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 independiente como este se utilizan habitualmente 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 causados 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 más 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]
una derivación, el diseño más simple, utiliza el devanado principal para la potencia de excitación;
Un sistema de refuerzo de excitación (EBS) es un diseño en derivación con un pequeño generador separado agregado para proporcionar temporalmente un impulso de energía cuando el voltaje de la bobina principal cae (por ejemplo, debido a una falla). El generador de refuerzo no está clasificado para funcionamiento permanente;
un devanado auxiliar no está conectado al principal y por lo tanto no está sujeto a cambios de voltaje causados por el cambio de carga.
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
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Fuentes
Noland, Jonás Kristiansen; Nuzzo, Stefano; Tessarolo, Alberto; Alves, Erick Fernando (2019). "Tecnologías de sistemas de excitación para máquinas síncronas de campo bobinado: estudio de soluciones y tendencias en evolución". Acceso IEEE . 7 : 109699–109718. doi : 10.1109/ACCESS.2019.2933493 . eISSN 2169-3536. hdl : 11368/2958610 . S2CID 201065415.