REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO (AVR)

Los reguladores de voltaje, también llamados AVR (por sus siglas en ingles Automatic Voltage Regulator) varían de acuerdo a la salida de potencia que manejan. Todos ellos monitorean el voltaje de salida del generador y ajustan su nivel de salida de excitación para mantener el voltaje del generador deseado. La figura 2.14 muestra la función de un simple control automático, en este caso, se refiere al regulador de voltaje automático. Este se basa en un amplificador operacional, el cual tiene dos entradas (una positiva y otra negativa) y una salida. Este amplificador operacional es usado como un comparador de dos señales.

FIGURA 2.14 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO

En el regulador de voltaje, la comparación es hecha entre la señal del voltaje del generador medido o sensado y un voltaje de referencia (VREF), el cual es establecido por

el AVR para representar en nivel de voltaje nominal o deseado. El resistor variable, es un resistor para ajustar el voltaje que permite cambiar el nivel de voltaje deseado o nominal requerido para operar el generador. Si un voltaje positivo es aplicado a la entrada positiva del amplificador, la salida del amplificador entonces será positiva. Si el voltaje positivo es aplicado a la entrada negativa del amplificador, el amplificador invierte la polaridad a su salida.

En operación, el voltaje del generador y el voltaje de referencia son aplicados a las entradas del amplificador como se muestra en la figura anterior, y el amplificador operacional ajusta la excitación para el generador hasta que las entradas sean iguales. Si el voltaje de referencia es más grande que el voltaje del generador, la salida del amplificador incrementara, incrementando la excitación, hasta que el voltaje del generador sea igual al voltaje de referencia. Si el voltaje del generador excede el voltaje de referencia, el amplificador disminuirá la salida, reduciendo la excitación hasta que el voltaje del generador sea igual al VREF.

Refiriéndonos nuevamente a la figura 2.14, la señal de error del amplificador es conectada al bloque de control de potencia. La función de este bloque es similar al regulador de voltaje en la figura 2.16. El voltaje del generador de CA usado para la potencia de excitación es aplicado a la etapa de control de potencia para el campo excitador. La etapa de control de potencia ideal es capaz de apagar el voltaje de campo completamente o aplicar todo el voltaje disponible al campo. La etapa de control de potencia deberá ser capaz de apagar o prender rápidamente, típicamente en uno o dos ciclos eléctricos.

El rendimiento del regulador de voltaje esta ilustrado en la figura 2.15. La línea superior representa los cambios de voltaje del generador con el tiempo, cuando una carga es aplicada a dicho generador. La segunda línea es la señal de control del amplificador operacional. La línea inferior es el voltaje de campo. El regulador de voltaje en este ejemplo es lento a la respuesta y su regulación es de 5%, desde cero carga a plena carga:

) 17 . 2 ( 100 arg arg sin arg Re % x a c plena a Voltaje a c Voltaje a c plena a Voltaje gulacion  

Estas características serán modificadas para mejorar el rendimiento del regulador de voltaje.

FIGURA 2.16 RENDIMIENTO DEL GENERADOR CON REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO

En la figura anterior se muestra como el generador, al estar sin carga, se encuentra en su velocidad nominal (se asume que la velocidad nunca cambia durante el ejemplo), y el voltaje en el nivel deseado (100%). El primer evento que ocurre es cuando se le aplica la carga, causando que disminuya el voltaje del generador al 80% (esto por la reactancia subtransciente del generador), entonces disminuye aun mas al 70%. El regulador de voltaje responde a través de su censado incrementando la señal de control del AMP OP. El control de potencia toma un pequeño tiempo para responder al comando de control, entonces incrementa el voltaje de campo al máximo disponible. Hay que notar que el máximo voltaje disponible en ese momento es del 70%, debido a que la alimentación es tomada del voltaje de salida del generador, el cual ha disminuido al 70% del nominal.

El voltaje de campo causa que la corriente del campo excitador incremente gradualmente por la inductancia del campo, incrementando el voltaje de salida del excitador, en este caso, autoexcitable, y gradualmente incrementando la corriente del campo del generador. Así el voltaje del generador comienza a incrementarse al valor nominal. El amplificador operacional censa la restauración del voltaje y disminuye su señal de control a medida que el voltaje va aumentando. La reducción de la señal de error ocurre cuando el voltaje de excitador disponible esta incrementándose. La señal de control de potencia regresa a su valor nominal de excitación. Para reducir el voltaje de campo cuando la señal de error disminuye, el voltaje del campo excitador deberá ser reducido al nivel requerido para mantener un voltaje constante en condición de plena carga.

Por que el voltaje regresa al 95% en lugar del 100%? Si el amplificador operacional pudiera detectar cualquier error entre el censado y la referencia, sin importar que tan pequeño sea este, el voltaje siempre regresaría al 100% del voltaje nominal. Con tecnología moderna, existe la posibilidad. La recuperación del voltaje nominal debería ser más rápido para entregar el mejor rendimiento del generador. En la figura 2.16 se muestra el diagrama de un regulador de voltaje con la ajuste de estabilidad, en cual nos permite un control mas preciso y confiable. Este es similar al mostrado en la figura 2.14, solo que ahora se le agrega el bloque de estabilidad. Sin este bloque, el voltaje del generador oscilara por la ganancia del regulador de voltaje. Por lo tanto es necesario un circuito de estabilidad para corregir la oscilación. Este bloque toma una señal negativa de la retroalimentación que viene del campo hacia el punto de suma del regulador de voltaje. Esta señal de retroalimentación forma la respuesta del sistema y suplementa la señal de corrección desde el circuito detector de error.

El circuito de retroalimentación es un circuito de red sensible a la frecuencia, que consiste de capacitancia y resistencia. En la figura 2.17 se muestra un circuito sencillo conectado al campo para entregar una señal al punto de suma del regulador de voltaje.

FIGURA 2.17 CIRCUITO SIMPLE DE ESTABILIDAD PARA ADELANTO Y ATRASO DE LA SEÑAL DEL CAMPO EXCITADOR

Hay tres factores que afectan la estabilidad del voltaje del sistema del generador. Las cuales son la ganancia, la red de estabilidad y la constante de tiempo.

El modelo para la estabilidad nos ayuda a obtener la función de transferencia del regulador de voltaje automático y combinado este con la función de transferencia del excitador y generador. Las funciones de transferencia son ecuaciones matemáticas que representan el comportamiento de cada elemento del sistema. Estas permiten sobretodo una evaluación del cambio de fase y ganancia en un sistema de lazo cerrado sobre cierto rango de frecuencia. Cada sistema de excitación de un generador tiene funciones de transferencia con sus variables de entrada que contienen la ganancia y las constantes de tiempo del generador y regulador de voltaje. La norma IEEE 421.5 ofrece una guía para varios modelos de los diferentes tipos de sistemas excitación. El tipo seleccionado depende de que si el sistema excitador es del tipo estático o rotatorio.

En la figura 2.18 se muestra un modelo matemático IEEE de un sistema de excitación rotatorio con rectificador, que es con el que viene equipado nuestro equipo de emergencia. En la tabla 2.1 se muestra la nomenclatura utilizada.

FIGURA 2.18. MODELOS MATEMATICO DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN DE UN GENERADOR

TABLA 2.1

La regulación digital es muy similar a los reguladores de voltaje análogo. La principal diferencia entre los dos es que el sistema de excitación digital reemplaza algunos de los bloques análogos con un microprocesador. En la siguiente figura se muestra un diagrama a bloques de un sistema de excitación digital.

FIGURA 2.19. DIAGRAMA A BLOQUES DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN DIGITAL

El regulador de voltaje censa el voltaje de salida del generador. Cuando el voltaje de salida va por debajo del punto de ajuste del voltaje del regulador al colocar la carga, éste incrementa la excitación de CD al rotor, aumentando así el campo magnético del rotor, volviendo el voltaje a su nivel de ajuste. Cuando el voltaje va por arriba del punto de ajuste del voltaje del regulador al retirar la carga, éste decrece la excitación de CD al rotor, volviendo el voltaje a su nivel de ajuste. El regulador es alimentado por una fuente externa y aislada de CA, que es la excitación.

Existe una gran variedad de reguladores de voltaje para las plantas de emergencia, pero la función de cada uno es la misma. Tiene entrada de alimentación, que es la excitación, entrada de voltaje para el censado y salida de voltaje para el rotor. Algunos cuentan solo con ajuste para variar el voltaje, otros para ajustar voltaje, frecuencia y ganancia, que son los que nos dan una mayor estabilidad al equipo.

BLOQUE 1 BLOQUE 2

Vc Voltaje de salida del generador K2 Ganancia del excitador

Vref Voltaje de referencia K3 Ganancia del generador

KA Ganancia del regulador de voltaje TBS Constante de tiempo del campo del

excitador TAS Constante de tiempo del amplificador

de error en segundos

TCS Constante de tiempo del campo del

generador KFS Ganancia del circuito de estabilidad

del regulador

TFS Constante de tiempo del circuito de

El regulador de voltaje con el que cuenta el equipo es totalmente digital, con censado trifásico, compatible con el controlador H-100 que se explica mas adelante. Cuenta con ajuste de voltaje, frecuencia, ganancia y estabilidad a través del Genlink (Anexo 3). Figura 2.20.

FIGURA 2.20. REGULADOR DE VOLTAJE