"SISTEMA DE EXCITACIÓN PARA GENERADOR SINCRONO"
CAMPO DE LA INVENCION Se han suministrado muchos sistemas cubriendo una variedad de plantas de generación. Se han utilizado las últimas técnicas digitales para proporcionar soluciones flexibles y económicas. OBJETO DE LA INVENCIÓN En la actualidad, planta hidroeléctricas, termoeléctricas, procesos industríales y de emergencia, cuentan con estos sistemas. Estos sistemas están equipados con estabilizadores dinámicos para proteger la estabilidad y el sincronismo de los equipos. . ANTECEDENTES En las grandes y pequeñas plantas hidroeléctricas la salida del generador debe ser estrictamente controlada para prevenir daños en la unidad y evitar costosas paradas. Los reguladores automáticos de voltaje en conjunto con sistemas estabilizadores potencia, protegen con éxito y mejoran el rendimiento de un gran número de plantas hidroeléctricas. Las Industrias siderurgias, azúcar, cemento e industrias del petróleo generan energía suplementaria para sus propios procesos o cogeneran con las electrificadoras para obtener el máximo beneficio para sus productos. Estos generadores privados son protegidos y controlados por los reguladores automáticos de voltaje . Durante las corte de corriente, los generadores diesel deben proporcionar energía de emergencia por los servicios críticos. A pesar del funcionamiento al aire libre, choques y vibraciones, los reguladores automáticos de voltaje mantienen constante y estable el voltaje y dentro de los requisitos del clientes
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MODALIDAD PREFERENTE DE LA INVENCION
El Regulador de voltaje comprende las siguientes partes: a) Puentes rectificadores controlados b) Canal Automático c) Canal Manual d) Limitadores y estabilizadores e) Dispositivos de Protección f) Facilidades para pruebas g) Facilidades de Comunicación
1. PUENTES RECTIFICADORES CONTROLADOS a) Convertidores de Potencia
Dependiendo del rango del regulador, el rectificador puede comprender un solo convertidor o, para niveles de potencia más altos, múltiples convertidores en paralelo. Cada convertidor tiene 6 tirístores completos con dissipador, fusible de protección de alta velocidad, fusible de indicación y micro interruptor para la indicación remota de la falla del fusible. La coordinación de protecciones se diseña tomando en cuenta, todos los parámetros eléctricos del sistema al cual se aplica al equipo. El flujo de aire en el convertidor de potencia es moníoreado y la alarma correspondiente es activada en el caso de un aumento excesivo de la temperatura. Para asegurar una conmutación óptima, una reactancia se instala en serie en cada brazo del puente rectificador. En las situaciones donde se ofrece el 100% de redundancia, la pérdida de uno de los puentes no afecta el desempeño del regulador. Cada tiristor es protegido contra picos de voltaje por medio de 'circuitos snubber". Los transformadores de corriente en cada rectificador miden continuamente el nivel de potencia y la repartición de las corrientes, asi mismo proporcionan la señal de retroaümentación de comente de excitación a los circuitos de control.
b) Circuitos de pulsos de disparo Los circuitos de elaboración de pulsos de disparo son los mismos para el canal automático o manual.
7 Son construidos como sistemas completamente independientes en cada tarjeta de control. Los pulsos son amplificados a un nivel adecuado para asegurar un disparo seguro en todo el rango de control de cada convertidor o de los varios convertidores en paralelo. La configuración del rectificador depende de la potencia requerida por el regulador. Se puede proporcionar el 100% de redundancia si se necesitara, para asegurar la máxima disponibilidad continua del sistema. Un circuito de monitor detecta cualquier falla de los pulsos de disparo y proporciona una alarma visible.
b) Excitación Inicial
En el arranque, se logra el disparo de los tiristores por medio de pulsos de alta frecuencia que aseguran y mantienen el ángulo de disparo a plena conducción. Inicialmente el campo de alternador se energiza a través de la batería de la planta hasta 10% o 20% de la corriente nominal. En la transición de la batería al regulador, se utiliza el fenómeno de disparo por ráfaga de pulsos. La corriente de excitación se incrementa hasta producir un aumento constante del voltaje. Al llegar al 90% del voltaje nominal, el canal automático o manual tomará el control del disparo al usar el método del control de fase de los pulsos de disparo.
2. CAMAL AUTOMÁTICO
El puente del tiristor está controlado por el canal 'automático* o "manual". La función del canal automático es de mantener la salida del alternador en el voltaje deseado bajo cualquier condición de carga. El canal automático comprende un microprocesador que es fácilmente accesible para la programación y el mantenimiento, el cual incluye las siguientes funciones principales:
a) Valor de Referencia
La seftal de referencia para fijar la salida de alternador es proporcionada por un algoritmo del tipo potenciómetro. El comando de "subir/bajar" se realiza vía l O's del microprocesador. El rango es del 80% al 10% del voltaje nominal. El potenciómetro digital tiene tres modos de control: I) Seguidor En el modo de 'Seguidor' el potenciómetro efectúa el seguimiento de la señal de la demanda para hacer una transferencia suave durante el cambio de automático a manual o viceversa... I) Pre-Set: Cuándo se cambia al modo 'pre-sef, el nivel de excitación toma un valor preestablecido
9 Este amplificador es configurado como PID y su salida es limitada por la demanda de la corriente máxima de excitación pre-fijada.
f) Amplificador de corriente de la salida del regulador
La referencia de la comente se suma a la entrada del amplificador de error de corriente junto con la retroaNmentación de la sefial proveniente del shunt de la corriente de campo del alternador, con lo cual se completa el lazo de control de corriente. El amplificador se configura como un integrador y su constante de tiempo se emplea para estabilizar este lazo, para lograr la óptima estabilización del regulador y compensar las constantes de tiempo del sistema.
g) Amplificador de Pulsos de disparo de los tirístores El amplificador de pulsos genera los pulsos de características apropiadas según el nivel de potencia demandado. Los pulsos tienen la potencia suficiente para asegurar disparos seguros de los tirístores. En el modelo RA 1111 , un amptficador dual completo es proporcionado.
3. CANAL MANUAL
El control manual se emplea para regular la comente de excitación como un respaldo al control automático. El rango de variación de corriente de excitación se ajusta desde 30% sin carga al 110% con carga y factor de potencia nominales. En el modelo RAV 1111 , los dos sistemas del control (automático y manual) son completamente independientes el uno del otro, no tienen absolutamente nada en común. Como resultado, es posible llevar a cabo el mantenimiento en cualquier canal que no se encuentre en uso, sin parar el alternador. Como para el canal automático, toda la funcionaKdad la realiza un microprocesador que abarca las siguientes funciones: a) Valor de Referencia b) Circuito de retroalimentactón de corriente c) Amplificador de error de corriente d) Amplificador de voltaje de excitación e) Circuitos de generación de pulsos
4. LIMITADORES Y ESTABILIZADORES
13 g) Circuito de Transferencia Bumpless
Un seguidor automático continuamente "sigue* las señales del ángulo de disparo de cualquier canal que se encuentra operando. Como resultado, el canal de respaldo (automático o manual) es pre-condicionado para aceptar la transferencia sin que alguna condición transitoria pudiera observarse (transferencia "Bumpless*).
h) Interruptor de campo y Resistencia de descarga
El interruptor de campo permite aislar el rotor del generador del rectificador de potencia. La apertura del interruptor DC es precedida por un rápida des-excitación del generador. El rectificador se convierte en un inversor que produce la des-excitación rápida del generador. Antes de abrir los contactos principales del interruptor, un tercer contacto conecta el rotor a un resistor de descarga para eliminar su energía electromagnética. En algunos sistemas de excitación de baja potencia, un interruptor AC en el lado primario del convertidor de potencia reemplaza el interruptor DC. En este caso la des-excitación rápida y el
Crow-bar se activan antes de que se abra el interruptor AC.
i) Crow-bar En caso de sobre-voltajes en terminales DC del convertidor de potencia con polaridad positiva o negativa, un par de tiristores conectarán el rotor a un resistor no-lineal de descarga, eliminando el efecto de transientes y sobre-voltajes, y actuando como un supresor de transitorios.
j) Filtro para las corrientes inducidas en el eje
Como consecuencia de los disparos de los tiristores, corrientes inducidas de alta frecuencia pueden aparecer en el eje de la turbina, las cuales pueden destruir los cojinetes a causa de las pequeñas descargas eléctricas en el aceite dieléctrico de los cojinetes (pitfing). Un filtro especial RC se proporciona para drenar a tierra estas corrientes inducidas.
h) Fuentes de potencia de respaldo
Una vez que el generador ha alcanzado el voltaje nominal, una fuente de potencia de respaldo se conecta al secundario del transformador de excitación. El voltaje de 125 VDC o 250VDC de la batería de la central ya no es necesario.
14 6. FACILIDADES PARA PRUEBAS
Herramientas están incluidas para facilitar las pruebas y el diagnóstico:
a) Facilidades de monrtoreo local
Señales de referencia están disponibles para ser aplicadas en diferentes partes del algoritmo del control. Un push-botton permite la realización de pruebas de escalón de voltaje en pasos de 10% del valor nominal, para verificar el desempeño de la respuesta dinámica del sistema. La misma prueba se puede realizar a través del puerto serial. La respuesta del sistema a esos cambios se puede analizar para efectuar los ajustes críticos de damping con el fin de optimizar el desempeño del sistema. Las pruebas de respuesta a la frecuencia se pueden hacer adwionalmente por introducción de señales de onda sinodales en terminales de entrada de prueba, previstas para este efecto. Para comunicar con los sistemas Scada, transductores analógicos de 4-20 ma están disponibles para la corriente de excitación, voltaje de excitación, balance entre canales automático y manual. La indicación de la operación del sistema de excitación y alarmas producidas por los limitadores y estabilizadores está disponible en el data panel, así como también por medio de contactos secos para propósitos de monrtoreo extemo.
b) Panel de control Local
Un panel de datos digital se proporciona para mostrar parámetros analógicos y para monitorear todo el banco de datos del microprocesador. En el modelo RAV 1111, una pantalla sensible al tacto reemplaza el panel de datos digital. Todas las órdenes al regulador de voltaje y todos los puntos de ajuste se hacen desde el panel digital.
c) Panel de control remoto
A través del puerto RS 485, o de la LAN Ethernet, paneles de control adicionales se pueden agregar, teniendo la misma funcionalidad que la del panel de control local.
d) Facilidades para el sistema de configuración
Los ajustes del límite máximo de excitación, el limitador del Volt/ Hertz y estabilizador de potencia pueden ser cambiados por modificaciones al Software. Eso se realiza a través del panel digital
15 local o por el puerto de comunicación conectado a una lap top con el software de configuración correspondiente.
7. FACILIDADES DE COMUNICACIÓN
a) Puerto Serial RS232 - Protocolo Modbus
La base de datos de ambos canales automático y manual, limitadores y dispositivos de protección puede ser monitoreada mediante el panel digital, o desde la pantalla sensible al tacto o a través del puerto serial. Estas seriales analógicas y digitales están disponibles en el puerto RS232 para conectarse a una computadora de planta o sistema de control distribuido, a través del protocolo MODBUS. Adicionalmente, un enlace Ethernet está previsto para permitir una conectividad completa con la LAN de la planta, o con la WAN a través del protocolo TCP/IP.
b) Lan Ethernet - Protocolo TCP/IP
A través del puerto de LAN Ethernet, se ofrece una conectividad plena para monitorear el desempeño dinámico del sistema de excitación. Por medio de sistemas distribuidos de control y redes de datos, se pueden evaluar el amortiguamiento del sistema, las oscilaciones del rotor y el ángulo interno de las unidades. Existen también herramientas disponfoles para cambiar los parámetros y ajustes remotamente desde las consolas de ingeniera remotas o centros de control de despacho.
OPCIONES
1. ELECTRÓNICA REMOTA
Donde espacios reducidos podría ser una restricción para la instalación de un nuevo sistema de excitación, las provisiones se hacen desde el diseno para instalar la electrónica de control separadamente de los módulos de potencia.
2. ACCESO FRONTAL Y POSTERIOR
16 En general, las diferentes partes del sistema de excitación, son accesadas por medio de puertas delanteras y traseras. Bajo pedido especial, el diseño puede considerar el acceso sólo desde puertas delanteras.
3. RESPALDO DIGITAL DEL CAMAL MANUAL
Para aplicaciones específicas que requieren un tercer nivel de redundancia para la electrónica, se ofrece otro canal digital de respaldo. Este tercer canal controla la corriente de excitación del rotor. Un seguidor automático está disponible para transferir desde cualquiera de los dos canales principales al canal de reserva y viceversa .
4. RESPALDO ANALÓGICO DEL CANAL MANUAL
Se ofrece esta solución en caso de que las especificaciones soliciten una tecnología analógica para este tercer canal. La funcionalidad resultante es la misma que en el caso anterior.
5. PANEL DE CONTROL REMOTO
Un panel de datos o un panel digital de pantalla sensible al tacto están disponibles. La comunicación se puede hacer a través del RS232 con protocolo Modbus o LAN Ethernet con protocolo TCP/IP.
5. CONVERTIDOR DE POTENCIA REDUNDANTE
Cuándo se requiere redundancia, un rectificador de potencia extra se suministra. Cuando falla cualquiera de los convertidores de potencia, el régimen nominal del generador no se ve afectado. La repartición de corrientes entre los diferentes convertidores de potencia es mejor que el 15%, debido a las reactancias conectadas en serie en cada brazo del rectificador.
6. CONVERTIDORES DE POTENCIA SECCIONABLES
Si no se permite una des-excitación total del sistema de excitación, en caso de una falla en un convertidor de potencia, se puede efectuar el mantenimiento abriendo el seccionador correspondiente y aislando el rectificador fallado de la parte energizada del resto del sistema de excitación.
17 7. EXCITACIÓN COMPUESTA
En algunas aplicaciones donde una falla, cerca de las terminales del generador pudiera generar una desexcitación del transformador de excitación y como consecuencia una reducción sensible de la corriente en el rotor del generador, un rectificador adicional conectado a un transformador de corriente de potencia aumentará la corriente en las terminales del rotor. Este modulo de potencia adicional rectifica la corriente de falla del estator del generador durante el periodo de tiempo en que dure dicha falla.
9. TECHO DE SOBRE-EXCÍT ACIÓN DE 2 PU's
Para tener una respuesta indidal alta como la definida por IEEE 421.2, un techo máximo de 1.5 pu, es un limite demasiado restrictivo. El transformador de potencia y el convertidor de potencia deben estar sobrediseñados para forzar la excitación del rotor con hasta 2 pu. del voltaje nominal a carga nominal.
10. PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA DEL CAMPO (64F)
Si se requiere esta protección, un relevador de protección es suministrado para detectar la falla a la tierra en ios circuitos DC del rotor. Cuándo tal falla aparece se genera la alarma correspondiente.
11. PROTECCIÓN VOLT/HERTZ DEL GENERADOR (24)
Cuando se requiera esta protección, el sistema de excitación se entrega con un relevador de protección multifunción (por ejemplo el M 3425 relevador de protección de Beckwith Electric). En este caso, las protecciones siguientes también se incluyen: 40, 59, 78, 60.
12. PERDIDA DE PROTECCIÓN DE CAMPO (40)
Igual que el anterior.
13. PROTECCIÓN DE SOBRE-VOLTAJE DEL GENERADOR (59)
Igual que el anterior.
14. PROTECCIÓN DE PÉRDIDA DE SINCRONISMO (78)
18 Igual que el anterior.
15. PROTECCIÓN DE PERDIDA DE SEÑALES DE TP*S (60)
Igual que el anterior. Para las funciones anteriores: 24, 40, 59, 78, una coordinación efectiva se realiza con los respectivos limitadores y estabilizadores del sistema de excitación: el limitador Vott/Hertz, limitador de mínima excitación, limiador de sobre-excitación, el estabilizador del sistema de potencia. Se permite el disparo del generador mediante el relevador de protección, solo si el regulador de tensión con sus limitadores y estabilizadores no logra mantener la unidad dentro de sus rangos de operación preestablecidos.
16. CONTROLADOR DE VA 's
Si el sistema interconectado es considerado como un bus infinito comparado con la capacidad del generador, o si el mismo generador no puede tener ninguna influencia en el bus a causa de una capacidad mucho más grande de ta red interconectada, el sistema de excitación podrá producir una des-excitación o sobre-excitación del generador en caso de incremento o disminución del voltaje en el bus del generador. En este caso, un controlador de VAR regula la potencia reactiva del generador, irrespectivamentemente de la excursión de voltaje, dentro de un rango prefijado de voltaje del generador.
17. CONTROLADOR DEL FACTOR DE POTENCIA
Para el mismo propósito como se menciono anteriormente, en vez del controlador de potencia reactiva, el controlador del factor del potencia es otra opción. Adicionalmente, el controladordel factor de potencia es un dispositivo recomendado para motores síncronos, para los cuales mediante el control del factor de potencia, se evitan múltiples deslizamientos de polos y pérdidas de sincronismos.
18. TRANSFORMADOR DE EXCITACIÓN TIPO ACEITE
Los sistemas de excitación RAVPAC, como regla estándar, son equipados con transformadores de excitación de tipo seco.
19 Cuando se trata de requerimientos diferentes, transformadores de excitación tipo aceite son disponibles.
19. TRANSFORMADOR DE EXCITACIÓN TIPO "CAST RESIN"
Como otra opción, transformadores de excitación tipo seco encapsulados en resinas epóxicas son también disponibles.