Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay, Francia)
Tiempo de lectura: 6 minutos
Las máquinas síncronas son fundamentales en la generación de energía eléctrica, destacando por su capacidad de mantener una velocidad constante y sincronizada con la red eléctrica. Una parte crucial en su funcionamiento es el sistema de excitación, responsable de suministrar corriente al devanado de campo del rotor, generando así el flujo magnético necesario. Dentro de las tecnologías de excitación, el sistema brushless (sin escobillas) se ha convertido en una opción ampliamente utilizada debido a su mayor fiabilidad y menor mantenimiento en comparación con los sistemas tradicionales con escobillas.
A continuación se muestra el esquema del sistema de excitación brushless que analizaremos elemento a elemento. ¡Sigue leyendo!
¿Qué es la excitación brushless?
La excitación brushless elimina la necesidad de escobillas y anillos rozantes, que son puntos de desgaste en los sistemas convencionales. En su lugar, utiliza un sistema de excitación rotativo de corriente alterna (AC) y diodos rectificadores montados en el rotor, lo que garantiza una transferencia eficiente de energía al campo del rotor sin contacto físico. Esta tecnología es ideal para aplicaciones de alta potencia y funcionamiento continuo, como en centrales eléctricas y sistemas de respaldo (UPS).
Elementos principales del sistema de excitación brushless
El diagrama muestra un sistema completo de excitación brushless para una máquina síncrona, compuesto por varios elementos esenciales:
1. Máquina síncrona (G)
Representada como “G”, esta es la máquina principal encargada de generar la energía eléctrica. El sistema de excitación suministra la corriente necesaria al devanado de campo del rotor, que genera el campo magnético principal. La estabilidad de la máquina síncrona depende directamente de un control preciso de la excitación.
2. Excitatriz rotativa AC (Ex)
La excitatriz es una pequeña máquina generadora de corriente alterna (AC) montada en el mismo eje que la máquina síncrona. Su función es proporcionar la corriente alterna que será rectificada para excitar el campo del rotor principal. Al ser rotativa, esta excitatriz elimina la necesidad de conexiones eléctricas estáticas (escobillas). Las excitatrices modernas suelen estar diseñadas con devanados trifásicos para mejorar la estabilidad del sistema.
3. Rectificador rotativo (diodos)
La corriente alterna generada por la excitatriz se convierte en corriente continua (DC) mediante un puente rectificador rotativo. Este rectificador está montado en el rotor y utiliza diodos de potencia para convertir la corriente, lo que permite alimentar el devanado de campo sin necesidad de conexiones externas. La calidad y robustez de los diodos son cruciales, ya que operan en condiciones de alta velocidad y temperatura.
4. Protección del sistema
El bloque de protección integrado en la excitatriz evita daños por sobretensiones o sobrecorrientes. Este sistema de protección es crucial para mantener la integridad del generador y evitar fallos catastróficos. Algunos sistemas incorporan monitorización térmica para evitar sobrecalentamientos.
5. Crowbar (protección contra sobretensiones)
El sistema “crowbar” es una protección adicional que actúa cuando se detectan sobretensiones en el devanado de campo. En caso de una anomalía, esta protección derivará la corriente, evitando daños en la excitatriz o en el rectificador. Esta función es especialmente importante durante eventos de cortocircuito en la red.
6. Rectificador de potencia (Power rectifier)
Es un rectificador estático (externo al rotor) que convierte la corriente alterna en continua para la excitación inicial (field flashing). Este proceso asegura que el sistema de excitación comience con un nivel de campo suficiente para iniciar la generación. Aquí se emplean dispositivos electrónicos de potencia, como IGBTs (transistores bipolares de puerta aislada), que ofrecen una conmutación eficiente y controlada. El rectificador suele incluir condensadores para suavizar la salida de corriente.
7. Campo de arranque o “Field Flashing”
Durante la puesta en marcha, este sistema proporciona una pequeña corriente de excitación inicial al rotor, asegurando que la excitatriz rotativa pueda comenzar a generar energía. Este proceso es esencial para iniciar el autoexcitado del sistema, especialmente en generadores grandes.
6. Transformador de excitación (PPT)
Este transformador (generalmente con conexión Triángulo/Estrella – Δ/Y) adapta el nivel de tensión necesario para alimentar el sistema de excitación desde una fuente externa. Es clave para garantizar que el sistema reciba el nivel de tensión adecuado y para aislar eléctricamente el sistema de excitación de la red principal.
7. Contactor AC
El contactor permite conectar o desconectar la excitación según sea necesario, facilitando la operación y el mantenimiento del sistema. Este dispositivo se utiliza para controlar la alimentación hacia la excitatriz y puede ser activado por el regulador de tensión o el sistema de protección.
8. Regulador Automático de Tensión (AVR)
El AVR (Automatic Voltage Regulator) es un dispositivo electrónico que controla la tensión de salida de la máquina síncrona ajustando la corriente de excitación. Mantiene la tensión en niveles constantes, compensando las variaciones en la carga del generador. El AVR realiza mediciones en tiempo real y ajusta el sistema de excitación, garantizando una estabilidad óptima. En aplicaciones avanzadas, los AVR modernos incluyen funciones de diagnóstico y monitoreo remoto.
9. Fusibles
Proveen protección contra sobrecorrientes, desconectando el circuito si se detectan condiciones anormales. Son un elemento esencial para proteger los componentes más sensibles del sistema. Los fusibles de acción rápida son comunes en estos sistemas para proteger contra picos de corriente.
Ventajas de la excitación brushless
Mayor fiabilidad: Al no tener escobillas, se reducen los puntos de desgaste, disminuyendo las necesidades de mantenimiento.
Menor mantenimiento: Evita la necesidad de reemplazar escobillas y limpiar anillos rozantes, lo que reduce costos operativos.
Mayor eficiencia: La transferencia de energía sin contacto directo minimiza las pérdidas.
Robustez: Los sistemas brushless son menos susceptibles a fallos, especialmente en ambientes difíciles o de alta velocidad.
Reducción de interferencias electromagnéticas: La ausencia de escobillas reduce la generación de ruido eléctrico.
Conclusión
El sistema de excitación brushless ofrece una solución robusta, eficiente y de bajo mantenimiento. Su arquitectura elimina los problemas asociados con las escobillas, asegurando un funcionamiento más fiable en aplicaciones críticas como la generación eléctrica. La combinación de dispositivos electrónicos avanzados, protección sofisticada y regulación automática garantiza un control preciso y estable, clave para el desempeño óptimo de las máquinas síncronas modernas. La tecnología brushless no solo representa un avance técnico, sino también una apuesta por la eficiencia energética y la sostenibilidad operativa.
Fuente:
J. K. Nøland, S. Nuzzo, A. Tessarolo and E. F. Alves, “Excitation System Technologies for Wound-Field Synchronous Machines: Survey of Solutions and Evolving Trends,” in IEEE Access, vol. 7, pp. 109699-109718, 2019
Electric Machinery Company (https://www.electricmachinery.com/_files/)
