitación potente y sensible (como el uso del estabilizador del sistema de energía PSS) puede suprimir eficazmente pequeñas oscilaciones en el sistema y aumentar el límite de potencia de las líneas de transmisión.
Estabilidad transitoria: Cuando se produce una falla grave como un cortocircuito en la red, la tensión cae bruscamente.
El sistema de excitación realizará una excitación forzada, elevando instantáneamente el voltaje de excitación a su valor máximo, inyectando una gran cantidad de potencia reactiva en el sistema, ayudando a restaurar el voltaje de la red y evitando que el generador pierda la sincronización.
4. Función de protección
Mediante la interrupción de la magnetización y la protección contra sobretensiones, se garantiza la seguridad del cuerpo del rotor del generador.
IV. Resumen
1. Principio: controlar la corriente de excitación para regular la intensidad del campo magnético y, en última instancia, ajustar el voltaje de salida y la potencia reactiva del generador.
2. Modo de trabajo: generalmente adopta un sistema auto-excitado: alimentado por el transformador de excitación, rectificado por tiristores y controlado automáticamente por AVR para lograr una regulación precisa y rápida.
3. Funciones
1) Regulación de voltaje: Mantener la estabilidad del voltaje.
2) Regulación de potencia reactiva: Controla el flujo de potencia reactiva en la red eléctrica.
3) Mantenimiento de la estabilidad: mejorar la estabilidad estática y transitoria del sistema.
4) Protección de seguridad: Extinción de magnetización y protección contra sobretensiones.
Se puede decir que sin un sistema de excitación de alto-rendimiento, los grandes generadores síncronos modernos no podrían conectarse de manera confiable y estable a la red eléctrica, y no podríamos disfrutar de electricidad de alta-calidad y confiabilidad.