EVOLUCI{ON DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS POR GENERACIONES

ResumenEn el presente ensayo se trata de dar a conocer con detalle todo lo relacionado sobre los generadores sncronos. Como la parte ms importante que se abordara en el presente documento ser de explicar de forma clara la importancia que tiene la puesta en paralelo de los alternadores, sus ventajas, y desventajas de los mismos, cuidados que se debe tener, adems sus aplicaciones en la industria, que protecciones se deben tomar, su principio de funcionamiento, diseo y esquemas.PALABRAS CLAVE: alternador, paralelo, sincrona.

IntroduccinLas grandes cantidades de energa que se requieren para abastecer la demanda de las ciudades y de la poblacin en general han llevado a generar alternativas para lograr satisfacer el gran incremento anual de consumo.

Debemos tener presente que los generadores sncronos no se utilizan en acoplamientos en serie por presentar poco inters prctico porque no se los podra acoplar fcilmente sin tener que apagar todos el sistema y adems porque el funcionamiento es inestable.

En este tema de informacin, slo nos referiremos al acoplamiento en paralelo.

El acoplamiento de los alternadores resulta ms complejo que el de las dnamos, debido a la presencia de una nueva caracterstica, la frecuencia, cuyo valor debe ser severamente igual para todos los alternadores ya que si no se da esto producir un dao en la mquina.

En la actualidad es raro encontrar la existencia de un alternador nico que de manera aislada alimente su propia carga. Esto slo se lo puede encontrar en aplicaciones tales como los generadores de emergencia.

Con objeto de mejorar el parmetro de rendimiento y fiabilidad del sistema, las diferentes centrales estn conectadas entre s en paralelo, por medio de lneas de transporte y distribucin. La red as constituida representa un generador gigantesco en el que prcticamente la tensin y la frecuencia se mantienen constantes. Esto se debe a que sobre esta gran red (barras infinitas), la introduccin de un nuevo generador no altera los parmetros bsicos anteriores, por representar una potencia muy reducida frente al conjunto total.

OPERACIN EN PARALELO DE GENERADORES SNCRONOS

En la actualidad es raro encontrar la existencia de un generador nico que de manera aislada alimente su propia carga. Esto slo se lo puede encontrar en aplicaciones tales como los generadores de emergencia.

Con objeto de aumentar el rendimiento y fiabilidad del sistema, las diferentes centrales estn conectadas entre s en paralelo, por medio de lneas de transporte y distribucin. La red as constituida representa un generador gigantesco en el que prcticamente la tensin y la frecuencia se mantienen constantes.

Esto se debe a que sobre esta gran red, la introduccin de un nuevo generador no altera los parmetros bsicos anteriores, por representar una potencia muy reducida frente al conjunto total.

El porqu de la utilizacin de los generadores sncronos en paralelo

Varios generadores pueden alimentar una carga ms grande que una sola mquina.

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. Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remocin de uno o ms de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos.

Se utiliza un solo generador y este opera cerca de plena carga, entonces ser relativamente ineficiente. Con varias mquinas ms pequeas trabajando en paralelo, es posible operara slo una fraccin de ellas. Las que estn opearando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera ms eficiente.

1) Las condiciones requeridas para operar en paralelo

La figura 1 muestra un generador sncrono G1 que suministrar potencia a una carga con otro generador G2 a punto de conectarse en paralelo con G1 por medio del cierre del interruptor S1.

Figura 1. Generador que se conecta en paralelo

Con un sistema de potencia en operacin.

Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se daen severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se conectan juntos, habr un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ngulo de fase que el conductor al que se conectara. En otras palabras, el voltaje de fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a y as en forma sucesiva para las fases b-b` y c-c`. Para lograr esto se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo:

Deben de ser iguales los voltajes de lnea rms.

Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase.

Los ngulos de fase de las dos fases deben de ser iguales.

La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximacin, debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operacin.

Estas condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. La condicin 1 es obvia: para de dos grupos de voltajes sean idnticos, deben tener la misma magnitud de voltaje rms.

Los voltajes en las fases a y a` sern completamente idnticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ngulos son iguales, lo que explica la condicin.

La condicin 2 asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente en la figura 5 entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a) estn en fase, los otros dos pares de voltajes estarn desfasados por 120. Si se conectan los generadores de esta manera, no habr problema con la fase a, pero fluir enormes corrientes en las fases b y c, lo que daara ambas mquinas.

1) Procedimiento para conectar los generadoresEn este punto comn mente llamo puesta en paralelo de generadores se deben seguir algunos pasos y precauciones para el optimo funcionamiento de estas maquinas sncronas.

2.1 Poner en funcionamiento el generador a conectarEn este punto se pone en funcionamiento el generador que se desea colocar en paralelo esto conlleva a llevarlo a su velocidad sncrona (igualando de esta manera f1=f2) e igualando el valor de sus voltajes, otra condicin es la secuencia de fase del generador en aproximacin se debe comparar con la secuencia de fase del sistema en operacin. Para asegurarnos de cumplir estas condiciones y de las expuestas en puntos anteriores se indican algunos mtodos a continuacin

2.2 Secuencia de fasesOtra condicin es la secuencia de fase del generador en aproximacin se debe comparar con la secuencia de fase del sistema en operacin. Para asegurarnos de cumplir esta condicin y de las expuestas en puntos anteriores se indican algunos mtodos a continuacin

Existen muchas formas de comprobar esto una de ellas es conectar alternativamente un pequeo motor de induccin a los terminales de cada uno de los dos generadores. Si el motor gira en la misma direccin en ambas ocasiones, entonces la secuencia de fase es la misma en ambos generadores.

Si el motor gira en direcciones opuestas, entonces las secuencias de fase son diferentes y se deben invertir dos de los conductores del generador en aproximacin. Otro mtodo ms simple un, para medir la secuencia es el uso de un secuencimetro, el mismo que puede ser electrnico o un electromecnico, pero ambos siguen el mismo principio de el motor de induccin expuesto anteriormente

2.3 Sincronizacin de los generadoresEste punto es el de mayor importancia cuanto se trata de generadores en paralelo, es por eso que se antes de poner en funcionamiento los dos o ms generadores debemos hacer algunas pruebas para asegurarnos de su correcta sincrona

2.3.1 El mtodo de las "lmparas de fase apagadas"

Fig. 5 Sincronizacin: Lmparas apagadas

Este mtodo consiste en conectar las lmparas entre UU', VV", WW" la diferencia de potencial entre lmparas, nos indica si se cumplen las condiciones es decir cuando las lmparas estn apagadas se verifican las condiciones

Fig.6 Diferencia de potencial en las lmparas.

2.3.2 El mtodo de las "luces rotantes o encendidas"

Fig. 7 Sincronizacin: Lmparas encendidas

Las diferencias de potencial entre lmparas varan en mdulo si las velocidades de rotacin son diferentes. Cuando estn en sincronismo la lmpara UU' est apagada y las otras dos brillan igualmente, de no ocurrir esto se ve el encendido alternativamente en un sentido u otro como si girasen, indicando que la mquina va ms lenta o ms rpida. Una vez cumplida las condiciones se puede decir que las maquinas estn es sincrona.

Fig. 8 Diferencia de potencial

A continuacin se indica un esquema con todas estas caractersticas juntas

En la grafica se puede ver un voltmetro llamado voltmetro cero, se lo coloca como se indica en el esquema entre la misma fase y recibe su nombre debido a que cuando indica un valor de cero voltios el generador esta en sincrona

Fig.9 Instrimentos para la puesta en paralelo del generador.

2.3.3 Uso de un SincronoscopioUn sincronoscopio como es de suponer es un instrumento que nos indica la sincrona de los generadores, mide la diferencia en los ngulos de fase de cualquier fase entre los dos sistemas.

Fig.10 Sincronoscopio de luces encendidad.

Entre los principales estn los de aguja y los electrnicos

Fig.11 Sincronoscopio de aguja.

2) Caractersticas de frecuencia-potencia y voltaje-potencia reactiva en un generador sincrnico

Todos los generadores son accionados por un motor primario, que es la fuente de potencia mecnica del generador. El tipo de motor primario ms comn es la turbina de vapor pero tambin se utilizan los motores disel, turbinas de gas, turbinas hidrulicas e incluso, turbinas de viento.

Independientemente de la fuente original de potencia, todos los motores tienden a comportarse de manera similar: cuando la potencia tomada de ellos se incrementa, decrece la velocidad a la cual giran. Como esta disminucin de velocidad no es lineal en general, usualmente se incluye alguna forma de mecanismo gobernador para hacerla lineal con el incremento de potencia demandada.

Cualquiera que sea el mecanismo gobernador presente en el motor primario, siempre se ajusta para suministrar una caracterstica de cada suave con el incremento de carga. La cada de velocidad (SD) de un motor primario se define mediante la ecuacin:

Donde es la velocidad del motor primario en vaco y es su velocidad a plena carga. La mayora de los motores primarios tienen una cada de velocidad de 2 a 4%, segn la ecuacin anterior. Adems, la mayora de los gobernadores tienen algn tipo de ajuste de punto fijado para la caracterstica velocidad-potencia del motor primario.

Puesto que la velocidad del eje est relacionada con la frecuencia elctrica resultante por la siguiente ecuacin:

La potencia de salida de un generador sincrnico est relacionada con su frecuencia. La figura siguiente muestra un ejemplo de la caracterstica frecuencia contra potencia. Las caractersticas de frecuencia-potencia de este tipo cumplen un papel esencial en la operacin en paralelo de los generadores sincrnicos.

La relacin entre frecuencia y potencia puede describirse cuantitativamente por la ecuacin:

Donde P = potencia de salida del generador.

= frecuencia del generador en vaco.

= frecuencia de operacin del sistema.

= pendiente de la curva, en kW/Hz o MW/Hz.

Se puede deducir una relacin similar para la potencia reactiva Q y el voltaje en los terminales VI. Como se estudi antes, cuando se adiciona una carga en adelanto a un generador sincrnico, se incrementa su voltaje en los terminales. Es posible elaborar un diagrama del voltaje en los terminales contra la potencia reactiva; tal diagrama tiene una caracterstica de cada como la mostrada en la siguiente figura. Esta caracterstica no es intrnsecamente lineal pero muchos reguladores de voltaje de generadores incluyen un dispositivo para volverla lineal. La curva caracterstica puede desplazarse hacia arriba o hacia abajo cambiando el punto de ajuste del voltaje en los terminales en vaco del regulador de voltaje. Como en el caso de la caracterstica frecuencia-potencia, esta curva juega un papel importante en la operacin de generadores sincrnicos en paralelo.

La relacin entre voltaje en los terminales y potencia reactiva se puede expresar por una ecuacin similar a la relacin frecuencia-potencia, si el regulador de voltaje produce una salida lineal con los cambios de la potencia reactiva.

Es importante tener en cuenta que cuando est operando un nico generador, la potencia real P y la potencia reactiva Q suministradas por el generador sern la cantidad demandada por la carga conectada al generador (las potencias P y Q suministradas no pueden ser controladas por los controles del generador). Entonces, para una potencia real dada, los puntos de ajuste del gobernador controlan la frecuencia de operacin del generador fc y para cada potencia reactiva dada, la corriente de campo controla el voltaje en los terminales del generador VT.

EJEMPLO:

Muestra a un generador que suministra la potencia a una carga. Se conecta una segunda carga en paralelo con la primera. El generador tiene una frecuencia en vacio de 61.0 Hz y una pendiente Sp de 1 MW/Hz. La carga 1 consume una potencia real de 1000 KW con un FP de 0.8 en retraso, mientras que la carga 2 consume una potencia real de 800 kW con un FP de 0.707 en retraso.

a) Antes de que se cierre el interruptor Cul es la frecuencia de operacin del sistema

b) Despus de conectar la carga 2, Cul es la frecuencia de operacin del sistema?

c) Despus de conectar la carga 2, Qu acciones puede llevar a cabo el operador para restaurar la frecuencia del sistema a 60 Hz?

Solucin:

Este ejercicio establece que la pendiente de la caracterstica del generador es de 1 MW/Hz y que su. En vaco es de 61 Hz por lo tanto, la potencia producida por el generador est dada por:

P =

a) La frecuencia inicial del sistema est dada por

= 61 Hz - 1000 KW / 1MW/Hz

= 60 Hz

b) Una vez que se conecta la carga 2:

= 61 Hz - 1800 KW / 1MW/Hz

= 59.2 Hz

c) Una vez que se conecta la carga, la frecuencia del sistema cae hasta 59.2 Hz. Para restaurar el sistema a su frecuencia de operacin adecuada, el operador debe incrementar los puntos de ajuste del mecanismo regulador en vaco en 0.8 Hz, a 61.8 Hz. Esta accin restaurara la frecuencia del sistema a 60.0 Hz. ConclusionesComo conclusiones en el presente trabajo se pueden destacar las siguientes:

1.Antes de conectar los generador en paralelo recordar siempre y asegurarse de los siguientes puntos.

Se acelera la mquina al nmero de r.p.m. nominales igualando frecuencia con frecuencia 2.

Se regula la excitacin hasta que la tension de bornes sea igual a la tensin de lnea.

Se realiza la sincronizacion.

Se activa el interruptor para unirla a la barra infinita.

Segn las necesidades de potencia se aumenta la velocidad o se aumenta la excitacin.

b) Se debe tener mucha cuidado con los valores de corriente y voltaje para no daar la mquina ya que es posible que la lnea a la que nos deseamos acoplar supero el voltaje que puede producir nuestro alternador. En ese caso no se debe de acoplar ya que la mquina resentira y reduciramos su vida til.

c) Si se acopla mal la mquina actuar como motor, girando en sentido contrario.

d) Para ajustar la reparticin de potencia real entre los generadores sin cambiar (frecuencia del sistema), se deben incrementar simultneamente los puntos de ajuste del mecanismo regulador en un generador al mismo tiempo que se disminuyen los puntos de ajuste en el mecanismo regulador del otro generador.

e) Para ajustar la reparticin de potencia reactiva entre generadores sin cambiar el voltaje VT, se debe incrementar de manera simultnea la corriente de campo de un generador a la vez que se disminuye la corriente de campo en el otro.

f) Para ajustar VT sin cambiar la reparticin de potencia reactiva, se debe incrementar o disminuir de manera simultnea las corrientes de campo de ambos generadores.

g) En este trabajo se han podido destacar las grandes ventajas que brinda la configuracin de alternadores en paralelo, como es el suministrar la suficiente potencia que requieran las cargas, como el suministro en la distribucin de energa elctrica. y esto a su vez satisface una demanda que cada da va creciendo debido a que el mundo es ms dependiente de la energa elctrica.

Referencias[1] Stephen Chapman. Mquinas Elctricas. Editorial Mc- Graw Hill. 3ra edicin. 2003

[2] INTERNET: Criollo Adrian. [Online] http://www.electrosector.com/wpcontent/ftp/descargas/operacion.pdf

[3] Murillo Huber. Diapositivas de Clase de Mquinas Elctricas II. UNAC FIEE. 2010.

[4] INTERNET: Ramon Patricio. [Online] http://www.alipso.com/monografias4/Paralelo_de_generadores/

Leer ms: http://www.monografias.com/trabajos89/generadores-sincronos-paralelo/generadores-sincronos-paralelo.shtml#ixzz3ak4VtOig