DISEÑO Y CONTRUCCIÓN DE UN REGULADOR DE TENSIÓN DE MÁQUINAS SÍNCRONAS

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Vanesa Botella Lagos
hace 7 años
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1 DISEÑO Y CONTRUCCIÓN DE UN REGULADOR DE TENSIÓN DE MÁQUINAS SÍNCRONAS Autor: Marchena González, Ignacio. Director de Proyecto: Frías Marín, Pablo. Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia de Comillas RESUMEN DEL PROYECTO 1. Introducción: Un AVR es un dispositivo electrónico diseñado para ajustar, mantener y controlar automáticamente un valor de voltaje constante. En general se aplica cuando existen variaciones de tensión en el sistema pero tiene una gran cantidad de aplicaciones. En nuestro caso lo emplearemos como sistema de excitación, cuya función principal es aportar la corriente de excitación necesaria al bobinado del rotor para que se mantenga constante la tensión a la salida del generador. a. Estado del arte En el estado del arte se evalúa, en primer lugar la necesidad de control de excitación, tanto para mantener el voltaje de campo como la corriente. Además los sistemas de excitación llevan a cabo las funciones de protección y control esenciales para el buen funcionamiento del sistema de potencia. Por otro lado se estudian los requerimientos necesarios para un sistema de excitación que vienen dados por las características del generador y del sistema de potencia. Por último se mencionan los distintos elementos que tiene un sistema de excitación general así como los distintos tipos de sistemas de excitación. b. Objeto del proyecto El presente proyecto tiene por objetivo el diseño y la construcción de un regulador automático de tensión de máquinas síncronas,o AVR por sus siglas en inglés, que cumpla las especificaciones necesarias para sustituir el los actuales sistemas de excitación existentes en el laboratorio de máquinas de ICAI. El sistema será capaz de aportar la corriente de excitación al rotor de los generadores síncronos de cualquier grupo del laboratorio además de llevar a cabo las protecciones necesarias para los funcionamientos en isla o conectado a la red eléctrica.

2 2. Metodología Para abordar el problema se ha decidido dividir el mismo en 3 partes, una primera parte donde se diseña el AVR y se especifican los componentes de los que constara nuestro sistema de excitación y una segunda parte donde se realiza el montaje y la programación. Estas dos partes están subdivididas a su vez en secciones; una sección de adquisición de datos; en la que se miden valores de tensión y corriente en distintos puntos del generador. Una sección de actuación en la que se generaran las señales necesarias para realizar el swiching de un IGBT y que nos servirá para modificar la tensión en el rotor y por último una sección de control donde se aglutina todo y se llevan a cabo las funciones para el correcto funcionamiento del generador y del sistema de potencia. Finalmente, la tercera parte de la metodología engloba las pruebas necesarias para la validación del sistema de excitación. 3. Resultados y conclusiones En este proyecto se ha realizado en primer lugar y para validar el funcionamiento del control y la medida de continua, un control de voltaje en una resistencia de 43Ω que simula ser la resistencia del rotor; para ello se mide la tensión en bornes de la resistencia y la corriente que pasa por la misma y que sería la corriente de excitación. Para la regulación de este voltaje, se envía una señal de PWM desde un micro-controlador Arduino Mega a un driver que a su vez controla un IGBT como se muestra en la figura 1. Figura 1

3 En segundo lugar, para llevar a cabo la validación de la medida de alterna se realizo un segundo experimento en el que se alimenta a través de un autotransformador una resistencia de 40Ω 6A y se mide tensión y la corriente en la misma. A partir de estos valores y del desfase entre las señales se calcula la potencia activa, reactiva y aparente. Por último se realizó un estudio económico en el que se determinó el coste por una única unidad del dispositivo: Hardware: 163 por unidad Software: 640 Téngase en cuenta que el precio del software iría dividido por el número de unidades compradas por lo que sería una inversión que sólo tendría que hacerse en el momento inicial

4 DESIGN AND MANUFACTURE OF AN AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR Author: Marchena González, Ignacio. Project Director: Frías Marín, Pablo. Collaborating Organization: ICAI - Universidad Pontificia de Comillas PROJECT SUMMARY 1. Introduction An AVR is an electronic device designed to automatically control, adjust or maintain a constant voltage level. In general it is applied when voltage fluctuations are found in the system but is has a great amount of different applications. In our case we will use it as excitation system, whose main function is to provide the direct current to the synchronous machine field winding, for remains the output voltage of the generator constant. a. State of the art In the state of art is evaluated, firstly the need for excitation control both to keep the voltage as the current field. Moreover excitation systems perform the essential control and protection functions for the proper performance of the power system. Furthermore we study the requirements for an excitation system, that are given by the generator and power system considerations. Finally the different elements of a general excitation system and the different types of excitation systems are also evaluated. b. Subject Matter This project aims to design and construction of an automatic voltage regulator synchronous machines, or AVR for short, that meets the technical requirements needed to replace the current existing excitation systems in laboratory machines ICAI. The system will be able to provide the excitation current to the rotor of synchronous generators of any group besides the laboratory carrying out the necessary protections for performances in island or connected to the grid

5 2. Methodology to address the problem To address the problem it was decided to divide it into 3 parts, the first part is where the AVR is designed and the different components for our excitation system specified, in the second part the assembly and programming takes place. These two parts are also subdivided into sections; a section for data acquisition; in which voltage and current are measured at different points of the generator. A operations section where we generate the essential signal for made the IGBT switching and that will help us change the voltage in the rotor and finally a control section where everything coalesces and perform functions generate signals for correct operation of the generator and power system. Finally, the third part of the methodology includes the necessary verifying tests of the excitation system 3. Results and Conclusion In first place and to verify the proper control working and measurement of continuous voltage we made and experiment where we control the voltage in a 43Ω resistor that simulates the resistance of the rotor; To do that, we measure the voltage and current (excitation current) in the resistor. To carry out this voltage control, a PWM signal is output from a microcontroller Arduino Mega to driver which in turn controls an IGBT as shown in Figure 2. Figure 2

6 In second place, to carry out the verify of the AC measurement,a second experiment was developed in which a 40Ω 6A resistor is fed by an autotransformer 6A and voltage and current are measured. From these values and the phase shift between the signals, the active power, reactive power and apparent power are calculated We finish the project with an economical study where the single unit cost can be founded. Hardware: 163 each unit Software: 640 Notice that the price of the software would go divided by the number of units purchased. namely the software cost is an investment that would only be done at the beginning.

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