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Excitación (magnética)

En electromagnetismo , la excitación es el proceso de generar un campo magnético mediante una corriente eléctrica .

Un generador eléctrico o motor eléctrico consta de un rotor que gira en un campo magnético. El campo magnético puede ser producido por imanes permanentes o por bobinas de campo . En el caso de una máquina con bobinas de campo, debe fluir una corriente en las bobinas para generar ( excitar ) el campo; de lo contrario, no se transfiere energía hacia o desde el rotor. Las bobinas de campo producen la forma más flexible de regulación y desregulación del flujo magnético , pero a expensas del flujo de corriente eléctrica. Existen topologías híbridas, que incorporan imanes permanentes y bobinas de campo en la misma configuración. La excitación flexible de una máquina eléctrica giratoria se emplea mediante técnicas de excitación sin escobillas o mediante la inyección de corriente mediante escobillas de carbón (excitación estática).

Un alternador de CA de central eléctrica de accionamiento directo de 100 kVA con un generador excitador accionado por correa independiente, fecha c. 1917

Excitación en generadores.

A la izquierda se muestra un generador de CC con bobinado en derivación autoexcitado y a la derecha un generador de CC magneto con imanes de campo permanente. La salida del generador bobinado en derivación varía con el consumo de corriente, mientras que la salida del magneto es estable independientemente de las variaciones de carga.
Un generador de CC excitado por separado con imanes de campo bipolar. Los generadores con excitación separada como este se utilizan comúnmente en plantas de transmisión de energía a gran escala. El generador más pequeño puede ser un magneto con imanes de campo permanente u otro generador autoexcitado.
Una bobina de campo puede conectarse en derivación, en serie o en combinación con la armadura de una máquina de CC (motor o generador).

Para una máquina que utiliza bobinas de campo, como es el caso de la mayoría de los generadores grandes, el campo debe ser establecido por una corriente para que el generador produzca electricidad. Aunque parte de la producción propia del generador se puede utilizar para mantener el campo una vez que se inicia, se necesita una fuente externa de corriente para arrancar el generador. En cualquier caso, es importante poder controlar el campo ya que así se mantendrá el voltaje del sistema.

Principio del amplificador

A excepción de los generadores de imanes permanentes, un generador produce un voltaje de salida proporcional al flujo magnético, que es la suma del flujo de la magnetización de la estructura y el flujo proporcional al campo producido por la corriente de excitación. Si no hay corriente de excitación, el flujo es pequeño y el voltaje de la armadura es casi nulo.

La corriente de campo controla el voltaje generado, lo que permite regular el voltaje de un sistema de energía para eliminar el efecto del aumento de la corriente de la armadura que causa una mayor caída de voltaje en los conductores del devanado de la armadura. En un sistema con múltiples generadores y un voltaje de sistema constante, la corriente y la potencia entregadas por un generador individual están reguladas por la corriente de campo. Un generador es un amplificador de corriente a voltaje o transimpedancia. Para evitar daños por sobrecorrecciones progresivamente mayores, la corriente de campo debe ajustarse más lentamente de lo que se propaga el efecto del ajuste a través del sistema de potencia.

excitación separada

Alternador de un grupo electrógeno diésel de los años 30, con dinamo de excitación arriba

Para generadores grandes o antiguos, es habitual que se alimente una dinamo excitadora separada en paralelo con el generador de energía principal . Se trata de una pequeña dinamo excitada por batería o de imán permanente que produce la corriente de campo para el generador más grande.

Autoexcitación

Los generadores modernos con bobinas de campo suelen ser autoexcitados ; es decir, parte de la potencia producida por el rotor se utiliza para alimentar las bobinas de campo. El hierro del rotor retiene un grado de magnetismo residual cuando se apaga el generador. El generador se pone en marcha sin carga conectada; el campo débil inicial induce una corriente débil en las bobinas del rotor, que a su vez crea una corriente de campo inicial, aumentando la intensidad del campo, aumentando así la corriente inducida en el rotor, y así sucesivamente en un proceso de retroalimentación hasta que la máquina "acumula" a plena tensión.

A partir de

Los generadores autoexcitados deben arrancarse sin ninguna carga externa conectada. La carga externa consumirá la energía eléctrica del generador antes de que pueda aumentar la capacidad para generar energía eléctrica.

Variantes

Existen múltiples versiones de la autoexcitación: [1]

Intermitente de campo

Si la máquina no tiene suficiente magnetismo residual para alcanzar el voltaje total, generalmente se toma una medida para inyectar corriente en la bobina de campo desde otra fuente. Puede ser una batería , una unidad doméstica que proporciona corriente continua o corriente rectificada de una fuente de corriente alterna . Dado que esta corriente inicial se requiere durante un tiempo muy corto, se denomina parpadeo de campo . Incluso los grupos electrógenos portátiles pequeños pueden necesitar ocasionalmente una actualización de campo para reiniciarse.

La resistencia de campo crítica es la resistencia máxima del circuito de campo para una velocidad determinada con la que se excitaría el generador en derivación. El generador en derivación acumulará voltaje sólo si la resistencia del circuito de campo es menor que la resistencia de campo crítica. Es una tangente a las características del circuito abierto del generador a una velocidad determinada.

Excitación sin escobillas

La excitación sin escobillas crea el flujo magnético en el rotor de las máquinas eléctricas sin necesidad de escobillas de carbón. Por lo general, se utiliza para reducir los costos de mantenimiento regular y para reducir el riesgo de incendios forestales. Fue desarrollado en la década de 1950, a raíz de los avances en los dispositivos semiconductores de alta potencia . [2] El concepto era utilizar un rectificador de diodo giratorio en el eje de la máquina síncrona para recolectar voltajes alternos inducidos y rectificarlos para alimentar el devanado de campo del generador . [3] [4] [5]

Históricamente, la excitación sin escobillas ha carecido de la desregulación del flujo rápido, lo que ha sido un gran inconveniente. Sin embargo, han surgido nuevas soluciones. [6] Los circuitos giratorios modernos incorporan componentes de desexcitación activa en el eje, extendiendo el puente de diodos pasivo. [7] [8] [9] Además, sus recientes desarrollos en comunicación inalámbrica de alto rendimiento [10] [11] han logrado topologías totalmente controladas en el eje, como los rectificadores de tiristores y las interfaces de helicóptero. [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]

Referencias

  1. ^ Noland y col. 2019, pág. 109708.
  2. ^ Fenwick, DR; Wright, WF (1976). "Revisión de tendencias en sistemas de excitación y posibles desarrollos futuros". Actas de la Institución de Ingenieros Eléctricos . 123 (5): 413. doi : 10.1049/piee.1976.0093. ISSN  0020-3270.
  3. ^ Salah, Mohamed; Bacha, Khmais; Chaari, Abdelkader; Benbouzid, Mohamed El Hachemi (septiembre de 2014). "Generador síncrono trifásico sin escobillas en condiciones de falla de diodo giratorio" (PDF) . Transacciones IEEE sobre conversión de energía . 29 (3): 594–601. Código Bib : 2014ITEnC..29..594S. doi :10.1109/tec.2014.2312173. ISSN  0885-8969. S2CID  1386715.
  4. ^ Zhang, YuQi; Cramer, Aaron M. (diciembre de 2017). "Modelado numérico de valor medio de rectificadores giratorios en sistemas de excitación sin escobillas". Transacciones IEEE sobre conversión de energía . 32 (4): 1592-1601. Código Bib : 2017ITEnC..32.1592Z. doi :10.1109/tec.2017.2706961. ISSN  0885-8969. S2CID  20095186.
  5. ^ Nuzzo, Stefano; Galea, Michael; Gerada, Chris; Brown, Neil (abril de 2018). "Consideraciones de análisis, modelado y diseño de sistemas de excitación de generadores síncronos". Transacciones IEEE sobre electrónica industrial . 65 (4): 2996–3007. doi : 10.1109/tie.2017.2756592. ISSN  0278-0046. S2CID  2108726.
  6. ^ Nøland, Jonas Kristiansen (2017). "Un nuevo paradigma para grandes hidrogeneradores sin escobillas: ventajas más allá del sistema estático". DIVA .
  7. ^ Sistema de deexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta, 11 de febrero de 2010 , consultado el 28 de mayo de 2018.
  8. ^ Rebollo, Emilio; Blázquez, Francisco; Blánquez, Francisco R.; Platero, Carlos A.; Redondo, Marta (1 de julio de 2015). "Sistema mejorado de deexcitación de alta velocidad para máquinas síncronas sin escobillas probado en un hidrogenerador de 20 MVA". Aplicaciones de energía eléctrica IET . 9 (6): 405–411. doi : 10.1049/iet-epa.2014.0313 . ISSN  1751-8660.
  9. ^ Rebollo, Emilio; Platero, Carlos A.; Blázquez, Francisco; Granizo, Ricardo (1 de abril de 2017). "Respuesta interna a cortocircuito repentino de un nuevo HSBDS para máquinas síncronas sin escobillas probada en un generador de 15 MVA". Aplicaciones de energía eléctrica IET . 11 (4): 495–503. doi :10.1049/iet-epa.2016.0525. ISSN  1751-8660. S2CID  113771801.
  10. ^ Pang, Zhibo; Luvisotto, Michele; Dzung, Dacfey (septiembre de 2017). "Comunicaciones inalámbricas de alto rendimiento: los desafíos y oportunidades de un nuevo objetivo". Revista de Electrónica Industrial IEEE . 11 (3): 20–25. doi :10.1109/mie.2017.2703603. ISSN  1932-4529. S2CID  36317354.
  11. ^ Llano, Danilo X.; Abdi, Salmán; Tatlow, Mark; Abdi, Ehsan; McMahon, Richard A. (9 de septiembre de 2017). "Sistema de recolección de energía y transmisión inalámbrica de datos para instrumentación de rotores en máquinas eléctricas" (PDF) . Electrónica de potencia IET . 10 (11): 1259-1267. doi :10.1049/iet-pel.2016.0890. ISSN  1755-4535. S2CID  55831511.
  12. ^ Máquina eléctrica giratoria, 28 de mayo de 2014 , consultado el 28 de mayo de 2018
  13. ^ Sistemas y métodos relativos a máquinas síncronas sin excitador, 2017-10-06 , consultado el 28 de mayo de 2018.
  14. ^ Noland, Jonas Kristiansen; Hjelmervik, Karina Bakkelokken; Lundin, Urban (marzo de 2016). "Comparación de topologías de rectificación controladas por tiristores para un excitador de imán permanente sin escobillas giratorio de seis fases". Transacciones IEEE sobre conversión de energía . 31 (1): 314–322. Código Bib : 2016ITEnC..31..314N. doi :10.1109/tec.2015.2480884. ISSN  0885-8969. S2CID  40426107.
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  18. ^ Noland, Jonas Kristiansen; Evestedt, Fredrik; Lundin, Urbano (2018). "Demostración de modos de falla y operación posfalla redundante de rectificadores de tiristores giratorios en excitadores de doble estrella sin escobillas". Transacciones IEEE sobre electrónica industrial . 66 (2): 842–851. doi : 10.1109/tie.2018.2833044. ISSN  0278-0046. S2CID  52913506.

Fuentes

Ver también