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Alternadores de excitación interna (IE) Cat®
Roger Rosborough
Electric Power, Caterpillar Inc.
RESUMEN
¿Qué es un alternador de excitación interna (IE) y cómo funciona?
En este documento, se proporciona una descripción detallada de la IE (excitación interna) y se muestra cómo el rendimiento de la IE SR5 Cat® se puede considerar idéntico al de la excitación con imanes permanentes (PM, permanent magnet), incluida la provisión de inserciones de imanes permanentes para evitar las preocupaciones por la pérdida de magnetismo residual.
INTRODUCCIÓN
Existen tres fuentes básicas de energía de excitación del alternador: la autoexcitada (SE, Self Excited), la excitada internamente (IE, Internally Excited) y el imán permanente (PM, Permanent Magnet). La SE es el tipo de excitación más básico con una limitación en la capacidad de cortocircuito y, a veces, se denomina excitación del desviador de corriente. La limitación de la SE se puede superar mediante la incorporación de un generador de imanes permanentes (PMG, permanent magnet generator) al final del alternador de SE, que lo convierte en excitación de PM. La PMG suministra energía al regulador de voltaje, que permite que el alternador suministre corriente aunque sus terminales estén en cortocircuito. Encontrará información más detallada sobre los fundamentos de la excitación en el informe técnico de Caterpillar LEXE1643 "Excitation Selections" (Opciones de excitación).
Este debate se centra en la IE, que es un método alternativo para suministrar una fuente externa de energía al sistema de excitación, a la vez que proporciona un rendimiento comparable al de la excitación de PM. La IE se denomina a veces "principio de excitación de regulación del bobinado auxiliar" o AREP. Todos los Alternadores SR5 Cat son IE o PM.
OPERACIÓN DE IE
El sistema de IE proporciona un rendimiento de cortocircuito equivalente al de la excitación de PM. Consiste en dos conjuntos adicionales de bobinas que se insertan en determinadas ranuras del estator principal. El devanado de IE está aislado eléctricamente del devanado del estator principal y se sella dentro del estator durante el proceso de aislamiento; los bobinados de IE se pueden ver en las Figuras 1 y 2 siguientes.
Figura 1. Devanado del estator de bajo voltaje de IE
Figura 2. Devanado del estator de medio y alto voltaje de IE
Los dos devanados auxiliares se conectan en serie a la entrada de potencia trifásica del regulador de voltaje, como la fuente de alimentación del sistema de excitación. Un devanado auxiliar produce un voltaje proporcional al de salida de la unidad (característica de desviador de corriente). El otro actúa como un transformador de corriente y produce un voltaje proporcional a la corriente de salida de la unidad, y es una función de la carga aplicada (característica compuesta, efecto potenciador). Las dos salidas se combinan dentro del regulador de voltaje y proporcionan una fuente de alimentación constante. En la Figura 3, se muestran las interconexiones entre los distintos componentes del alternador con IE.
Figura 3. Diagrama simplificado de los principales componentes de un alternador de IE
En las Figuras 4 y 5 siguientes, se proporciona información adicional sobre cómo el voltaje de salida de los devanados auxiliares se relaciona con la carga aplicada en el alternador. El devanado desviador de corriente proporciona la mayor parte de la corriente de excitación de carga normal que necesita el alternador. Su rendimiento es constante hasta el 150-200 % de la carga nominal. Si la carga se incrementa por encima de estos niveles, el regulador no recibe suficiente potencia para mantener el voltaje de salida nominal del alternador, y el voltaje colapsa.
Figura 4. Devanado auxiliar de desviador de corriente
Figura 5. Devanado auxiliar de refuerzo en serie
El devanado auxiliar de refuerzo en serie proporciona poca o ninguna excitación sin carga. Sin embargo, su potencia aumenta con la carga y se satura entre el 250-300 % de la corriente nominal. Esto significa que, por encima del 250-300 % de la corriente nominal, el voltaje de salida del devanado auxiliar de refuerzo conectado en serie se nivela. Se calcula que ese valor nivelado es suficiente para que el regulador proporcione la capacidad de corriente de cortocircuito del 250-300 %.
En la Figura 6, se muestra la combinación de los dos devanados auxiliares que proporcionan una fuente de energía constante para el regulador de voltaje. En la Figura 7, se muestra el voltaje de salida del alternador soportado por la salida combinada de los dos devanados auxiliares que cumplen con la capacidad de cortocircuito idéntica a la de un sistema de excitación de PM.
Figura 6. Devanados auxiliares de IE
Figura 7. Voltaje de salida del alternador
VENTAJAS DE LOS ALTERNADORES DE IE
Una de las principales ventajas de rendimiento del sistema de IE es su capacidad de proporcionar una potencia constante al sistema de excitación con todo tipo de cargas, incluidas las grandes cargas no lineales, como las de un rectificador controlado por silicio (SCR, silicon controlled rectifier), un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) o una unidad de frecuencia variable (VFD, variable frequency drive). La capacidad inherente del sistema de IE para trabajar con cargas no lineales proviene de la fuente de alimentación de CC filtrada y su transistor de potencia (consulte la Figura 8). Las cargas no lineales crean distorsiones de flujo que aparecen en la salida de los devanados auxiliares. La primera etapa del regulador de voltaje es un puente de rectificador trifásico de onda completa que alimenta al transistor de potencia a través de un gran capacitor de filtro. Este filtro proporciona una fuente de alimentación de CC limpia para el regulador de voltaje automático, que es independiente del voltaje de salida distorsionado por la carga del alternador. Además, el transistor se opera en modulación de duración de impulsos a una frecuencia diferente de la frecuencia sincrónica y, por lo tanto, impide el seguimiento del SCR de carga. La capacidad del sistema de IE para proporcionar potencia consistente con cargas no lineales no sustituye la consideración normal del dimensionamiento del alternador ni el efecto de los armónicos de voltaje sobre la estabilidad o el rendimiento del propio alternador.
Figura 8. Diagrama de excitación para IE
El sistema de excitación de IE también ofrece ventajas con la aplicación de cargas lineales. La alimentación constante que suministran los devanados auxiliares proporciona al alternador un excelente rendimiento transitorio con fluctuaciones de carga, como las que se producen con requisitos de arranque de motores grandes.
En algunas aplicaciones de reserva en las que un grupo electrógeno puede tener períodos muy largos de inactividad, la pérdida de magnetismo residual en los alternadores de SE puede representar una preocupación hasta el punto de que el sistema no pueda funcionar. Para evitar esta preocupación, a menudo se selecciona un MP que tiene una acumulación de voltaje intrínseca. La misma preocupación se podría aplicar a los alternadores de IE; sin embargo, todos los Alternadores SR5 IE Cat incluyen imanes permanentes incrustados en el campo excitador para mejorar la acumulación de voltaje o evitar su pérdida. Con estos imanes permanentes incrustados en los alternadores SR5 IE, ya no hay que preocuparse por la pérdida de magnetismo residual.
A pesar de todas las ventajas de la mayor capacidad de corriente de falla que ofrece el sistema de IE, algunas empresas de servicios públicos prohíben que las máquinas con una alta capacidad de cortocircuito funcionen en paralelo con su red, ya sea durante la retransferencia sin carga, la cogeneración continua o el recorte de picos. El sistema de IE está diseñado con una función adicional para cumplir estos requisitos: la capacidad de corriente de cortocircuito se puede desactivar durante el funcionamiento en paralelo con la empresa de servicios públicos y activarse por completo durante el funcionamiento autónomo para obtener el máximo rendimiento. Esto permite que el sistema de IE muestre las mejores características para la aplicación incluso si esta es dinámica.
Las características estándar de IE que no están disponibles en los alternadores de SE incluyen la inmunidad a las cargas no lineales, el excelente arranque del motor y la capacidad de corriente de cortocircuito. El IE proporciona estas características sin componentes adicionales y dentro de la misma envoltura física de un alternador de SE, a diferencia de los sistemas de PM. El sistema de IE se debe considerar un sistema de rendimiento superior al de SE y una alternativa de rendimiento idéntica al de PM para la eliminación de fallas y el arranque del motor.
RESUMEN DE LAS VENTAJAS DEL IE
- excelente capacidad de arranque del motor;
- rendimiento superior en cargas con alta distorsión armónica en comparación con SE;
- mayor rendimiento en variaciones de carga en comparación con SE;
- 300 % de corriente nominal a 60 Hz (250 % de corriente a 50 Hz) corriente de cortocircuito sostenida durante 10 segundos
- acumulación de voltaje garantizada en el arranque para todos los Alternadores SR5 IE Cat;
- envoltura más corta frente a los PM convencionales;
- menos componentes, por lo que el riesgo de falla es menor en comparación con el PM convencional;
- acceso más simple al puente de rectificador para su monitoreo y mantenimiento.