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Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento electroenergética
TRABAJO DE DIPLOMA
CONSTRUCCION DE UN REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO
PARA UNA PLANTA ELECTRICA.
Autor: Deriek Rodríguez López
Tutor: Lesyani León Viltre
Santa Clara
2014
"Año 56 de la Revolución."
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento Electroenergética
TRABAJO DE DIPLOMA
CONSTRUCCION DE UN REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO PARA
UNA PLANTA ELECTRICA
Autor: Deriek Rodríguez López
[email protected]
Tutor: MSc. Lesyani León Viltre
[email protected]
Profesora Auxiliar, Dpto. Electroenergética FIE UCLV
Santa Clara
2014
"Año 56 de la Revolución."
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central
“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad
de Ingeniería en Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para
los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá
ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de
la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un
trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor
Firma del Jefe de Departamento
donde se defiende el trabajo
Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
i
PENSAMIENTO
El hombre crece tanto, que ya se sale de su mundo e influye en el otro. Por la fuerza de su
conocimiento. Abarca la composición de lo invisible, y por la gloria de una vida de
derecho llega a sus puertas seguro y dichoso…
José Martí
ii
DEDICATORIA
A mis padres por el gran apoyo que siempre me han dado.
A mi novia Dayana por tanto amor y comprensión.
En especial a mi hermano por ser el mejor del mundo.
iii
AGRADECIMIENTOS
A todos mis amigos que siempre creyeron en mí y estuvieron presente cuando los necesité.
A los profesores que tuvieron que ver con mi formación académica, por haberme
brindado sus conocimientos y amistad en especial a la profesora Lesyani León por su
confianza y apoyo.
A los que de una forma u otra me extendieron su mano.
iv
TAREA TÉCNICA
Para darle solución al problema planteado y cumplir con el objetivo general del
trabajo es necesario dar cumplimiento a las siguientes tareas técnicas:
1. El estudio del funcionamiento de un generador sincrónico.
2. El análisis del principio de funcionamiento de los reguladores de voltaje.
3. El diseño y construcción de un regulador de voltaje para el generador
sincrónico.
4. La comprobación del correcto funcionamiento del regulador implementado
Firma del Autor
Firma del Tutor
v
RESUMEN
En este trabajo se presenta el diseño y construcción de un sistema de control,
para regular el voltaje de salida de una planta de energía eléctrica, en sus valores
nominales (250 V), ante la conexión y desconexión repentina de las cargas.
La planta de energía eléctrica, que se desea controlar está constituida por un
generador trifásico y un motor de Diesel. El generador tiene una capacidad de 175
KVA, 4 polos, y el tipo de conexión es doble estrella.
El sistema de control, está basado en componentes discretos e integrados que se
encargan de mantener el voltaje en su valor nominal. El sistema está dividido en
los siguientes bloques: una tarjeta de control y una etapa de potencia para
suministrar y manipular el voltaje de excitación del devanado de campo del
generador.
En el
control del voltaje, se emplea un lazo de retroalimentación del voltaje
proporcional al generado, el cual también es comparado con un valor de
referencia, de esta forma la etapa de potencia entrega un voltaje de excitación
proporcional a dicho error, manteniendo el voltaje en su valor nominal.
vi
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO…………………………………………………………………………….i
DEDICATORIA…………………………………………………………………………….ii
AGRADECIMIENTOS…………………………………………………………………….iii
TAREA TÉCNICA…………………………………………………………………………iv
RESUMEN………………………………………………………………………………......v
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………..1
CAPITULO 1. EL GENERADOR SINCRÓNICO Y LOS REGOLADORES DE
VOLTAJE…………………………………………………………………………………...5
1.1 Generador básico……………………………………………………………….………..5
1.1.1 Funcionamiento del generador……...…………………………………….……..…..6
1.2 Generador de corriente alterna…..…………………………………………………..…..8
1.2.1 Tipos de alternadores……………………………………………………….……….8
1.3Alternadores sincrónicos…………
……………………………………………......11
1.3.1Principio de operación del alternador sincrónico………………………….………..11
1.4 Función de la excitación…………………………………………………...………...…12
1.4.1 Elementos que conforman un sistema de excitación……...................................…..13
1.5 Modelos matemáticos de sistemas de excitación…………………………………..…..14
1.51 Modelo del transductor de voltaje en los terminales de la máquina síncrona y del
compensador de carga…………..………………………………………………………….15
vii
1.6 Representación de un diagrama de bloques de un sistema de excitación……….…..…18
1.6.1 Amplificador del sistema de excitación………………………..…...………….…..18
1.6.2 Bloque del excitador de CD………………………...………………………….…..19
1.6.3 Diagrama esquemático del excitador de CD………………………………….…...20
1.6.4 Curva de saturación de carga del excitador…………………………………….…..21
1.7 Tipos de sistemas de excitación tradicionales………………………………………….22
1.7.1 Sistema de excitación de CD………………………………………………….……22
1.7.2 Sistema de excitación de CA……………………………………………….………22
1.7.2.1 Sistema de rectificadores estacionarios…………………………………….…..23
1.7.2.2 Sistema rectificador rotatorio…………………………………………….….…24
1.8 Regulación primaria de voltaje………………………………………………………...24
1.8.1 SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un sistema de potencia………….….26
CAPITULO 2. DISEÑO DEL REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO……...28
2.1 Generador sincrónico de excitación sin escobillas ……………………………………28
2.2 Construcción del Regulador de voltaje Automático…………………………………..30
2.2.1 Bloques del regulador de voltaje automático……………………………………...31
2.2.1.1 Fuente de alimentación del circuito…………………………...………………..31
2.2.1.2 Detector de cruce por cero……………………………………………...………32
2.2.1.3 Rectificador de onda………………………………………………………...….33
2.2.1.4 Generador de señal triangular de referencia…………………………………….34
2.2.1.5 Comparador………………………………………………………...…………...35
2.2.1.6 Etapa de potencia ……………………………………………………...……….36
2.3 Comportamiento del voltaje
de excitación (Vexc) en relación con el voltaje de
corriente alterna (Vca)……………………………………………………………………...36
2.3.1 Descripción del regulador de voltaje………………………………………….…....37
viii
CAPITULO 3. RESULTADOS Y PUESTA EN MARCHA DEL REGULADOR
DISEÑADO………………………………………………………………………………..39
3.1 Pruebas aplicadas al generador sin regulador………………………………………….39
3.1.2 Pruebas aplicadas al generador con regulador……………………….…………….39
3.2 Voltaje de excitación y el voltaje obtenido en los terminales del generador…………..40
3.3 Valores de consumo de corriente de la carga real……...…...………………………….41
3.4 Valoración económica………………………………………………………………….42
3.5 Conclusión del capítulo………………………………………………………………...43
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES…………………….……………………..44
Concluciones……………………………………………………………………………….44
Recomendaciones…………………………………………………………………………..44
REFERENCIAS BIBLOGRAFICAS………………………………………………….…..45
ANEXOS………………………...…………………………………………………………47
INTRODUCCIÓN
1
INTRODUCCIÓN
El consumo de energía ha estado asociado siempre con el hombre. El hombre
primitivo, al igual que los animales, ha dependido de su propia energía animal
para su subsistencia. El uso artificial del fuego empezó a diferenciar al hombre de
los animales. Ha sido, y es, tan importante el uso de energía para el hombre, que
un índice para medir el nivel de desarrollo de una nación es su consumo por
habitante [1].
Sin la electricidad, la mayor parte de las máquinas eléctricas empleadas hoy en
día no serían posibles y se tendría que prescindir de aparatos eléctricos que
constituyen parte integral del entorno cotidiano. Existen diversas formas de
generar electricidad, el generador es la máquina elemental, que utiliza el método
más común para producirla, empleando el principio del electromagnetismo.
Casi toda la energía eléctrica empleada (excepto para equipos de emergencia y
portátiles operados con baterías) proviene originalmente de un generador de una
planta eléctrica. El generador puede ser accionado mecánicamente por una fuerza
hidráulica, una turbina de vapor con calentamiento de carbón, petróleo, gas,
energía nuclear o hasta un motor de combustión interna, pero aun así uno de los
mayores problemas es encontrar fuentes de energía nuevas y alternas, que son
cada vez más limitadas. Pero por ahora se depende casi íntegramente del
generador eléctrico.
Un generador es una máquina que convierte la energía mecánica en energía
eléctrica, utilizando el principio del electromagnetismo y una fuerza externa de
accionamiento. Sin embargo, en la operación de un generador; se acentúa la
necesidad de diseñar y construir sistemas de control, que sostengan la calidad de
INTRODUCCIÓN
2
energía eléctrica generada, es decir; mantener los niveles de voltaje en sus
valores nominales, ya que esta variable depende fuertemente de la operación del
generador y de los cambios de carga [2].
Desde el punto de vista de su funcionamiento, el sistema de control de excitación
(SCE) debe ser capaz de responder a perturbaciones, tanto transientes como
estacionarias, sin alterar la operación normal del generador. Así mismo, debe ser
capaz de integrarse con el resto de los sistemas de protección de los generadores,
tales como las protecciones ante fallas de aislamiento en el rotor debido a altos
voltajes, calentamiento en el rotor debido a corrientes de campo, calentamiento en
el estator debido a corrientes de armadura, calentamiento por baja excitación de
operación y debido a exceso de flujo, etc.
Desde el punto de vista de los sistemas de potencia, el sistema de excitación
contribuye a un control efectivo de voltaje y por ello es ampliamente usado para
mejorar la estabilidad del sistema. En particular, se usa en coordinación con
estabilizadores de potencia (Power System Stabilizer PSS) para amortiguar
oscilaciones y en el control rápido ante un disturbio de manera de mejorar la
estabilidad transientes [3].
En la Unidad Empresarial de Base (UEB) de mármoles cubanos ubicado en el
municipio de Fomento, perteneciente a la provincia de Sancti Spíritus, se ubica
una cantera de mármol donde se extrae la materia prima, o sea el mármol. Esta
UEB tiene un plan anual de (3000m3) los cuales una parte se exporta y otra se
destina al consumo nacional, sustituyendo importaciones ya que este producto
tiene gran aceptación en las zonas turísticas. Esta UEB se encuentra dentro de las
primeras del país en cuanto a niveles de producción, por ende es vital para el
cumplimiento de los planes de producción de la Empresa.
En esta cantera se encuentran varias plantas generadoras de energía eléctrica,
las cuales no disponen de su regulador de excitación de voltaje automático el cual
es esencial para su correcto funcionamiento. Este regulador proporciona al campo
del generador el voltaje de alimentación necesario para mantener en sus
terminales el voltaje nominal. Es de vital importancia que el generador mantenga
su nivel nominal tanto de voltaje como de potencia. La mala calidad de la energía
INTRODUCCIÓN
3
suministrada a las máquinas pondría en riesgo la vida útil de sus motores y
afectaría seriamente los niveles de producción en la (UEB). La puesta en marcha
de estos equipos es para la (UEB) de gran utilidad pudiendo aumentar su
producción, ya que no cuenta en su totalidad con energía eléctrica del sistema
nacional.
Las pantas eléctricas utilizadas actualmente en dicha (UEB) son generadores
sincrónicos. Cuentan con un motor diesel que proporciona la potencia mecánica
que hace girar al generador. Este produce la energía eléctrica que necesitan las
máquinas para realizar su trabajo. Debido a que el régimen de trabajo de las
máquinas es de forma variable se necesita que el voltaje en sus terminales cumpla
con las demandas de potencia absorbidas por estas.
En las plantas eléctricas que trabajan en régimen variable, el regulador de voltaje
de excitación es imprescindible para su correcto funcionamiento ya que tiene que
regular el voltaje de excitación suministrado al campo. Un regulador automático de
voltaje debe cumplir requisitos para su óptimo desempeño un tiempo de respuesta
bajo, resistir picos de voltajes transitorios y soportar vibraciones que se pueden
generar en el alternador.
Es por lo anteriormente expresado que se establece como problema científico:
¿Cómo proporcionar una regulación automática del voltaje de un generador
sincrónico que alimenta las máquinas en la UEB Mármoles del Centro?
El objetivo general de la investigación es: Diseñar e implementar un regulador de
voltaje automático para una planta generadora de energía eléctrica en la (UEB)
Unidad Empresarial de Base de Mármoles de Fomento.
Objetivos específicos
 Realizar un estudio de l funcionamiento básico del generador sincrónico.
 Analizar el principio de funcionamiento de los controladores existentes para
la regulación del voltaje en los generadores.
 Diseñar y construir un regulador de voltaje automático para un generador
sincrónico.
 Realizar pruebas del funcionamiento del sistema de control ( regulador de
voltaje automático).
INTRODUCCIÓN
4
Las tareas de investigación para cumplir con los objetivos específicos son:
1.El estudio del funcionamiento de un generador sincrónico.
2.El análisis del principio de funcionamiento de los reguladores de voltaje.
3.El diseño y construcción de un regulador de voltaje para el generador
sincrónico.
4.La comprobación del correcto funcionamiento del regulador implementado.
La tesis está dividida en 3 capítulos, en el capítulo 1 se tratan los principales
aspectos teóricos relacionados con los generadores sincrónicos y los reguladores
de voltaje. El capítulo 2 aborda fundamentalmente el diseño y construcción del
regulador de voltaje, mientras que el capítulo 3 muestra los resultados obtenidos
con la implementación y puesta en marcha del regulador de voltaje diseñado.
Finalmente se ofrecen un conjunto de conclusiones y recomendaciones útiles para
los interesados en el tema.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
5
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje.
En este capítulo se tratarán los aspectos teóricos básicos relacionados con los
generadores sincrónicos y los reguladores de voltajes.
La palabra generar significa producir. Un generador eléctrico es una máquina que
produce un voltaje por medio de inducción electromagnética. Esto se efectúa por la
rotación de bobinas de alambre a través de un campo magnético o por la rotación de
un campo magnético en el centro de las bobinas de alambre. El generador moderno
es el resultado del trabajo de Michael Faraday y Joseph Henry en 1831, este
descubrimiento dio lugar al generador, motor eléctrico, micrófono, bocina,
transformador y galvanómetro. En la actualidad más del 95% de la energía eléctrica
mundial se suministra mediante generadores [4].
1.1
Generador básico
Un voltaje alterno estacionario es producido al girar una bobina de alambre
entre los polos de un imán permanente. La figura 1.1 muestra el esquema de un
generador; la bobina se denomina armadura, sus extremos conectan a anillos
colectores aislados , los cuales están montados en el mismo eje de la armadura.
Las escobillas estacionarias presionan los anillos colectores y con ello conectan
la armadura rotatoria a un circuito externo. Una fuerza mecánica acciona (hace
girar) la armadura, y con ello se convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
6
Figura 1. Generador de CA de una bobina.
1.1.1. Funcionamiento del generador
El valor del voltaje inducido por el generador en cualquier instante de tiempo,
depende de los siguientes factores:
 La densidad de flujo del campo magnético a través del cual se mueve un
conductor (cuanto más grande sea la densidad del flujo, mayor será el
voltaje inducido).
 La velocidad
de los conductores en movimiento
(el
voltaje
inducido
aumenta cuando aumenta la velocidad del conductor).
 El ángulo con el cual el conductor corta las líneas de flujo.
La figura 2 muestra el funcionamiento de una sola vuelta o espira cuando se
produce un ciclo completo de voltaje alterno, del lado izquierdo se observa la
posición de la espira dentro del campo, y del lado derecho se representa el
voltaje de las escobillas, el cual es sinusoidal por cada cuarto de una vuelta
completa de la armadura.
El voltaje es generado debido a que los conductores de la bobina cortan
el flujo magnético producido por los polos N y S. El voltaje inducido es máximo
cuando la bobina está momentáneamente en posición horizontal (paralela a las
líneas de campo magnético); cuando la bobina se encuentra momentáneamente
en posición vertical (perpendicular a las líneas de campo magnético) no corta las
líneas de campo, por lo tanto, el voltaje inducido es cero [5].
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
7
Figura 2. Generación de un ciclo de voltaje con un generador de CA de una sola
espira
Al girar la armadura de la posición1 a la posición2, esta corta más líneas de
flujo, por lo tanto, el voltaje aumenta desde cero hasta el valor máximo. Este
incremento en el voltaje causa un aumento en la corriente, el cual se muestra con
el primer cuarto de la onda sinusoidal.
En la posición2 la bobina corta a las líneas de flujo a un ángulo de 90º, de esta
forma se produce el voltaje máximo.
Al moverse de la posición 2 a la posición 3, la armadura corta menos líneas de
flujo en ángulos más agudos, pero en la misma dirección. Por esta razón, el
voltaje disminuye desde su valor máximo hasta cero, esto se muestra con el
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
8
segundo cuarto de la onda sinusoidal. Debido a que la armadura continúa
rotando hacia la posición 4, cada uno de sus lados corta el campo magnético
en la dirección opuesta, lo cual cambia la polaridad del voltaje y el sentido de la
corriente. Una vez más, el voltaje y la corriente aumentan desde cero hasta sus
valores máximos durante el tercer cuarto de la onda sinusoidal. De la posición 4
a la posición 5 la armadura regresa al punto inicial, en este lapso, el voltaje y
la corriente disminuyen desde sus valores más altos hasta cero y así se
completa el ciclo.
1.2 Generador de corriente alterna (Alternador)
Un generador de corriente alterna es también conocido como un alternador. El
elemento rotatorio de grandes alternadores se denomina rotor. Lo hacen girar
turbinas de vapor, hidroturbinas (turbinas accionadas con caídas de agua) o
motores diesel. Estos alternadores producen la energía eléctrica empleada en las
casas y en la industria. Los alternadores pequeños de CA casi siempre son
accionados por motores de diesel y son empleados comúnmente para
proporcionar energía eléctrica de emergencia.
1.2.1 Tipos de alternadores
Los alternadores se clasifican según su construcción como:
 Alternador de armadura giratoria. Es utilizada en alternadores pequeños,
por lo general la armadura es el elemento rotatorio o rotor. El rotor gira dentro
del campo magnético producido por los devanados de campo estacionarios,
denominados estatores. El rotor cuenta con un colector o anillos colectores
que están en contacto con escobillas de carbón, que sirven para la
recolección de la energía generada. El alternador de armadura giratoria solo
se encuentra en alternadores con potencia nominal baja.
 Alternador de campo giratorio. En este tipo de alternador la armadura
permanece estacionaria y el devanado de campo es giratorio. La ventaja
de tener un devanado de armadura estacionario es que el voltaje
generado puede conectarse en forma directa a la carga sin anillos
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
9
deslizantes. Las conexiones fijas son más fáciles de aislar que los anillos
deslizantes en altos voltajes, por esta razón los alternadores de alto
voltaje y gran potencia son del tipo de campo giratorio , y éstos se
emplean en las centrales
generadoras grandes, tales como plantas
hidroeléctricas. Como el voltaje aplicado al campo giratorio es de CD
(corriente directa) y bajo voltaje, no tiene el problema de arqueo en los
anillos deslizantes.
 Alternador de imán permanente. Un alternador de imán permanente o
magneto es un alternador de CA en él cual, el campo magnético lo producen
uno o más imanes permanentes y no electroimanes. En algunos
alternadores de este tipo, los imanes permanentes forman parte del rotor [6].
Un alternador con un conjunto de devanados y un par de anillos colectores
produce sólo una onda de voltaje, y a éste arreglo se conoce como alternador
monofásico. Un alternador trifásico tiene tres conjuntos separados de devanados,
un extremo de cada devanado está conectado a un anillo colector (figura 3a), de
tal manera que; cada vuelta completa del rotor produce tres voltajes diferentes
(figura 3b), los cuales se aplican a una carga por medio de una línea de
alimentación de tres conductores [3].
Un sistema trifásico entrega un suministro de energía eléctrica más estable a una
carga balanceada, ya que esta absorbe la misma cantidad de potencia de cada
una de las tres fases.
Cuando uno de los voltajes es cero, la relación de fases (figura 3b) es tal que el
voltaje de las otras dos fases se encuentra a la mitad de su amplitud, por lo cual,
el valor instantáneo de la potencia absorbida por la carga total nunca es cero. En
máquinas rotatorias esto constituye una ventaja, ya que el par sobre el motor es
más constante de lo que sería si se estuviese usando una fuente monofásica, lo
que disminuye las vibraciones [7].Por esta razón, los sistemas trifásicos son
empleados para equipos de gran capacidad, como son grandes motores,
máquinas para soldar y unidades calefactoras que opera a voltajes de 208 V o
más.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
10
Figura 3. Alternador trifásico. a) Estructura básica, b) Formas de onda de voltaje
de las tres fases.
Comúnmente un alternador trifásico es conocido también como alternador
sincrónico, y este debe su nombre a la similitud que tiene con el motor sincrónico,
el cual es un alternomotor cuyo rotor gira en sincronismo con el campo magnético
rotatorio creado por el arrollamiento de estator, es decir; en un motor sincrónico
tetra polar (cuatro polos) alimentado a una frecuencia de 60 Hz, el campo giratorio
del estator se desplaza a una razón de 1800 r.p.m., el rotor de dicho motor gira
también a esta velocidad. Por lo que, la diferencia porcentual entre esta y la
velocidad real del motor es llamada deslizamiento. Aunque el deslizamiento de un
motor sincrónico es nulo.
1.3 Alternadores sincrónicos
A continuación describimos el tipo de generador en que se está trabajando. Un
alternador
es similar en construcción
a un motor sincrónico
de rotor
excitado. Consiste en un estator en el cual se aloja un arrollamiento trifásico, y
un rotor de polos salientes excitados con corriente continua.
El alternador es accionado por un motor diesel. Del arrollamiento del estator,
que por lo regular va conectado en estrella, salen al exterior tres hilos o cuatro
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
11
si la distribución se hace con tres fases y neutro. En este generador existen cuatro
conexiones posibles. Estrella, estrella paralelo, delta y delta serie utilizada esta
última para cargas monofásicas.
1.3.1. Principio de operación del alternador sincrónico
El principio fundamental de operación de los alternadores sincrónicos, es
que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético
induce un voltaje en el conductor. Una fuente externa de energía CD o
excitador se aplica a través de anillos colectores en el rotor: la fuerza del flujo,
y por lo tanto el voltaje inducido en la armadura se regula mediante la corriente
directa y el voltaje suministrado al campo. La corriente alterna es producida en la
armadura debido a la inversión del campo magnético a medida que los polos norte
y sur pasan por los conductores individuales.
La disposición más común es la de un electroimán cilíndrico que gira dentro de un
conjunto de conductores estacionarios. La corriente que se genera mediante los
alternadores aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico
negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la
frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce
como corriente alterna monofásica. Sin embargo, sí la armadura la componen dos
bobinas, montadas a 90º una de otra y con conexiones externas separadas, se
producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando
la otra sea cero, este tipo de corriente es conocida como corriente alterna bifásica.
Al agrupar tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en
forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener
un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura,
pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre toda la
corriente alterna trifásica.
1.4.
Función de la excitación
La función básica de un sistema de excitación es la de proveer la
corriente directa al campo del generador para alcanzar su sincronización.
Además, el sistema de excitación controla y protege las funciones esenciales
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
12
para el cumplimiento satisfactorio del funcionamiento del sistema de potencia,
para esto controla el voltaje y la corriente de campo.
Las funciones de control de un sistema de excitación incluyen el control de
voltaje y el flujo de potencia reactiva; que permite la mejora de la estabilidad del
sistema.
Las funciones de protección del sistema de excitación aseguran
mantener los límites de la capacidad, de la sincronización del generador y otros
equipos, para que éstos trabajen dentro de los parámetros para los que fueron
diseñados. La función de los requerimientos del sistema de excitación está
determinada por las consideraciones de la sincronización del generador, igual que
del sistema de potencia. Dentro de los requerimientos básicos, están que el
sistema de excitación supla y ajuste automáticamente la corriente de campo del
generador; en la etapa de sincronización y con el generador interconectado, para
mantener de esta manera el voltaje terminal, ya que la salida varía continuamente
dentro de la capacidad del generador. Estos requerimientos son visualizados a
partir de las curvas de regulación de voltaje, estas curvas indican la corriente de
excitación necesaria para que la tensión nominal en las terminales del generador
se mantenga constante al variar la carga.
Además permite mantener el factor de potencia de la carga constante; esta gráfica
representa la característica de regulación del sistema de excitación, y se muestra
en la figura 4.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
13
Figura 4. Características de regulación de voltaje
Se requiere que el sistema de excitación sea capaz de responder a alteraciones
instantáneas o de corta duración, por medio de la consistencia de la fuerza del
campo del generador. La capacidad del generador para soportar estas
alteraciones temporales está limitada por varios factores, estos son fallo del
aislante debido a un alto voltaje de campo, calentamiento del rotor debido a una
alta corriente de campo, calentamiento del estator debido a una sobrecarga de la
corriente de armadura, calentamiento del núcleo durante una operación de baja
excitación.
Desde el punto observador del sistema de potencia, el sistema de excitación debe
contribuir a obtener un efectivo control del voltaje y a mejorar la estabilidad del
sistema; debe ser capaz de responder rápidamente a una alteración ya que así
participa en la estabilidad transitoria [8].
1.4.1 Elementos que conforman un sistema de excitación.
Los elementos que conforman un sistema de excitación son:
 Excitador:
generador.
provee
el
voltaje
de
CD
para
formar
el
campo
del
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
14
 Regulador: procesa y amplifica las señales del control de entrada a un nivel
y forma apropiada para el control del excitador.
 Transductor de la terminal de voltaje y compensador de carga: mide,
rectifica y filtra el voltaje de la terminal del generador a un valor de
voltaje de CD; y lo compara con una referencia que representa el
voltaje deseado en la terminal del generador.
 Estabilizador del sistema de potencia: provee una señal adicional de
entrada al regulador para mejorar las oscilaciones del sistema de
potencia. Algunas de las señales de entrada comúnmente usadas son la
desviación de la velocidad del rotor, poder de aceleración y desviación
de frecuencia.
 Circuitos protectores y limitadores:
son funciones protectoras que
aseguran que los límites de la capacidad del excitador y el generador
sincronizado
no
sean
excedidos.
Algunas
de
las
funciones
comúnmente usadas son limitador de la corriente de campo, limitador de
la corriente de excitación máxima, limitador del terminal de voltaje,
protección y regulador de Volt por Hz, limitador de baja excitación.
1.5 Modelos matemáticos de sistemas de excitación
Los modelos matemáticos de sistemas de excitación son necesarios para
asegurar que sean obtenidos los requerimientos de las funciones del sistema de
excitación, para el diseño y coordinación de controles auxiliares y circuitos
protectores, y además, para estudiar la estabilidad del sistema de potencia. El
siguiente modelo está basado en el sistema de excitación Basler DECS-15.
1.5.1 Modelo del transductor de voltaje en las terminales de la máquina
sincrónica y del compensador de carga.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
15
El modelo Basler DECS-15 implementa digitalmente el compensador de carga
usando los valores RMS del terminal de voltaje y el valor promedio del terminal de
corriente junto con el ángulo de fase entre estos. La medición del ángulo de fase
está basada en cero cruzamientos de la fase A y C de voltaje con respecto a la
fase B de corriente. El modelo común mostrado en IEEE 421.5 1992, para
transductores del terminal de voltaje y compensadores de carga puede ser usado
para el funcionamiento del modelo Basler DECS-15 mostrado en la figura número
5.
Figura 5. Elementos de la terminal de voltaje y el compensador de carga.
Los valores usados en este modelo pueden obtenerse desde los settings del
DECS-15, y se muestran a continuación:
Rc  0 (Compensación de carga resistiva no disponible)
Xc  {1  (1  (DRP/100))  Tr  30ms
(1) 
Donde: DRP es el porcentaje DROOP (% de caída de voltaje) programado en el
Basler DECS-15; valor que puede estar entre el rango de 0 a 20 [9].
El regulador automático de voltaje (AVR) normalmente controla el voltaje en la
terminal del estator del generador. La compensación de carga es usada para
controlar el voltaje en un punto interno al generador o externo a él. Esto se logra
construyendo un circuito adicional dentro del regulador automático de voltaje
(AVR), como se muestra en la figura 6.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
16
Figura 6.Diagrama esquemático de un compensador de carga
El
compensador
de
carga
tiene
reactancia inductiva (Xc), donde,
la
resistencia
ajustable
(Rc)
y
la
Rc y Xc simulan la impedancia entre las
terminales del generador y el punto en el cual el voltaje es controlado
efectivamente. Al usar esta impedancia y medir la corriente de armadura, una
caída de voltaje es detectada y agregada o sustraída del terminal de voltaje. La
magnitud del voltaje compensador (Vc); que es alimentado al AVR, está dada
por:
~t  (Rc  jXc) ~I t
Vc  E
(2)
El voltaje de salida del transductor Vc, forma la señal de control principal para el
sistema de excitación. Con Rc y Xc positivos en la ecuación anterior, la caída de
voltaje a través del compensador, es agregado al terminal de voltaje.
El compensador regula el voltaje a un punto interno dentro de los terminales del
generador y por lo tanto provee una baja caída de voltaje. Esto es usado para
asegurar que se comparta la potencia reactiva entre generadores, esta es
entregada en el bus cercano a sus terminales y comparte un transformador común
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
17
elevador de tensión entre los generadores. El compensador de carga funciona
como un compensador de corriente reactiva, creando una unión artificial entre
generadores. Sin esta operación del compensador de carga, uno de los
generadores tratará de controlar el voltaje del terminal manteniéndolo un poco
más alto que el voltaje del otro; por lo tanto así un generador proveería toda la
potencia reactiva requerida, mientras el otro absorbería toda la potencia reactiva
permitida por sus límites de sub-excitación.
Con Rc y Xc negativas, el compensador regula el voltaje a un punto más allá de
los terminales del generador. Esta forma de compensación es usada para
compensar la caída de voltaje a través del transformador de paso elevador de
tensión, cuando dos o más unidades son conectadas a través de transformadores
individuales.
Cuando la compensación de carga no se usa, Rc y Xc son cero.
La constante de tiempo TR representa la rectificación y el filtrado en el terminal de
voltaje del generador.
Las variables de entrada Et e It son fasores. Si la compensación de carga no se
usa y TR es despreciable; entonces, Vc = Et [9]
1.6. Representación en diagrama de bloques de un sistema de excitación
La figura 7 muestra el diagrama de bloques del modelo de excitación usado
con excitadores rotativos sin escobillas. Los parámetros del excitador rotativo
no son incluidos en este diagrama.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
18
Figura 7.Sistema de excitación simplificado con rectificadores rotativos
Los parámetros PID KP, K1, KD del controlador análogo son diseñados para
lograr un mejor funcionamiento del sistema excitador de cada generador. Un valor
típico para TA es 0.03. Un valor típico para TD es 0 [10]. La función de
transferencia del control análogo es la siguiente:
G0(S)  KP  K1/S  KDS  K1(1  bS  cS2 )/S
(3)
donde:
b  (KP/K1)
(4)
c  (KD/K1)
(5)
1.6.1 Amplificador del sistema de excitación.
Estos valores continuos de tiempo PID, son implementados en el controlador
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
digital DECS-15.
19
La sección del diagrama de bloques de la figura 7 que
aparece en la figura 8, representa el amplificador del sistema de excitación:
Figura 8. Amplificador del sistema de excitación.
Donde.
KA = Ganancia del regulador
TA = Constante de tiempo del amplificador regulador
El
amplificador
puede
ser
magnético,
rotativo,
o
electrónico.
Los
amplificadores magnéticos y rotativos se caracterizan por incluir la ganancia y
una constante de tiempo.
La salida del amplificador está limitada por la
saturación o las limitaciones de la fuente poder; esta es representada por los
límites VRMAX y VRMIN [10].
1.6.2 Bloques del excitador de CD
La sección del diagrama de bloques de la figura 7 que se presenta en la figura 9,
representa el diagrama de bloques del excitador de CD [10].
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
20
Figura 9.Diagrama de bloques del excitador de CD
Donde:
KE  (REf/Rg)
(6)
TE  Lfu/Rg
(7)
 ief0 
Lfu  Lef 
 EX0 
(8)
 Ref 
SE(EX)  Se( EX) 

 Rg 
(9)
Se y ĒX son valores por unidad (pu).
Se(E X)  (A  B)/(B)
Donde, A y B son valores de corriente Ief.
(10)
1.6.3 Diagrama esquemático del excitador de CD
En la figura 10, se muestra el diagrama esquemático que representa el
excitador de CD de la figura 9.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
21
Figura 10. Circuito excitador de CD separado de la armadura.
El voltaje de entrada Eef, es el voltaje VR de salida del regulador. La salida de
voltaje Ex del excitador de CD, es directamente aplicada al campo del generador
sincrónico. Rg será la pendiente de la recta del entrehierro de la máquina síncrona
[10].
1.6.4 Curva de saturación de carga del excitador
La figura 11 muestra la curva de saturación de carga del excitador, en esta
figura se puede observar la línea del entrehierro [10].
Figura 11. Curva de saturación de carga del excitador.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
22
1.7. Tipos de sistemas de excitación tradicionales
Durante
los
últimos
años
han
ido
evolucionando
los
sistemas de
excitación de generadores sincrónicos. Los sistemas de excitación pueden ser
clasificados en las siguientes tres categorías, que dependerán de la fuente de
poder del sistema de excitación.
1.7.1.
Sistemas de excitación de CD
Los sistemas de excitación de este tipo utilizan generadores de CD como la
fuente de poder de la excitación y proveen la corriente de excitación al rotor del
generador sincronizado por medio de anillos deslizantes.
El excitador
puede ser impulsado por un motor o el eje del generador y puede ser auto
excitado o excitado de manera separada.
separada
Cuando es excitado de manera
el excitador de campo es alimentado por un excitador piloto que
incluye un imán permanente en el generador.
Los sistemas de excitación de CD fueron utilizados y desarrollados a través de los
años, entre 1920 y 1960, cuando perdieron popularidad y fueron sustituidos por
excitadores de CA. Estos sistemas han ido desapareciendo gradualmente, así
como antiguos sistemas han sido reemplazados por sistemas de excitación de CA
o Estáticos.
1.7.2.
Sistemas de excitación de AC
Este tipo de sistemas de excitación usa alternadores (máquinas de CA) como
fuente de poder. Usualmente el excitador está en el mismo eje del rotor del
generador.
Se rectifica la salida de CA del excitador por medio de rectificadores para
producir el voltaje de CD necesario para el campo del generador, los
rectificadores pueden ser estacionarios o rotatorios.
Los sistemas de excitación de CA antiguos usaban combinaciones de
amplificadores magnéticos y rotatorios como reguladores.
Muchos sistemas
nuevos usan reguladores amplificadores electrónicos.
Los sistemas de excitación de CA pueden tomar muchas formas según los
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
23
arreglos de los rectificadores, métodos de control de salida del excitador y
métodos de control de excitación para el excitador. A continuación se
describen las diferentes formas que toman los sistemas de excitación de CA en
uso.
1.7.2.1.
Con
Sistemas de rectificadores estacionarios
rectificadores
estacionarios,
la
salida
de
CD
es
alimentada
al
devanado de campo del generador por medio de anillos deslizantes. Un diagrama
unifilar
simplificado de este sistema de excitación es mostrado en la figura
12, ilustra el campo controlado del alternador y el sistema rectificador de la
excitación.
En el sistema mostrado; que es representado del sistema de
excitación General Electric Alterrex, el alternador del excitador es controlado
desde el rotor del generador principal. El excitador es excitado por sí sólo con
potencia derivada del campo por medio de tiristores rectificadores. El regulador
de voltaje obtiene su potencia de alimentación
de la salida de voltaje del
excitador.
Figura 12. Sistemas de rectificadores estacionarios
Cuando son usados rectificadores controlados (tiristores), el regulador controla
directamente el voltaje de salida de CD del excitador.
El regulador de CA es utilizado para mantener automáticamente el voltaje en
los terminales del estator del generador principal a un valor deseado,
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
24
correspondiendo a la referencia de CA programada.
El regulador de CD es utilizado para mantener constante el voltaje de campo del
generador, corresponde a la referencia de CD programada [11].
1.7.2.2 Sistema rectificador rotatorio
El sistema de rectificador rotatorio tiene múltiples ventajas. Con el uso de
rectificadores rotatorios, es eliminada la necesidad del uso de anillos deslizantes y
escobillas, la salida de CD alimenta directamente al campo del generador
principal. Como se muestra en la figura 13, la armadura del excitador de CA y los
diodos rectificadores rotan con el campo principal del generador.
Figura 13.Sistema de excitación sin escobillas
Este sistema fue desarrollado para eliminar los problemas por el uso de
carbones, y fue construido
para suplir las altas corrientes de campo de
generadores muy grandes; por ejemplo, la potencia suplida al campo de un
generador de 600 MW está en el orden de 1 MW [10].
1.8
Regulación primaria de voltaje
En un generador sincrónico, el voltaje es inducido en el devanado de la armadura
como resultado del movimiento relativo entre el campo y la armadura.
La regulación primaria de voltaje del generador sincrónico es manejada por el
control de excitación. El control de excitación suministra la corriente necesaria al
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
25
campo del generador para mantener constante la tensión en las barras de salida,
punto en donde el generador se conecta con la carga.
La corriente de campo regula la tensión de salida del generador, para controlar
esta corriente se debe programar el control de la excitación para aumentar o
disminuir la tensión de salida del generador, según las necesidades de la carga; la
función de control del sistema de excitación permite la regulación primaria de
voltaje de un generador sincrónico.
La regulación primaria de voltaje es muy importante por los cambios
constantes que se producen en la carga conectada al generador. El voltaje en
las barras de salida del generador
aumenta o disminuye constantemente
dependiendo del tipo de carga. La carga que es aplicada a un generador
sincrónico puede ser
con factor de potencia en atraso (carga inductiva de
potencia reactiva), con factor de potencia en adelanto (carga capacitiva de
potencia reactiva) y con factor de potencia unitario (potencia reactiva cero).
Si se aplican cargas en atraso a un generador, su tensión en las barras de
salida disminuye significativamente. Si se aplican cargas en adelanto a un
generador,
la tensión en las barras de salida del generador aumentará
significativamente.
Si se aplican cargas con factor de potencia unitario a un
generador, hay una ligera disminución en la tensión de las barras de salida.
Es posible graficar la relación existente entre la potencia reactiva Q y la tensión
en los bornes del generador (VT). El aumento de una carga en atraso, hace que
el voltaje VT disminuya. De igual manera, el aumento de una carga en adelanto,
hace que el voltaje VT aumente. La figura 14, relaciona la potencia reactiva Q
y el voltaje del generador VT y muestra lo que ocurre cuando se aumenta la
carga en atraso de un generador; este aumento de carga en atraso hace que
aumente el consumo de potencia reactiva Q de la carga, como resultado el
voltaje VT
disminuye.
Esta característica no es necesariamente lineal, pero
muchos reguladores de voltaje incluyen funciones especiales para volverla
lineal.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
26
Figura 14.Curva de voltaje terminal VT versus potencia reactiva Q de un
generador sincrónico
La forma adecuada para describir el comportamiento de la tensión en los
generadores es por medio de su regulación de voltaje (RV), que se define por la
ecuación
RV 
VSC  V pc
V pc
 100%
(10)
donde Vsc es la tensión en vacío y Vpc la tensión a plena carga del generador[12].
1.8.1 SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un sistema de potencia
En esta sección se presenta la caracterización de un SCE en el mejoramiento de
la estabilidad de un sistema de potencia. La figura muestra la representación
clásica de un sistema de control para estudios de estabilidad.
Figura 15.Caracterización de un SCE en el mejoramiento de la estabilidad de un
sistema de potencia.
CAPÍTULO 1. El generador sincrónico y los reguladores de voltaje
27
En esta figura las variables relevantes son las siguientes:
 Vr es el voltaje de referencia del regulador,
 Et es la variable a controlar (el voltaje en bornes del generador o corregido
mediante la caida de tensión de la línea de alimentación)
 Vc señal filtrada y adaptada en el loop de control
 Vr es la señal del excitador
 Efd es el voltaje aplicado al rotor de la máquina sincrónica
El desempeño del sistema de control de excitación depende de las características
de la excitación del sistema, el generador, y el sistema de potencia. En el estudio
del desempeño dinámico de los SCE es usual separar los temas de estabilidad (o
respuesta) ante grandes perturbaciones y ante perturbaciones pequeñas, también
conocidas como pequeña y gran señal, respectivamente. En señales “grandes” la
no linealidad de las componentes es significativa, mientras que para pequeña
señal, la respuesta es aproximadamente lineal [13].
En este capítulo se expusieron los principales aspectos teóricos relacionados con
los generadores sincrónicos, así como las principales características de los
reguladores de voltaje. Estos elementos sirvieron de base para el diseño del
regulador propuesto en este trabajo.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
28
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
Los generadores que se tratan son del tipo sincrónico con una potencia de 175
kVA, alimentan las máquinas encargadas de la extracción del mármol en la UEB
Mármoles del Centro. Los reguladores que se encargaban del control de la
excitación de estas plantas eléctricas, se vieron afectados muy seriamente,
haciéndose imposible su reparación, por lo que fue necesario diseñar y construir
un regulador de voltaje automático para continuar con la explotación de estos
equipos.
La corriente de excitación es un factor esencial en el control de la salida del
alternador. Una característica deseable de un regulador de voltaje automático es
mantener con suficiente rapidez, altos niveles de corriente de excitación después
de un cambio en el voltaje terminal del alternador.
2.1 Generador sincrónico de excitación sin escobillas
En este diseño será utilizado un generador sincrónico de excitación sin escobillas.
A continuación describimos el funcionamiento de este sistema.
El campo de la excitatriz está constituido por las bobinas alojadas en las zapatas,
las cuales constan de un magnetismo remanente que al comenzar a moverse la
armadura de la excitatriz se induce una fuerza electromotriz en esta. La corriente
inducida es rectificada por un puente de diodos, que alimenta directamente al
campo del generador principal. Este crea un campo magnético variable con
respecto a la armadura del generador, induciendo una FEM (fuerza electro motriz)
en esta, y garantizando una diferencia de potencial en sus terminales. El regulador
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
29
es alimentado de los terminales del generador este alimenta el campo de la
excitatriz regulando la intensidad de la corriente que circula por este, y por ende la
FEM que se induce en la armadura de la excitatriz.
El control
corriente
del
regulador
de
voltaje
automático
consiste
en
variar
la
de excitación del devanado de campo. Por la construcción del
alternador sin escobillas, la forma de proporcionar esta corriente es variar el
nivel de voltaje de CD del excitador piloto, ya que un incremento en el voltaje
ocasiona una variación en la corriente de excitación.
En la figura 16 se presenta el diagrama en bloque del regulador de voltaje
automático diseñado. Este está constituido por cinco bloques fundamentales
Rectificador, Generador de voltaje de referencia, Detector de cruce por cero,
Comparador y Etapa de potencia, más adelante serán descritos su funcionamiento
de manera individual.
Figura 16. Diagrama en bloque del regulador automático.
En la figura 17 que se muestra a continuación se exponen las cuatro conexiones
que se pueden desarrollar en la armadura de este generador al igual que el
número de fases y sus voltajes posibles.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
30
Figura 17. Conexiones del alternador para producir los diferentes voltajes.
2.2 Construcción del Regulador de voltaje Automático
Para realizar el diseño y construcción del regulador primeramente partimos del
diseño de cada bloque los cuales fueron simulados en el Multisim. El Multisim
proporciono una serie de componentes con características especiales
que
tuvieron que ser editados en él. A continuación se muestra en detalle cada uno de
estos bloques y su respectivo funcionamiento.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
31
2.2.1 Bloques del regulador de voltaje automático
El regulador de voltaje automático cuenta con los siguientes bloques:
 Fuente de alimentación del circuito.
 Detector de cruce por cero.
 Rectificador de onda.
 Generador de señal triangular de referencia.
 Comparador.
 Etapa de potencia.
2.2.1.1 Fuente de alimentación del circuito.
El circuito electrónico del regulador no puede funcionar directamente alimentado
con la CA de los terminales del generador. Es por ello que utiliza una fuente, la
cual es capaz de suministrarle al regulador un nivel de voltaje adecuado para su
funcionamiento. Este regulador necesita una alimentación de corriente directa CD
con una amplitud de 15V. Por lo cual utiliza un diodo para rectificar la sinusoide,
dos resistencias para limitar corriente y filtros para minimizar el rizado de la
corriente. El diodo zener es el encargado de mantener un voltaje estable entre sus
terminales, y su valor nominal es de 15V. En la siguiente figura se muestra el
circuito de dicha fuente.
Figura 18. Fuente de alimentación del circuito.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
32
2.2.1.2 Detector de cruce por cero
Este bloque se encarga de entregar un pulso cada vez que la señal del
alternador cruza por cero. Durante el semiciclo positivo de la señal alterna éste
proporciona un valor bajo o cero y durante el semiciclo negativo entrega un
valor alto a la salida. Aunque solo es de interés el flanco de subida del pulso ya
que el resto del circuito solo reconoce el valor alto de la onda el cual permite que
detecte el inicio de un período de la sinusoide. En la siguiente figura se muestra
el circuito y la forma de onda de la entrada y salida del detector de cruce por cero.
a)
b)
Señal de entrada
Señal de salida
Figura 19. a) Circuito detector de cruce por cero. b) Forma de onda de la entrada y
salida.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
33
2.2.1.3 Rectificador de onda
Este bloque cuenta con un amplificador operacional el cual recibe una señal por su
entrada inversora, a través de resistencias ubicadas en su terminal inversor.
Mediante el potenciómetro se ajusta el nivel de voltaje a la salida. Este circuito
toma señal directamente de los terminales del generador, rectificando la señal de
salida. Esta figura que se muestra a continuación es el circuito y su señal de
salida.
a)
b)
Figura 20. a) Circuito rectificador de onda completa. b) Forma de onda a la salida.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
34
2.2.1.4 Generador de señal triangular de referencia
En este bloque
consta de un operacional en conjunto con un diodo y dos
condensadores encargados de crear una señal triangular variable. Se genera a su
salida una señal que varía su nivel de voltaje. En estas figuras se muestran el
circuito y su señal de salida.
a)
b)
Figura 21. A) Circuito generador de diente de sierra. b) forma de la señal a la
salida.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
35
2.2.1.5 Comparador
Este bloque funciona como un comparador, tomando el voltaje de referencia y la
señal sincronizada del detector de cruce por cero. El resultado es un ancho de
pulso que puede variar según el nivel de voltaje que se encuentre en los
terminales del generador. Esta señal que aparece a continuación es la forma de
onda en los terminales del generador, y a la salida del comparador.
a)
b)
Señal de CA
Señal a la salida
del comparador.
Figura 22. a) Comparador. b) Señal de los terminales del generador y salida del
comparador.
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
36
2.2.1.6 Etapa de potencia
En este circuito se encuentran los componentes capaces de regular el nivel de
volteje aplicado al campo del generador (excitación). Este bloque trabaja de
manera sincronizada con la señal proveniente de los bornes del generador y con
el ancho de pulso variable del comparador. Por lo cual puede comenzar su
conducción en cualquier momento de la onda. En la figura se muestra el circuito y
su forma de onda a su salida.
Figura 23. Etapa de potencia.
2.3. Comportamiento del voltaje de excitación (Vexc) en relación con el
voltaje de corriente alterna (Vca)
Para lograr una regulación óptima necesitamos conocer que nivel de CD se
requiere aplicar al devanado de campo, para mantener así el voltaje de salida de
CA en su valor nominal de 240 Vac, para esto se ha caracterizado el alternador de
la siguiente forma, aplicando un voltaje de CD (Vexc) al devanado de campo, se
mide por medio de dos voltímetros tanto la corriente de excitación (Iexc) como el
voltaje de CA (Vac) del alternador, de esta forma se obtiene la relación de Vexc
vs. Vac, que como era de esperarse, es completamente lineal. La tabla 1 muestra
los valores obtenidos y la figura 24 ilustra la gráfica obtenida de los puntos de
dicha tabla.
Tabla 1.Vexcit (V) vs Vca (V).
Vexcit(V)
9
Iexcit(A)
Vca(V)
0.45
203.4
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
11
0.6
226.6
13
0.9
249.9
15
1.1
271.1
17
1.3
294.4
19
1.2
317
37
Figura 24. Gráfica que ilustra el comportamiento del Vexc vs Vca.
En esta gráfica se muestra como aumenta el valor del voltaje Vca en los
terminales del generador a medida que se incrementa el voltaje de excitación al
campo. Para construir este gráfico utilizamos el Matlab ya que presenta mejores
posibilidades que el Multisim para construir gráficos.
2.3.1 Descripción del regulador de voltaje
CAPÍTULO 2. Diseño del Regulador de voltaje Automático.
38
A continuación describimos el funcionamiento del circuito del regulador de voltaje
que se muestra en la figura anexo 1.
Al comenzar a girar el alternador aparece en sus terminales en voltaje
relativamente bajo este se encuentra en los 25V CA. Este es el resultado de un
magnetismo remanente ubicado en la excitatriz de la máquina. Este voltaje es
conducido completamente por el tiristor, aumentando así paulatinamente el voltaje
en los terminales del alternador. La resistencia variable que se encuentra en el
exterior (R3) proporciona una referencia de voltaje al rectificador. Enviando este
último una señal analógica al generador de voltaje de referencia el cual
proporciona una señal triangular que puede variar su valor. El detector de cruce
por cero entrega un pulso cada vez que la onda pasa por su valor cero, esto
posibilita la sincronización de la etapa de potencia. Estos pulsos son entregados a
una red (RC) resistor condensador que a su vez proporciona una señal diente de
sierra al comparador. El comparador compara la señal diente de sierra con un tren
de pulsos de pequeña amplitud, teniendo como resultado una variación del ancho
del pulso a su salida. Esto permite que la etapa de potencia pueda comenzar su
conducción en cualquier parte de la onda.
En este capítulo se trató el diseño del regulador de voltaje automático. Se
describieron todos los pasos que se siguieron para la construcción. Fueron
analizados todos los bloques que lo conforman este circuito y simulados en el
Multisim.
CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado.
39
CAPÍTULO 3. Resultados y puesta en marcha del regulador diseñado.
En el presente capítulo se describen las pruebas y los resultados obtenidos en la
operación del sistema, se realiza una comparativa entre el funcionamiento del
alternador sin regulador de voltaje automático (voltaje fijo) contra la operación de
la planta con el regulador instalado, se muestra también el voltaje obtenido
durante el arranque en vacío del alternador, y los resultados de las pruebas más
importantes; la conexión y desconexión de cargas.
3.1 Pruebas aplicadas al generador sin regulador
Para poder comparar el correcto funcionamiento del regulador se excitó el
alternador con un voltaje de 13V CD voltaje fijo (sin regulador) y se midió en los
terminales del generador 250 V CA. Al comenzar a conectarle cargas de un valor
de 10kW cada una hasta llegar a 50kW el nivel de voltaje en sus terminales
descendía al aumentarle más carga, esto es debido al aumento de la corriente por
el devanado de armadura que crea una caída de voltaje en este.
3.1.2 Pruebas aplicadas al generador con regulador
Con el regulador instalado se procede a poner en marcha la planta eléctrica para
realizar las pruebas pertinentes. Con el generador en marcha se ajusta el
potenciómetro externo que se encuentra en el panel frontal de la planta eléctrica
hasta que su valor de voltaje de CA llegue al nivel de 250V CA. El siguiente paso
es conectarle cargas y comprobar su funcionamiento, las cargas serán conectadas
de igual manera que con voltaje fijo y tienen las características descritas en la
tabla número 2. Con un valor de 10kW cada una se irán conectando
secuencialmente.
CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado.
40
Tabla 2. Datos de las cargas conectadas al generador
Número de carga
Voltaje V
Corriente A
Potencia kW
Carga 1
220
32.89
10kW
Carga 2
220
32.89
10kW
Carga 3
220
32.89
10kW
Carga 4
220
32.89
10kW
Carga 5
220
32.89
10kW
Figura 25.Diagrama de conexión de la carga al generador
En la figura número 25 se muestra la forma en que fueron conectaron las cargas al
generador y conectadas secuencialmente.
3.2. Voltaje de excitación y el voltaje obtenido en los terminales del generador
A continuación se muestra una gráfica obtenida en el Matlab donde describe el
comportamiento del voltaje de excitación y el voltaje obtenido en los terminales del
generador.
CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado.
41
Figura 26. Gráfica de voltaje de excitación y voltaje obtenido en los terminales del
generador.
Esta gráfica muestra como a medida que aumenta el voltaje de excitación al
campo del generador también aumenta el voltaje de CA en sus terminales. Hasta
llegar al voltaje de excitación nominal que coincide con su voltaje nominal de CA.
Como se puede apreciar en la gráfica para cualquier valor de excitación mayor
que el nominal el nivel de voltaje de CA en los terminales de salida del generador
se mantiene constante, ya que este solo proporciona el aumento de excitación
para suplir la caída de voltaje en la armadura.
3.3 Valores de consumo de corriente de la carga real.
El generador se encuentra alimentando las máquinas encargadas de la extracción
de mármol y funcionando satisfactoriamente. Los valores de consumo de corriente
de la carga real a la que se provee de energía eléctrica, se muestran en la
CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado.
42
siguiente tabla. Se presentan, la suma total de las corrientes de carga.
Tabla 3. Valores de consumo de corriente de la carga real
NÚM DE CARGA
Potencia (kW)
Voltaje(V)
Corriente (A)
CARGA 1
37kW
220V
121.71A
CARGA 2
37kW
220V
121.7A
CARGA 3
37kW
220V
121.7A
CARGA 4
7.5kW
220V
26A
Total
118.5kW
391A
Este es un generador de 175 kVA que suministra energía eléctrica a un total de
148 kVA que demandan una corriente de 391A.
3.4 Valoración Económica
Un factor importante a la hora de realizar un diseño es su costo de producción. Un
costo elevado declararía inutilizado el proyecto. Por estas razones se tomaron en
cuenta los costos realizados en este proyecto ya que está basado en
componentes discretos e integrados con un bajo nivel de integración. Esto dio
lugar a un regulador de voltaje automático, muy económico y con gran
aprovechamiento ya que es compatible con generadores 220V trifásicos y
monofásicos.
Después de realizar un examen en conjunto con el departamento de economía de
la UEB Mármoles del Centro, se hallaron los costos totales de producción del
regulador en moneda libremente convertible (CUC) y moneda nacional (CUP). Los
resultados arrojados fueron:
Costo de producción total =
=
40 CUC
1200 CUP
CAPÍTULO 3. Rsultados y puesta en marcha del regulador diseñado.
43
Se comprobaron estos costos de producción con los costos de importación. Estos
últimos oscilaban entre los 9,000 y 10,000€ superaban en un alto porcentaje los
costos del regulador fabricado. Ya que el proveedor solo comercializaba los
reguladores en conjunto con el generador, y la UEB contaba con los generadores.
Los cuales están en excelente estado técnico teniendo un consumo promedio de
0.60 Lits de diesel por kWh y esto los hace perfectamente eficientes.
3.5 Conclusión del capítulo
En este capítulo se mostraron los resultados de
la puesta en marcha del
regulador en conjunto con la planta eléctrica. Como también las pruebas
realizadas a este con el fin de comprobar su correcto funcionamiento. Se
mostraron los resultados de una satisfactoria regulación de voltaje ante
variaciones de carga, así como el ahorro económico de utilizar el regulador
propuesto en este trabajo.
Conclusiones y recomendaciones
44
Conclusiones y recomendaciones
Conclusiones
Luego de terminado el trabajo se arriban a las siguientes conclusiones:
1) En la bibliografía consultada sobre el funcionamiento de los generadores
sincrónicos se muestra el papel fundamental de la regulación de voltaje
para su correcto funcionamiento y se analizaron los fundamentos teóricos
necesarios para el diseño del regulador automático de voltaje.
2) Se diseñó y construyó un sistema de control de excitación de voltaje
automático, con el cual se logra automatizar y optimizar el funcionamiento
de la planta generadora de energía eléctrica de la UEB Mármoles del
Centro. El sistema automático controla el voltaje de salida de un generador
trifásico.
3) Para la etapa de pruebas del regulador con el alternador, se utilizaron
cargas (motores) con un consumo de 32.89A cada una, para una carga
total de 164A , que abarca un 41.94% de la carga real que alimenta este
generador y se mostraron los resultados satisfactorios del regulador
construido.
Recomendaciones
Analizar la posibilidad de modernizar más el regulador propuesto utilizando un
microcontrolador.
Realizar otras pruebas de funcionamiento del regulador ante otras condiciones de
carga (carga capacitivas).
Referencias bibliográficas
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXOS
Figura ANEXO 1.Circuito electrónico del regulador de voltaje automático
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