Diseño y ensayo de un regulador de tensión automático para máquinas síncronas

Abstract

La regulación de tensión juega un papel fundamental en la generación y transporte de energía eléctrica. La tensión en bornes de un generador síncrono (el más utilizado para la producción de energía eléctrica) depende directamente de la corriente de excitación que circule por el rotor, pero hay muchos otros factores externos que influyen, siendo el más claro ejemplo la variación de carga a la que todo generador se encuentra constantemente sometido. Otros factores son la velocidad de rotación o la temperatura de los devanados. La tensión en bornes del generador debe poder mantenerse constante a pesar de todos estos factores tanto para el correcto funcionamiento de la máquina como para asegurar la calidad del suministro y es de esto precisamente de lo que se encargan los reguladores automáticos de tensión. Un regulador automático de tensión es un dispositivo electrónico que ajusta la corriente de excitación de una máquina síncrona para mantener la tensión de estator igual a la tensión de referencia. El funcionamiento básico de un regulador consiste en medir la tensión de estator, compararla con la de consigna y subir o bajar la corriente de excitación en consecuencia. Este proyecto consiste en el diseño de un regulador de tensión para pequeñas máquinas síncronas (en el entorno de los 10kVA) con excitación estática independiente. Los objetivos del proyecto incluían el diseño del hardware de medida, control y potencia y el diseño del software incluyendo un control PID, un limitador de corriente de excitación y una interfaz que permita monitorizar y ajustar el control en tiempo real por medio de un ordenador. Además, una vez diseñado, el siguiente objetivo consistía en la construcción y ensayo de un prototipo. Para el control se ha utilizado la placa Arduino UNO, que es una plataforma de hardware libre con procesador de la casa ATmel con su propio entorno de desarrollo basado en C++. Para la interfaz de monitorización y ajuste se ha utilizado Processing, que es un lenguaje de programación y un entorno de desarrollo, de código abierto también, basado en Java. En el apartado del hardware, la etapa de potencia se ha basado en un transistor IGBT actuando como “chopper”. Este proyecto ha dado como resultado un regulador automático de tensión de bajo coste (150€), basado en hardware y software libre, que ha superado satisfactoriamente todos los ensayos demostrando ser capaz de regular la tensión eficazmente, tanto en vacío como en carga, rechazando todo tipo de perturbaciones como variaciones en la carga, la velocidad o la tensión de excitación. Además, trae consigo una interfaz que permite visualizar las principales variables del control y ajustar los parámetros de forma instantánea sin necesidad de detener el regulador. El limitador de corriente también funciona según lo esperado, cortando la excitación y señalando el estado de alarma mediante un LED cuando la corriente del rotor sobrepasa un valor determinado, esperando el rearme mediante un pulsador.

Voltage regulation plays a key role in the generation and transmission of electricity. The terminal voltage of a synchronous generator (the most commonly used generator for electricity production) directly depends on the excitation current that flows through the rotor, but there are many other external factors that may influence this voltage, being the clearest example of one of them load variation, which every generator is constantly subjected to. Other external factors are rotational speed or windings’ temperature. The voltage across the power generator must remain constant despite all these factors both for the proper functioning of the machine as to ensure the quality of supply. This is precisely what automatic voltage regulators are responsible for. An automatic voltage regulator is an electronic device that adjusts the drive current to maintain a synchronous machine’s stator voltage equal to the reference voltage. The basic operation of a regulator is to measure the stator voltage, compare it to the setpoint voltage and to raise or lower the excitation current accordingly. This project tackles the design of a voltage regulator for small synchronous machines (around 10kVA) with separate static excitation. The objectives of the project included the design of measurement, control and power hardware as well as software design including a PID control, an excitation’s current limiter and an interface that allows real-time monitoring and tuning of the control by means of a computer. In addition, once designed, the next objective was the construction and testing of a prototype. For the control Arduino UNO has been used, which is a free hardware platform with Atmel processor that has its own development environment based on C ++. For the monitoring and tuning interface Processing was used, an open source programming language and integrated development environment (IDE) built for the electronic arts, new media art, and visual design communities based on Java. Regarding the hardware, the power stage is based on an IGBT transistor acting as a "chopper". This project led to a “low-cost” automatic voltage regulator (150 €), based on free hardware and software, which has satisfactorily passed all tests proving to be able to regulate voltage effectively, both with and without load, rejecting all kinds of disturbances such as variations in load, speed or drive voltage. In addition, it comes with an interface that displays the main variables of the control and is able to change control parameters instantly without stopping the regulator. The current limiter also works as expected, by driving excitation current to zero and turning on the alarm state by an LED when the rotor current exceeds a certain value, waiting for reset.