1) El documento describe un curso de capacitación sobre el sistema de excitación SEPAC y el regulador automático de voltaje RAV 1111 3P 770K / 680. 2) Incluye secciones sobre sistemas de control, conceptos de regulación de voltaje, electrónica de regulación y funciones del RAV como canal automático y compensadores. 3) El objetivo es modernizar el conocimiento sobre estos sistemas de excitación y control de voltaje en generadores.

1. CURSO DE CAPACITACION
SISTEMA DE EXCITACIÓN
SEPAC
REGULADOR AUTOMATICO DE VOLTAJE
RAV 1111 3P 770K / 680
MODERNIZACIÓN
ASPECTOS GENERALES.
ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN

2. SISTEMAS DE CONTROL

3. Sistemas de Control
Sistema. Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y
realizan un
objetivo determinado.
Planta. Cualquier objeto físico que se va a controlar (como un dispositivo
mecánico, un horno de calefacción, un reactor químico o una nave espacial).

4. Sistemas de Control
Variable controlada y señal de control o variable manipulada.
La variable controlada es la cantidad o condición que se mide y controla.
La señal de control o variable manipulada es la cantidad o condición que el
controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada.
Normalmente, la variable controlada es la salida del sistema. Controlar significa
medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la variable
manipulada al sistema para corregir o limitar la desviación del valor medido
respecto del valor deseado.

5. Sistema de lazo abierto
.
S
istemacuyaentrada ( )
t
u no depende de su salida ( )
t
y .

6. Sistema de lazo abierto para un generador
.

7. Sistema de lazo cerrado
.
S
istemacuyaentrada ( )
t
u depende de su salida ( )
t
y .

8. Sistema de lazo cerrado
.
S
istemacuyaentrada ( )
t
u depende de su salida ( )
t
y .

9. .

10. REGULADOR AUTOMÁTICO DE
VOLTAJE .
CONCEPTOS

11. Definiciones dadas según la IEEE . (IEEE STANDARDS ASSOCIATION, 2007)
Sistema de control de excitación:
“El sistema de control retroalimentado que incluye al generador síncrono y su sistema de
excitación. Este término es usado para distinguir el desempeño de una máquina síncrona
y su sistema de excitación en conjunto con el sistema eléctrico de potencia de únicamente
el sistema de excitación”.

12. Sistema de excitación:
“Equipo que provee de corriente de campo a una máquina síncrona, incluyendo todos los
elementos de potencia, regulación, control y protección”.
Regulador automático de voltaje:
“Término usado para designar al sistema de control encargado de realizar la función de
regulación de voltaje o más aún el sistema completo de control conformado por
limitadores, etc.”

13. Las tres definiciones anteriores involucran al menos cuatro elementos:
-Sistema eléctrico de potencia
-Generador síncrono
-Excitación
-Sistema de control (AVR)

14. Las tres definiciones anteriores involucran al menos cuatro elementos:
-Sistema eléctrico de potencia
-Generador síncrono
-Excitación
-Sistema de control (AVR)

15. RAV 1111 3P 770 K / 680

17. ELECTRÓNICA DE REGULACIÓN
.

18. . FUENTES DE ALIMENTACIÓN

19. . UNIDADES DE CONTROL DE EXCITACIÓN
La unidad de control de excitación (UCE) consiste de una unidad
micro procesada tipo Controlador de Automatización Programable
dedicada para control de potencia a través de los algoritmos de
control para sistemas de excitación

20. . UNIDADES DE CONTROL DE EXCITACIÓN
Esquema modular, fácil reemplazo de módulos

21. . CONTROLADORES DEDICADOS PARA CONTROL DE POTENCIA

22. . GENERACIÓN DE PULSOS
SEÑAL DE CONTROL
(DEMANDA DE ÁNGULO)

23. .
ESQUEMA DE GENERACIÓN DE PULSOS Y PUENTES RECTIFICADORES

24. .

25. .

26. .

27. .

28. . ELEMENTOS AUXILIARES, DE PROTECCIÓN Y MEDICIÓN

29. Canal Automático.
Permite llevar a cabo la regulación de voltaje en las terminales de un
generador síncrono manteniéndolo dentro de sus parámetros normales de
operación con seguridad por la acción de los compensadores y
limitadores.
.

30. .

31. .

32. .

33. .

34. .
Modelo PSS®E 34 de Siemens
Los reguladores automáticos de voltaje marcan SEPAC también pueden representarse por el
modelo estandarizado ST1C de acuerdo a la norma IEEE Std 421.5‐2016. La dinámica de este
modelo estandarizado es representativa del modelo SEPAC.

35. .

36. .
Funciones principales:
a) Canal Automático.
Potenciómetro de referencia canal automático (90D).
Amplificador de error de voltaje.
Escalon
Lowest/Highest
Filtro PI.
Limitador de corriente mínima y máxima de campo
Amplificador de error de corriente.
Seguidor automático.
Detectores de límites.
Función escalón.
Des excitación rápida.
Compensador de potencia reactiva y activa (0 al 12%).
Estabilizador del sistema de potencia (PSS2B).
Limitador V / Hz.
Limitador de mínima excitación (MEL).
Limitador de sobreexcitación (OEL).
Limitador de sobre voltaje de campo (MXL) y protección de sobre voltaje de campo (OXP)
Algoritmo de regulación de factor de potencia y potencia reactiva (VARs)
Limitador de corriente mínima y máxima estatórica.
Algoritmo de calculo de temperatura rotorica.

37. .

38. .

39. .
Potenciómetro de referencia canal automático (90D).
Esta función es implementada por un módulo integrador que es capaz de
generar una señal de referencia de 0 a 32000 cuentas a la salida del integrador,
teniendo en cuenta que un pu de voltaje generado equivale a 5000 cuentas.

40. .
a) SUBIR/BAJAR REFERENCIA (MODO NORMAL).
Se reciben los comandos de subir / bajar desde el panel de mandos local o en la
IHM, así mismo, estos mandos pueden recibirse desde un panel de control remoto
desde la sala de control, mismos que obligan la selección de señales positivas o
negativas, los cuales son sumados y cuyo resultado se conecta a la entrada del
potenciómetro cuyo efecto será el de subir su referencia o bajar su referencia, esto
siempre y cuando el automático no se encuentre en seguimiento.
La velocidad de los pulsos de subir o bajar está determinada por la variable var-51
(Velocidad normal), este valor es ajustable vía software de programación. 1000
cuentas = 1s
El potenciómetro 90D estará condicionado a la velocidad de cambio dada por var -
51 siempre que esté en operación el canal automático. En el caso de dos UCE’s
esta velocidad estará únicamente en el potenciómetro del canal automático de la
UCE en operación mientras que para el otro canal la velocidad de cambio del
potenciómetro estará dada por var-52 (velocidad de seguimiento).
POT90D.jpg

41. .
a) MODO PRESET (En caso de que excitación pura en automático).
El preset es activado en el integrador por la secuencia operativa a través de
banderas internas, y su valor debe estar fijado a través de una variable, de tal forma
que durante una excitación la unidad generadora tenga su voltaje nominal en
terminales dentro de un tiempo predeterminado por las características de la
máquina. La entrada del preset del integrador proviene de un módulo generador de
rampa.
Si la rampa está en operación al ejecutar el mando de cierre el potenciómetro
incrementará su valor (la referencia del canal) a partir de un valor inicial de arranque
y hasta un valor final a una velocidad predeterminada. Con esto se evita una
excitación brusca permitiendo incrementar el voltaje generador a una velocidad
ajustable de 1 a 3 kV/s. Estos valores son modificables a través del software de
programación.
Si la rampa no está en operación, el potenciómetro arranca a un valor fijo por lo cual
el incremento de la referencia y en consecuencia del voltaje generado en la
excitación dependerá del tiempo de respuesta del generador.
Archivo JPG

42. .
a) MODO SEGUIDOR.
El modo seguidor consiste en que la señal de salida del integrador (potenciómetro)
se modifica de tal forma que las señales de demanda de ángulo (Auto-
Manual/UCEP-UCER) se igualen en el circuito comparador de demanda de ángulo
de los canales, esto con el fin de poder realizar transferencias sin sobresaltos. El
tiempo que le toma al potenciómetro ajustar su salida depende del parámetro
velocidad de seguimiento var-52.
El modo seguidor para el canal Automático se activa cuando está en operación el
modo de regulación manual, regulación por Var’s, o regulación por F.P.
Para los modos de regulación Var y F.P. el seguimiento se realiza a nivel de las
señales de error entre los modos de regulación AUTO-VAR-FP, por lo tanto en este
caso si se selecciona alguno de los modos VAR o FP, la velocidad de seguimiento
del potenciómetro 90D será igual a su velocidad normal.
POT90D.jpg

43. .

44. .
Amplificador de error de voltaje (Ganancia General)
Esta función elabora la comparación de la referencia de voltaje del generador
(90D) proveniente del módulo integrador y la retroalimentación de voltaje escalado.
El resultado de esta comparación es amplificado mediante la ganancia de este
amplificador la cual es fijada por medio de una variable (var_59), dando como
salida el error amplificado.
La salida de esta comparación conocida como señal de error de voltaje
amplificada, permite un primer ajuste de ganancia del sistema retroalimentado
(ganancia del lazo principal de control).
Como entradas adicionales que actúan sobre el “punto suma” y que son
procesadas por este amplificador son:
Estabilizador del sistema de potencia (PSS)
Compensaciones (Corrientes Cruzadas, Compensación de reactivos,
compensación de potencia activa.)
Señal escalón

45. .

46. .
Mezclador (Compuertas lógicas Lowest y Highest)
Estas funciones en cascada son empleadas para comparar y seleccionar
entre la salida del amplificador de error de voltaje y las señales de
regulación provenientes de los diferentes limitadores que se han
incorporado en el sistema de control.
Como primer módulo selector, se tiene el módulo Lowest, cuya salida es el
resultado de la selección de la señal más negativa entre la señal de la
salida del amplificador de error de voltaje y la señal de los limitadores:
Volts / Hertz (V / Hz).
Limitador de sobreexcitación (OEL).
Limitador de máxima corriente del estator en régimen de
sobreexcitación.
Limitador de máxima corriente del rotor.
Limitador de máxima excitación (MXL).

47. .
Como segundo módulo selector, se tiene el módulo Highest, cuya salida
dejará pasar la señal más positiva entre la señal proveniente del amplificador
de error de voltaje y la señal de los limitadores:
• Limitador de mínima excitación (MEL).
• Limitador de mínima corriente de rotor
• Limitador de máxima corriente del estator en régimen de subexcitación.

48. .
Controlador PI
Una vez que la señal de error es amplificada (esta señal puede provenir de
alguno de los loops-limitadores que entran por el highest o lowest ) es
controlada mediante un control tipo P+I. El controlador P+I es el corazón del
canal de regulación automático.
Este módulo requiere de un valor inicial (preset) para el integrador, esté será
el valor al cual el controlador PI comenzará a elaborar la señal de control al
momento que se ejecute un mando de cierre.

49. .
Ganancia final
Esta ganancia (amplificador de error)
actúa sobre el error o diferencia entre
la salida del PI y una señal de
retroalimentación de corriente de
excitación.
La salida de este último amplificador
genera la señal de demanda de ángulo
que llega a los generadores de pulsos
Este retroalimentación es
especialmente útil en sistemas
brushles, ayuda a mejorar la
estabilidad en la regulación

50. Algoritmo de regulación de factor de potencia
Sobre el amplificador de error de voltaje del canal automático, se monta este
algoritmo que consiste de un potenciómetro de referencia de factor de
potencia, retroalimentación de factor de potencia (o el ángulo), punto suma y
un amplificador; es decir, el voltaje del generador puede sustituirse como
retroalimentación por la señal de factor de potencia, de esta manera se
regula por Factor de Potencia .
Para que opere este algoritmo es necesario encontrarse en canal Automático
con la máquina sincronizada. La transferencia de modo de regulación de factor
de potencia entre UCE’s no está permitida. Para regresar a regulación de voltaje
basta con seleccionar el canal de regulación de voltaje. Se puede transferir de
factor de potencia a manual

52. Algoritmo de regulación de potencia reactiva.
De igual manera para el caso anterior, sobre el amplificador de error de voltaje
del canal automático, se monta este algoritmo con su propio potenciómetro ,
amplificador de error de potencia reactiva y retroalimentación de potencia
reactiva; es el voltaje del generador puede sustituirse como retroalimentación
por la señal de potencia reactiva.
Para que opere este algoritmo es necesario encontrarse en canal Automático
con la máquina sincronizada. La transferencia de modo de regulación por
potencia reactiva entre UCE’s no está permitida. Para regresar a regulación de
voltaje basta con seleccionar el canal de regulación de voltaje. Se puede
transferir de regulación de factor de potencia a manual.
Nota: La transferencia de regulación de Var's a Factor de potencia o viceversa
se realiza transfiriendo previamente a canal automático.

54. 1.- Los modos de regulación por VAR’s y FP ingresan en el canal automático
a nivel del error en el lazo de regulación de canal automático.
2.- Los modos de regulación por VAR’s y FP aprovechan el controlador P+I
del canal automático , por lo que su dinámica será la misma que el canal
automático.

55. Compensadores
Compensación en la señal de
retroalimentación

56. Compensador de potencia reactiva
– Para aplicaciones con generadores en paralelo asegura que la repartición
de reactivos entre unidades se haga en forma proporcional a sus
capacidades nominales.
La repartición de carga reactiva entre generadores en paralelo puede
desbalancearse cuando uno de los reguladores automáticos de voltaje varía
la excitación del devanado de campo debido a cambios en la carga,
variaciones en la velocidad del primo-motor, etc. Este cambio en la excitación
puede causar corrientes circulantes entre los generadores

57. Compensador de potencia reactiva
Está formado por un módulo multiplicador el cual toma la señal real de la
potencia reactiva (MVARs) y produce un incremento en la referencia del
canal automático cuando la unidad absorbe reactivos, por lo que el voltaje
generado se incrementa proporcionalmente en porcentaje a la calibración de
una variable.
De forma similar produce un decremento en el voltaje de referencia cuando
la unidad produce reactivos disminuyendo en proporción el voltaje del
generador.
El Compensador de Reactivos es ajustable para cualquier valor entre -12% y
12% de la potencia reactiva (en base a los datos nominales del generador)
para poder variar la característica de compensación de reactivos.

58. Compensador de potencia reactiva

60. Compensador de potencia activa
Múltiples fallas transitorias o permanentes pueden ocurrir en el sistema interconectado
donde está conectada una determinada unidad, o en la subestación o en las barras de la
misma unidad.
El algoritmo compensador de potencia active está formado por un módulo
multiplicador el cual toma la señal real de la potencia activa (MWatts) e introduce un
incremento en la referencia de voltaje para compensar las caídas en las líneas de
transmisión proporcionalmente en porcentaje a la calibración de una variable.
De forma similar introduce un decremento en la referencia de voltaje cuando las
condiciones se hayan restablecido.
El Compensador es ajustable en forma accesible por programación para cualquier valor
entre ‐12% y
+12% de la potencia activa (en base a los datos nominales del generador) para poder
variar la característica de compensación de acuerdo a la necesidad de cada instalación.

61. Canal Manual.
El canal manual en este sistema FCR (FIELD CURRENT REGULATOR), se
considera como un canal de respaldo del canal automático en caso de falla
además de permitir la excursión del punto de funcionamiento más allá de su
curva de capabilidad para propósito de pruebas.
La función principal de este canal de regulación, es la de regular la corriente en
el campo de la máquina a partir de una referencia dada con la finalidad de
mantener un Voltaje Terminal estable de máquina.
El control de la corriente de excitación de la maquina a través de los tiristores se
efectúa comparando la referencia del potenciómetro 70D con una señal de
retroalimentación obtenida desde un transductor de corriente de excitación.

62. Funciones del control de excitación - canal manual
A continuación, se enlistan y describen las funciones de control contenidas en
cada unidad de control de excitación (UCE).
• Potenciómetro de referencia canal automático (70).
• Amplificador de error de corriente.
• Escalón
• Filtro PI.
• Limitador de corriente mínima y máxima de campo
• Amplificador de error de voltaje.
• Seguidor automático.
• Detectores de límites.

63. Medición de Temperatura del rotor
La temperatura del rotor tal como se encuentra en la programación se calcula mediante
la fórmula para la resistencia de un conductor para una variación de temperatura en
grados centígrados:
de la ley de Ohm:
Donde:
α = coeficiente de variación con la temperatura del conductor(rotor)
1
0039
.
0 −
°
= C
α para el cobre.
0
R = Valor de la resistencia del rotor a la temperatura inicial (Resistencia en vacío).
0
T = Temperatura inicial (Temperatura en vacío)

64. Sobrevoltaje de excitación OXP