Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
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8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
1/12
IEEE
TRANSACTIONS
ON
POWER
APPARATUS
AND
SYSTEMS,
VOL.
P A S - 8 7 ,
N O .
5 ,
MAY
1 9 6 8
t o
s u g g e s t
t h a t c o i l s
h a v i n g p o o r t i p - u p
v a l u e s
may b e p r o n e
t o
t u r n -
t o - t u r n f a i l u r e s .
W h i l e
t h e a u t h o r s ' s e r v i c e r e c o r d
a p p e a r s
t o
b e
g o o d ,
t h e y
h a v e
n o t i n d i c a t e d
t h e
n u m b e r o f
i n - s e r v i c e f a i l u r e s
t h a t
t h e y
h a v e
e x -
p e r i e n c e d
e v e n w i t h s u c h a
c o m p l e t e p r e v e n t i v e
m a i n t e n a n c e
p r o g r a m . O u r own h i s t o r y o f g e n e r a t o r c o i l f a i l u r e s
h a s
b e e n
e n t i r e l y
s a t i s f a c t o r y t o d a t e a n d o u r f o r c e d
o u t a g e r a t e s f o r h y d r a u l i c
ma -
c h i n e s a r e
w e l l
w i t h i n
a c c e p t a b l e i n d u s t r y s t a t i s t i c s .
O n c e
a g a i n
we w o u l d
l i k e
t o
e x p r e s s o u r a p p r e c i a t i o n
t o
t h e
a u t h o r s f o r
p u b l i s h i n g t h e m a i n t e n a n c e
p r a c t i c e s o f t h e i r c o m p a n y .
M e a d
W a r r e n , J r . , a n d
C h e s t e r I .
B u t t e r w o r t h : A s
a
r e s u l t
o f
s e a s o n a l
v a r i a t i o n s
i n
s t r e a m
f l o w , s t o r a g e r e g u l a t i o n ,
a n d
c o o r d i n a t i o n
w i t h
i n t e r c o n n e c t e d
s y s t e m
o p e r a t i o n s , t h e r e
a r e
p e r i o d s w h e n u n i t s
c a n
b e r e l e a s e d f r o m s e r v i c e
f o r p r e v e n t i v e
m a i n t e n a n c e . T h i s
i s
n o t t o
s a y
t h a t t h e t i m e i s u n l i m i t e d . H o w e v e r ,
a s a b a s i c
p r e m i s e
o f t h e
p h i l o s o p h y
o f
p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e , we w o u l d make
t h e o u t a g e
M i a n u s c r i p t
r e c e i v e d
S e p t e m b e r 7 , 1 9 6 6 .
t i m e
a v a i l a b l e .
T h i s
t h e n
b e c o m e s a d e b a t a bl e q u e s t i o n o f f r e q u e n c y
o f o u t a g e t i m e a n d
e x t e n t
o f m a i n t e n a n c e .
I t i s g r a t i f y i n g t o know t h a t t h e r e a r e u n i t s
w h i c h c a n o p e r a t e f o r
1 5
y e a r s o r
l o n g e r w i t h o u t
m a j o r o v e r h a u l , b u t
o u r
e x p e r i e n c e h a s
n o t b e e n s o g o o d .
A s
a m a t t e r o f f a c t ,
t h e a v e r a g e w i n d i n g l i f e o f o u r
u n i t s
w a s
n o t t h i s
l o n g u n t i l a p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e
p r o g r a m
w a s
e s t a b l i s h e d .
We
h a v e o n l y
o n e
u n i t
w i t h a n
o r i g i n a l
w i n d i n g o v e r
1 5 y e a r s o l d .
E a c h
p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e p e r i o d r e v e a l s s o m e d e f e c t o r
c o n -
d i t i o n
w h i c h c o u l d l e a d
t o f a i l u r e
b e f o r e
t h e n e x t m a i n t e n a n c e
p e r i o d .
C o n s e q u e n t l y ,
we
d o
n o t d a r e
t o
e x t e n d t h e l e n g t h
o f
t h i s
p e r i o d .
We
a r e l o c a t e d
i n
a n a r e a o f b o t h h i g h
l i g h t n i n g i n c i d e n t
a n d
l i g h t n i n g s e v e r i t y . We h a v e r e a s o n t o e x p e c t
t h a t o u r
u n i t s
w i l l
b e
s u b j e c t e d
t o s u r g e s
o f
n e a r l y
d o u b l e
v o lt a g e; c o n s e q u en t l y , we i n s i s t
t h a t
t h e
u n i t w i t h s t a n d
t h e
e s t a b l i s h e d t e s t v o l t a g e . We w o u l d
n o t
a c c e p t
a
l o w e r t e s t v o l t a g e
i n
s p i t e o f
a
w a r n i n g o f b r e a k d o w n .
We
p r e f e r a t e s t
b r e a k d o w n t o
t h e p o s s i b i l i t y o f a n i n
s e r v i c e
f a i l u r e .
I t i s t r u e t h a t
we
n e g l e c t e d
t o
i n d i c a t e t h e
n u m b e r o f i n s e r v i c e
f a i l u r e s . T h i s
w a s
a n
o v e r s i g h t .
We
h a v e h a d o n l y o n e i n
s e r v i c e
f a i l u r e i n
t h e l a s t
1 5 y e a r s , a n d t h i s o n e
o c c u r r e d
l a s t
y e a r
d u r i n g a
l i g h t n i n g s t o r m .
We a p p r e c i a t e
t h e
i n t e r e s t
o f t h o s e c o m m e n t i n g o n t h i s p a p e r .
Considerations Af fec ting t he D e s i g n
P h i l o s o p h y
o f S o l i d - S t a t e E x c i t e r s
PETER
A . B .
WOOLDRIDGE,
S E N I O R
MEMBER
IEEE, AND
ALLAN L . BLYTHE
MEMBER,
IEEE
A b s t r a c t - T h e
a p p l i c a t i o n
o f
t h y r i s t o r
c o n v e r t e r s t o t h e e x c i t a t i o n
o f
l a r g e g e n e r a t o r s
a s
s h u n t
c o n n e c t e d s o l i d - s t a t e e x c i t e r s i s d e -
s c r i b e d .
C o n s i d e r a t i o n s
i m p o r t a n t
d u r i n g
t h e
p l a n n i n g
s t a g e
a r e
d i s c u s s e d
a n d some
i m p o r t a n t
e x c i t e r
d e s i g n
d e t a i l s
a r e
g i v e n .
The
i m p o r t a n c e
o f
t h e
t o p i c ,
c o n t r o l
o f
p o w e r s y s t e m s t a b i l i t y b y
a d j u s t m e n t
o f
g e n e r a t o r
e x c i t a t i o n ,
i s
h i g h l i g h t e d b y
r e f e r e n c e
t o
many
o t h e r
p a p e r s .
P a r t
I o f t h e
p a p e r
c o m m e n t s
o n
t h e
s u b j e c t
o f
t h y r i s t o r s ,
t y p e s
o f
r e c t i f i e r
c i r c u i t s ,
h a r m o n i c s ,
e x c i t e r
c e i l i n g
v o l t a g e , o v e r v o l t a g e s ,
a n d
o v e r c u r r e n t s .
P a r t
I I
d e s c r i b e s
e x c i t e r
d e s i g n
w i t h r e f e r e n c e
t o a
p a r t i c u l a r d e s i g n
c o n c e p t ,
i n c l u d i n g p r o v i s i o n s
t o
c o v e r
s om e
w e l l -
known
a n d
some l e s s
f a m i l i a r a b n o r m a l modes o f
o p e r a t i o n .
S p e c i a l
e m p h a s i s
i s
g i v e n
t o
p r o t e c t i o n a g a i n s t o v e r v o l t a g e s
a n d
o v e r c u r r e n t s .
I N T R O D U C I T I O N
THE
LAST
DECADE h a s
s e e n a
g r e a t
i n c r e a s e
i n
t h e
a n a l -
y s i s
o f
p o w e r
s y s t e m s t a b i l i t y ,
i n
p a r t i c u l a r
t h e
c o n t r i b u t i o n
o f
g e n e r a t o r
e x c i t a t i o n
t o
t h e
d a m p i n g
o f
s y s t e m
a n d
g e n e r a t o r
o s c i l l a t i o n .
P a p e r
3 1
T P
6 7 4 6 4 ,
r e c o m m e n d e d a n d
a p p r o v e d b y
t h e
P o w e r
G e n e r a t i o n
C o m m i t t e e o f
t h e IEEE P o w e r
G r o u p
f o r
p r e s e n t a t i o n
a t t h e
IEEE
Summer
P o w e r
M e e t i n g , P o r t l a n d , O r e . , J u l y 9 - 1 4 ,
1 9 6 7 .
M a n u s c r i p t
r e c e i v e d
A p r i l
1 2 , 1 9 6 7 ;
made a v a i l a b l e
f o r
p r i n t i n g
May
5 ,
1 9 6 7 .
P . A .
B .
W o o l d r i d g e
i s w i t h C a n a d i a n
W e s t i n g h o u s e , L t d . ,
Ham-
i l t o n ,
O n t . ,
C a n a d a .
A .
L .
B l y t h e ,
d e c e a s e d ,
was w i t h
C a n a d i a n
W e s t i n g h o u s e ,
L t d . ,
H a m i l t o n ,
O n t . ,
C a n a d a .
W h i l e t h e u s e
o f r e c t i f i e r s a s
e x c i t e r s f o r l a r g e g e n e r a t o r s i s w e l l
e s t a b l i s h e d i n
a
n u m b e r
o f
f o r m s , t h e
a p p l i c a t i o n o f
t h e c o n -
t r o l l a b l e s o l i d - s t a t e
r e c t i f i e r , b o t h
a s a c o m p e t i t i v e
f o r m o f
e x c i t e r
a n d
f o r r e a s o n s o f
g e n e r a t o r
a n d
s y s t e m s t a b i l i t y ,
i s
r e c e n t .
T h e
t y p e o f
e x c i t e r c o n s i d e r e d r e s u l t s
f r o m
e x p e r i e n c e w i t h t h e
e x c i t a t i o n o f
w a t e r
w h e e l g e n e r a t o r s . T h e t y p e
i s
e q u a l l y
w e l l
s u i t e d
t o
t h e
l a r g e r
t u r b i n e
g e n e r a t o r s ,
w i t h o b v i o u s
m i n o r
m o d i f i c a t i o n s .
T h i s
p a p e r
r e l a t e s
t h e
p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t
a n a l y t i c a l
w o r k
w h i c h
h a s b e e n
d o n e
o n s y s t e m
s t a b i l i t y
w i t h t h e
o t h e r
c o n -
s i d e r a t i o n s w h i c h h a v e
i n f l u e n c e d t h e
d e s i g n
o f a m o d e r n c o m -
p e t i t i v e
s h u n t - c o n n e c t e d s o l i d - s t a t e e x c i t e r
f o r l a r g e
s y n c h r o n o u s
g e n e r a t o r s .
T h e
p a p e r
i s
o r g a n i z e d
t o
p r o v i d e
a
c o n c e p t u a l
l i n k
b e t w e e n
s y s t e m
p l a n n i n g
c o n s i d e r a t i o n s a n d t h e d e s i g n o f t h e
l a t e s t
t y p e
o f
g e n e r a t o r e x c i t a t i o n
h a r d w a r e
i n
t h e f o r m
o f
a s h u n t - c o n n e c t e d
s o l i d - s t a t e e x c i t e r .
P a r t
I
d e a l s
w i t h t h o s e p o i n t s
i n
s y s t e m p l a n n i n g
w h i c h
a f f e c t
e x c i t e r
d e s i g n
o r a r e
a f f e c t e d
b y
p a r t i c u l a r c h a r a c t e r i s t i c s
o f s o l i d -
s t a t e
e q u i p m e n t .
P a r t I I
d e a l s w i t h
t h e m e t h o d s
a n d
p h i l o s o p h i e s
b e h i n d
a
s o l i d
e x c i t e r
d e s i g n
t o
m e e t
t h e
r e q u i r e m e n t s
o f s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r
e x c i t a t i o n .
Much e m p h a s i s
h a s r e c e n t l y b e e n p l a c e d
o n t h e r e l a t i o n s h i p
b e t w e e n
s y s t e m s t a b i l i t y
a n d
c o n t r o l l a b l e
r e c t i f i e r
e x c i t e r s
a p -
p l i e d
t o w a t e r
w h e e l
g e n e r a t o r s .
T h e i m p r e s s i o n h a s b e e n c r e a t e d
t h a t
t h e
t w o s e e m t o
g o i r r e v o c a b l y t o g e t h e r .
T h i s n o t i o n i s u n -
1 2 8 8
-
8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
2/12
WOOLDRIDGE AND BLYTHE: DESIGN OF S O L I D - S T A T E
EXCITERS
n e c e s s a r i l y r e s t r i c t i v e t o
t h e
r a n g e o f
p o s s i b l e a p p l i c a t i o n s
o f
s o l i d - s t a t e e x c i t e r s ,
e v e n t h o u g h
t h e
m a j o r i t y o f
a p p l i c a t i o n e x -
p e r i e n c e
g a i n e d s o
f a r
h a s
b e e n p r o m p t e d b y
s y s t e m s t a b i l i t y r e -
q u i r e m e n t s .
I t
i s
n o t t o o
e a r l y t o r e c o r d t h a t
t h e s h u n t - c o n n e c t e d s o l i d -
s t a t e e x c i t e r
i s b e c o m i n g
c o m p e t i t i v e w i t h a l l o t h e r
t y p e s o f
e x c i t e r s f o r
l a r g e s y n c h r o n o u s
g e n e r a t o r s . T h i s
t y p e
o f
e x c i t e r
i s
o b v i o u s l y
a d a p t a b l e t o t u r b i n e
g e n e r a t o r s , w i t h t h e s o l e e x c e p -
t i o n
t h a t
i t
r e q u i r e s
u s e
o f
c o l l e c t o r
r i n g s
a n d
b r u s h g e a r .
B r u s h -
l e s s r o t a t i n g
a l t e r n a t o r / r e c t i f i e r
e x c i t a t i o n s y s t e m s
a r e a v a i l a b l e
w i t h
o n l y s l i g h t l y
i n f e r i o r
t r a n s i e n t
p e r f o r m a n c e c a p a b i l i t y
c o m p a r e d
w i t h t h e
s h u n t - c o n n e c t e d s o l i d - s t a t e
e x c i t e r ,
b u t a t
a
d i s t i n c t
c o s t
p r e m i u m .
T h i s p r e m i u m m u s t
b e
e v a l u a t e d
a g a i n s t
t h e
d e s i r a b i l i t y o f e l i m i n a t i n g c o l l e c t o r r i n g s .
F o r t h i s
r e a s o n ,
t h e r e f o r e ,
t h i s p a p e r m a k e s
n o f u r t h e r d i r e c t
m e n t i o n
o f
t h e
s p e c i a l c a s e o f t h e
w a t e r w h e e l g e n e r a t o r , e x c e p t
a s
i m p l i e d
f r o m p a s t
e x p e r i e n c e i n
t h e
f o r m
o f t h e p u b l i s h e d
r e f e r e n c e s , a n d f r o m
m e n t i o n o f
e x c i t e r
d e s i g n
p r a c t i c e s a n d
c o n s i d e r a t i o n s w h i c h
a r e o b v i o u s l y m o r e s u i t e d
t o a
h y d r o e l e c t r i c
s i t u a t i o n .
P A
R T I :
S Y S T E M S T U D I E S
T h e t r a n s i e n t
r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e
e x c i t a t i o n o f
a
g e n e r a t o r
a n d t h e
p r o d u c t i o n
o f
d a m p i n g t o r q u e s
i n
t h e
i n t e r e s t s
o f
g e n e r a -
t o r a n d
s y s t e m s t a b i l i t y
h a s
b e e n
u n d e r
s t u d y
f o r d e c a d e s . T h e
c l a s s i c a l
t r e a t m e n t o f a
g e n e r a t o r
c o n n e c t e d
t o a n
i n f i n i t e
b u s
t h r o u g h
a
t r a n s m i s s i o n l i n e
i l l u s t r a t e s
t h e
b a s i c
p r i n c i p l e s
o f
s t a b l e
s y s t e m o p e r a t i o n . t f t
T h e c l a s s i c a l t r e a t m e n t c a n
n o
l o n g e r
r e a d i l y
h a n d l e
m o d e r n
c o m p l e x
s y s t e m s
w i t h o u t
t h e
u n c e r t a i n t y
i n t r o d u c e d
b y
m a j o r
s i m p l i f y i n g a s s u m p t i o n s .
T h e c l a s s
o f
p r a c t i c a l
s y s t e m s
w h i c h
h a s
r e c e i v e d
s o
m u c h
i n -
t e n s i v e
s t u d y
r e c e n t l y
i s
t h e
s y s t e m
w i t h o n e o r s e v e r a l
m a j o r
g e n e r a t i n g
s t a t i o n s
r e l a t i v e l y
r e m o t e f r o m
t h e m a i n
s v s t e m
a n d
l o a d
c e n t e r .
R e c e n t e x a m p l e s
o f t h i s
c l a s s
a r e
t h e
B r i t i s h
C o l u m -
b i a
H y d r o
a n d P o w e r
A u t h o r i t y s y s t e m
a s s o c i a t e d
w i t h
t h e
P e a c e R i v e r
P r o j e c t . [ 2 ]
T h e
H y d r o
Q u e b e c
s y s t e m ,
w i t h t h e
M a n i c o u a g a n
a n d
C h u r c h i l l F a l l s
p r o j e c t , t 3 1 b e l o n g s
i n
t h e s a m e
c l a s s .
I n
a
d i f f e r e n t
c a t e g o r y
o f t h e s a m e
p r o b l e m
i s
t h e
i n t e r c o n n e c -
t i o n
o f
s e p a r a t e l y
s t i f f
a n d
i n d e p e n d e n t l y
s t a b l e
s y s t e m s
b v
m e a n s
o f a
l o n g
t i e .
T h e
i n t e r c o n n e c t i o n
o f t h e
P a c i f i c
N o r t h w e s t
a n d t h e P a c i f i c S o u t h w e s t
s y s t e m s
i s
a
g o o d
e x a m p l e .
[ 4 ]
A n o t h e r
i s
t h e
i n t e r c o n n e c t i o n
o f
t h e
a s k a t c h e w a n M a n i t o b a ,
a n d
W e s t -
e r n
O n t a r i o
p o w e r s y s t e m s . t 5 1
O t h e r
e x a m p l e s
o f
t h i s
t y p e
h a v e
b e e n
r e p o r t e d
o r
a r e
u n d e r
i n v e s t i g a t i o n
a t
t h e
m o m e n t .
B a s e d o n
t h e
e x p e r i e n c e
o f
s t u d i e s
l i k e t h e
e x a m p l e s
j u s t
g i v e n ,
i t
i s
i n
t h e
l a s t
t h r e e o r
f o u r
y e a r s
t h a t
h i g h - s p e e d
d i g i t a l
c o m -
p u t e r
p r o g r a m s
h a v e
i n c o r p o r a t e d
r e f i n e d
r e p r e s e n t a t i o n s
o f
m a c h i n e ,
g o v e r n o r
a n d
e x c i t a t i o n , c o u p l e d
w i t h a n e x t e n s i v e
r e p r e s e n t a t i o n o f t h e
s y s t e m
a s
a
w h o l e ,
f r e e f r o m t h e
more
d u b i o u s
a p p r o x i m a t i o n s . 1 6 t
[ 7 ]
T h e s e
p r o g r a m s
now
p e r m i t
e x -
h a u s t i v e
e x p l o r a t i o n
o f a l t e r n a t i v e s o l u t i o n s
w i t h
r a p i d i t y
a n d
l o w a d d i t i o n a l
c o s t ,
s u i t a b l e
f o r
m a k i n g
r e l i a b l e
e c o n o m i c
c o m -
p a r i s o n s .
I t
i s
b e c o m i n g a p p a r e n t
t h a t
t h e s e
p r o g r a m s
c a n a n d w i l l
b e
u s e d
t o
c o n f i r m
n o t
o n l y
t h e
p a r a m e t e r s
f o r
t h e
d e s i g n
o f
n e w l y
i n s t a l l e d c a p a c i t y ,
b u t
a l s o
t h e
d e s i r a b i l i t y
o f
u p g r a d i n g
o r
r e -
p l a c i n g e x i s t i n g
c o n v e n t i o n a l e x c i t e r s .
I t
i s o u t o f
t h i s
t y p e
o f
w o r k t h a t
t h e
p r a c t i c a l
f o r m
o f r e c t i f i e r
e x c i t e r
h a s
b e c o m e
c o n f i r m e d
a n d
r e c o g n i z e d
a s
a
v i t a l
b u i l d i n g
b l o c k
f o r
t h e
c o n t r o l
o f
s y s t e m
s t a b i l i t y
t h r o u g h
e x c i t a t i o n
c o n t r o l .
B u t i t i s
o f
s t i l l g r e a t e r s i g n i f i c a n c e
t h a t
t h e
d e p t h o f
a l l
t h i s
s y s t e m
s t u d y
w o r k
h a s r e v e a l e d a n d c o n f i r m e d
t h e
t y p e
o f
f e e d b a c k
r e q u i r e d
f o r
o b t a i n i n g
n e a r
o p t i m u m
p e r f o r m a n c e
f r o m
t h e s e e x c i t e r s .
S Y S T E M
S T A B I L I Z I N G
S I G N A L
T h e
r e p o r t s o f n u m e r o u s
i n v e s t i g a t o r s ,
s e v e r a l o f
w h i c h
a p p e a r
i n
t h e
r e f e r e n c e s ,
s h o w
t h a t
i f
g e n e r a t o r
f i e l d
v o l t a g e
c a n
b e
c o n -
t r o l l e d i n a
m a n n e r
p r o p o r t i o n a l t o t h e i n s t a n t a n e o u s
g e n e r a t o r
s p e e d e r r o r , t h e n c o n s i d e r a b l e
d a m p i n g t o r q u e s
c a n
b e
p r o d u c e d
t o w a r d s
i m p r o v e m e n t i n
b o t h
t r a n s i e n t
a n d d y n a m i c
s t a b i l i t y
( i n c l u d i n g s o - c a l l e d
s t e a d y - s t a t e
s t a b i l i t y ) .
Two m e t h o d s o f
p r o d u c i n g t h e
r e q u i r e d s y s t e m
s t a b i l i z i n g
s i g n a l
h a v e
r e c e n t l y b e e n
r e p o r t e d ,
o n e a d i r e c t
e l e c t r o m e c h a n i c a l
m e a s u r e m e n t o f s p e e d
e r r o r
a g a i n s t a n
a r b i t r a r i l y f i x e d r e f e r -
e n c e , t 8 1
a n d t h e
o t h e r
d e r i v e d p u r e l y
e l e c t r i c a l l y f r o m
p o w e r
m e a s u r e m e n t s
m a d e a t t h e g e n e r a t o r
t e r m i n a l s . t 9 1
T h e
g e n e r a t o r
s p e e d e r r o r r e f e r r e d t o
s h o u l d b e t h e e r r o r
w i t h
r e s p e c t
t o
t h e a v e r a g e
s p e e d
o f t h e
s y s t e m . T h e
s y s t e m
may
n o t ,
i n
t h e s t e a d y s t a t e ,
b e o p e r a t i n g a t e x a c t l y t h e
n o m i n a l f r e -
q u e n c y
a n d ,
a f t e r a
s e v e r e
t r a n s i e n t , w i l l
c e r t a i n l y
d e v i a t e
f r o m
n o m i n a l
f r e q u e n c y
f o r
s o m e
t i m e .
I t
i s
t h e
g o v e r n o r s
a l o n e
w h i c h
c o n t r o l t h e
s y s t e m f r e q u e n c y . T h e
g e n e r a t o r
e x c i t a t i o n
c a n
o n l y
b e e x p e c t e d
t o
i n f l u e n c e
g e n e r a t o r
s p e e d
w i t h
r e s p e c t t o t h e
a v e r a g e s y s t e m
s p e e d a t
t h e
t i m e .
T h e
s p e e d e r r o r
t y p e o f s t a b i l i z i n g f e e d b a c k
may r e a d i l y
b e
a p p l i e d t o a n y
e x c i t e r h a v i n g
a
c l a i m t o f a s t r e s p o n s e
a n d
s o m e
f o r c i n g c a p a b i l i t y .
A p p l i e d
t o a c o n v e n t i o n a l
r o t a t i n g e x c i t e r
w i t h
t i m e c o n s t a n t s
a s h i g h
a s
t w o
s e c o n d s , i m p r o v e m e n t
i n
d y n a m i c
s t a b i l i t y
c a n b e r e a l i z e d . I n
t h e s e c a s e s t h e e x c i t e r
b e -
h a v e s r o u g h l y l i k e a n
i n t e g r a t o r , s o t h a t t h e
s t a b i l i z i n g m u s t
b e
m a d e
p r o p o r t i o n a l a p p r o x i m a t e l y
t o g e n e r a t o r
a c c e l e r a -
t i o n .
When
t h e
s t a b i l i z i n g
s i g n a l
i s
a p p l i e d
t o
a
s e p a r a t e
c o n t r o l l e d
r e c t i f i e r
e x c i t e r , w h i c h may
b e r e g a r d e d
a s
h a v i n g
i n s t a n t a n e o u s
r e s p o n s e , t r u e
s p e e d
e r r o r
f e e d b a c k
a c t i o n
r e s u l t s .
R e l i a b l e
l i m i t i n g
o f t h e
f i r s t
g e n e r a t o r / s y s t e m
s w i n g f o l l o w i n g
a
f a u l t
i s a s s u r e d ,
u s i n g t h e e c o n o m i c a l l y
o b t a i n a b l e h i g h
c e i l i n g v o l t a g e s
w h i c h
s e p a r a t e c o n t r o l l a b l e r e c t i f i e r s a r e
c a p a b l e o f .
R E C T I F I E R
E x C I T E R S
F o r m s
o f
r e c t i f i e r
e x c i t e r s
h a v e
b e e n
a p p l i e d
t o
l a r g e g e n e r a -
t o r s f o r d e c a d e s .
T h e
e c o n o m i c
a n d
p r a c t i c a l
l i m i t a t i o n s
o f
s h a f t - c o u p l e d
d c m a i n e x c i t e r s
f o r
l a r g e h i g h - s p e e d
t u r b i n e -
g e n e r a t o r s
h a d
e n c o u r a g e d
t h e
u s e o f
m e r c u r y
a r c r e c t i f i e r s
p r i -
m a r i l y
a s t h e
o n l y p r a c t i c a l
a l t e r n a t i v e s o u r c e o f t h e
n e c e s s a r y
d i r e c t
c u r r e n t .
When
i t
b e c a m e e v i d e n t t h a t
t h e
f u l l
r a n g e
c o n t r o l l a b l e
r e c t i -
f i e r f a v o r e d
t h e
u s e o f
e x c i t a t i o n
c o n t r o l
t o
a s s i s t i n
s y s t e m
s t a b i l i t y ,
t h e
m e r c u r y
a r c
c o n t r o l l a b l e
r e c t i f i e r t l O l
w a s
a p p l i e d
a s
t h e
o n l y
s u i t a b l e
f o r m a t t h e
t i m e .
A
f e w
e x a m p l e s
o f
e x c i t e r s
o f
t h i s t y p e
a r e
i n
o p e r a t i o n
i n
N o r t h
A m e r i c a .
] 3 [ ,
I l l
T h e
e x p e r i e n c e
o b t a i n e d
w i t h
m e r c u r y
a r c
r e c t i f i e r s
h a d n o t
l e d t o
s o l u t i o n s
t o
s o m e
o f
t h e
l o n g k n o w n ,
t h o u g h
t o l e r a t e d ,
l i m i t a t i o n s o f t h e
m e r c u r y
a r c .
T h e c o s t
o f
p r e c a u t i o n s
r e q u i r e d
t o m i n i m i z e t h e
e f f e c t s
o f r a n d o m
a r c
b a c k ,
a n d
t h e
h i g h
m a i n t e -
n a n c e a n d t u b e
r e p l a c e m e n t c o s t ,
h a s
k e p t m e r c u r y
a r c i n
a n
u n f a v o r a b l e
c o m p e t i t i v e
p o s i t i o n
i n
many a p p l i c a t i o n s
f o r
w h i c h
i t w o u l d
o t h e r w i s e b e s u i t a b l e .
T h e
d e m i s e o f t h e
m e r c u r y
a r e
d e v i c e
h a s
b e e n
b r o u g h t
a b o u t
b y
t h e
d e v e l o p m e n t
o f
t h e
p o w e r
t h y r i s t o r ,
a n d t h e
c o m p e t i t i v e
f o r m s
o f s o l i d - s t a t e
p o w e r
s u p p l i e s
now
m a k i n g
u s e
o f
t h e
d e v i c e .
1 2 8 9
-
8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
3/12
I E E R
T R A N S A C T I O N S
O N
P O W E R
A P P A R A T U S
A N D S Y S T E M S ,
M A Y
1 9 6 8
A
A
1 . V a r i o u s
t y p e s
o f p o w e r
t h y r i s t o r s .
T o p
l e f t :
a i r c o o l e d
w i t h
i n t e g r a l h e a t
e x c h a n g e r .
T o p
r i g h t : w a t e r
c o o l e d
w i t h i n t e g r a l
h e a t
e x c h a n g e r .
B o t t o m
l e f t : s t u d
m o u n t e d
f o r
a i r
o r w a t e r c o o l i n g .
B o t t o m
r i g h t :
h o c k e y p u c k
d e v i c e
w i t h o u t h e a t e x c h a n g e r .
( a )
( b )
L X
( c )
T H Y R I S T O R S
T h e
common
n o u n
t h y r i s t o r
i s
g e n e r i c ,
a s i s
d i o d e
f o r
a n d
h a s
n o
p r o p r i e t a r y
o r i g i n .
I t
i s ,
i n
f a c t ,
t h e
name
b y
t h e
I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o t e c h n i c a l
C o m m i s s i o n
f o r
d e f i n e d
c l a s s o f
f o u r - l a y e r
b i s t a b l e s o l i d - s t a t e
d e v i c e s ,
o f
w h i c h
n
c o n t e x t )
t h e
d e v i c e
p o p u l a r l y
m i s n a m e d
SC R
i s t h e m o s t
m e m b e r .
T h e t h y r i s t o r
p e r f o r m s
p r e c i s e l y
t h e s a m e
f u n c t i o n s
a s t h e
c a t h o d e ,
a n d
g r i d
o r
i g n i t e r s y s t e m
o f
a
m e r c u r y
a r c
d e -
I t s m o d e
o p e r a t i o n i s ,
o f
c o u r s e ,
u t t e r l y d i f f e r e n t . F i g .
1
e x a m p l e s
o f
m o d e r n
p o w e r
t h y r i s t o r s .
T h e r e a s o n
t h e
t h y r i s t o r
h a s
o u s t e d
t h e
m e r c u r y
a r c
d e -
n e e d s
s o m e
c l a r i f i c a t i o n .
F u n d a m e n t a l l y
t h e
p e r f o r m a n c e
o f
a
t h y r i s t o r
( a s
f o r m o s t
s o l i d - s t a t e d e v i c e s )
c a n
p r e c i s e l y
d e f i n e d
w i t h i n
i t s
o p e r a t i n g
l i m i t s .
W i t h i n
t h e s e
t h e r e
i s n o
c o n s u m a b l e
f e a t u r e
o r d e t e r i o r a t i o n
o f t h e
d e -
w h a t s o e v e r .
T h e s t a t i s t i c a l
c h a n c e o f f a i l u r e
i n
s e r v i c e
i t s s p e c i f i e d
o p e r a t i n g
l i m i t s i s
l o w ,
d u e
t o
t h e
e x h a u s t i v e
b y s t e p
t e s t i n g
w h i c h
f o r m s
a n e s s e n t i a l
p a r t
o f
e c o n o m i c
T h e
l i f e t i m e
g u a r a n t e e
o f
t h y r i s t o r s
i s
n o
c o m m e r -
g i m m i c k .
I t
i s
a
s t a t e m e n t
o f c o n f i d e n c e
i n t h e
i n h e r e n t
r e l i -
o f
t h e
d e v i c e .
T h e r e f o r e ,
t h e
t h y r i s t o r
p r o v i d e s
e x c e p t i o n a l l y
h i g h
i n h e r e n t
w h i c h
t h e
m e r c u r y
a r c
d e v i c e
c a n n o t c l a i m
w i t h o u t
a d d i t i o n a l
r e s e a r c h .
T h i s i s d e m o n s t r a t e d
i n
many
VA
o f
i n s t a l l e d
i n d u s t r i a l
c a p a c i t y
i n N o r t h
A m e r i c a .
R E C T I F I E R
C I R C U I T S
B e f o r e
c o n s i d e r i n g
a n
e x c i t e r
d e s i g n
i t s e l f ,
s o m e c h a r a c t e r i s t i c s
r e c t i f i e r
c i r c u i t s
s h o u l d
b e
r e v i e w e d
i n
t h e
l i g h t
o f
e x c i t e r
a p -
O f
a l l
t h e
p o s s i b l e
b u t
n o t e x h a u s t i v e
l i s t i n g
o f r e c t i -
c i r c u i t s
a n d
a s s o c i a t e d t r a n s f o r m e r
c o n n e c t i o n s
s u m m a r i z e d
A S A
C 3 4 . 1
1 9 5 8 ,
o n l y
a
v e r y
f e w n e e d
t o b e c o n s i d e r e d
f o r
e
i n
s o l i d - s t a t e
e x c i t e r s .
F i g .
2
s h o w s
s i m p l i f i e d
d i a g r a m s
o f
t h r e e r e c t i f i e r
c i r c u i t s w i t h
t r a n s f o r m e r c o n n e c t i o n s ,
w h i c h
m e r i t
c o n s i d e r a t i o n
f o r
e
i n
s o l i d - s t a t e
e x c i t e r s .
I n
c o n t r a s t
i s a d d e d
a f o u r t h
c i r c u i t ,
2 ( d ) ,
v a r i o u s
v e r s i o n s
o f
w h i c h
p r o v e d
e c o n o m i c a l
f o r
u s e
s i n g l e
t a n k
m u l t i - a n o d e m e r c u r y
a r c
r e c t i f i e r s .
W h i l e
a s o l i d -
d )
F i g . 2 .
R e c t i f i e r
c i r c u i t s
f o r e x c i t e r s .
( a )
U n i c o n v e r t e r
b r i d g e .
( b )
S e m i c o n v e r t e r
b r i d g e .
( c )
T h r e e - p h a s e
o n e - w a y
c i r c u i t . ¶ ( d )
S i x -
p h a s e
d o u b l e - w y e
c i r c u i t .
t h e
o t h e r
c i r c u i t s
a r e
m o r e
e c o n o m i c a l
a n d
a d v a n t a g e o u s
f o r
u s e
w i t h t h y r i s t o r s .
T h r e e - P h a s e
B r i d g e
C i r c u i t s
T h e c i r c u i t s
o f
F i g . 2 ( a ) a n d
( b ) a r e
m e m b e r s
o f
t h e r e c t i f i e r
c i r c u i t ,
common
t o
t h e
g r o u p
i n A S A
C 3 4 . 1 1 9 5 8 ,
n u m b e r e d
2 3
t h r o u g h
3 5 , w h i c h
a r e c a l l e d
d o u b l e
w a y .
T h e c i r c u i t
i s m o r e
p o p u l a r l y
k n o w n
a s
t h e b r i d g e
c i r c u i t .
T h e a p p l i c a t i o n
o f t h y r i s t o r s
t o
t h e
b r i d g e
c i r c u i t , f o r
t h e
p u r p o s e
o f
d c
v o l t a g e c o n t r o l ,
y i e l d s t h e t w o
r e c t i f i e r
c i r c u i t s
o f
F i g .
2 ( a ) a n d
( b )
w h i c h h a v e
d i f f e r e n t
c h a r a c t e r i s t i c s .
T h e n a m e s
u n i c o n v e r t e r
a n d s e m i c o n v e r t e r
h a v e
g r o w n u p
t o
d i s t i n g u i s h b e -
t w e e n
t h e
t w o .
T h e
t h r e e - p h a s e
b r i d g e
c i r c u i t b e h a v e s
l i k e
a s i x - p h a s e
r e c t i f i e r
a n d h a s
t h e a d v a n t a g e
o f
t h e
h i g h e s t
u t i l i z a t i o n
o f
t h e r e c t i f i e r
t r a n s f o r m e r
o f a l l
r e c t i f i e r c i r c u i t s .
T h e
m a i n r e a s o n t h e
b r i d g e
b e c a m e
f a v o r e d f o r t h y r i s t o r s
w a s
t h e
e a r l y
l o w b l o c k i n g
v o l t a g e
c a p a b i l i t y
o f t h y r i s t o r s .
T h e
b r i d g e c i r c u i t
i m p o s e s
t h e l e a s t p e a k - f o r w a r d
a n d p e a k - r e v e r s e
v o l t a g e
o f
a l l
c i r c u i t s ,
o n t h e t h y r i s t o r s ,
f o r a g i v e n
d c
c e i l i n g
v o l t a g e .
T h e
m a i n d i f f e r e n c e
i n
a c t i o n
b e t w e e n t h e
u n i c o n v e r t e r
a n d
s e m i c o n v e r t e r
b r i d g e
c i r c u i t s i s
t h a t
t h e
u n i c o n v e r t e r
c a n
b e
c o n t r o l l e d
t o p r o d u c e
a r e v e r s a l
o f d c
v o l t a g e
a t
i t s t e r m i n a l s
w h i l e
l o a d c u r r e n t
i s c o n t i n u o u s ,
n a m e l y
i t c a n
i n v e r t .
T h e s e m i -
c o n v e r t e r
c a n n o t
i n v e r t
u n d e r
a n y
c o n d i t i o n s .
W h i l e
t h e s e m i c o n v e r t e r
i s o b v i o u s l y
m o r e e c o n o m i c a l
t h a n
t h e
u n i c o n v e r t e r ,
i t i s u n a b l e
t o d i s c h a r g e
t h e
e n e r g y
s t o r e d i n a n
i n d u c t i v e
l o a d a t a
g r e a t e r
r a t e t h a n
i s g o v e r n e d
b y
t h e n a t u r a l
r -
- 1 7 ,
7
-
8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
4/12
WOOLDRIDGE
AND
BLYTHE: DESIGN O F S O L I D - S T A T E
EXCITERS
l o a d c u r r e n t t o
z e r o
r a p i d l y b y
i n v e r s i o n , w h i c h m a k e s i t t h e
c h o i c e
o f c i r c u i t
f o r
e x c i t e r s w h e r e t h e f i e l d c u r r e n t m u s t
b e
i n -
c r e a s e d a n d d e c r e a s e d r a p i d l y . I f d e c a y o f t h e f i e l d c u r r e n t a c c o r d -
i n g
t o t h e
n a t u r a l t i m e
c o n s t a n t o f
t h e f i e l d c i r c u i t i s s a t i s f a c t o r y ,
t h e n t h e s e m i c o n v e r t e r
c i r c u i t
i s
t h e m o r e
e c o n o m i c a l
c h o i c e .
O t h e r
d e t a i l s
o f
t h e
o p e r a t i o n o f
t h e s e m i c o n v e r t e r c i r c u i t
a r e
d i s c u s s e d l a t e r
i n t h i s
p a p e r .
O t h e r
R e c t i f i e r
C i r c u i t s
T h e
s i m p l e t h r e e - p h a s e s i n g l e - w a y c i r c u i t s ,
o f w h i c h
F i g . 2 ( c )
i s o n e e x a m p l e , m e r i t c o n s i d e r a t i o n . T h e s e
c i r c u i t s , w h i e h
c a n
i n v e r t ,
i m p o s e
a
h i g h b l o c k i n g v o l t a g e
r e q u i r e m e n t
o n t h e
t h y r i s t o r s .
T h e
i n t e r e s t i n g p o s s i b i l i t i e s o f
a p p a r e n t
l o w e r c o s t s
i n
t h i s
c i r c u i t
a r e p r e s e n t l y l i m i t e d
t o
s h u n t
e x c i t e r a p p l i c a t i o n s
w h e r e
t h e
c e i l i n g
v o l t a g e
d o e s n o t
e x c e e d r o u g h l y 3 5 0 v o l t s .
A s t h y r i s t o r s h a v i n g
h i g h e r b l o c k i n g c a p a b i l i t i e s b e c o m e
a v a i l a b l e
t h i s t y p e
o f c i r c u i t w i l l f i n d m o r e
w i d e s p r e a d
a p p l i c a t i o n
i n
s o l i d -
s t a t e e x c i t a t i o n .
T e l e p h o n e
I n f l u e n c e
F a c t o r
( T I F )
[ 1 2 ]
T h e c h o i c e o f r e c t i f i e r c i r c u i t
may
b e i n f l u e n c e d
b y
s t r i n g e n t
T I F
r e q u i r e m e n t s .
T h e
h a r m o n i c s
i n
a
r e c t i f i e r
e x c i t e r
d c o u t p u t
u s u a l l y
l e a d
t o
a
n e g l i g i b l e
i n c r e a s e [ ]
i n
t h e i n h e r e n t T I F
o f t h e
g e n e r a t o r ,
d u e
t o
t h e
s m o o t h i n g
e f f e c t
o f t h e i n d u c t i v e
f i e l d
w i n d i n g .
I n
a s h u n t e x c i t e r ,
t h e
r e c t i f i e r p r i m a r y c u r r e n t
may
b e
l o o k e d
u p o n a s b e i n g
d r a w n p a r t l y
f r o m
t h e
g e n e r a t o r
a n d
p a r t l y
f r o m
t h e
s y s t e m .
T h e
h a r m o n i c s i n
t h e
e x c i t e r
p r i m a r y
c u r r e n t a r e
f i x e d
b y
f u n d a m e n t a l
c o n s i d e r a t i o n s ,
a s
i s m a d e
c l e a r
i n
t h e n e x t
s e c t i o n .
I f a
p r e d i c t i o n
o f
t h e i n c r e a s e
i n
g e n e r a t o r
TIF
i s
r e -
q u i r e d , t h e
i m p e d a n c e
t o
h a r m o n i c s o f
t h e
t w o
s o u r c e s
m u s t
b e
m a d e a v a i l a b l e . O t h e r w i s e , e x p e r i e n c e g a i n e d
f r o m
f i e l d m e a s u r e -
m e n t s [ ] 1
i s t h e
o n l y o t h e r s o u r c e
o f
i n f o r m a t i o n o n
t h i s e f f e c t
a t p r e s e n t .
P r i m a r y
A C
H a r m o n i c s t 1 3 1
F o r
t h e c a s e
o f
a n
i n d u c t i v e
l o a d ,
t h e
t h e o r e t i c a l
h a r m o n i c
c o n -
t e n t o f t h e
p r i m a r y
a c l i n e c u r r e n t
t o
a r e c t i f i e r t r a n s f o r m e r
may
b e
e x p r e s s e d
i n
t e r m s
o f
i t s f u n d a m e n t a l a s
f o l l o w s .
H a r m o n i c s p r e s e n t ,
m
=
n q i
1
M a g n i t u d e
o f h a r m o n i c
a ,
=
1 / m
p e r
u n i t o f f u n d a m e n t a l
w h e r e
n i s
a n y p o s i t i v e i n t e g e r
a n d
q
i s
t h e
n u m b e r o f
p u l s e s
o r
t h e n u m b e r o f d c
w i n d i n g p h a s e s :
F o r
t h r e e - p h a s e
b r i d g e s
[ F i g . 2 ( a )
a n d
( b ) ] q
=
6
F o r s i m p l e
t h r e e - p h a s e s i n g l e - w a y
c i r c u i t s
q
=
3
F o r t h e
s i x - p h a s e
c i r c u i t o f
F i g .
2 ( d ) q
=
6 .
D i s t o r t i o n o f
t h e s e
s e t s
o f
h a r m o n i c s
i s
c a u s e d
b y
c o m m u t a -
t i o n
i n
t h e
r e c t i f i e r .
T h e
e f f e c t i s
t o
i n c r e a s e
t h e
h i g h e r
h a r m o n i e s
t o
a m i n o r
e x t e n t .
F I E L D
F O R C I N G
V O L T A G E
R e t u r n i n g
t o
f a c t o r s
t o b e c o n s i d e r e d
a t
t h e
s y s t e m p l a n n i n g
s t a g e ,
t h e
s u b j e c t
o f f i e l d
f o r c i n g v o l t a g e ,
o r
v o l t a g e
e x c u r s i o n s
t o w a r d s
c e i l i n g
v o l t a g e
a n d
i t s
r e s p o n s e ,
n e e d s ' s o m e d e t a i l e d
r e v i e w .
C e i l i n g V o l t a g e
A m p l i t u d e
W i t h a r e c t i f i e r e x c i t e r t h e r e
i s
n o
p r a c t i c a l
l i m i t t o t h e
c e i l i n g
v o l t a g e
a t t a i n a b l e .
A n y
f i e l d
f o r c i n g
v o l t a g e
d i c t a t e d
b y
t h e
f a v o r a b l e
s o l u t i o n s t o t h e
s y s t e m
t r a n s i e n t
b e h a v i o r , s u b j e c t
t o
e c o n o m i c
c o n s i d e r a t i o n s ,
may
b e
o b t a i n e d . S t u d i e s
h a v e
d e m o n -
a p p l i e d
a ca7 5 0
a
= 0 0 a v e r a g e
v o l t a g e
E d c
dc4\1\4\M\i\N\RA\
X /
A
A
I I
A l 1 1
I
1 1 I
r r 1 T
r
I
I
I
I
/
d e l
-1
c y c l e _
_
l a y
-
8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
5/12
IEEE TRANSACTIONS
ON POWER APPARATUS AND S Y S T E M S , MAY 1 9 6 8
DYNAMIC
VOLTAGE
REPEATED
E AC H P HA S E
( a )
SA
( b )
F i g .
4 .
S e r i e s
o p e r a t i o n o f t h y r i s t o r s . ( a ) S e r i e s d e v i c e s
pe r l e g .
( b )
S e r i e s
b r i d g e s .
T h e s h u n t e x c i t e r w i l l
e x p e r i e n c e a l l o v e r v o l t a g e s
w h i c h
appear
a t t h e g e n e r a t o r t e r m i n a l s
f o r any reason.
D y n a m i c
o v e r v o l t a g e
d u e
t o
l o a d
r e j e c t i o n ,
f o l l o w e d b y
o v e r s p e e d i n g ,
c a n b e
c o n t r o l l e d
b y
r e g u l a t o r a c t i o n
a n d b e h e l d
t o
a
r e a s o n a b l e l e v e l .
O v e r v o l t a g e
o c c u r r i n g d u e
t o a s e l f - e x c i t a t i o n s i t u a t i o n
i s more
s e r i o u s ,
s i n c e no amount o f e x c i t a t i o n
c o n t r o l w i l l
b e
e f f e c t i v e
t o w a r d s
r e -
s t o r i n g
n o r m a l g e n e r a t o r
t e r m i n a l
v o l t a g e .
A
r e a s o n a b l e l i m i t
m u s t
b e
f i x e d
a n d
s p e c i f i e d ,
a t
w h i c h p o i n t
t h e
u n i t b r e a k e r or
l i n e
b r e a k e r may
h a v e
t o
b e
o p e n e d .
L i n e s w i t c h i n g o p e r a t i o n s
c a n
i m p r e s s
o n
t h e
g e n e r a t o r
t e r -
m i n a l s t r a n s i e n t v o l t a g e s
i n t h e
r e g i o n
o f
t h r e e
pe r u n i t , l a s t i n g
f o r
s e v e r a l
c y c l e s . [ 1 4
T h e
m a g n i t u d e
o f
t h e s e
t r a n s i e n t s
i s
g o v e r n e d b y
t h e d e t a i l e d
c o n f i g u r a t i o n
o f t h e
p o w e r
s y s t e m ,
a n d
t h e p r e c i s e
m a g n i t u d e
o f
s w i t c h i n g surges
i s
d i f f i c u l t
t o
p r e d i c t
b y
h a n d
c a l c u l a t i o n
m e t h o d s .
T h e
m e t h o d b y
w h i c h s w i t c h i n g
t r a n s i e n t s s h o u l d
b e
c o m b i n e d
w i t h
d y n a m i c o v e r v o l t a g e s
h a d
n o t
y e t
b e e n d e m o n s t r a t e d .
A
s t a t e m e n t
o f t h e
a m p l i t u d e
o f
d y n a m i c o v e r v o l t a g e
t o b e
ex-
p e c t e d
i s
u s e f u l
i n
an e x c i t e r
s p e c i f i c a t i o n
f o r
o t h e r r e as o n s t h a n
a s s e s s i n g
t o t a l
o v e r v o l t a g e s .
H o w e v e r ,
r e c o g n i t i o n
o f i t s
e f f e c t
on
t o t a l
o v e r v o l t a g e
i m p r o v e s
t h e
s p e c i f i c a t i o n
f o r an
e x c i t e r ,
i f
some
i n d i c a t i o n o f t h e way i t
i s t o
b e
c o m b i n e d
w i t h
r e l a t e d
s w i t c h i n g
t r a n s i e n t s
i s
i n c l u d e d .
I n d e p e n d e n t
s t a t e m e n t o f
d y n a m i c
a n d
t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e
ar e
o p e n
t o
v a r i a b l e
i n t e r p r e t a t i o n ,
s i n c e
i t
i s
rare t h a t s w i t c h i n g
t r a n s i e n t s a l o n e
must
b e
r e a d as
d e t e r -
m i n i n g
t h e d e s i g n p r o v i s i o n s a g a i n s t o v e r v o l t a g e s .
E X C I T E R
C U R R E N T
R A T I N G
AND O V E R C U R R E N T S
T h i s
i s
a n o t h e r
i m p o r t a n t p o i n t
i n
w h i c h t h e
e c o n o m y
a n d
d e s i g n
o f
a
s o l i d - s t a t e e x c i t e r
s h o u l d b e
c o n s i d e r e d a t
t h e
s y s t e m
p l a n n i n g s t a g e .
I t m u s t
b e
r e c o g n i z e d
t h a t
t h y r i s t o r s
h a v e
a
r e l a t i v e l y
s h o r t
t h e r m a l
t i m e c o n s t a n t .
Any
l o a d c u r r e n t
w h i c h
m u s t
b e
s u s t a i n e d
f o r more
t h a n
a p p r o x i m a t e l y
1 0 0
s e c o n d s
must
b e r e g a r d e d
as c o n t i n u o u s .
G e n e r a t o r
s t e a d y - s t a t e
o p e r a t i o n
r e q u i r e s
no s h o r t t i m e
e x c i t e r
o v e r l o a d i n g
w i t h i n a
d u r a t i o n
o f 1 0 0 s e c o n d s or
s o .
H o w e v e r ,
f i e l d
f o r c i n g
a n d
ac
s y s t e m
f a u l t i n d u c e d
f i e l d
c u r r e n t s
b o t h
r e p r e s e n t
t r a n s i e n t
o v e r l o a d
c o n d i t i o n s
f o r
w h i c h s u f f i c i e n t
t h e r m a l
m a r g i n
m u s t
b e
p r o v i d e d
i n
t h e
e x c i t e r
r e c t i f i e r .
I t i s
a p p a r e n t t h a t g e n e r a t o r
p e r f o r m a n c e
i s
u n a f f e c t e d b y i n -
c r e a s e d f i e l d c u r r e n t
b e y o n d
a
c e r t a i n
p o i n t ,
r e g a r d l e s s o f t h e
m a g n i t u d e o f t h e f i e l d
f o r c i n g
v o l t a g e . I t
i s t h e r e f o r e
g o o d e c o n -
omy t o
p r o v i d e a
h a r d
c u r r e n t o u t p u t l i m i t a s
t h i s
p o i n t .
F u r t h e r r a t i o n a l i z a t i o n s u g g e s t s
t h a t
c o n t r o l s y s t e m
m a l -
f u n c t i o n , w h i c h
may
l e a v e
t h e
e x c i t e r i n d e f i n i t e l y
a t c u r r e n t
l i m i t ,
s h o u l d n o t b e c a u s e t o
t r i p t h e g e n e r a t o r u n t i l t h e o p e r a t or h a s
h a d
a n o p p o r t u n i t y t o r e s t o r e
n o r m a l
e x c i t a t i o n
m a n u a l l y . T h i s
l e a d s t o
t h e
p h i l o s o p h y
o f
r a t i n g
t h e
e x c i t e r t o
h a n d l e
c u r r e n t
l i m i t c o n t i n u o u s l y .
T h e r e
a r e
n o a c c e p t e d
r u l e s
f o r a r r i v i n g a t
a n e x c i t e r c u r r e n t
l i m i t . I t s m a g n i t u d e i s a m a t t e r
o f j u d g m e n t o f t h e b e n e f i t s
t o s y s t e m
t r a n s i e n t
b e h a v i o r .
T h e c o n t i n u o u s
c u r r e n t l i m i t
p h i l o s o p h y
l e a d s
t o
t h e p r o v i s i o n
o f a
p u r p o s e f u l s u r p l u s o f r e c t i f i e r
r a t i n g f o r a l l n o r m a l l o a d
a n d
t r a n s i e n t
f o r c i n g r e q u i r e m e n t s .
C u r r e n t s o f s u b s t a n t i a l
m a g n i t u d e
a r e
i n d u c e d i n t h e f i e l d c i r -
c u i t b y
a c
s y s t e m
f a u l t s . T h r e e - p h a s e
f a u l t s r e p r e s e n t t h e w o r s t
c a s e . F o r r e a s o n s t o b e
d e s c r i b e d l a t e r , t h e s e c u r r e n t s m u s t
f l o w
t h r o u g h
t h e r e c t i f i e r , a n d t h e i r
m a g n i t u d e a n d d u r a t i o n b e -
c o m e p a r t o f t h e
r e c t i f i e r
r a t i n g . R e c l o s e i n t o
a
f a u l t
w i l l c o n -
s t i t u t e
a r e p e t i t i o n
o f
t h e o v e r c u r r e n t .
T h i s
d u t y
e x c e e d s
t w i c e
t h e d u t y
o f a s i n g l e f a u l t d u e t o f i e l d f o r c i n g
o c c u r r i n g i n t h e
i n t e r v a l b e f o r e
r e c l o s u r e .
T h a t
p a r t o f
t h e
r a t i n g
o f t h e e x c i t e r
r e q u i r e d
t o h a n d l e t h e
f a u l t
d u t y c y c l e
c a n b e w h o l l y o r l a r g e l y s u p p l i e d b y
t h e
e x c e s s
c a p a c i t y
r e p r e s e n t e d
b y t h e
c o n t i n u o u s c u r r e n t l i m i t
r a t i n g
p h i l o s o p h y .
PART
I I :
S O L I D - S T A T E
E X C I T E R
F i g . a
i l l u s t r a t e s t h e p r i m a r y f e a t u r e s
o f
a
d e s i g n o f a s o l i d -
s t a t e
e x c i t e r .
T h e
t e r m
s o l i d s t a t e i s
a p p l i c a b l e
t o
e v e r y t h i n g e x c e p t t h e
f i e l d
b r e a k e r
a n d
t h e
t h y r i s t o r c o o l i n g
f a n s .
T h e
f u n c t i o n
o f
t h e
f i e l d c i r c u i t b r e a k e r
c a n
b e
f u l f i l l e d
b y
s o l i d - s t a t e
d e v i c e s ,
b u t
a t
a c o s t
p r e m i u m
a n d
t o n o
o v e r r i d i n g o p e r a t i n g a d v a n t a g e .
G e n e r a l
C o n s i d e r a t i o n s
C o o l i n g :
P r e s e n t
p r a c t i c e
f a v o r s f o r c e d
c o n v e c t i o n
a i r
c o o l i n g ,
a n d t h e m e c h a n i c a l
f a n
a p p e a r s
t o
b e
a c c e p t e d
i n
f a v o r o f t h e
h i g h e r
c o s t
o f
n a t u r a l c o n v e c t i o n
a i r
c o o l i n g . A n y
f a i l u r e
o f
f o r c e d
c o o l i n g
g e n e r a l l y
d i c t a t e s
a
r a p i d
s h u t d o w n
o f
t h e
e x c i t e r
b e c a u s e
o f
t h e l o w
t h e r m a l
t i m e c o n s t a n t o f t h e
t h y r i s t o r s .
C o n s i d e r a t i o n
c a n
b e
g i v e n
t o
u s i n g
w h a t e v e r
n a t u r a l c o n v e c -
t i o n
r a t i n g
a
t h y r i s t o r
r e c t i f i e r
may h a v e ,
t o c o n t i n u e e x c i t a t i o n
a t
s o m e r e d u c e d
b u t
a c c e p t a b l e l e v e l , f o l l o w i n g
f a n f a i l u r e .
T h i s i n -
v o l v e s
a d d i n g
a p p r e c i a b l e
e x c e s s
c a p a c i t y
t o t h e e x c i t e r
i n
a
b a c k - u p
p r o t e c t i v e
r o l e .
D u p l i c a t i o n
o f
t h e c o o l i n g
f a n s
w i t h
a
c h a n g e o v e r
c o n t a c t o r s c h e m e
i s
a
m o r e
e c o n o m i c a l
m e a s u r e .
T h i s m e t h o d i s
i n d i c a t e d
i n
F i g .
5 .
R e l i a b l e
d e t e c t i o n o f f a n
f a i l u r e
i s
m a n d a t o r y .
U s e
o f
o v e r -
t e m p e r a t u r e
o f
t h e
t h y r i s t o r s
i s s l o w a n d
u n c e r t a i n
u n l e s s
a
d e -
t e c t o r i s
p l a c e d
o n
e v e r y
d e v i c e .
S e n s i n g
o f
l o s s
o f
s t a t i c
a i r
p r e s s u r e
h a s
b e e n f o u n d
t o b e
a
s e n s i t i v e
m e t h o d . T h i s a l s o
s h o u l d b e
d u p l i c a t e d
f o r
r e l i a b i l i t y .
W a t e r
c o o l i n g ,
i n
t h e
i n t e r e s t s
o f
i m p r o v e d r e l i a b i l i t y ,
h a s n o t
y e t
b e e n
a p p r a i s e d
i n
e x c i t e r s e r v i c e
e x c e p t
i n
s o m e
i g n i t r o n
r e c t i f i e r
a p p l i c a t i o n s .
I t
i s
a
m e t h o d
o f
c o o l i n g
w h i c h
i s
p a r t i c -
u l a r l y
a p p r o p r i a t e
t o
l a r g e
g e n e r a t o r
e x c i t a t i o n .
S i n c e
a
p o w e r
p l a n t
d o e s
n o t
e x i s t
w i t h o u t a n a s s u r e d
s u p p l y
o f
c l e a n w a t e r
u n d e r
p r e s s u r e ,
t h e
r e l i a b i l i t y
o f
t h e
s u p p l y
o f
w a t e r
i s
n o t
i n
1 2 9 2
-
8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
6/12
WOOLDRIDGE
AND
BLYTHE:
DESIGN
OF
S O L ID - S T A T E
EXCITERS
T O
S Y N C H R O N .
I Z I N G
2 4 V
POWER
SUPPLY
WS
=
W I N D
S W I T C H
4 5 E
=OVE R C U R RE N T RELAY
3 2
=
REVERSE
CURRENT
C O N T A C T O R
6 4
= F I E L O GROUND
RELAY
VT =
VOLTAGE TRANSDUCER
C T
=
CURRENT
TRANSFORMER
5 0 / 5 1
= OVERCU RRENT
RELAY
V
=VOLTMETER
A
=AMMETER
F L A S N I N G
4
R
TO R E M O T E
T O
REMOTE
C O N T R O L
S T A T I O N
MTRN
METERING
BATTERY
MTRN
F i g . 5 .
S o l i d - s t a t e
e x c i t e r
c i r c u i t .
d i s p u t e .
I n
F i g .
1
i s i n c l u d e d m e n t i o n
o f
w a t e r
c o o l i n g
o f
t h e
d e v i c e s i l l u s t r a t e d .
T h e r e i s
n o d o u b t
t h a t
a n
i m p r o v e m e n t
i n
r e l i a b i l i t y
w o u l d
r e s u l t f r o m
p r o p e r l y
a p p l i e d
w a t e r
c o o l i n g . [ ]
E v i d e n c e
f r o m
e x p e r i e n c e
w i t h
w a t e r - c o o l e d
e l e c t r o c h e m i c a l
r e c t i f i e r s
i n d i c a t e s
t h a t t h i s
r e l i a b i l i t y
i s
a v a i l a b l e a t n o c o s t
p r e m i u m
a n d i t
may
e v e n
l e a d
t o
s a v i n g s .
P a c k a g i n g : T h e m o s t s u i t a b l e
f o r m
o f
p a c k a g i n g
f o r s o l i d - s t a t e
e x c i t e r s i s
p r o b a b l y
n o t
y e t
s e t t l e d .
Two
p a c k a g i n g p h i l o s o p h i e s a r e
a p p l i c a b l e :
1 )
a s s e m b l i e s
w i t h
r e m o v a b l e m o d u l e s
a n d
2 )
a s s e m b l i e s
w i t h
f i x e d
m o d u l e s .
T h e
b r i d g e c o n s t i t u t e s
t h e
m o s t
d e s i r a b l e
m o d u l a r
u n i t
i n
a
r e c t i f i e r .
T h e
r e m o v a b l e
b r i d g e
m o d u l e
i s
a v a i l a b l e
o n l y
a t
a
n o t i c e a b l e
c o s t
p r e m i u m . T h i s
p r e m i u m
i s
j u s t i f i a b l e
i f
i t
l e a d s
t o
m e a s u r -
a b l e
r e d u c e d d o w n
t i m e
i n
c a s e o f t r o u b l e .
T h e
b r i d g e s
s h o u l d
t h e r e f o r e
b e
w i t h d r a w a b l e o n l o a d .
A n
e x a m p l e
o f
a n
o n - l o a d
w i t h d r a w a b l e b r i d g e
m o d u l e
i s
g i v e n
i n
F i g .
6 .
W i t h d r a w a b i l i t y
o n l o a d i s
a v a i l a b l e a t n o
e x t r a
c o s t o v e r
t h e i n h e r e n t
c o s t
p r e m i u m
o f
b r i d g e m o d u l e s
r e m o v a b l e
o n l y
a f t e r s h u t d o w n .
T h e
r e m o v a b l e m o d u l e
p h i l o s o p h y
a r o s e
p r i m a r i l y
i n
r e c o g n i -
t i o n o f
t h e
d e s i r e
o f
u s e r s t o
h a v e
o p t i m u m
a c c e s s
t o
t h e
t h y r i s t o r s
a n d
c o m p o n e n t s ,
w h i l e
t h e y
g a i n e d
c o n f i d e n c e
i n
t h e
i n h e r e n t
r e l i a b i l i t y o f
s o l i d - s t a t e
e q u i p m e n t .
A s s e m b l i e s w i t h
f i x e d
m o d u l e s
c a n
a n d
h a v e
b e e n
d e s i g n e d
w i t h
e x c e l l e n t
a c c e s s i b i l i t y
t o
a l l
v i t a l
c o m p o n e n t s ,
a t
r e d u c e d
c o s t
f o r
t h e
s a m e
o u t p u t .
A
s l i g h t i n c r e a s e
i n
a s s e m b l y
s i z e
i s
u s u a l ,
t o
p r o v i d e
t h e
d e s i r e d
a c c e s s i b i l i t y .
F i g . 6 .
B r i d g e
m o d u l e
w i t h d r a w a b l e o n
l o a d .
T h e
c o n t i n u e d
s t r e s s o n
o p t i m u m
a c c e s s i b i l i t y ,
e v e n i n
f i x e d
m o d u l e a s s e m b l i e s ,
i s
e v i d e n c e
t h a t
f u l l u s e r
c o n f i d e n c e
i n
t h e
e x c e p t i o n a l l y
h i g h
r e l i a b i l i t y
o f
s o l i d - s t a t e
e q u i p m e n t
h a s y e t
t o
b e
g a i n e d .
H o w e v e r , t h e r e
a r e n o w i n
s e r v i c e
many
i n s t a l l a t i o n s
w h i c h
c o u l d
h a v e b e e n
s e a l e d i n a
t a n k f o r
a l l
t h e y h a v e
d e -
p e n d e d
o n
a c c e s s f o r
n o r m a l
o p e r a t i o n , a n d t h e r e
a r e
o t h e r s
t h a t
1 2 9 3
-
8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
7/12
IEEE TRANSACTIONS
ON
POWER APPARATUS AND
S Y S T E M S ,
MAY
1968
n e e d e d
s e r v i c e b e c a u s e
t h e y w e r e
n o t
M e a n w h i l e ,
t h e
o n - l o a d w i t h d r a w a b l e
b r i d g e m o d u l e i s
o f f e r e d
a s t h e
o p t i m u m
i n
r e d u c e d d o w n
t i m e
a n d
a c c e s s i b i l i t y w h i l e
u s e r c a n s t i l l
j u s t i f y
t h e
p r e m i u m .
E x c i t e r
L o c a t i o n : S o l i d - s t a t e
p o w e r e q u i p me n t l e n d s
i t s e l f
t o
f r o n t - a c c e s s - o n l y
p a c k a g i n g d e s i g n s . T h i s ,
a l o n g
w i t h
t h e i n -
h e r e n t
l i g h t
f l o o r l o a d i n g ( w i t h
t h e
e x c e p t i o n
o f t h e t r a n s f o r m e r ) ,
a l l o w s
t h e e x c i t e r t o b e p l a c e d a n y w h e r e
i n
a
p o w e r
p l a n t
w h e r e
t h e i n p u t
a n d
o u t p u t
c o n n e c t i o n s
c a n
c o n v e n i e n t l y r e a c h
i t .
T h i s
i s
a
v e r y i m p o r t a n t
p o t e n t i a l s a v i n g
i n
i n s t a l l a t i o n c o s t
o v e r
t h a t o f s h a f t - m o u n t e d e x c i t a t i o n s y s t e m s
i n
t u r b i n e g e n e r a t o r
p l a n t s .
T h i s i s
a n
a d v a n t a g e
a l s o w h e n
c o n s i d e r i n g
r e p l a c i n g
e x i s t i n g
c o n v e n t i o n a l
e x c i t e r s
i n
s t a t i o n
b u i l d i n g s
w h i c h
d o
n o t
i n c l u d e
m u c h s u r p l u s
f l o o r
s p a c e .
D e t a i l e d D e s i g n
F e a t u r e s
P r o v i s i o n o f C e i l i n g
V o l t a g e :
T h e e x c i t e r
d i a g r a m o f
F i g .
5
i n -
c l u d e s
t h e
p r o v i s i o n
f o r a n
e x c i t e r
c e i l i n g
v o l t a g e h i g h e r
t h a n
t h e
c a p a b i l i t y
o f
o n e t h r e e - p h a s e b r i d g e b y
u s i n g
t w o
u n i c o n v e r t e r
b r i d g e s
i n
s e r i e s , a s i n d i c a t e d
i n
F i g . 4 ( b ) . S e v e r a l a d v a n t a g e s
a t t e n d
t h i s
c h o i c e ,
o f w h i c h t h e
m o s t
i m p o r t a n t i s
t h e
a b i l i t y ,
i n m o s t
c a s e s ,
t o
c o n t i n u e g e n e r a t i o n
w i t h
h a l f
t h e
e x c i t e r
i n c a s e
o f
t r o u b l e .
N o
e x p e n d i t u r e
i s
r e c o m m e n d e d
t o
p r o v i d e
i s o l a t i n g
s w i t c h e s
f o r t h i s p u r p o s e .
E x t r e m e l y
s i m p l e
b u s
l i n k s a n d
f a c i l i t i e s t o
r e c o n n e c t c a b l e s
c a n
b e
p r o v i d e d
t o
m e e t t h e n e e d
q u i c k l y a n d
e f f e c t i v e l y .
T h e s e r i e s
b r i d g e
r e c t i f i e r
o f f e r s
v a l u a b l e
e x t r a
s e c u r -
i t y a g a i n s t
t y p e s
o f
f a u l t
w h i c h
c o u l d
l e a d
t o c o n s i d e r a b l e
r e v -
e n u e
l o s s .
A f u r t h e r a d v a n t a g e
o f s e r i e s
b r i d g e s
i s t h a t
s e r i e s d e v i c e s
p e r
l e g [ F i g . 4 ( a ) ] d i c t a t e
s o m e
v o l t a g e
d e r a t i n g
o f
t h e p r e c i o u s
b l o c k i n g v o l t a g e c a p a b i l i t y
o f
t h e
t h y r i s t o r s ,
h o w e v e r
c a r e f u l l y
t h e p r a c t i c a l t y p e s
o f
v o l t a g e b a l a n c i n g
n e t w o r k s
may
b e
s e t
u p .
N o
s u c h
v o l t a g e
d e r a t i n g
i s n e e d e d
i n t h e s e r i e s
b r i d g e
a l t e r n a -
t i v e .
R e v e r s e
I n d u c e d
C u r r e n t s : P u l l - o u t
c o n d i t i o n s
l e a d t o
a n
i n -
c r e a s i n g
f r e q u e n c y
a c
i n d u c e d
c u r r e n t
i n
t h e
f i e l d
c i r c u i t .
T h e
m a g n i t u d e
o f
t h e
i n d u c e d
a l t e r n a t i n g
c u r r e n t
i s s u f f i c i e n t
t o
c a u s e r e v e r s a l
o f t h e d i r e c t i o n
o f t h e c u r r e n t
f l o w i n g
i n
t h e f i e l d
c i r c u i t . F i g .
7 ( a )
i l l u s t r a t e s
t h e
t y p e
o f f i e l d c u r r e n t
w a v e f o r m
t o
b e
e x p e c t e d .
I t
i s
a m a t t e r o f
o p e r a t i n g
p r a c t i c e
w h e t h e r
t h e
o p e r a t o r
b e
p e r m i t t e d
t h e
c h a n c e
t o
r e s y n c h r o n i z e ,
o r
w h e t h e r
p o l e s l i p
b e -
y o n d a n y
c h a n c e
o f
r e c o v e r y
b e
m a d e
a c a u s e
f o r i n s t a n t a n e o u s
t r i p o u t
o f t h e
g e n e r a t o r .
I n
a n y
c a s e ,
s i n c e
t h e
e x c i t e r
r e c t i f i e r i s u n a b l e
t o
c o n d u c t
r e v e r s e c u r r e n t ,
a p a t h
m u s t
b e
p r o v i d e d
f o r r e v e r s e
c u r r e n t
f l o w
d u r i n g
p u l l - o u t .
T h i s
p a t h
m u s t
r e m a i n
c l o s e d - c i r c u i t
u n d e r
a l l
c o n d i t i o n s ,
o t h e r w i s e
h i g h
i n d u c e d f i e l d
v o l t a g e
w i l l
u n d o u b t e d l y
l e a d t o
d e s t r u c t i o n
o f t h e
e x c i t e r
r e c t i f i e r .
Two
s o l i d - s t a t e
m e t h o d s
a r e
i n
u s e .
T h e s e
a r e
i l l u s t r a t e d
i n
F i g .
7 ( b )
a n d
( c ) .
T h e
t h y r i s t o r
c r o w b a r c i r c u i t
o f
F i g . 7 ( b )
i s a n
e f f i c i e n t
m e t h o d .
G o o d
p r a c t i c e s u g g e s t s p r o v i d i n g
a d d i t i o n a l
r a t i n g
t o
w i t h s t a n d
p r o l o n g e d
p o l e s l i p ,
a s
b a c k - u p a g a i n s t
f i e l d
b r e a k e r
t r i p
m a l f u n c t i o n .
T h i s
i s
c o s t l y
t o
p r o v i d e
w i t h
t h e
t h y r i s t o r
c r o w b a r .
E n t i r e l y
r e l i a b l e
f i r i n g
o f
t h e
c r o w b a r
i s
v i t a l ,
a s
i s
p r o v i s i o n
f o r
s u p p r e s s i o n
o f t h e
f i r i n g
o f
t h e e x c i t e r
r e c t i f i e r ,
t o
p r e v e n t
t h e
c r o w b a r f r o m
b e c o m i n g
a
d e a d
s h o r t c i r c u i t
t o
t h e
r e c t i f i e r . T h e s e
f e a t u r e s a r e ,
o f
c o u r s e ,
t e c h n i c a l l y a v a i l a b l e ,
b u t
a t c o n s i d e r a b l e
a d d i t i o n a l
c o m p l e x i t y
a n d c o s t
o f c o n t r o l .
T h e
c r o w b a r
t h y r i s t o r s
a r e
u n f u s e d
s i n c e t h e r e
m u s t b e
n o
t h o u g h t
o f
t r y i n g
t o
s a v e t h e m
i n
c a s e
o f
t r o u b l e .
T h e u s e o f v a r i s t o r s s h o w n
i n
F i g .
7
( c )
i s a
l e s s e f f i c i e n t
m e t h o d ,
n i s o f a r a s
t h e r e
i s a c o n t i n u o u s
s m a l l
l o s s
a t n o r m a l
e x c i t a t i o n
I f
EXCITER
\1\A A
t i m e
( a )
CROWBAR
1
T O
G E N E R A T O R
T O
F I R I
NG
SHUT-DOWN
PULSE
S U P P R E S S I O N
( b )
tVARI
STOR
R E V E R S E
y C U R RE N T R E L A Y
\
V \ V
FIELD
[ E I L D
( C )
F i g .
7 .
I n d u c e d
f i e l d
c u r r e n i t s
o n
p u l l - o u t . ( a )
P u l l - o u t
f i e l d
c u r r e n t
w a v e f o r m . ( b )
T h y r i s t o r
c r o w b a r
c i r c u i t ,
c o n d u c t s
a t i n s t a n t f i e l d
c u r r e n t
r e v e r s e s . ( c ) V a r i s t o r , c o n d u c t s r e v e r s e c u r r e n t
w h e n v o l t -
a g e
r i s e s
s u f f i c i e n t l y .
F i g .
8 .
I n d u c e d f i e l d c u r r e n t s
o n
p u l l - i n .
v o l t a g e s .
H o w e v e r ,
t h e
m e t h o d a l l o w s t h e e c o n o m i c a l i n s t a l l a t i o n
o f
a m p l e c a p a c i t y
f o r
p r o l o n g e d
p o l e
s l i p .
T h i s m e t h o d i s
p r e -
f e r r e d
i n
s p i t e
o f
t h e
l o s s e s b e c a u s e
i t i s
e f f e c t i v e , s i m p l e ,
r u g g e d ,
a n d r e l i a b l e .
I t
w i l l
b e
n o t e d
t h a t
i n
t h e
d i a g r a m
o f
a n
e x c i t e r
i n
F i g .
5 ,
e a c h s e r i e s
s e c t i o n i s
p r o v i d e d
w i t h
i t s
own v a r i s t o r . T h i s
a s s u r e s
t h e s a m e p r o t e c t i o n a g a i n s t
r e v e r s e
c u r r e n t s
f o r
e a c h
s e c t i o n
i n d i v i d u a l l y
a s i s a v a i l a b l e
f o r
t h e t w o
i n
s e r i e s ,
i n
k e e p i n g
w i t h
t h e f e a t u r e
o f
o p e r a t i n g
o n
h a l f
t h e e x c i t e r .
S e l f - S y n c h r o n i z i n g :
I f t h e
m a i n
g e n e r a t o r
b r e a k e r i s
c l o s e d o n t o
a n
u n e x c i t e d
g e n e r a t o r ,
r u n n i n g
a t
c l o s e
t o
s y n c h r o n o u s
s p e e d ,
t h e m a c h i n e
w i l l
t e n d
t o
p u l l
i n
t o
s y n c h r o n i s m
o n r e l u c t a n c e
t o r q u e .
When
t h e
f i e l d i s
a p p l i e d t h e r e
i s n o
a s s u r a n c e t h a t i t w i l l
b e c o r r e c t l y p o l a r i z e d
a n d
a
p o l e
s l i p may e n s u e .
W i t h a
s o l i d -
s t a t e
e x c i t e r
t h e f i e l d b r e a k e r c a n b e
i n i t i a l l y
c l o s e d .
R a p i d
b u i l d -
u p
o f
t h e
f i e l d u n d e r f u l l
c e i l i n g v o l t a g e
w i l l
e n s u r e c o r r e c t
s y n -
c h r o n i z i n g
o f
t h e
g e n e r a t o r .
S e l f - s y n c h r o n i z i n g
c a n
l e a d
t o
s i m p l i f i e d
s y n c h r o n i z i n g p r o -
c e d u r e s , p r o v i d e d
t h e
s y s t e m
c a n
s t a n d
i t .
T h e
s e l f - s y n c h r o n i z i n g o p e r a t i o n
c a u s e s
a n i n d u c e d f i e l d c u r -
r e n t ,
w h i c h
g e n e r a l l y t a k e s
t h e f o r m s h o w n
i n
F i g .
8 . To h a n d l e
t h e
r e v e r s e
c u r r e n t , a
f i e l d
d i s c h a r g e
v a r i s t o r
may
b e
u s e d ,
i n
c o n j u n c t i o n
w i t h
a r e v e r s e c u r r e n t
c o n t a c t o r .
T h i s
s y s t e m
i s
s h o w n
i n
F i g . 5 .
1 2 9 4
-
8/16/2019 Sistemas de Excitación Estáticosfgjdfhgjfdhgjkgh
8/12
WOOLDRIDGE
AND BLYTHE: DESIGN
OF
S O L I D - S T A T E
EXC I TE R S
2
t
TEST P O I N T S
os
F i g . 9 . D i a g r a m o f u n i c o n v e r t e r
b r i d g e
s h o w i n g p r o t e c t i v e
f e a t u r e s .
T r a n s i e n t
O v e r v o l t a g e s :
T h i s
m a t t e r
was
d i s c u s s e d
e a r l i e r
as
a s y s t e m - p l a n n i n g
c o n s i d e r a t i o n .
The
p h i l o s o p h y
o f
p r a c t i c a l
h a n d l i n g
o f o v e r v o l t a g e s
must e n t e r t a i n
t h e
f o l l o w i n g
c o n s i d e r a -
t i o n s .
T h r e e
m a j o r
causes
o f
o v e r v o l t a g e
ar e
r e c o g n i z e d :
1 )
r e p e t i t i v e
l o w - e n e r g y h i g h - a m p l i t u d e
t r a n s i e n t s
d u e
t o
c o m m u t a t i n g
a c t i o n w i t h i n
t h e
r e c t i f i e r
i t s e l f ,
2 )
d v n a m i c o v e r v o l t a g e s ,
c o m b i n e d
w i t h
3 )
g e n e r a l l y
h i g h - e n e r g y
h i g h - a m p l i t u d e
t r a n s i e n t s
d u e t o
s y s -
t e m
s w i t c h i n g
a n d
o t h e r
s y s t e m
d i s t u r b a n c e s .
I t e m
2
i s l i s t e d
o n l y
t o s t r e s s
i t s
i m p o r t a n c e
i n c o m b i n a t i o n
w i t h
i t e m
3 .
D y n a m i c
o v e r v o l t a g e s u s u a l l y
d o
n o t
prove
t o
b e
a
l i m i t i n g
case
on
t h e i r
o w n.
D e a l i n g
f i r s t w i t h
l o w - e n e r g y
t r a n s i e n t s , F i g .
9
i s a s c h e m a t i c
o f a
u n i c o n v e r t e r b r i d g e
e m b o d y i n g
t h e f a m i l i a r
RC
n e t w o r k
m e t h o d o f
s u p r e s s i n g
l o w - e n e r g y v o l t a g e
t r a n s i e n t s .
The
r e s i s t o r
i n
s e r i e s w i t h e a c h
c a p a c i t o r
i s t h e r e
o n l y
t o
l i m i t
d i / d t
c a u s e d
b y
t h e
c a p a c i t o r
d i s c h a r g e
i n t o t h e
t h y r i s t o r s
a t t h e
i n s t a n t
t h e y
ar e
f i r e d .
T h y r i s t o r s
w i l l
t u r n
o n
i n a p p r o p r i a t e l y
i n t h e
p r e s e n c e
o f
h i g h
d v / d t w h e n
f o r w a r d
b i a s e d .
The r e a c t o r s
shown
i n
F i g .
8
ar e
o n e
o f s e v e r a l
w a y s
o f
l i m i t i n g
d v / d t . T h e
r e a c t o r s
must b e
f u l l y
r a t e d
t o
carry
l o a d
c u r r e n t ,
a n d
ar e
t h e r e f o r e
b u l k y .
The r e a c t o r s
a l s o
a s s i s t
i n
p r o v i d i n g
g o o d
c u r r e n t
b a l a n c e
b e t w e e n
b r i d g e s
i n
p a r a l l e l ,
a n d
ar e
a
p r e f e r r e d
m e t h o d
o f
h a n d l i n g
d v / d t
f o r
t h i s
reason.
T h e f u s e s s h o w n
i n
F i g .
9 s e r ve
o n l y
t o i s o l a t e
a s h o r t - c i r c u i t e d
t h y r i s t o r
when
i n
p a r a l l e l
w i t h
o t h e r s , p e r m i t t i n g
c o n t i n u e d
o p e r a t i o n
w i t h t h e
r e m a i n d e r .
I t i s
f o r t u i t o u s
i f u s e f u l
t h y r i s t o r
p r o t e c t i o n
c an a l s o
b e a f f o r d e d
b y
t h e
f u s e .
H i g h - e n e r g y
s y s t e m
t r a n s i e n t s
ar e
n o t
c o n v e n i e n t l y
s u p p r e s s e d
w i t h i n t h e
r e a c t i f i e r .
U t i l i t i e s
ar e
u n d e r s t a n d a b l y
r e l u c t a n t
t o
g u a r a n t e e
t h a t
a
s p e c i f i e d
l e v e l
o f
o v e r v o l t a g e
w i l l
n o t
b e
e x c e e d e d .
I t
i s
t h e r e f o r e
p r u d e n t
p r a c t i c e ,
f o r t h e t i m e
b e i n g ,
t o
=LA
( a )
( b )
F i g .
1 0 .
S y s t e m o v e r v o l t a g e
s u p p r e s s i o n
m e t h o d s .
( a )
T e r t i a r y
w i n d i n g
m e t h o d .
( b )
L o w - v o l t a g e
a r r e s t o r
m e t h o d .
p r o v i d e
s u f f i c i e n t t r a n s i e n t
b l o c k i n g v o l t a g e
c a p a b i l i t y i n
t h e
t h y r i s t o r s t o
m e e t t h e s p e c i f i e d
e x p e c t e d
m a x i m u m t r a n s i e n t
o v e r v o l t a g e s .
I t
r e m a i n s , t h e r e f o r e ,
t o p r o v i d e
a d d i t i o n a l
b a c k - u p
s u r g e
s u p p r e s s i o n
e x t e r n a l t o
t h e
r e c t i f i e r ,
t o
d e a l w i t h
t r a n s i e n t s
o f
h i g h e r a m p l i t u d e
t h a n
s p e c i f i e d .
F i g . 1 0 i l l u s t r a t e s
t w o a p -
p r o a c h e s
t o t h i s p r o b l e m .
I n
e x c i t e r s
w h i c h may
h a v e t w o o r t h r e e
s e r i e s s e c t i o n s , t h e
s i n g l e t e r t i a r y w i n d i n g
i n t h e t r a n s f o r m e r
p r o v i d e s
c o m m o n s u p p r e s s i o n
a s
s h o w n
i n
F i g .
1 0 ( a ) . L i g h t n i n g
a r r e s t e r s h a v i n g c a l i b r a t e d
g a p s a n d
b u i l t - i n
i n t e r r u p t i n g
a b i l i t y
may
b e
u s e d ,
t h e
s h o r t
t i m e
r a t e d t e r t i a r y
w i n d i n g
b e i n g w o u n d
t o s u i t
t h e
a r r e s t e r
p r e c i s e l y .
A m p l e
e n e r g y - h a n d l i n g
c a p a c i t y , b e -
t w e e n 4 0 0 0 - 6 0 0 0
j o u l e s
p e r
k i l o v o l t ,
i s a v a i l a b l e
b y
t h i s m e t h o d .
T h e
d e l t a - c o n n e c t e d
p r i m a r y
i s n e c e s s a r y
i n t h i s c a s e t o
e n s u r e
t h e
a r r e s t e r s r e l a t e
t o
p r i m a r y p h a s e - t o - p h a s e
v o l t a g e s .
I n
s i n g l e s e c t i o n
r e c t i f i e r s ,
t h e t e r t i a r y w i n d i n g
m e t h o d
t e n d s
t o
b e
u n e c o n o m i c a l .
L o w - v o l t a g e
a r r e s t e r s
o f
s u i t a b l e d e s i g n a r e
b e c o m i n g a v a i l a b l e
a n d
may b e a p p l i e d
a s
i n
F i g .
1 0 ( b ) .
T h e
r e l a t i v e l y
l o w e r e n e r g y
h a n d l i n g
a b i l i t y a v a i l a b l e
i n l o w - v o l t a g e a r r e s t e r s
p r o m p t s t h e
c o n n e c t i o n s h o w n
i n
t h e f i g u r e ,
w h e r e t h e
d i o d e s p r o v i d e
a f u l l
h a l f - c y c l e
o f
r e c o v e r y t i m e
f o r t h e
g a p
i n
e a c h d i r e c t i o n .
C u r r e n t
L i m i t : T h i s
s u b j e c t
w a s a l s o d i s c u s s e d
e a r l i e r a s
a
s y s t e m
p l a n n i n g
c o n s i d e r a t i o n
i n
t h e i n t e r e s t s
o f e c o n o m y .
P r o v i s i o n o f
a c o n t i n u o u s
c u r r e n t r a t i n g o f
t h e r e c t i f i e r ,
e q u a l
t o a n
a s s i g n e d
c u r r e n t l i m i t
l e v e l , i n t r o d u c e s
s o m e c o m p l i c a -
t i o n . W h i l e
t h e s o l u t i o n
o f t h i s i s
m o r e
a m a t t e r
o f e x c i t e r
c o n t r o l ,
w h i c h
i s
n o t
c o v e r e d e x t e n s i v e l y
i n t h i s p a p e r , t h e e f f e c t
o f t h e
c o n t r o l
o n
t h e
o p e r a t i o n
o f
t h e
e x c i t e r
i s
o f
i n t e r e s t .
P l a i n l y
i t
i s
o f
n o v a l u e
t o
a p p l y
c u r r e n t l i m i t
w h i l e a c f a u l t -
i n d u c e d
f i e l d
c u r r e n t s
a r e
f l o w i n g .
T h e r e f o r e ,
t o
a v o i d u n n e c e s -
s a r y
a n d
l a r g e
e x c u r s i o n s
o f
t h y r i s t o r
f i r i n g
p h a s e
c o n t r o l
i n
t h e
l e a s t
u s e f u l
d i r e c t i o n
d u r i n g
t h i s
p e r i o d ,
c u r r e n t l i m i t
i s d e -
l i b e r a t e l y
s u p p r e s s e d
f o r a f i n i t e t i m e .
I n t e r n a l e x c i t e r
f a u l t s
w h i c h
g e n e r a l l y
y i e l d
r e c t i f i e r
c u r r e n t s
s u b s t a n t i a l l y
h i g h e r
t h a n a n y o t h e r
o v e r c u r r e n t
s h o u l d b e s u b -
j e c t
t o c u r r e n t
l i m i t
i n s t a n t a n e o u s l y .
T h i s a c t i o n
o p p o s e s
t h e
t h e v o l t a g e
r e g u l a t o r
a c t i o n
w h i c h
w o u l d o t h e r w i s e
f o r c e e x c i t a -
t i o n
t o
c e i l i n g .
I f
s o m e
a r c
v o l t a g e e x i s t s ,
c u r r e n t l i m i t
w i l l
h e l p
t o
r e d u c e
t h e s e v e r i t y
o f t h e f a u l t
o n
t h e r e c t i f i e r .
C u r r e n t
F e e d b a c k :
To e n s u r e i n s t a n t a n e o u s
d e t e c t i o n
o f
e x c i t e r
c u r r e n t ,
a n d
t o
p r o v i d e p r o p e r
i s o l a t i o n
b e t w e e n
t h e e x c i t e r
