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SISTEMA DE EXCITACIÓN DE

MAQUINAS SINCRONICAS

Apuntes Curso EM 737 Fenómenos Dinámicos de

Redes de Potencia

Luis Vargas

Versión Otoño 2010

Santiago – Chile

[email protected] www.die.uchile.cl

 - Av. Tupper - Casilla 412- - Tel.: (56-2) - Fax: (56-2) 

• 1. DESCRIPCION GENERAL INDICE
  • 1.1 Introducción..............................................................................................................................................
  • 1.2 Historia
• 2. Elementos de un SCE
• 3. Tipos de Sistemas de Excitación
  • 3.1 Excitación de Corriente Continua
  • 3.2 Excitación de Sistemas de Corriente Alterna
    • 3.2.1 Sistemas de Rectificación Estacionarios
    • 3.2.2 Sistemas de Rectificación Rotacional
  • 3.3 Sistemas de Excitación Estática
    • 3.3.1 Sistema de fuente de potencial y rectificador controlado
    • 3.3.2 Sistema de Fuente Compuesta y rectificador
    • 3.3.3 SCE Compuesto Controlado
• 4. ANÁLISIS del desempeño de SCE
  • 4.1 Caracterización del Desempeño de Señales Grandes
  • 4.2 Caracterización del Desempeño de Pequeña Señal.................................................................................
    • 4.2.1 Índices Temporales
    • 4.2.2 Índices de la Respuesta de Frecuencia
• 5 Control y Funciones de Protección
  • 5.1 Regulador AC y DC................................................................................................................................
  • 5.2 Circuitos Estabilizadores del SCE
  • 5.3 Estabilizador del Sistema de Potencia (PSS)
  • 5.4 Compensador de Carga
  • 5.5 Limitador de Excitación Baja (UEL)
  • 5.6 Limitador de Sobreexcitación (OXL)
  • 5.7 Limitador y Protección Volts/Hertz
  • 5.8 Circuito de Campo-Reducido
• 6. Modelos de SCE
  • 6.1 Sistema por Unidad
  • 6.2 Modelamiento de la Componentes del SCE
    • 6.2.1 Excitación Independiente DC
    • 6.2.2 Excitador DC Autoexcitado
    • 6.2.3 Excitador AC y Rectificadores
    • 6.2.4 Amplifidores CA
    • 6.2.5 Circuito Estabilizador del SCE
    • 6.2.6 Limites Windup y Non-Windup
    • 6.2.7 Funciones de Accionamiento
    • 6.2.8 Transductor del Voltaje de Terminales y Compensado de Carga
  • 6.3 Modelamiento Completo del SCE
    • 6.3.1 Tipo DC1A
    • 6.3.2 Tipo AC1A
    • 6.3.3 Tipo AC4A
    • 6.3.4 Tipo ST1A
    • 6.3.5 Tipo ST2A
  • 6.4 Modelamiento de Limitadores
    • 6.4.1 Limitador de Baja excitación
    • 6.4.2 Limitador de sobrecorriente o corriente de campo
• 7. EJEMPLO SIMPLIFICADO MODELO AVR

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1. DESCRIPCION GENERAL

1.1 Introducción

El objetivo fundamental del control de excitación o sistema de excitación, o sistema de control de excitación (usaremos estas denominaciones indistintamente) es realizar el ajuste automático de la corriente de campo del generador sincrónico de modo que se mantenga el voltaje de salida de acuerdo a los valores especificados de consigna (generalmente lo mas constante posible).

Desde el punto de vista de su funcionamiento, el sistema de control de excitación (SCE) debe ser capaz de responder a perturbaciones, tanto transientes como estacionarias, sin alterar la operación normal del generador. Asimismo, debe ser capaz de integrarse con el resto de los sistemas de protección de los generadores, tales como las protecciones ante fallas de aislación en el rotor debido a altos voltajes, calentamientos en el rotor debido a corrientes de campo, calentamientos en el estator debido a corrientes de armadura, calentamiento por baja excitación de operación y debido a exceso de flujo, etc.

Desde el punto de vista de los sistemas de potencia, el sistema de excitación contribuye a un control efectivo de voltaje y por ello es ampliamente usado para mejorar la estabilidad del sistema. En particular, se usa en coordinación con estabilizadores de potencia (Power System Stabilizer PSS) para amortiguar oscilaciones y en el control rápido ante un disturbio de manera de mejorar la estabilidad transiente.

1.2 Historia

Históricamente los sistemas de excitación fueron controlados manualmente para mantener el voltaje deseado en bornes del generador y la carga de potencia reactiva. Cuando primeramente fue automatizado, fue muy lento, y básicamente ocupaba el rol de una alerta de operación. En los años 20, se aplicó para mejorar la estabilidad transiente y de pequeña señal a través de un uso continuo y de activación rápida de reguladores.

Posteriormente, debido al avance en los lazos de control realimentado se automatizaron e incorporaron masivamente a los sistemas. El siguiente paso fue la introducción de la electrónica de potencia, con la cual se usaron rectificadores de gran eficiencia. En la actualidad existen sofisticados esquemas de control de excitación, basados en numerosos lazos de control y electrónica de potencia de última generación.

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2. ELEMENTOS DE UN SCE

En la Figura Nº 1 se puede observar el diagrama de bloques tradicional de un sistema de control de excitación para un generador sincrónico.

Figura Nº

La función da cada bloque es la siguiente:

1. Excitador (Exciter): Este bloque proporciona la energía eléctrica de alimentación del campo rotatorio del generador sincrónico, constituyendo la fuente de poder del SCE.
2. Regulador (Regulator): Este bloque procesa y amplifica la señal de entrada a un nivel y forma apropiada para el control. Este incluye ambas regulaciones y funciones de estabilidad del SCE.
3. Terminal de Voltaje Transductor y Compensador de Carga (Terminal voltaje transducer and load compensator). Mide el voltaje en bornes del generador y, opcionalmente, estima la diferencia de voltaje hasta el nodo de inyección a la red. Posteriormente rectifica y filtra estos valores a una cantidad dc.
4. Estabilizador de Potencia del Sistema (Power System Stabilizer PSS). Este bloque provee una señal de salida adicional hacia el regulador, la cual se usa para amortiguar las oscilaciones del sistema. Es opcional su activación.
5. Limitadores y circuitos de protección (Limiters and protective devices) Esta unidad incluye un extenso arreglo de control y funciones de protección para garantizar que los limites de capacidad del excitador y el generador no se excedan. Algunas de las funciones más usadas son los limitadores de corriente de campo, limite máximo de excitación, limitador de voltaje, regulación y protección de Volts/Hertz y limitador de bajo voltaje.

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El Amplidyne es una máquina DC de construcción especial que tiene un conjunto de escobillas separadas en 90º eléctricos, uno sobre su eje directo (d) y otro sobre su eje de cuadratura. El control del campo de giro es localizado sobre el eje d. Una carga de compensación de giro en serie con el eje d produce un flujo igual y opuesto al de la corriente de armadura del eje d.

3.2 Excitación de Sistemas de Corriente Alterna

La excitación de esta categoría utiliza alternadores (maquinas AC) como fuentes para la excitación del generador de poder. Generalmente, el excitador esta montado sobre el mismo eje de la turbina del generador. La salida AC del excitador 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 AC 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 excitación AC.

3.2.1 Sistemas de Rectificación Estacionarios

En este esquema la etapa de rectificación se realiza fuera del generador mediante rectificadores estacionarios. Aquí, la salida DC alimenta al campo principal del generador a través de anillos deslizantes (slip ring). En la Figura Nº3 se muestra un diagrama unilineal del control de campo del alternador con rectificador para la excitación del sistema.

Figura Nº

La Figura 3 representa el SCE ALTERREX de GE. Este alternador excitador (AC exciter), el cual a su vez es un generador sincrónico, esta impulsado por el eje del generador principal. El excitador opera en la modalidad autoexcitado, esto es, su campo se obtiene a través de un rectificador con tiristores que toma la energía en bornes del propio excitador.

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De esta forma, lo rectificadores tienen control sobre la excitación del alternador excitador, el cual modifica el voltaje en bornes y, en consecuencia, cambia el voltaje continuo de alimentación del campo del generador principal. Notar que los diodos no tienen posibilidad de control, sólo rectifican la señal de entrada. Otra alternativa es usar un excitador dirigido como fuente para excitador de campo del poder. Cuando se usa rectificadores controlados, el regulador controla directamente el voltaje de salida DC del excitador. La figura Nº4 ilustra este caso.

Figura Nº

El regulador de voltaje controla el encendido de los tiristores. El excitador alternador es autoexcitado 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 inherente provee una alta respuesta inicial (pequeña respuesta en el tiempo).

Como se mostró anteriormente en las figuras 3 y 4, hay dos modos independientes de regulación: uno AC que regula automáticamente y mantiene el voltaje en bornes del estator del generador principal a un voltaje de referencia AC, y otro un regulador DC que mantiene constante el voltaje en el campo del generador de acuerdo a una referencia determinada. El regulador DC o modo de control manual actúan cuando del regulador AC falló o necesita ser desabilitado. La entrada de las señales al regulador AC incluyen entradas auxiliares las cuales permiten un control adicional y funciones de protección.

3.2.2 Sistemas de Rectificación Rotacional

Con este tipo de rectificación los anillos rozantes y escobillas son eliminados, y la salida DC alimenta directamente al campo del generador, como se muestra en la figura Nº5. Aquí, la armadura del excitador AC y el rectificador de diodos rotan con el campo del generador. Un pequeño excitador piloto AC, con un rotor de imán permanente, rota con la armadura y el rectificador de diodos. La salida del rectificador del estator del excitador piloto energiza el campo estacionario del excitador AC. El regulador de voltaje controla el

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3.3 Sistemas de Excitación Estática

Todas las componentes en este sistema son estáticos o estacionarias, tanto los rectificadores estáticos, controlados o no controlados, como las fuentes de excitación DC para el campo del generador sincrónico principal a través de anillos deslizantes (o rozantes). 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.

3.3.1 Sistema de fuente de potencial y rectificador controlado En este sistema, la excitación del generador es abastecida a través de un transformador (exciter transformer) desde los terminales del generador o la estación auxiliar, y esta regulada por un control del rectificador. Este tipo de sistema de excitación es también comúnmente conocido como bus-fed o transformer-fed. Se puede observar en la figura Nº6.

Figura Nº

La máxima salida de voltaje que puede entregar este excitador es dependiente de la entrada de voltaje AC. De aquí que durante condiciones de falla en el sistema, las cuales provocan una caída de voltaje en los terminales del generador, el voltaje en el excitador se reduce (y con ello la capacidad del generador principal para subir el voltaje en bornes). Esta limitación del SCE, es en gran medida equilibrado por su respuesta instantánea y alta capacidad de almacenamiento de campo electromagnético post falla. Además es barato y de fácil mantención. Para generadores conectados en un gran sistema estos SCE responden satisfactoriamente.

3.3.2 Sistema de Fuente Compuesta y rectificador La potencia para el SCE en este caso esta formada por la utilización de la corriente y el voltaje del generador principal. Esta puede ser ejecutada por medio de un transformador de potencial (TP) y un transformador de corriente con núcleo saturable (TC). Alternativamente, las fuente de voltaje y de corriente pueden ser combinadas por la utilización de un solo transformador, llamado como transformador de corriente saturable y

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potencial. La figura Nº7 muestra este sistema.

Figura Nº El regulador controla la salida del excitador a través del control de saturación del transformador en la excitación. Cuando el generador esta en vacío, la corriente por la armadura es cero y la fuente de potencial abastece completamente a la excitación del generador. Bajo condiciones de carga, parte de la excitación del generador es derivada desde la corriente del generador. Durante condiciones de falla, con una gran baja de voltaje en bornes del generador, la corriente entra a habilitar el excitador provisto de un campo con alta capacidad de campo fuerza.

3.3.3 SCE Compuesto Controlado

Este sistema utiliza un rectificador controlado en la salida del circuito del excitador y compuesto de fuentes de voltaje y corriente dentro del estator del generador para proveer la excitador de él. El resultado es una alta respuesta inicial. La figura Nº8 muestra este sistema. El voltaje de la fuente esta formado por un conjunto de tres fases puestas en las tres ranuras del estator del generador y en serie a la línea del reactor. 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 resultante de la salida AC es rectificada por semiconductores de poder. El medio de control esta provisto de una combinación puente de diodos y rectificadores conectados en paralelo. Un regulador de voltaje controla con un circuito de encendido de tiritores y de este modo regula la excitación del campo del generador. El transformador de excitación consiste de una unidas de tres fases y tres enrollados: corriente (C) y potencial (P) (enrollados primarios), y la salida del enrollado secundario (F). Bajo condición de falla, la corriente fluye a través del enrollado del transformador “C” que provee una fuerza de campo cuando el voltaje del generador cae.

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4. ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE SCE

En esta sección se presenta la caracterización de un SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un sistema de potencia. La figura Nº9 muestra la representación clásica de un sistema de control para estudios de estabilidad.

Figura Nº

En esta figura las variables relevantes son las siguientes:  Vr es el voltaje de referencia del regulador,  Et es la variable a controlar (el voltaje en bornes del generador o corregido mediante la caida de tensión de la línea de alimentación)  Vc señal filtrada y adaptada en el loop de control  Vr es la señal del excitador  Efd es el voltaje aplicado al rotor de la máquina sincrónica

El desempeño del sistema de control de excitación depende de las características de la excitación del sistema, el generador, y el sistema de potencia. En el estudio del desempeño dinámico de los SCE es usual separar los temas de estabilidad (o respuesta) ante grandes perturbaciones y ante perturbaciones pequeñas, también conocidas como pequeña y gran señal, respectivamente. En señales “grandes” la nolinealidad de las componentes es significativa, mientras que para pequeña señal, la respuesta es aproximadamente lineal.

4.1 Caracterización del Desempeño de Señales Grandes

En estos estudios es necesario representar el desempeño del SCE para transientes “severos”. Para permitir una máxima flexibilidad en el diseño, manufactura y aplicación de equipos de excitación, se ha caracterizado el desempeño de los SCE mediante los siguientes parámetros: a. Voltaje Máximo (o Tope): Es el máximo voltaje continuo que el SCE es capaz de abastecer desde sus terminales bajo condiciones específicas. El “voltaje máximo (o tope)” es indirectamente un indicador de la capacidad del campo electromagnético al interior de la máquina para almacenar energía. Así, un alto “voltaje máximo” tiende a mejorar la estabilidad transiente.

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Para la fuente de potencial y fuente compuesta del SCE estático, cuya fuente depende del voltaje y corriente del generador, el “voltaje máximo” esta definido por la fuente de corriente y de voltaje. Para SCE con excitación rotacional, el “voltaje máximo” esta determinado por la razón de velocidad. b. Corriente Máxima. Es la máxima corriente continua que el SCE es capaz de abastecer desde los terminales para un tiempo específico. c. Respuesta nominal del SCE. Se acostumbra a usar la curva de respuesta de voltaje del SCE presentado en la Figura 10.

Figura Nº La respuesta de la Figura 10 usa los valores oe = 0.5 s y ao es fijado por la carga del voltaje de campo. Las bases para considerar un tiempo nominal de 0.5 s, es que en una perturbación severa el rotor del generador normalmente tiene peaks entre 0.4 y 0.75s.

A partir de esta curva la respuesta nominal se caracteriza mediante la razón entre el incremento del voltaje de salida del SCE dividido por la razón del voltaje de campo de la siguiente forma: Re ( )( )

spuesta Nominal cd ao oe

d. Respuesta Rápida. Es la respuesta del SCE: en una ventana temporal de 0.1 s o menos.

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 Etc.

4.2.2 Índices de la Respuesta de Frecuencia Similar a lo ocurrido para los índices temporales, la respuesta en frecuencia sigue la caracterización típica de la teoría de control, separando las respuestas de lazo abierto y realimentado, respectivamente..

Así, la respuesta en frecuencia de lazo abierto de un sistema de control de excitación, junto con sus principales indicadores, se muestra en la Figura Nº12:

Figura Nº

Los índices asociados con el lazo abierto para la respuesta en frecuencia son:

 Ganancia de baja frecuencia G,  Frecuencia de corte c,  Margen de fase m,  Margen de ganancia Gm.  Etc.

El efecto de estas variables en SCE muestran que valores grandes de G mejoran la regulación de voltaje en estado estacionario, una valor grande de c indica una rápida respuesta, valores elevados de m y Gm proveen una mayor estabilidad sobre el loop de control de excitación, etc.

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La respuesta de lazo cerrado con el circuito del generador abierto se muestra en la Figura Nº13.

Figura Nº

Los índices más importantes asociados con el lazo cerrado son b (ancho de banda) y el valor peak Mp. Un alto valor de Mp (>1.6) es indicativo de un sistema oscilatorio exhibiendo un gran sobrepaso en su respuesta traniente. En general Mp está entre 1.1 y 1.5. Un ancho de banda grande indica una rápida respuesta.

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5.2 Circuitos Estabilizadores del SCE

El SCE está compuesto con elementos con retardos significativos sosteniendo un pobre desempeño dinámico. Esto es válido para sistemas DC y AC. El control de excitación es inestable cuando el generador está en circuito abierto. Por lo tanto el control de estabilización del sistema de excitación incluye una compensación serie o en feedback, que es usado para mejorar el desempeño dinámico del sistema de control. Este esta mostrado en la figura Nº

Figura Nº

El efecto de la compensación es minimizar el cambio de fase introducido por los retardos de tiempo sobre la selección del rango de frecuencia. Dependiendo del tipo de excitación, este pueden ser muchos niveles estabilización.

5.3 Estabilizador del Sistema de Potencia (PSS)

Usa una señal estabilizadora auxiliar para controlar el SCE, para mejorar el comportamiento dinámico del sistema de potencia. Comúnmente utiliza una señal de entrada para estabilizar velocidad, frecuencia y potencia. El comportamiento dinámico es mejorado por el amortiguamiento de las oscilaciones el sistema. Este es un método eficaz en el mejoramiento de la estabilidad en pequeña señal.

5.4 Compensador de Carga

El regulador automático de voltaje (AVR) normalmente controla el voltaje en terminales del estator. Algunas veces, la compensación de carga es usada para controlar el voltaje representativo, ya sea dentro o fuera del generador. Este es ejecutado por un circuito adicional en el loop AVR como e muestra en la figura Nº16. El compensador es ajustable por una resistencia y/o reactancia variable que simulan la impedancia entre los terminales del generador y el punto de control del voltaje. Con esto se mide la corriente por armadura, la caída de voltaje es sumada o restada al voltaje en terminales. La magnitud resultante Vc es la que llega al AVR, la expresión queda:

Vc  E t  ( R c  jX c ) Ic^ (0)

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Con Rc y Xc positivos, la caída de voltaje en el compensador es sumada al voltaje en bornes del generador. El compensador regula el voltaje en un punto dentro del generador y de este modo previene la caída. Con Rc y Xc negativos, el compensador regula el voltaje en un punto al otro lado de los terminales. Esta forma de compensación es usada para compensar las caídas de voltaje a través del transformador de subida.

Figura Nº

5.5 Limitador de Excitación Baja (UEL)

Intenta prevenir la reducción de excitación del generador hasta los límites de estabilidad y calentamiento. La señal de control del UEL esta derivada de una combinación de corriente y voltaje o potencia activa y reactiva del generador. Los límites de la señal se presentan cuando excede un valor de referencia. La figura Nº17 muestra la coordinación entre ambas.

Figura Nº