Lab Complementario Simulink

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Segunda experiencia Laboratorio complementario de máquinas eléctricas “Estudio y simulación de dos generadores sincrónicos en paralelo”

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Segunda experiencia Laboratorio complementario de mquinas elctricas

Estudio y simulacin de dos generadores sincrnicos en paralelo

JUNIO de 2015IntroduccinLa experiencia desarrollada en laboratorio consiste bsicamente en analizar y visualizar un sistema de dos generadores sincrnicos conectados en paralelo, donde se realizan simulaciones para distintas condiciones de carga. Se pretende analizar los fenmenos transitorios que ocurren al energizar los generadores y motores impulsores a travs de un modelo de un sistema elctrico realizado en el software MatLab/Simulink.En este informe se presenta el comportamiento de las componentes del sistema y sus respectivas curvas.

Marco terico

Generador SincrnicoUn generador sincrnico es un dispositivo para convertir potencia mecnica de un motor primario en potencia elctrica alterna de voltaje y frecuencia especficos. El termino sincrnico se refiere al hecho de que la frecuencia elctrica de esta mquina esta confinada o sincronizada con su tasa mecnica de rotacin del eje. El generador sincrnico se utiliza para producir la gran mayora de potencia elctrica utilizada en todo el mundo.El voltaje interno generado en esta mquina depende de la tasa de rotacin del eje y de la magnitud del flujo de campo. El voltaje de fase de la mquina difiere del voltaje interno generado por efecto de la reaccin del inducido en el generador y por la resistencia y reactancia internas de los devanados del inducido. El voltaje en los terminales del generador ser igual al voltaje de fase o est relacionado a ste por dependiendo de si la conexin de la mquina es o es Y.La forma de operacin de un generador sincrnico en un sistema real de potencia depende de sus limitantes. Cuando un generador opera slo, las potencias real y reactiva que deben ser suministradas estn determinadas por la carga impuesta y los puntos de ajuste del gobernador y la corriente de campo controlan la frecuencia y el voltaje en los terminales, respectivamente. Cuando el generador est conectado a un barraje infinito, su frecuencia y el voltaje son constantes, de tal forma que los puntos del ajuste del generador y la corriente de campo controlan el flujo de potencia real y reactiva del generador.

Generadores sincrnicos en paraleloLa operacin de dos o ms generadores sincrnicos en paralelo tiene ventajas significativas respecto a un generador trabajando solo conectado a una carga. Al tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la prdida total de potencia en la carga. La ventaja ms relevante es la disponibilidad, ya que es posible conectar en paralelo nicamente los generadores necesarios para suplir las necesidades de potencia debidas a los incrementos de carga, esto con una disponibilidad de generacin mayor que cuando se dispone de un solo generador. Antes de conectar en paralelo un generador a una barra comn es necesario sincronizarlo, puesto que cada uno de los generadores cuenta con un interruptor, ste debe cerrar nicamente cuando la barra y el generador entrante coinciden en frecuencia, voltaje y secuencia de fases; adems la onda senoidal de la barra comn y los generadores coinciden en el pico, es hasta el momento del cierre del interruptor que generador esta en paralelo.Ahora bien, si dos o ms generadores estn conectados en paralelo esto no implica que la distribucin de carga sea proporcional para cada uno de los generadores. Para los generadores sncronos conectados en paralelo la distribucin de potencia aparente depende de los ajustes de voltaje y frecuencia para cada uno de los generadores, el voltaje se regula con la corriente de excitacin en el rotor determinando el monto de potencia reactiva entregada por el generador sncrono, cuando el voltaje interno del generador es igual al voltaje de la barra comn, el generador no entrega potencia reactiva, si el voltaje interno es mayor al voltaje de la barra, el generador entrega potencia reactiva, y por ultimo si e voltaje interno del generador es menor al voltaje de la barra comn el generador sncrono absorbe potencia reactiva. En el caso de la potencia real, esta depende del desplazamiento angular del eje del generador.Ventajas de la operacin de generadores en paraleloExisten varias ventajas en la subdivisin de un sistema de generacin, tanto desde el punto de vista econmico como estratgico. Las principales ventajas son:1. Varios generadores pueden suministrar ms carga que una sola mquina2. Al tener muchos generadores se incrementa la confiabilidad del sistema puesto que la falla de cualquiera de ellos no causa la prdida total de la carga3. Al tener varios generadores operando en paralelo es posible retirar uno o varios de ellos para realizar reparaciones o mantenimiento preventivo.4. Varios generadores que funcionen en paralelo es posible retirar uno o varios de ellos para realizar reparaciones o mantenimiento preventivo.5. Si se utiliza un solo generador y ste no se encuentra operando cerca de plena carga, ser relativamente ineficiente. Sin embargo, al emplear varias mquinas pequeas es posible operar solo una fraccin de ellas. Las que operan lo hacen a cargas cerca de la plena carga y, por lo tanto con mas eficiencia.La sincronizacin de un generador sncrono significa conectar el generador a una lnea existente que tiene una tensin final V, de tal manera que no tenga lugar a una corriente transitoria de conexin.

Para evitar una corriente transitoria deben satisfacerse las siguientes condiciones:1. La tensin final de la mquina entrante debe ser igual a la tensin V de la lnea.2. Ambas tensiones deben estar en fase.3. La frecuencia de ambas tensiones deber ser la misma.4. Igualdad de secuencia de fase

DesarrolloEn la siguiente imagen se muestra el sistema a trabajarFigura 1. Sistema de dos generadores sincrnicos en paralelo. El sistema est compuesto por dos generadores sincrnicos que estn conectados en paralelo los cuales estn impulsados por motores de corriente continua de conexin shunt. Los generadores estn acoplados por medio de un interruptor el cual se cierra para que los dos generadores aporten potencia.Se pretende realizar simulaciones para estudiar los fenmenos transitorios de las mquinas del sistema las cuales sern sometidas a diferentes situaciones.1 Anlisis de tensiones antes de cerrar el interruptor acoplador.Tensin motor DC shunt 1 = Tensin motor DC shunt 2 de igual secuencia.En este caso se instalarn fuentes de 100 volt alimentando a cada uno de los motores DC shunt. Se analizarn las curvas de tensin a la salida de los generadores sincrnicos y entre estos. A continuacin se presentan los grficos de tensin.Tensin Generador sincrnico 1 (Fase A)

Figura 8. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 1.

Tensin Generador sincrnico 2 (Fase A)

Figura 9. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 2.Como se puede observar en las figuras anteriores, se ven 2 transitorios de tensin, uno comienza desde el inicio hasta la segunda oscilacin. En este instante se puede observar que la frecuencia de la tensin es menor a la del estado estacionario, esto se debe a que los motores estn comenzando a moverse, es decir, es el proceso de aceleracin. En una segunda etapa que comienza enseguida despus que estos aceleran, comienzan a desacelerar despus de que llegan al punto de velocidad transitoria, este proceso de desaceleracin provoca el pico de tensin. Los motores entran en estado de aceleracin nuevamente hasta llegar al estado estacionario.

Tensin de comparacin entre la fase A de los sistemas.

Figura 10. Curva de comparacin de tensin entre los generadores.Al ser las tensiones de alimentacin de los motores DC iguales, se puede ver que la tensin entre la diferencia de fases iguales es igual a 0. Por lo tanto para cada fase la tensin que cae en el interruptor es 0.

Tensin motor DC shunt 1 = Tensin motor DC shunt 2 de distinta secuencia.Tensin Generador sincrnico 1

Figura 11. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 1.Tensin Generador sincrnico 2

Figura 12. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 2.En este caso se observan los mismos fenmenos transitorios que en el caso anterior y son idnticos en ambos sistemas, pero tiene un detalle ahora el generador sincrnico del sistema 1 est conectado en secuencia negativa por lo que las seal est desfasada en 120.Tensin de comparacin entre la fase A de los sistemas

Figura 13. Curva de comparacin de tensin entre los generadores (fase A).Tensin de comparacin entre la fase C de los sistemas

Figura 14. Curva de comparacin de tensin entre los generadores (fase C).En este caso la tensin de alimentacin en ambos motores de DC son iguales pero la diferencia de las tensiones por fase es distinto de 0, esto ocurre porque las secuencias son distintas, a consecuencia de esto las ondas de tensiones estn desfasadas en 120, por esta razn tienes distintos valores en el tiempo a excepcin de la fase C.Tensin motor DC shunt 1 > Tensin motor DC shunt 2 de igual secuencia.En este caso se instalar una fuente de tensin continua de 150V alimentando al motor DC shut 1 y una fuente de tensin continua de 100V alimentando al motor DC shunt 2. Esta tensin afecta directamente a la velocidad con la que giran estos motores, lo que provoca que la tensin generada por los generadores sincrnicos vare proporcionalmente a esta. A continuacin se mostrarn las curvas de tensin de la salida de los generadores sincrnicos.Tensin Generador sincrnico 1

Figura 2. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 1Como se puede observar en la figura anterior, se ven 2 transitorios de tensin, uno comienza desde el inicio hasta la segunda oscilacin. En este instante se puede observar que la frecuencia de la tensin es menor a la del estado estacionario, esto se debe a que el motor est comenzando a moverse, es decir, es el proceso de aceleracin del motor. En una segunda etapa que comienza enseguida despus que este acelera, comienza a desacelerar despus de que llega al punto de velocidad transitoria, este proceso de desaceleracin provoca el pico de tensin. El motor entra en estado de aceleracin nuevamente hasta llegar al estado estacionario en el segundo 0.16.Tensin generador sincrnico 2

Figura 3. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 2.El transitorio de la tensin de este generador presenta las mismas caractersticas que el caso anterior, lo que cambia es la intensidad del fenmeno transitorio, esto se debe a que la aceleracin y desaceleracin del motor DC 2 tienen menos intensidad, ya que la tensin con la que se alimenta es 2 tercios de la del motor DC 1.Tensin de comparacin entre la fase A de los sistemas

Figura 4. Curva de comparacin de tensin entre los generadores.Al estar ambos motores DC shunt alimentados con distintas tensiones, esta curva adquiere un valor distinto de 0, por lo que est mostrando la diferencia de tensin que hay entre los sistemas respecto a sus fases.

Tensin motor DC shunt 1 > Tensin motor DC shunt 2 de distinta secuencia.En este caso se instalar una fuente de tensin continua de 150V alimentando al motor DC shut 1 y una fuente de tensin continua de 100V alimentando al motor DC shunt 2, adems se cambi la secuencia en la que estaba conectado el motor DC 1, por lo que ahora est conectado en secuencia negativa. La amplitud de la tensin conectada a los motores afecta directamente a la velocidad con la que giran estos motores, lo que provoca que la tensin generada por los generadores sincrnicos vare proporcionalmente a esta. A continuacin se mostrarn las curvas de tensin de la salida de los generadores sincrnicos.Tensin Generador sincrnico 1

Figura 5. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 1.

Tensin Generador sincrnico 2

Figura 6. Curva de tensin entre lneas a la salida del generador sincrnico 2.Los resultados de ambas curvas son casi idnticos a los del caso anterior, con el detalle que ahora la fase del motor DC 1 esta desplazada en 120. Los fenmenos en el transitorio de la onda de tensin son los mismos que ocurrieron en el caso anterior.

Tensin de comparacin entre la fase A de los sistemas.

Figura 7. Curva de comparacin de tensin entre los generadoresAl estar ambos motores DC shunt alimentados con distintas tensiones, esta curva adquiere un valor distinto de 0, por lo que est mostrando la diferencia de tensin que hay entre los sistemas respecto a sus fases.

2.-Anlisis del sistema con condicin acoplo.En este anlisis, se realiza el estudio con los generadores ya acoplados. La condicin con la que se presentan los motores de corriente continua con una leve diferencia de tensin de entrada. Para este punto se pide ver los transitorios de corriente en los motores impulsores.En el presente caso se escogi una tensin de 95[V] para el motor 2 y 100 [V] para el motor 1.En las siguientes figuras se expondrn las ondas de intensidad de corriente en la salida del generador 1, generador 2 y de entrada a la carga.Figura 8. Onda de corriente de salida del motor impulsor 1.

Figura 9. Onda de corriente de salida del motor impulsor 2.Se puede distinguir que las corrientes de los motores impulsores descienden rpidamente. Al comienzo se tiene una intensidad de corriente elevada por la condicin de arranque, al necesitar un torque elevado la corriente aumenta. A medida que el motor va a aumentando su velocidad de rotacin la corriente comienza a disminuir.

3.-Anlisis del efecto sobre los motores impulsores del sistema con condicin acoplo de los generadores y carga RLC.En este anlisis se observa como vara el consumo de potencia en los motores impulsores generado al conectar una carga RLC en los generadores, con una tensin de 100[V] en el motor 1 y 95[V] en el motor 2. En el siguiente punto se mostrar la potencia en el tiempo de los motores de corriente continua que impulsan el sistema. La metodologa con la que se obtuvo esta curva fue dividiendo la curva de torque por la curva de velocidad. Luego de realizado lo anterior se obtuvo el siguiente resultado.

Figura 10. Potencia entregada del motor impulsor 1

Figura 11. Potencia entregada del motor impulsor 2

Como se puede apreciar en los grficos, la potencia del motor aumenta rpidamente y luego suaviza lentamente, esto se debe al arranque del motor donde el torque es muy alto y la velocidad muy pequea, la velocidad del rotor aumenta rpidamente y el motor necesita de menos torque para mover el rotor, por esto la curva se suaviza y luego empieza a disminuir la potencia.

4.-Conclusiones y comentarios

Para un escenario donde un generador por s solo no puede alimentar la demanda de una carga, se puede hacer un arreglo conectando 2 generadores en paralelo, de esta manera la potencia que deben entregar cada uno de ellos es menor.Gracias a los motores de corriente continua se puede impulsar a los generadores sincrnicos para que generen potencia, si se lleva este ejemplo a un escenario real, los motores impulsores seran la fuente de la energa de las turbinas de los generadores.