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Excitación (magnética)

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

Un generador eléctrico o motor eléctrico consiste en 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 circular 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 proporcionan la forma más flexible de regulación y desregulación del flujo magnético , pero a expensas de un 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).

Alternador de CA de una central eléctrica de accionamiento directo de 100 kVA con un generador excitador accionado por correa independiente, fecha aproximada de 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 con magneto y imanes de campo permanente. La salida del generador con bobinado en derivación varía con el consumo de corriente, mientras que la salida del magneto es constante independientemente de las variaciones de carga.
Generador de corriente continua con excitación independiente y con imanes de campo bipolar. Este tipo de generadores 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 estar conectada en derivación, en serie o en compuesto con la armadura de una máquina de CC (motor o generador).

En el caso de una máquina que utiliza bobinas de campo, como es el caso de la mayoría de los generadores grandes, el campo debe establecerse mediante una corriente para que el generador produzca electricidad. Aunque parte de la salida del propio generador se puede utilizar para mantener el campo una vez que se pone en marcha, se necesita una fuente externa de corriente para poner en marcha el generador. En cualquier caso, es importante poder controlar el campo, ya que esto 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 minúsculo 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 armadura que provoca una mayor caída de voltaje en los conductores del devanado de 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 de transimpedancia. Para evitar daños por correcciones excesivas progresivamente mayores, la corriente de campo debe ajustarse más lentamente que el efecto del ajuste que se propaga a través del sistema de energía.

Excitación separada

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

En el caso de generadores grandes o antiguos, lo habitual es que se alimente un dinamo excitador independiente en paralelo con el generador de energía principal . Se trata de un dinamo pequeño excitado por imán permanente o por batería 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 de salida del rotor se utiliza para alimentar las bobinas de campo. El hierro del rotor conserva 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 "alcanza" el voltaje completo.

A partir de

Los generadores autoexcitados deben arrancarse sin ninguna carga externa conectada. Cualquier carga externa reducirá la potencia eléctrica del generador antes de que pueda aumentar la capacidad de generar energía eléctrica.

Variantes

Existen múltiples versiones de autoexitación: [1]

Campo intermitente

Si la máquina no tiene suficiente magnetismo residual para alcanzar el voltaje máximo, generalmente se hace una provisión para inyectar corriente en la bobina de campo desde otra fuente. Puede ser una batería , una unidad doméstica que proporcione corriente continua o corriente rectificada desde una fuente de energía de corriente alterna . Dado que esta corriente inicial se requiere durante un tiempo muy breve, se denomina descarga de campo . Incluso los grupos electrógenos portátiles pequeños pueden necesitar ocasionalmente descarga de campo para reiniciarse.

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

Excitación sin escobillas

La excitación sin escobillas crea el flujo magnético en el rotor de las máquinas eléctricas sin necesidad de escobillas de carbón. Se utiliza normalmente para reducir los costes de mantenimiento habituales y el riesgo de incendio de las escobillas. Se desarrolló en la década de 1950, como resultado de los avances en dispositivos semiconductores de alta potencia . [2] El concepto consistía en 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 rápida desregulación de flujo, lo que ha sido un inconveniente importante. Sin embargo, han surgido nuevas soluciones. [6] Los circuitos rotativos modernos incorporan componentes de desexcitación activa en el eje, lo que extiende el puente de diodos pasivo. [7] [8] [9] Además, sus recientes desarrollos en comunicación inalámbrica de alto rendimiento [10] [11] han logrado topologías completamente controladas en el eje, como los rectificadores de tiristores y las interfaces de chopper. [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]

Referencias

  1. ^ Noland y col. 2019, pág. 109708.
  2. ^ Fenwick, DR; Wright, WF (1976). "Revisión de las 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 fallo de diodo rotatorio" (PDF) . IEEE Transactions on Energy Conversion . 29 (3): 594–601. Bibcode :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 promedio de rectificadores rotatorios en sistemas de excitación sin escobillas". IEEE Transactions on Energy Conversion . 32 (4): 1592–1601. Bibcode :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 para los sistemas de excitación de generadores síncronos". IEEE Transactions on Industrial Electronics . 65 (4): 2996–3007. doi :10.1109/tie.2017.2756592. ISSN  0278-0046. S2CID  2108726.
  6. ^ Nøland, Jonas Kristiansen (2017). "Un nuevo paradigma para hidrogeneradores sin escobillas de gran tamaño: ventajas más allá del sistema estático". DIVA .
  7. ^ Sistema de desexcitación rápida para máquinas síncronas con excitación indirecta, 2010-02-11 , consultado el 2018-05-28
  8. ^ Rebollo, Emilio; Blazquez, Francisco; Blanquez, Francisco R.; Platero, Carlos A.; Redondo, Marta (2015-07-01). "Sistema mejorado de desexcitación de alta velocidad para máquinas síncronas sin escobillas probado en un hidrogenerador de 20 MVA". IET Electric Power Applications . 9 (6): 405–411. doi : 10.1049/iet-epa.2014.0313 . ISSN  1751-8660.
  9. ^ Rebollo, Emilio; Platero, Carlos A.; Blazquez, Francisco; Granizo, Ricardo (2017-04-01). "Respuesta interna a cortocircuito repentino de un nuevo HSBDS para máquinas síncronas sin escobillas probadas en un generador de 15 MVA". IET Electric Power Applications . 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 las 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, Salman; 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) . IET Power Electronics . 10 (11): 1259–1267. doi :10.1049/iet-pel.2016.0890. ISSN  1755-4535. S2CID  55831511.
  12. ^ Máquina eléctrica rotatoria, 2014-05-28 , consultado 2018-05-28
  13. ^ Sistemas y métodos relativos a máquinas síncronas sin excitador, 2017-10-06 , consultado el 2018-05-28
  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". IEEE Transactions on Energy Conversion . 31 (1): 314–322. Bibcode :2016ITEnC..31..314N. doi :10.1109/tec.2015.2480884. ISSN  0885-8969. S2CID  40426107.
  15. ^ Noland, Jonas Kristiansen; Evestedt, Fredrik; Perez-Loya, J. Jose; Abrahamsson, Johan; Lundin, Urban (mayo de 2017). "Diseño y caracterización de un excitador de imán permanente de polo exterior sin escobillas giratorio para un generador síncrono". IEEE Transactions on Industry Applications . 53 (3): 2016–2027. doi :10.1109/tia.2017.2669890. ISSN  0093-9994. S2CID  37649499.
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  17. ^ Noland, Jonas Kristiansen; Evestedt, Fredrik; Perez-Loya, J. Jose; Abrahamsson, Johan; Lundin, Urban (febrero de 2018). "Comparación de configuraciones de rectificadores de tiristores para un excitador de imán permanente de polo exterior sin escobillas rotativo de seis fases". IEEE Transactions on Industrial Electronics . 65 (2): 968–976. doi :10.1109/tie.2017.2726963. ISSN  0278-0046. S2CID  25027522.
  18. ^ Noland, Jonas Kristiansen; Evestedt, Fredrik; Lundin, Urban (2018). "Demostración de modos de falla y operación redundante posterior a falla de rectificadores de tiristores rotativos en excitadores de doble estrella sin escobillas". IEEE Transactions on Industrial Electronics . 66 (2): 842–851. doi :10.1109/tie.2018.2833044. ISSN  0278-0046. S2CID  52913506.

Fuentes

Véase también