Transformador de excitación: el 'controlador de energía' de máquinas síncronas y el 'ancla de estabilidad' para sistemas de energía

En los sistemas de energía modernos, ya sean los enormes turbogeneradores de las centrales térmicas, los hidrogeneradores de las centrales hidroeléctricas o los motores síncronos que impulsan los procesos industriales, la esencia fundamental reside en el control preciso del campo magnético del rotor. El transformador de excitación es precisamente la pieza clave del equipo que proporciona la 'fuente de energía' precisa y confiable para esta esencia central. No suministra energía directamente a la red, pero determina fundamentalmente el rendimiento operativo, la eficiencia de la máquina síncrona y el nivel de estabilidad de toda la red eléctrica.

I. Función principal: ¿Por qué un sistema de excitación necesita un transformador dedicado?

El rotor de una máquina síncrona requiere corriente continua (CC) para establecer un potente campo magnético (es decir, 'excitación'). El sistema de excitación se encarga de proporcionar y regular esta corriente continua. El transformador de excitación tiene tres misiones principales dentro de este sistema:

1. Coincidencia de voltaje y aislamiento eléctrico : toma el voltaje de CA relativamente alto de los terminales del generador o del bus de servicio de la estación (por ejemplo, 10 kV, 15,75 kV), lo reduce de manera segura a un nivel inferior adecuado para el rectificador de tiristores aguas abajo (generalmente varios cientos a mil voltios) y proporciona el aislamiento eléctrico necesario para garantizar la seguridad de los circuitos de control.

2. Proporcionar fuente de alimentación del rectificador : Suministra una fuente de alimentación de entrada de CA estable y adecuada al gabinete rectificador de tiristores aguas abajo , formando la base de energía para convertir CA en CC requerida por el rotor.

3. Forzado de campo compatible y respuesta rápida : cuando las fallas de la red, como los cortocircuitos, causan una caída repentina de voltaje, el sistema necesita aumentar instantáneamente (en milisegundos) y drásticamente el voltaje y la corriente de excitación (es decir, 'forzado de campo' o 'excitación fuerte') para soportar completamente el voltaje de la red y mantener la estabilidad sincrónica. El transformador de excitación debe poseer la capacidad de proporcionar varias veces su valor nominal para sobrecargas de corta duración, sirviendo como pilar de energía para la función de forzado de campo.

En resumen, el transformador de excitación es el centro dedicado de adaptación y conversión de energía que conecta el sistema de energía principal con el circuito de control preciso del campo del rotor.

II. Requisitos únicos: la diferencia esencial con los transformadores estándar

El entorno operativo y el propósito de los transformadores de excitación dan como resultado diferencias de diseño significativas en comparación con los transformadores de distribución o de potencia estándar:

Los desafíos principales se centran en:

• Sobrecalentamiento armónico : Los diseños y materiales especiales (p. ej., conductores transpuestos, pérdidas reducidas por corrientes parásitas) son esenciales para contrarrestar el sobrecalentamiento en devanados y piezas estructurales causado por armónicos de alta frecuencia.

• Fuerzas electromagnéticas elevadas : la alta impedancia de cortocircuito y los frecuentes picos de corriente exigen devanados con sujeción mecánica extremadamente alta y capacidad de resistencia a cortocircuitos.

• Respuesta transitoria rápida : el diseño debe garantizar que la energía del campo magnético pueda acumularse rápidamente tras un comando de fuerza de campo, y el núcleo magnético no debe saturarse.

III. Consideraciones técnicas clave de diseño y selección

La creación de un transformador de excitación de alto rendimiento depende de las siguientes consideraciones técnicas clave:

1. Diseño preciso de voltaje de impedancia :

• Función : Limita la corriente de falla máxima durante un cortocircuito en el brazo del puente rectificador, protegiendo los costosos elementos del tiristor; influye en la velocidad de respuesta transitoria del sistema de excitación.

• Consideración : Requiere encontrar el equilibrio óptimo entre 'limitar la corriente de cortocircuito' y 'evitar el impacto en la respuesta del sistema'; este es el principal parámetro de diseño central.

2. Sistema de aislamiento y bobinado reforzado :

• Bobinado : A menudo emplea una construcción de resina epoxi fundida (tipo seco) o sumergida en aceite . El tipo seco ofrece prevención de incendios/explosiones y un mantenimiento más sencillo, adecuado para entornos interiores o exigentes. Los sumergidos en aceite proporcionan una disipación de calor superior y una mayor capacidad de sobrecarga, comúnmente utilizados para unidades grandes.

• Aislamiento : Debe resistir el impacto de tensiones armónicas de alta frecuencia; La clase del material aislante y el diseño estructural deben tener un amplio margen.

3. Selección del método de enfriamiento :

• Tipo seco : comúnmente refrigeración por aire natural (AN) o aire forzado (AF).

• Inmersos en aceite : Aceite Natural Aire Natural (ONAN) o Aceite Aire Forzado Forzado (OFAF). Para unidades grandes, OFAF proporciona una mayor capacidad de enfriamiento para cumplir con los requisitos de aumento de temperatura durante el forzamiento en el campo.

4. Coincidencia de grupo de vectores :

• Debe coincidir exactamente con el número de pulsos del puente rectificador (p. ej., 6 pulsos, 12 pulsos). Por ejemplo, para formar un rectificador de 12 pulsos para armónicos reducidos, a menudo se usa un transformador de tres devanados o una combinación de dos transformadores (con conexiones extendidas en triángulo y estrella) para generar dos suministros trifásicos con un cambio de fase de 30 grados.

Lista de verificación de parámetros de selección clave:

• Capacidad nominal (kVA, se debe considerar la capacidad de forzamiento en campo)

• Tensión nominal primaria/secundaria (kV/V)

• Voltaje de impedancia (%)

• Grupo de vectores (p. ej., D, y11, d0, etc.)

• Clase de aislamiento y método de enfriamiento

• Entorno de instalación (interior/exterior, altitud, temperatura ambiente)

IV. Escenarios de aplicación típicos

1. Grandes unidades generadoras térmicas/hidráulicas/nucleares : sirve como equipo principal de suministro de energía para sistemas de excitación estática , la configuración estándar para los generadores convencionales modernos.

2. Unidades de centrales eléctricas de almacenamiento por bombeo : Las unidades funcionan tanto en modo generador (generación) como en modo motor (bombeo), lo que impone exigencias extremadamente altas a la adaptabilidad bidireccional y la confiabilidad de sus transformadores de excitación.

3. Grandes motores síncronos industriales : se utilizan para impulsar equipos pesados ​​como compresores, ventiladores y bombas, proporcionando compensación de potencia reactiva y estabilizando la red interna de la planta.

4. Sistemas de propulsión eléctrica marina : Proporciona excitación estable para motores síncronos de propulsión, adaptados a entornos marítimos hostiles.

Conclusión: el poder detrás de la estabilidad

Aunque el transformador de excitación permanece oculto al lado del generador o en la sala de distribución, su rendimiento afecta directamente si una máquina síncrona puede generar voltaje estable, mantener el sincronismo durante perturbaciones de la red y la estabilidad dinámica de todo el sistema eléctrico. Es la unidad de ejecución amplificadora de potencia la que convierte las señales de control precisas del regulador de voltaje automático en una poderosa fuerza de campo magnético.