Selecciones de excitación

La mayoría de los generadores modernos utilizan el sistema de excitación indirecta que no posee escobillas y, por lo tanto, también se conocen como generadores sin escobillas. Los sistemas de excitación indirecta requieren un alternador separado conocido como excitador, que se conecta al eje del rotor principal. El excitador genera la corriente necesaria para formar el campo magnético. El excitador trabaja en reversa con respecto a la parte principal del generador, ya que el estátor del excitador produce el campo magnético y el rotor del excitador rota dentro del campo para generar la corriente. En el sistema de excitación indirecta, el regulador de voltaje solo debe generar el voltaje que necesita el estátor del excitador y, en consecuencia, puede ser mucho más pequeño que el sistema de excitación directa. La corriente del rotor del excitador pasa por un puente de rectificador que se conecta al eje del rotor principal para convertirse de CA en CC, la cual se utiliza para generar el campo magnético dentro del rotor principal.

FUENTES DE ENERGÍA DE EXCITACIÓN

En un sistema de excitación indirecta, la fuente de energía del regulador de voltaje es fundamental para determinar el mejor rendimiento del sistema. Cuando se aplican cargas grandes al generador, que requieren cantidades grandes de corriente del estátor principal, el voltaje de salida cae. Se necesita más potencia del sistema de excitación para impulsar el campo magnético en el rotor principal y mantener el voltaje en la salida del sistema. La fuente para suministrar potencia al regulador de voltaje y el sistema de excitación suelen separarse en tres métodos principales. 

DESVIADOR DE CORRIENTE (AUTOEXCITADO)

El método más simple de generar la potencia de excitación se denomina método de desviador de corriente o autoexcitado. Se conoce como desviador de corriente porque los bobinados de salida del estátor principal están dispuestos para proporcionar un devanado desviador de corriente que divide la corriente del inducido de salida del estátor principal y suministra una parte de la corriente al regulador de voltaje. Los devanados desviadores de corriente producen tanto la potencia de CA como los requisitos de detección del regulador de voltaje, como se muestra en la Figura 3. El regulador de voltaje determina cuánta corriente de excitación se necesita con base en la entrada recibida por los cables. Como no hay otras fuentes externas de energía de serie en estos sistemas, también se conocen como autoexcitados. 

En una operación típica con un sistema de desviador de corriente, hay un campo magnético residual dentro del excitador y el rotor principal del generador. Este campo permanece dentro del sistema de la operación previa y permite que el generador acumule corriente cuando arranca. Como estos sistemas dependen del campo magnético residual, su capacidad para iniciar y aceptar cargas con rapidez puede ser menor, dado que el campo magnético residual se deteriora con el tiempo. Este rendimiento se mejora con el mantenimiento y la operación regulares del sistema.  

En algunos casos, el campo magnético residual puede deteriorarse hasta el punto en que el sistema no puede operarse. En este caso, se necesita que un ingeniero de mantenimiento inyecte potencia intermitente al campo de una fuente externa. Esta operación se considera un caso extremo, ya que el campo magnético reside dentro de un generador sin operar durante un tiempo considerable, y se puede evitar con un programa regular de prueba y mantenimiento. El tiempo que dura el campo magnético residual depende del material de construcción utilizado y de otros factores ambientales. 

Después del arranque, el sistema de desviador de corriente seguirá recibiendo potencia y lecturas de los devanados desviadores de corriente en la salida del generador. Las alteraciones que crean las cargas conectadas a la salida del generador se hacen evidentes en las conexiones con el regulador de voltaje.  

Esto puede crear alteraciones con el regulador de voltaje en cuanto a la precisión de las lecturas y la capacidad para suministrar potencia constante al excitador.  Las cargas no lineales altas, como los motores alimentados con UPS o VFD, pueden causar armónicos importantes, que podrían afectar la operación de un sistema de desviador de corriente. 

Cuando se necesita una demanda de carga grande de un generador excitado con desviador de corriente, como en el arranque de un motor grande, la caída asociada con la potencia de salida disponible del generador reduce la capacidad del regulador de voltaje para suministrar la corriente necesaria y aumentar el campo magnético. Debido a la caída del campo magnético, el voltaje cae y la recuperación de los valores nominales es más lenta. Esto también sucede cuando ocurre una falla y el voltaje en la salida del generador colapsa; el sistema de desviador de corriente reduce con rapidez la corriente disponible que se produce. 

Esta caída rápida en la corriente puede ser deseable en algunos diseños porque actúa como una barrera natural ante un evento de exceso de corriente, que puede dañar el generador u otros componentes del sistema. En una aplicación de respaldo sencilla con un esquema de protección simple, un sistema de desviador de corriente puede ser una solución económica. Sin embargo, en aplicaciones en las que se prefieren corrientes de arranque de motores grandes o corrientes de falla altas, es más conveniente usar un sistema de excitación con alimentación externa.

GENERADOR DE IMÁN PERMANENTE (PMG)

El sistema de excitación con alimentación externa más solicitado es el sistema de excitación de Generador de Imán Permanente (PMG, Permanent Magnet Generator). El sistema excitación de PMG suma un generador que utiliza imanes permanentes en el rotor para generar un campo y un estátor donde se genera la potencia. El PMG es la fuente de la corriente que se suministra al regulador de voltaje. El uso de los elementos de imán permanente dentro del PMG resuelve las preocupaciones relacionadas con la necesidad de tener un campo magnético residual, como ocurre en los sistemas de desviadores de corriente. El PMG nunca necesita inyecciones intermitentes de potencia para restaurar el campo magnético y suministra una acumulación de voltaje intrínseca para respaldar la demanda de corriente mucho más rápido durante el arranque en comparación con la del sistema de desviador de corriente. 

En la operación normal del sistema de PMG, la corriente de excitación recibe alimentación continua del PMG mientras las detecciones siguen proviniendo de la salida del generador. De esta manera, el sistema de excitación de PMG proporciona una respuesta más rápida a una aceptación de carga grande, como el arranque de un motor, porque el PMG puede seguir aumentando la corriente para respaldar el sistema de excitación sin el efecto de la carga en el generador. Además, el sistema de PMG puede suministrar una cantidad significativamente mayor de corriente de falla que un sistema de desviador de corriente y mantener la corriente durante un período más prolongado. Esto constituye una ventaja en sistemas grandes con varios niveles de protección, ya que se puede simplificar la coordinación de los dispositivos de protección.

Las desventajas principales del sistema de PMG se relacionan con las demás piezas necesarias. El PMG incrementa la longitud del paquete de generador y, además, puede reducir la fiabilidad estadística del sistema porque incluye otras piezas que podrían fallar. El PMG añade otro costo al sistema en general.

EXCITACIÓN INTERNA (AREP)

El sistema de excitación final, que suele pasarse por alto, también es un sistema de excitación con alimentación separada, y se conoce como sistema de excitación interna o Auxiliary Winding Regulation Excitation Principle (AREP). El sistema de excitación interna utiliza una serie de bobinados auxiliares que se insertan en el estátor principal del generador durante la construcción. Estos bobinados auxiliares se sellan dentro del sistema durante el proceso de aislamiento; sin embargo, son conexiones con aislamiento eléctrico desde la salida del generador. 

En los sistemas de excitación interna, la potencia de CA se suministra sin efecto de la carga de salida del generador, igual que en un sistema de PMG. Con la fuente de potencia separada, los sistemas de excitación interna pueden satisfacer las demandas de alta potencia con rapidez y lograr un rendimiento casi idéntico al del sistema de PMG en cuanto a los requisitos de arranque del motor y corriente de cortocircuito en la mayoría de los diseños.

Caterpillar incorporó más mejoras en muchos de sus generadores de excitación interna gracias a la adición de insertos de imanes permanentes dentro del campo del excitador. Con estos imanes permanentes, los generadores de excitación interna de Caterpillar pueden tener mejor acumulación de voltaje y, de esta manera, eliminar las preocupaciones relacionadas con la necesidad de magnetismo residual para respaldar el arranque del generador. Para obtener más información sobre los sistemas de excitación interna específicos de Caterpillar, consulte el informe técnico de Caterpillar LEXE1672 "Cat® Internally Excited (IE) Alternators" (Alternadores de excitación interna [IE] Cat®).

Los sistemas de excitación interna de Caterpillar ofrecen un rendimiento casi idéntico al de los sistemas de excitación de PMG tradicionales con la ventaja de incluir menos componentes, que significa mejor fiabilidad y menor duración.

RESUMEN

Si comprende el funcionamiento del sistema de excitación de su generador, podrá tomar mejores decisiones sobre las opciones con las que cuenta. El sistema de excitación es la base de toda la potencia que produce el generador y desempeña una papel importante para determinar el rendimiento general. Una especificación típica de un generador comprado hoy en día consiste en un sistema de excitación indirecta sin escobillas para garantizar un bajo mantenimiento y un rendimiento fiable. Sin embargo, debe darse una consideración igual de importante a la selección de la fuente de energía para este sistema de excitación. 

En el caso de un sistema auxiliar pequeño al que se hará un mantenimiento regular, un sistema de desviador de corriente o autoexcitado de bajo costo puede ser la opción ideal. Este es el tipo de sistema que más se utiliza en las unidades domésticas y funciona para aplicaciones de uso general con mínimo riesgo. Si su aplicación es más crítica o está en un área en la que es más difícil realizar tareas habituales de mantenimiento, es mejor considerar un sistema de excitación con alimentación separada.  

A la hora de evaluar las dos opciones de sistemas de excitación de alimentación separada, tenga en cuenta que los sistemas de PMG y de excitación interna de Caterpillar tienen características de rendimiento idénticas para la eliminación de fallas y el arranque del motor.

Gracias a los imanes permanentes integrados en los sistemas de excitación interna de Caterpillar, ambos diseños pueden ofrecer una magnetización inicial fiable del sistema. La diferencia principal entre los dos sistemas es que el sistema de PMG contiene otros componentes. Si bien con esto se puede realizar el mantenimiento del PMG, también se reduce la fiabilidad estadística y se aumenta el costo del sistema de PMG.

Cuando se especifica un sistema generador crítico que requiere un arranque fiable, aceptación de cargas altas y capacidades de corriente de falla altas, sería recomendable incluir una declaración dentro de la especificación con la que el fabricante pueda seleccionar un sistema de excitación interna o de PMG. El enfoque principal de estos sistemas debería ser la energía de excitación de alimentación separada y la capacidad para proporcionar corriente de falla alta, como el 300 % de la corriente nominal de 60 Hz (el 250 % de la corriente nominal de 50 Hz) durante 10 segundos.