Paralelo de generadores

Transcripción

1 Electricidad Paralelo de generadores En la generación de energía eléctrica el uso de generadores es la parte principal de todo el proceso; hasta cierto punto se podría decir que es el corazón del proceso de generación. Se conocen diferentes conexiones prácticas muy usadas en la actualidad, pero la más confiable y recomendada es el paralelo de generadores para tener un control más preciso de la energía generada y asimismo para mejorar su confiabilidad en caso de falla. Elaborado por Paulo Arpi, niversidad Politécnica Salesiana, Ecuador, Departamento de ingeniería Electrónica Máquinas Eléctricas II Condiciones para acoplamiento en paralelo de generadores Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se dañen severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se conectan juntos, habrá 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 ángulo de fase que el conductor al que se conectará. En otras palabras, el voltaje de fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a y así 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 ser iguales los voltajes de línea rms. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. Los ángulos de fase de las dos fases deben de ser iguales. Igualdad de secuencia, los diagramas vectoriales deben girar en el mismo sentido. Procedimiento general para conectar generador en paralelo Primero: utilizando 3 ó más voltímetros se debe ajustar la corriente de campo del generador en aproximación (generador a acoplar) hasta que su voltaje en los terminales sea igual al voltaje en línea del sistema en operación. Segundo: la secuencia de fase del generador en aproximación se debe comparar con la secuencia de fase del sistema en operación. na forma de comprobar esto, es conectando un motor de inducción a cada generador y si giran en el mismo sentido entonces la secuencia de fases es igual. Otra opción es el método de las tres lámparas que se muestra en la figura 2. Para esta comprobación primero se arranca la máquina por medio del motor primario (turbina de vapor, motor diesel, etc.) teniendo en cuenta que se deben prender y apagar al mismo tiempo las tres lámparas; esto indica que existe la misma secuencia de fase, si se prenden y apagan muy rápido es que las frecuencias son diferentes, lo cual se soluciona subiendo la velocidad del motor primario aumentando el flujo con el reóstato de campo. Si prenden y apagan en desorden significa que no tienen la misma frecuencia de fases, lo cual se soluciona intercambiando la secuencia de fases del alternador hacia la red. Conexión de las fases y excitatriz Los devanados del generador se conectan en estrella para obtener tres fases y un neutro como se muestra en la figuro 4, la excitatriz se conecta a la rueda polar. Para acoplar los generadores se utiliza el método de las tres lámparas apagadas; este método se basa en conectar las lám- Generador 1 Carga Generador 2 S t A A A G 3~ alternador con carga A A A G 3~ Figura 1. Acople en paralelo de generadores Figura 2. Método de las tres lámparas 18

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3 Electricidad paras en serie con ambas fases; cuando las lámparas se encienden lentamente al mismo tiempo esto indica que la secuencia de fases es la correcta. Acoplamiento correcto Si las lámparas se apagan al mismo tiempo, indica que existe la misma frecuencia de fases y podemos acoplar la máquina; hay que tener mucho cuidado con las tensiones de las máquinas, ya que éstas de ser iguales, se debería asegurar que las tensiones de fase sean las mismas tomando las tensiones de línea de cada una de las dos máquinas y teniendo cuidado de no exceder los datos nominales de placa corriente de excitación tensión, corrientes de fases. Análisis en paralelo sobre barras infinitas Se considera el caso de una máquina conectada a barras sobre las cuales ya se encuentran conectadas otras máquinas, con potencias superiores a ésta, de tal forma que altera la tensión de barras, por esto se considera u = Kte y se dice sobre barras infinitas. Conectada la máquina, ésta no recibe ni entrega energía y se presentan los siguientes casos: CASO 1 máquina en vacío Tendrá I = 0, δ = 0, E0 =. R S T oltímetro de red RED C.A. oltímetro de cero Lámpara 1 oltímetro del generador R S T Figura 3. Secuencia de fases P1 P2 Neutro P3 Figura 4. Conexión de los devanados del Generador G interruptor general de acoplamiento Generador símcrono Lámpara 2 Lámpara 3 Figura 5. Máquina en vacío CASO 2 aumentando el combustible de la maquina motriz Se aumenta el combustible a la máquina que mueve el eje del generador. Al ser δ la medida de la potencia desarrollada, el incremento de combustible resultará en un avance de E0 sobre u en un ángulo δ. Fluirá una I perpendicular a la reactancia entregando corriente a la red. CASO 3 variación de la excitación Se varía solamente la excitación teniendo en cuenta si se sobreexcita (corriente en retraso de π /2) o se subexcita (corriente en adelanto de π/2). Esto produce corriente reactiva pura. XI XI I I Figura 6. Aumento del combustible de la máquina motriz Xl I ϕ δ Figura 7. ariación de la excitación. CASO 4 aumentando el combustible y la excitación Al aumentar combustible y excitación se tiene que la diferencia E01 - es mayor por lo que I será mayor mejorando el cos ϕ, descrito por la siguiente fórmula: = XI δ I O Para realizar la puesta en paralelo se sigue los siguientes pasos: Figura 8. Aumento del combustible y la excitación Acelerar la máquina a la velocidad nominal Regular la excitación hasta que la fem de salida sea igual a la de línea Sincronizar los generadores Accionar el interruptor del segundo generador Aumentar la cantidad de combustible Aumentar la excitación Diagrama vectorial a potencia constante y excitación variable Considerando el diagrama vectorial simplificado de una máquina síncrona de rotor cilíndrico no saturada. La potencia cedida por el generador a la red es: = * * 20

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5 Electricidad Si m es constante y toma el valor de C1 y el segmento OA = I*cosϕ se tiene: P= C1*0A La corriente variará según la recta perpendicular a la tensión que pasa por A, multiplicando y dividiendo por Xs y suponiendo Xs = Kte. = * * ( * * ) = La potencia es proporcional al segmento BC. Si se establece la condición de que la potencia sea constante y excitación variable, el punto extremo de E0 se desplazará sobre una perpendicular a BC en B. Al establecer una nueva condición de excitación E0, este vector se desplaza a B1, donde concurre Xs y la corriente perpendicular a este último vale I1 con cos ϕ1. Con esto se tiene al generador sobreexcitado con la corriente atrasada y viceversa, además cambia el módulo de I y su fase. Diagrama a excitación constante y potencia variable Cuando aumenta el combustible, sin alterar la excitación, la potencia entregada pasa de P1 a P2 Considerando el mismo diagrama vectorial simplificado anterior. Al ser excitación constante, también lo será E0, por lo tanto describe una circunferencia. Como es constante, varía Xs*I. Las corrientes son perpendiculares a las Xs*I. La potencia máxima será en el punto 3 y la corriente correspondiente será la límite cuyo valor es: = = Los extremos de las I describen un círculo con centro en C por ser proporcionales y perpendiculares a XS*I en todo momento, y porque los extremos de XS*I describen un círculo de diámetro S X D E0 = 2 o sea el diámetro de la circunferencia de tensiones dividido Xs. El punto 3 como la recta que pasa por C son los límites de estabilidad para la excitación dada. Esto causa que se tenga mayor excitación, mayor potencia límite, funcionamiento más estable y al variar la potencia varía el cos ϕ. Al aumentar la potencia, aumenta δ, máx. δ = 90 Análisis de dos máquinas en paralelo Se consideran dos máquinas idénticas en paralelo sobre una carga inductiva con los siguientes casos: + recta de potencia B X s I C I c I L recta de excitación B 1 E o X s I 1 I 1 I 2 R-L recta de corriente adelantada I 1 subexcitada A ϕ1 ϕ I atrasada sobreexcitada G 1 I c G 2 I c o Figura 9. Diagrama ectorial Figura 11. Cambio de Excitación P 1max P 2 P 1 3 B 2 E o X s I 3 E o1 X s I 2 1 E o C D = 2 I 3lim X s I 1 δ v = E o X s I 1 o recta de potencia A u I 2 E 1 E1= E2 E 2 X1I1 X1I1=X2I2 X1 I1 I 1 I1=I2 Figura 10. Diagrama ectorial Figura 12. Diagrama ectorial 22

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7 Electricidad CASO 1 cambio de excitación A igualdad de excitación y repartición de cargas, los diagramas vectoriales son iguales, se aumenta la excitación E 1 hasta E 1. Aparece I 1 perpendicular a X 1 *I 1 hasta la recta de corriente. Como la corriente total IL se mantiene la misma I 2 = IL - I 1 Perpendicular a I 2 por Estará X 2.I 2 que determinan E 2. Para mantener P y constantes, al aumentar la excitación de una máquina disminuye en la otra y la corriente se atrasa más en la primera que en la segunda. Entonces X 2.I 2 I 2 con la vertical por P 2 determina E 2. P 2 queda determinado porque se debe verificar que: P 1 +P 2 =P 1+P 2 Se tiene que aumenta la potencia de la máquina 2, se debe incrementar su excitación, aumenta la corriente I 2 y mejora su cos ϕ. P 2 P 1 =P 2 P 1 CASO 2 Se supone la corriente reactiva proporcionada por la máquina 1 (AB) mayor que la corriente reactiva requerida por la carga (CD). Se observa que la máquina 2 está subexcitada y genera corriente adelantada. Como la carga es inductiva, el exceso de reactivo EB = FA que se capacitivo, circula como corriente interna o circulante entre ambas máquinas (Ic) X 2 E 2 =E 2 E 2 I 1X 1 u I 2 I 1 I 2 =I 2 C D I 1 D Figura 14. Diagrama C o F F A Figura 13. Diagrama ectorial. CASO 3 cambio de potencia Se reduce la potencia de la máquina 1, disminuye I 1 a I 1 y aumenta I 2 a I 2 tal que: I 2 + I 1 = IL. E B I 1 Conclusiones Se ha descrito las principales características de la puesta en paralelo de generadores, así como las consideraciones que se debe tener al momento de iniciar la puesta para evitar el daño de los equipos involucrados. Este procedimiento debe ser realizado tomando en cuenta todas las condiciones de fallo posible y ser realizado sin errores ya que significaría un alto costo dependiendo de la potencia de los generadores involucrados junto con las pérdidas que estos generen si ocurre alguna falla. Mediante este procedimiento se puede mejorar en gran manera la eficiencia y la confiabilidad de un sistema de generación eléctrica. 24

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