Generadores de CA Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 1 de 34
Tabla de contenido Tema 1: Generación de corriente alterna (CA)...3 Describir la generación de corriente alterna (CA) y establecer los parámetros asociados a una onda sonusoidal...3 Autocomprobación 1...9 Tema 2: Alternadores...10 Explicar las diferencias básicas entre un alternador y un generadorde corriente directa y describir cómo se induce el voltaje alterno dentro delestator de un alternador....10 Autocomprobación 1...11 Enunciar las razones para el uso de campos rotatorios y describir dos tipos diferentes de rotores...12 Autocomprobación 2...14 Describir cómo se energiza el campo y cómo se regula la salida de voltaje...15 Autocomprobación 3...17 Respuestas a las preguntas de autocomprobación...18 Tema 3: Funcionamiento en paralelo de alternadores...19 Establecer cómo los alternadores se sincronizan o se conectan en paralelo...19 Autocomprobación 1...24 Autocomprobación 2...28 Respuestas a las preguntas de autocomprobación...29 Tema 4: Operación de una batería de GED...30 Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 2 de 34
Tema 1: Generación de corriente alterna (CA). La mayor parte de la energía eléctrica que se consume en Cuba se genera y distribuye como corriente alterna, de ahí la importancia de que los electricistas comprendan las características de los circuitos de CA. Los voltajes y corrientes alternos cambian su polaridad (los electrones van en una dirección y luego en la otra) y su valor con relación al tiempo en ciertos patrones llamados formas de onda. Entre estas formas de onda, se le prestará especial interés a la onda sinusoidal debido a su importancia básica para la industria eléctrica. Este módulo abarcará las características de una onda sinusoidal y analizará los pasos relacionados en la generación de la misma, así como la relación entre la frecuencia de salida, los polos y la frecuencia rotacional de un alternador. Describir la generación de corriente alterna (CA) y establecer los parámetros asociados a una onda sinusoidal. Razón de corte de las líneas de fuerza. El valor de la magnitud de la fem inducida es directamente proporcional a la razón de corte de las líneas de fuerza por un conductor. Esto significa que si la razón de corte de las líneas de fuerza se incrementa, entonces la fem inducida lo hará también. Si consideramos que la longitud del conductor no varía, entonces esta razón (y por lo tanto el voltaje inducido) dependerá de los tres factores siguientes: 1. El flujo por polo del campo magnético. 2. La velocidad de movimiento del conductor. 3. El ángulo con que el conductor corta las líneas de fuerza. Esto se muestra en la ecuación: E g = K * Φ * n Donde: K = valores fijos para un generador dado Φ = flujo por polo n = velocidad del conductor E g = voltaje generado (fem inducida) Cómo la velocidad de corte afecta la fem inducida. La figura siguiente muestra que si el flujo por polo (fuerza del campo) se incrementa, la velocidad de corte se incrementa, lo que dará como resultado una fem inducida mayor. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 3 de 34
La figura siguiente muestra que si la velocidad del conductor aumenta, la velocidad de corte aumenta, lo que dará como resultado una fem inducida mayor. La figura siguiente muestra que si el ángulo de corte aumenta, (hasta un máximo de 90 respecto a la dirección del flujo), la velocidad de corte aumentará también, lo que dará como resultado una fem inducida mayor. Resumiendo, la fem inducida aumentará si aumenta la densidad del flujo, la velocidad del conductor o el ángulo de corte de las líneas de fuerza. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 4 de 34
Generación de una onda sinusoidal Cuando un conductor rota a través de un campo magnético, como se muestra en la figura siguiente (a), el voltaje generado (fem) y la corriente resultante tendrán una forma de onda sinusoidal (b). Nótese como el voltaje (o corriente) varía con el tiempo. Éste comienza en cero, se incrementa hasta un valor máximo positivo, luego regresa al cero, se incrementa hasta un valor negativo máximo, vuelve a cero y el ciclo se repite de nuevo. La onda sinusoidal se alterna entre los valores positivos y negativos y la combinación de estas alternaciones hace un ciclo. Dicho de otra forma, un voltaje de CA en forma de una onda sinusoidal, se produce cuando se rota un conductor a una velocidad constante alrededor de un punto ubicado en el centro de dos polos magnéticos opuestos. El voltaje inducido en el conductor variará de acuerdo al ángulo con que éste corte las líneas de fuerza como se muestra en la figura siguiente. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 5 de 34
No se induce voltaje cuando el conductor se encuentra en los cero grados, y se mueve paralelo a las líneas de fuerza, mientras que el máximo voltaje se induce en los 90 cuando se mueve perpendicular a ellas. La fem inducida instantánea en cualquier otro ángulo se puede determinar multiplicando la fem máxima por el seno del ángulo con que el conductor corta el campo. La dirección de corte del campo magnético en la primera mitad de la revolución (entre 0 y 180 ) cambia en la segunda mitad de la revolución (entre 180 y 360 ). Esto provoca que la polaridad de la fem inducida cambie cada 180, lo que trae como resultado alternaciones positivas y negativas de la onda sinusoidal. La figura siguiente muestra la relación entre el conductor que rota y el valor del voltaje inducido, dando como resultado una onda sinusoidal. Grados eléctricos y mecánicos Los grados mecánicos miden el ángulo de rotación del eje de una máquina. Una revolución completa realizada por el eje de un alternador es igual a 360 mecánicos. Los grados eléctricos se relacionan con un ciclo de fem generada, esto quiere decir que un ciclo siempre será igual a 360 eléctricos. Se completan 360 eléctricos cada vez que el conductor pasa por dos polos opuestos, produciendo un ciclo de la onda sinusoidal. Ciclo Podemos ahora definir ciclo de una onda sinusoidal como la porción de la onda que se repite idénticamente en el tiempo, la cual incluye una alternación positiva y otra negativa y que coincide con 360 eléctricos. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 6 de 34
La figura anterior muestra un alternador de dos polos. Cada vez que el conductor completa una revolución (360 mecánicos) la forma de onda completa un ciclo (360 eléctricos). La figura anterior muestra un alternador de cuatro polos. Cuando el conductor completa una revolución, pasa a través de 360 mecánicos. Sin embargo, en esa revolución generará dos ciclos y por tanto pasará a través de 720 eléctricos. Ejemplo 1: Cuántos grados eléctricos se producirán en un alternador de 4 polos si este rota 2 revoluciones completas? Cada vez que un conductor pasa por cada par de polos (dos polos opuestos) en el alternador se producirá un ciclo (360 eléctricos), entonces una revolución del alternador producirá: 2 * 360 = 720 eléctricos. En dos revoluciones (720 mecánicos) el alternador producirá: 2 * 720 = 1440 eléctricos. Período El tiempo en segundos que dura un ciclo se denomina período y se representa con la letra P. Un período coincide con 360 eléctricos. Frecuencia La frecuencia (f) puede definirse como el número de ciclos en un intervalo de tiempo dado. Nótese que si el intervalo de tiempo (tiempo para completar un ciclo) aumenta, entonces la frecuencia disminuye. Por lo tanto, si el tiempo requerido para 1 ciclo es de 0,5 segundos entonces la frecuencia es igual a 2 ciclos por segundo. Sin embargo, si el período de tiempo aumenta a 1 segundo la frecuencia disminuye a 1 ciclo por segundo. La antigua unidad de medida de la frecuencia era ciclos por segundo, y sin dudas este término estará presente por algún tiempo. No obstante, desde la adopción del SI, la unidad de medida de la frecuencia es el hertz y su símbolo es Hz. La frecuencia es el inverso del período (p) y por tanto la fórmula para determinar su valor es: f = 1 Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 7 de 34
p Relación entre la frecuencia, el número de polos y la velocidad angular del generador La frecuencia de salida de un generador o alternador de CA se determina por 2 factores: 1. La velocidad con que el circuito cerrado rota a través del campo, en r.p.m. 2. El número de polos o pares de polos. Por lo anterior, la frecuencia de una onda de voltaje o corriente estará en dependencia del número de polos del generador y de la velocidad de giro de éste (velocidad angular o frecuencia de giro). Si un generador tiene mayor número de polos que otro y ambos giran a la misma velocidad, entonces en el primero se inducirá una fem de mayor frecuencia dado que en el mismo período de tiempo, los conductores pasan mayor cantidad de veces bajo una cara polar. La frecuencia también depende de la velocidad de giro del generador. A mayor velocidad, mayor será la frecuencia de la onda del voltaje generado. En resumen, la frecuencia de una onda generada es directamente proporcional a la velocidad de giro y directamente proporcional al número de pares de polos. Para determinar la frecuencia de salida de un generador será necesario multiplicar la cantidad de ciclos completados en una revolución por el total de revoluciones en 1 segundo. Como el número de ciclos en 1 revolución coincide con el número de pares de polos de la máquina y como generalmente en sus datos de fábrica o chapa aparece la cantidad de polos en vez de los pares de polos y las revoluciones por minuto en lugar de revoluciones por segundo, la fórmula para el cálculo de la frecuencia de salida queda: f = p * n 120 Donde: f = frecuencia de salida en hertz p = número de polos de la máquina n = frecuencia rotacional o velocidad angular en revoluciones por minuto (r.p.m.) Ejemplo 1: Cuál es la frecuencia de salida de un alternador de 4 polos si su frecuencia rotacional es de 1800 r/min? f p * n 4 * 1800 = 120 120 = 60 Hz Ejemplo 2: Qué cantidad de polos tiene un alternador que se hace girar a una velocidad de 1800 rpm y brinda una frecuencia de salida de 60 Hz? f = p * n f * 120 60 * 120 por tanto: p = = 120 n 1800 = 4 polos Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 8 de 34
Autocomprobación 1 Cuando haya terminado de responder la autocomprobación, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Para un alternador de 8 polos, la relación de los grados eléctricos a los mecánicos sería de a 1. 2. Cuando el eje de un alternador da vueltas alrededor de 720 mecánicos, la onda sinusoidal habrá pasado por 4320 eléctricos. Para que esto suceda, el alternador debería tener polos. 3. Una onda sinusoidal puede ser una representación gráfica de la corriente o el voltaje. V / F? 4. Si una onda realiza una alternación positiva y otra negativa, habrá completado un. 5. El número de ciclos completados en un segundo se conoce como y su símbolo es. 6. La unidad SI de frecuencia es: y su símbolo es. 7. Escriba la ecuación para calcular la frecuencia de salida de un alternador. 8. La frecuencia de salida de un alternador movido por una turbina de agua es de 60 Hz. Si la turbina rota a 180 r/min, entonces el alternador tiene polos. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 9 de 34
Tema 2: Alternadores Casi toda la generación de energía se lleva a cabo a través de generadores de corriente alterna o alternadores. La mayoría de estas máquinas son trifásicas. Los electricistas, sin importar en qué área trabajen, ya sea en generación, construcción o mantenimiento, necesitan sin lugar a dudas comprender el modo en que operan estas máquinas. Explicar las diferencias básicas entre un alternador y un generador de corriente directa y describir cómo se induce el voltaje alterno dentro del estator de un alternador. Diferencias básicas entre un alternador y un generador de corriente directa En un generador de CD, el flujo se genera por electroimanes fijados con pernos al estator. La armadura rota dentro de este campo y por tanto en su interior se induce un voltaje. Este voltaje y la corriente resultante se extraen de la armadura con escobillas. Las escobillas, junto con el colector, convierten además la corriente alterna inducida en corriente directa pulsante. Cómo se induce el voltaje alterno dentro del estator de un alternador Un generador de CA puede ser descrito como un generador de DC de adentro hacia fuera, donde el campo es la parte rotatoria y la armadura se convierte en la parte fija (ver Fig.1). El campo es el rotor que se energiza a través de los anillos deslizantes y las escobillas desde alguna fuente de CD. El ajuste de la cantidad de corriente que fluye a través de los devanados del campo, y por tanto, la cantidad de flujo generado, puede controlar la cantidad de voltaje inducido. El rotor se mueve por el motor primario. A medida que el flujo del rotor corta los conductores de la armadura ubicados en las ranuras del estator, el voltaje se induce en estos conductores. El voltaje inducido es alterno y sinusoidal. Fig. 1: Alternador de dos polos básico donde se representa el enrollado de armadura de sólo un conductor. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 10 de 34
Autocomprobación 1 Cuando haya terminado de responder la autocomprobación, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. La salida de voltaje puede ser variada cambiando la corriente del campo. a) Verdadero b) Falso 2. El estator en grandes alternadores contiene los conductores de la armadura. a) Verdadero b) Falso 3. La corriente suministrada al campo es alterna. a) Verdadero b) Falso Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 11 de 34
Enunciar las razones para el uso de campos rotatorios y describir dos tipos diferentes de rotores Existen varias razones que justifican que la máquina posea el campo rotatorio y la armadura fija: 1. Se necesitan menos y más pequeños anillos deslizantes, ya que se necesitarían al menos tres anillos deslizantes y un conjunto similar de escobillas para extraer la corriente de la armadura si esta fuera rotatoria. 2. Las escobillas y los anillos deslizantes pueden ser pequeños ya que los campos necesitan corrientes y voltajes relativamente bajos. 3. Toda la estructura del campo es físicamente menor que la armadura, lo que constituye una ventaja mecánica, requiriéndose cojinetes de menor tamaño y reduciéndose las vibraciones. 4. La mayor parte del calor generado en la máquina se produce de los devanados de la armadura. En máquinas grandes, el enfriamiento de la armadura se realiza con líquido. Este proceso es mucho más fácil de llevar a cabo en la parte fija que en la parte rotatoria. La estructura del campo difiere en los alternadores en dependencia de la velocidad (frecuencia de rotación). Los motores primarios de alta velocidad, tales como turbinas de vapor, se conectan a alternadores de dos campos que generan 60 Hz a 3600 rpm (revoluciones por minuto). Estos rotores de alta velocidad se denominan rotores cilíndricos. Poseen una circunferencia bien definida, están bien balanceados y son relativamente largos y de diámetro pequeño (ver Fig. 2). Los motores primarios de baja velocidad, tales como motores diesel, se conectan a máquinas de rotor de polos salientes. Un alternador de cuatro polos rotará a 1800 rpm para generar 60 Hz. Estos rotores son más cortos en longitud y mayores en diámetro que el rotor cilíndrico. Cada polo es de fácil identificación dada la forma del rotor, de la cual parte la denominación de polos salientes (ver Fig. 2). Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 12 de 34
Fig. 2: Rotores cilíndrico y de polos salientes. La relación entre frecuencia, número de polos y velocidad se expresa como: Hz = Polos * velocidad 120 Por ejemplo, un alternador de seis polos a 50 Hz tendrá que rotar 1000 rpm. 50 = 6 * 1000 120 Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 13 de 34
Autocomprobación 2 Cuando haya terminado de responder la autocomprobación, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Los alternadores usan campos rotatorios en vez de armaduras rotatorias porque: a) Los anillos deslizantes son más pequeños. b) Se necesitan menos anillos deslizantes. c) Es más fácil de enfriar el estator. d) Se necesitan cojinetes más pequeños. e) Todas las opciones anteriores. 2. Los rotores de alta velocidad se denominan: a) Salientes. b) Cilíndricos. c) Con terminal doble. d) Ninguno de los anteriores. 3. Un rotor con diámetro relativamente grande es probablemente: a) Un rotor cilíndrico. b) Un rotor de alta velocidad. c) Un rotor de polos salientes. d) Un rotor asincrónico. 4. Un alternador de cuatro polos a 50 Hz deberá rotar a: a) 1500 rpm. b) 1800 rpm. c) 1775 rpm. d) 1200 rpm. e) 3600 rpm. 5. Cuántos polos tendrá un alternador de 300 rpm a 60 Hz? a) 2 b) 8 c) 12 d) 24 6. A qué frecuencia generará un alternador de seis polos girando a 1200 rpm? a) 50 Hz. b) 25 Hz. c) 60 Hz. d) 100 Hz. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 14 de 34
Describir cómo se energiza el campo y cómo se regula la salida de voltaje La cantidad de voltaje generado en la armadura del alternador está en dependencia de: 1. El número de vueltas por bobina de la armadura. 2. La velocidad del campo rotatorio (rotación del flujo). 3. La cantidad de flujo producido por el campo. De estas tres, solamente la última resulta práctica ya que las vueltas de la armadura no se pueden cambiar y debido a que la mayoría de los alternadores deben funcionar a una frecuencia de rotación fija para generar una cantidad de ciclos por segundo (hertz) constante. La cantidad de flujo producido en el campo está en dependencia de tres factores: 1. El número de vueltas en los devanados del campo. 2. El tipo del material del núcleo (o hierro) del rotor. 3. La cantidad de corriente que fluye a través de los devanados del campo. De estos tres factores, una vez que la máquina ha sido construida, solamente puede variarse el número tres. Resumiendo El voltaje de salida del alternador depende de: 1. Número de vueltas de la armadura (fijo). 2. Velocidad del campo rotatorio (fija). 3. Cantidad de corriente en el campo (variable). Por lo tanto, en un generador sincrónico, la única variable que puede controlar el voltaje de salida es la cantidad de corriente que circula en el campo, la cual se denomina corriente de excitación. Un alternador puede ser de excitación independiente o autoexcitado. Alternador autoexcitado. Excitación sin escobillas La mayoría de los alternadores modernos son autoexcitados y sin el uso de escobillas, conmutadores o anillos de deslizantes. Ver Fig. 3. El excitador está compuesto por una armadura trifásica rotatoria. La salida de la armadura está conectada a un puente rectificador trifásico de onda completa. La salida de CD del rectificador rotatorio alimenta entonces al rotor principal del alternador, donde se produce el campo. La alimentación de CD para el campo del excitador generalmente viene del estator del alternador a través de un puente de onda completa. El rectificador que alimenta el campo del alternador y la armadura del excitador están montados en el mismo eje y rotan simultáneamente. La máquina misma creará su voltaje debido al magnetismo residual en el rotor del alternador o en el estator del excitador. Sin la necesidad de escobillas, conmutadores y anillos deslizantes, la máquina se vuelve muy confiable y requiere poco mantenimiento. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 15 de 34
Fig. 3: Sistema de autoexcitación sin escobillas. El sistema de excitación descrito en las figura 3 muestran la armadura de un alternador monofásico. Esto se ha hecho para simplificar los dibujos. La mayoría de los alternadores grandes poseen estatores trifásicos. Reguladores de voltaje A continuación, veremos cómo el cambio de corriente y factor de potencia en la carga provoca la variación de la caída de voltaje dentro de la máquina. Esto provoca el cambio del voltaje en los terminales, lo cual no es aceptable para la mayoría de las instalaciones. Casi todas las cargas requieren un voltaje constante. El regulador de voltaje es el encargado de lograr esto. El aumento de corriente en el campo rotatorio generará más flujo y por tanto aumentará el voltaje en la armadura del alternador hasta alcanzar el nivel apropiado. En la práctica el procedimiento donde se ajusta la corriente del campo del excitador para mantener el voltaje de salida del alternador, se realiza automáticamente por el regulador de voltaje. Ver Fig. 3. Una pequeña porción de la corriente de la armadura del alternador se hace llegar a cuatro diodos que rectifican la CA y alimentan de CD al campo del excitador. Estos cuatro diodos son generalmente parte del regulador de voltaje automático. Algunos tipos de circuitos censores monitorean la salida de voltaje del alternador, y en dependencia de si el voltaje es muy alto o muy bajo, controlan la cantidad de corriente que es rectificada utilizando diodos controlables especiales llamados tiristores. A medida que la salida de voltaje aumenta, los rectificadores permitirán menos flujo de corriente en el campo del excitador. Si el voltaje cae, más corriente se hará circular dentro del campo del excitador. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 16 de 34
Autocomprobación 3 Cuando haya terminado de responder la autocomprobación, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. El flujo en el campo es controlado por: a) El tipo de hierro del campo. b) El área de la sección transversal de los devanados de campo. c) La corriente en el campo. d) El número de vueltas en los devanados de campo. 2. En un sistema de excitación sin escobillas la salida está conectada al campo del alternador a través de: a) Los anillos deslizantes. b) Los diodos. c) Un colector. d) Por inducción. 3. Cuáles de los siguientes elementos están montados en un eje común en el sistema de excitación sin escobillas? a) La armadura del alternador y el rotor del excitador. b) El campo del excitador, el rectificador rotatorio y el campo del alternador. c) El estator del alternador y el campo del excitador. d) El rotor del alternador, los diodos rotatorios y la armadura del excitador. 4. Los reguladores de voltaje controlan: a) La velocidad del alternador. b) El voltaje de salida del alternador. c) La polaridad del excitador. d) El factor de potencia del excitador. 5. Los reguladores de voltaje actúan sobre: a) El campo del excitador. b) El campo del alternador. c) La armadura del alternador. d) La armadura del excitador. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 17 de 34
Respuestas a las preguntas de autocomprobación Autocomprobación 1: 1. V 2. V 3. F Autocomprobación 2: 1. e 2. b 3. c 4. a 5. d 6. c Autocomprobación 3: 1. c 2. b 3. d 4. b 5. a Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 18 de 34
Tema 3: Funcionamiento en paralelo de alternadores La mayoría de los alternadores funcionan en paralelo con otros alternadores para formar un sistema de gran potencia. Cada alternador en el sistema debe suministrar la cantidad necesaria de potencia al voltaje y frecuencia deseados aún bajo condiciones adversas y cambios excesivos de la demanda del sistema. Establecer cómo los alternadores se sincronizan o se conectan en paralelo El sincronismo y el paralelismo se realizan por varias razones. Puede existir un aumento del requerimiento de carga o un alternador puede necesitar reparación, o simplemente es necesario dar mantenimiento a su motor primario. Del mismo modo, utilizando varios alternadores de menor tamaño permite un funcionamiento más eficiente ante fluctuaciones de la carga. Los alternadores pueden ser sincronizados con toda seguridad solo cuando: 1. Posean la misma secuencia de fase. 2. El voltaje en sus terminales sea el mismo. 3. Sus frecuencias sean prácticamente las mismas. 4. Cada fasor de voltaje correspondiente coincida en fase. Cuando se cumplen las cuatro condiciones precedentes al sincronismo, los alternadores pueden conectarse en paralelo. El procedimiento que sigue describe cómo lograr las condiciones necesarias para poder cerrar el interruptor de sincronismo. No obstante, durante la conexión generalmente fluye alguna energía entre las máquinas. La energía de sincronización es la energía transferida de un alternador a otro por medio de la corriente de sincronización. Esta es suministrada por el alternador guía a aquel que queda retrasado. Debido al flujo de la corriente de sincronismo, se produce una acción de motor en la máquina retrasada provocando que esta avance y entre en sincronismo, sin embargo esta corriente actúa como una carga del alternador guía reduciendo su velocidad. Si los alternadores tratasen en algún momento de salir de sincronismo, esta corriente de sincronismo (la acción resultante de motor y la acción de la carga) los ayudarán a mantenerse en sincronismo. Sincronización de los alternadores Como ya mencionamos, existen cuatro condiciones necesarias para garantizar que el alternador entrante esté en sincronismo con el alternador en marcha o con el sistema. Ellas son: 1. Los alternadores deben tener la misma secuencia de fase La secuencia de fase del alternador entrante debe coincidir con la máquina en marcha. En otras palabras, la polaridad de los voltajes deben estar en la misma dirección con relación al tiempo. Sin embargo la dirección de la FEM en un alternador se invierte muchas veces en un segundo y el voltímetro colocado en sus terminales no muestra su polaridad ya que muestra solo valores efectivos de CA. Por lo tanto, deben tener su secuencia de fase comprobada. Una vez que esto se logra, no será necesario que se repita al menos que se cambien las conexiones eléctricas. El método utilizado con más frecuencia para comprobar la secuencia de Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 19 de 34
fases es conocido como el método de las tres lámparas oscuras como se muestra en la Fig. 4. Fig. 4: Método de las tres lámparas oscuras. Observemos las tres lámparas. El alternador entrante (a ser sincronizado) está funcionando con voltaje y frecuencia aproximadamente correctos. Si las lámparas no se oscurecen juntas tenemos una secuencia de fase incorrecta, lo que significa que dos fases están cruzadas. Cambiemos cualquier par de las líneas entrantes. Una consideración importante a la hora de hacer esta prueba es que las lámparas utilizadas deben soportar el doble del valor del voltaje de fase del alternador. Cuando los alternadores están en oposición de fase (a 180 ) el voltaje en las lámparas será E P * 2. 2. El voltaje en los terminales de los alternadores debe ser el mismo El valor del voltaje puede determinarse con voltímetros conectados en los terminales del alternador. 3. Los alternadores deben tener la misma frecuencia Los alternadores deben ser llevados a la velocidad que producirá la frecuencia rotacional correcta. Por ejemplo, un alternador de 4 polos movido a 1800 rpm puede ser operado en paralelo con un alternador de 6 polos movido a 1200 rpm y con un alternador de 2 polos movido a 3600 rpm. Cada uno genera una FEM de 60 ciclos y por tanto, se pueden conectar en paralelo juntos. Es provechoso tener la máquina entrante funcionando ligeramente más rápido que la máquina en línea, ya que es preferible para ella disminuir la velocidad que acelerar para entrar en sincronismo. Si funciona más rápido puede asumir alguna carga. Si funciona más lento, se convertirá en carga. 4. El voltaje de los alternadores debe tener la misma posición de fase El último paso del procedimiento de sincronismo es garantizar que el voltaje del alternador entrante está en la correcta posición de fase (posición en tiempo) con el voltaje de línea. La figura 5 muestra el diagrama de fase para dos alternadores. El primero está en oposición de fase (a 180 ). El otro está en la posición correcta para cerrar el interruptor de sincronismo. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 20 de 34
Fig. 5: Diagrama fasorial de sincronismo. Existen dos métodos de sincronismo que se utilizan con mayor frecuencia: 1. Método de dos lámparas brillantes y una oscura. 2. El uso de un sincronoscopio. La descripción del primer método aparece a continuación. 1. Las conexiones del método de dos lámparas brillantes y una oscura aparecen en la Fig. 6. La lámpara conectada de A 1 a A 2 estará oscura cuando las lámparas de B 1 a C 2 y de C 1 a B 2 estén brillantes. En este punto podrá cerrarse el interruptor de sincronismo para sincronizar el alternador. Un inconveniente de este método es que las lámparas estarán oscuras un cierto intervalo de tiempo, desde varios grados antes del punto de sincronismo hasta varios grados después del mismo. Esto ocurre porque se necesita cierto valor mínimo de voltaje para hacer que las lámparas enciendan. Por lo tanto, se necesita medir el tiempo que demoran las lámparas en pasar del estado brillante a oscuro y dividir este tiempo entre 2 para hallar el punto del sincronismo real que es cuando puede cerrarse el interruptor de sincronismo. Fig. 6: Método de 2 lámparas brillantes, 1 oscura. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 21 de 34
2. Actualmente, en la mayoría de las plantas generadoras se utiliza un sincronoscopio cuando se conectan alternadores en paralelo. La fig. 7 (a y b) muestra esquemáticamente el dial del sincronoscopio y sus terminales. Fig. 7: Conexiones de un sincronoscopio con y sin TP. El sincronoscopio es un instrumento que indica la frecuencia y la posición de la fase y se utiliza para determinar cuándo debe cerrarse el interruptor del alternador entrante. El sincronoscopio muestra también si el alternador está funcionando más rápido o más lento respecto al otro alternador. Si la frecuencia del alternador entrante es exactamente la misma que la del alternador de la línea, la aguja rotatoria del sincronoscopio se quedará estacionaria. Esto significa que el alternador entrante está en sincronismo. El alternador entrante generalmente deberá sincronizarse (cerrando el interruptor de sincronismo) cuado la aguja se está moviendo suavemente en la dirección rápida (a favor de las manecillas del reloj) y se encuentre cerca de las 12 en punto en el dial. Una vez realizado esto, los alternadores se encuentran conectados en paralelo. Si las frecuencias de los alternadores son diferentes, la aguja rotará y su dirección indicará la relación entre la frecuencia del alternador entrante respecto al alternador de referencia o sistema. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 22 de 34
De esa forma, la aguja rotará en la dirección marcada como rápido o fast (a favor de las manecillas del reloj) si la frecuencia del alternador entrante es más alta, y despacio o slow (contrario a las manecillas del reloj) si la frecuencia del alternador entrante es más baja. De tal modo el sincronoscopio no solo indica cuándo cerrar el interruptor, sino que también indica la diferencia en las frecuencias, lo que nos dice que debe ajustarse la velocidad del motor primario. Cuando la posición de las fases (fasores de voltaje) no es la correcta, aparecerá un voltaje resultante. Este voltaje provocará un flujo de corriente en los devanados del estator de ambas máquinas. La corriente circulante junto con el voltaje de cada máquina generará una energía de sincronismo. La energía es producida por la máquina guía y consumida por la máquina retardada. Esto carga (frena) a la máquina guía y libera (o impulsa) la máquina retardada o lenta. Estas dos acciones tienen el efecto de corregir algunos de los errores de posición fuera de fase. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 23 de 34
Autocomprobación 1 Cuando haya terminado de responder la autocomprobación, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Enumere las cuatro condiciones importantes que deben cumplirse antes de conectar un alternador en paralelo con el sistema. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 24 de 34
Explicar cómo se intercambian y se comparten las cargas La capacidad de carga de un alternador está limitada por el aumento de la temperatura en sus partes. Las pérdidas en el alternador desarrollan calor, el cual se disipa al aire circundante por los ventiladores de enfriamiento o por medio del uso de gas de enfriamiento que se hace circular a través de la máquina. Otra consideración es la capacidad de los motores primarios. Si ellos son cargados más allá de su capacidad, ocurrirá una caída de frecuencia, una caída de voltaje y problemas con el compartimiento de la carga. Transferencia de carga entre alternadores en paralelo Una vez que se ha completado el procedimiento para conectar el alternador #2 a la línea, se dice que el mismo está esencialmente flotando. A continuación se procede a transferir alguna parte de la demanda de potencia activa de la carga desde el alternador #1 hacia al alternador #2. En efecto, trataremos de elevar la potencia de salida del alternador #2. Para variar la potencia de salida de un alternador, es necesario variar la potencia de entrada por medio del ajuste del gobernador del motor primario. Si aumentásemos la potencia de entrada al alternador #2 sin disminuir la potencia de entrada al alternador #1, la potencia total de entrada habrá aumentado. Esto dará como consecuencia un aumento en la velocidad, frecuencia y voltaje generado en ambas máquinas. Por lo tanto, debemos aumentar la potencia de entrada en el alternador #2 y simultáneamente disminuir la potencia de entrada en el alternador #1 de modo que la potencia total de entrada se mantenga relativamente constante. Podemos monitorear el proceso observando todo el tiempo la frecuencia. El cambio de excitación de ambos alternadores no tiene ningún efecto sobre cómo intercambian la carga de potencia activa. Una vez que toda la potencia activa de la carga haya sido transferida al alternador #2 por medio del proceso descrito anteriormente, el alternador #2 estará entregando toda la potencia activa demandada por la carga y la potencia de entrada hacia él será alta. En este punto el alternador #1 no entrega potencia alguna y la potencia de entrada será bastante baja. Sin embargo, el alternador #1 está aún entregando toda la potencia reactiva y el alternador #2 no está entregado ninguna. Si en este momento el alternador #1 fuese retirado de la línea, el alternador #2 estaría obligado a llevar la potencia reactiva. El resultado sería una caída pronunciada de voltaje en los terminales del alternador #2, de la misma manera en que cambia de alimentar una carga con FP unitario a alimentar una carga con FP en atraso. Para prevenir esto, la potencia reactiva debe también transferirse gradualmente entre los alternadores. Si la carga tiene un factor de potencia en atraso, esta transferencia se logra aumentando la excitación del alternador #2 y disminuyendo simultáneamente la excitación del alternador #1. Este proceso es monitoreado por medio de la observación del voltaje de salida. Si dos alternadores están funcionando en paralelo y se aumenta la excitación de uno, su factor de potencia tiende a atrasarse y el factor de potencia del otro generador tiende a adelantarse. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 25 de 34
La corriente de salida de ambas máquinas aumenta aunque la corriente de carga no ha cambiado. La diferencia de corriente circula entre los generadores justamente de la misma manera en que circula entre una bobina y un capacitor en paralelo. Esta corriente mayor aumenta las pérdidas del generador y reduce su capacidad útil. Si se necesita variar el voltaje que entregan los alternadores en paralelo a la carga, esto logra por medio del ajuste simultáneo de la excitación de ambos alternadores. Por ejemplo, si el voltaje debiera incrementarse, se aumenta la excitación de ambas máquinas. El factor de potencia de ambas máquinas se debe monitorear para que se mantengan sin cambios. Si la frecuencia del sistema debiera incrementarse, esto se logra por medio del aumento simultáneo de la potencia de entrada a ambos motores primarios. La potencia activa de cada máquina se debe monitorear para garantizar que cada una de ellas continúe llevando el porciento adecuado de la carga. Después de aumentar la velocidad, deberán disminuirse las excitaciones para mantener el voltaje de salida apropiado. Si dos alternadores van a estar funcionando en paralelo para compartir la carga, ellos deberán compartir la carga en proporción con sus valores nominales. Compartir carga entre alternadores sincronizados Cuando un alternador se va a conectar en paralelo con el sistema, debe llevarse a la velocidad de sincronismo (por medio del motor primario) y debe ajustarse el voltaje en sus terminales al mismo valor que el voltaje del sistema. Cuando los dos están en paralelo (sincronizados), debe ajustarse nuevamente la potencia de entrada del motor primario para asegurar que el alternador entrante alimenta la carga que le corresponde compartir. También se deberá ajustar la excitación. Puede que se requieran ajustes posteriores según varíe la carga total del sistema. En la Fig. 8, aparece la curva característica de la velocidad de la carga de dos unidades generadoras. Se asume que los dos sistemas están alimentando una carga aislada y la potencia de entrada de ambas unidades ha sido ajustada para dividir la carga en partes iguales a la misma frecuencia F 2. Si la demanda de potencia activa total de la carga aumentase, la frecuencia total caería hasta F 1, y los alternadores pudieran no compartir la carga de forma equitativa. En este caso, se requerirá de un ajuste de la potencia de entrada de uno o de ambos motores primarios para volver a balancear la carga. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 26 de 34
Fig. 8: Gráfico de carga contra frecuencia. Si la carga disminuyera, la frecuencia aumentaría hasta el valor F 3, (ver Fig. 8). En este caso, el alternador #1 puede alimentar una parte mayor de la carga que la que puede alimentar el alternador #2. Una vez más, será necesario un ajuste de la potencia de entrada de los motores primarios para balancear la carga. Recuerde que la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de rotación del alternador y de esa manera la potencia de entrada de los motores primarios, y si la carga fuese reducida, la velocidad del rotor aumentaría. Oscilaciones Si dos alternadores están funcionando en paralelo y uno tiende a disminuir su velocidad y por lo tanto, la relación de fase, el otro (segundo alternador) tendrá que suministrar la potencia necesaria para mantener la estabilidad del sistema. Esto forzará al generador más lento a recuperar sus parámetros de velocidad. Debido a este impulso, el alternador más lento, no solo se acelerará e igualará la velocidad del primer alternador, sino que puede provocar que sobrepase la posición de sincronismo. Esta oscilación puede ocurrir varias veces antes de caer en la posición exacta de sincronismo. Si se repite esta aceleración y disminución de la velocidad de la máquina, las oscilaciones en vez de disminuir van realmente a aumentar. Uno o incluso ambos alternadores pueden salir de sincronismo, posiblemente desconectando sus cargas y/o provocando la desconexión de toda la línea. Para asegurarnos de que cada motor primario está funcionando a la velocidad adecuada (potencia de entrada), es necesario su monitoreo cuidadoso, para evitar las oscilaciones de los alternadores. Una de las causas de las oscilaciones es el motor primario. Si el motor primario es un motor pulsante como por ejemplo un motor de combustión interna, las máquinas tratarán continuamente de alternar la carga, y por lo tanto oscilarán. Un método simple para reducir las oscilaciones es a través del uso de un volante o de un devanado amortiguador, también conocido como devanado regulador. Estos devanados producen por inducción una corriente opuesta que limita la magnitud de estas oscilaciones. Los devanados amortiguadores generalmente se encuentran en la cara de los polos del rotor en casi todas las máquinas. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 27 de 34
Autocomprobación 2 Cuando haya terminado de responder la autocomprobación, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Cómo puede cambiarse la carga de potencia activa del alternador #1 hacia el alternador #2? 2. Cómo puede cambiarse la potencia reactiva del alternador #2 hacia el alternador #1? 3. Cuál es la causa de que los alternadores tengan tendencia a oscilar? 4. Cómo pueden ser reducidas estas oscilaciones? Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 28 de 34
Respuestas a las preguntas de autocomprobación Autocomprobación 1: 1. 2. a) Porque los alternadores funcionan más eficientemente cuando están funcionando cerca o a plena carga. Esto permite que se puedan adicionar cargas eficientemente. b) Permite retirar la máquina para reparaciones. a) La misma secuencia de fase. b) El mismo voltaje. c) La misma frecuencia. d) La misma posición de fase. Autocomprobación 2: 1. Aumentar la potencia de entrada en el #2 mientras se disminuye en el #1. 2. Aumentar la excitación en el #1 mientras se disminuye en el #2. 3. Motores primarios pulsantes. 4. Por medio del uso de volantes y devanados amortiguadores. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 29 de 34
Tema 4: Operación de una batería de GED Gobernadores automáticos de motores diesel En los grupos electrógenos, conformados por un generador eléctrico movido por un motor diesel, es de suma importancia el control estricto de la velocidad de giro de ambos equipos, ya que de ello depende la estabilidad de la frecuencia del voltaje generado. Para el motor diesel, la carga conectada al generador eléctrico se comporta como un freno, y por tanto un aumento de ésta tiende a disminuir su velocidad de giro. Mientras más grande sea la carga conectada al generador eléctrico, o lo que es lo mismo, mientras más kilowatts estén conectados al generador, mayor será el efecto de frenado que aparece en el eje del motor diesel. Por el contrario, una disminución de la carga conectada trae consigo una disminución del frenado del motor diesel y por tanto un aumento de su velocidad. Si este fenómeno no tuviera un mecanismo de corrección, ante cualquier variación de la carga, el motor en correspondencia variaría su velocidad con la consecuente modificación de la frecuencia y magnitud del voltaje generado. Por tal motivo, es imprescindible un mecanismo de regulación automática que ante una variación de la carga conectada al generador eléctrico mantenga la velocidad del motor diesel, ya sea aumentando o disminuyendo la inyección de combustible. Este mecanismo se conoce como gobernador automático del motor diesel, y su función es mantener constante la velocidad del motor ante variaciones de carga. Los gobernadores toman una muestra de la velocidad del eje del motor y ante cualquier variación del valor prefijado, provocan un aumento o disminución de la inyección de combustible para corregir la desviación ocurrida. Se dice que los gobernadores automáticos tienen un lazo de control con retroalimentación negativa, ya que si la velocidad tiende a aumentar, ellos disminuyen la inyección y viceversa. Tipos de gobernadores Los tipos de gobernadores más utilizados son: - Hidráulicos. - Analógicos. - Digitales. Los gobernadores digitales son los más utilizados en la actualidad por su característica de ser programables, permitir el registro de históricos y almacenamiento del estado de variables y sucesos, así como incluir en la toma de decisiones muchos más parámetros además de la velocidad de giro del motor. Relación entre velocidad y carga conectada de un generador eléctrico Como ya se ha explicado, la carga conectada a un generador eléctrico, o lo que es lo mismo, la potencia que el generador entrega es directamente proporcional al efecto de frenado que se produce en el motor primario. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 30 de 34
Generador aislado Un generador aislado sin gobernador automático y sin carga conectada tiene una velocidad determinada de giro. Ante conexiones de carga, la velocidad tiende proporcionalmente a disminuir, describiendo una línea inclinada como se muestra a continuación: Los gobernadores automáticos corrigen la variación de velocidad ante variaciones de carga en diferentes grados, proporcionando con ello diferentes ángulos de caída de velocidad, que van desde el ángulo sin gobernador automático hasta un ángulo de cero grado. Esto se conoce como ajuste de caída de velocidad, que no es más que el establecimiento de una gráfica de velocidad contra carga conectada con un ángulo determinado respecto a la horizontal. Cuando este ángulo es cero, el gobernador hace que el motor mantenga la misma velocidad. Este caso se conoce como isócrono. Cuando un generador tiene una caída de velocidad distinta de cero, su régimen de funcionamiento se ajusta de tal forma que tenga su velocidad nominal cuando tenga conectada su carga nominal. En tal caso, como su característica de velocidad contra carga es una línea con una cierta inclinación, ante disminución de la carga conectada se elevará la velocidad por encima de la nominal, y ante incremento de la carga conectada por encima de la nominal, la velocidad caerá por debajo de su valor nominal. Generadores en paralelo Cuando se conectan dos o más generadores en paralelo como es el caso de una batería de GED o plantas de generación térmicas, se debe tener especial atención al ajuste de la caída de velocidad de los gobernadores automáticos de cada uno de ellos, para evitar que todos respondan al mismo tiempo y con el mismo escalón de corrección de la desviación ocurrida, pues esto traería como consecuencia funcionamiento inestable y oscilaciones del funcionamiento de la batería por encima y por debajo de la velocidad de ajuste correspondiente a la frecuencia nominal. Por esto, a uno de ellos se ajusta su gobernador con caída de velocidad cero y al resto se les ajusta un cierto ángulo diferente de cero. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 31 de 34
Esto visto desde otra óptica puede interpretarse como un ajuste diferente en cuanto a cuán rápido se responde ante una variación de carga. En tal caso, solo el generador isócrono (o la planta generadora que lleva la frecuencia) responderá a la variación de carga corrigiendo su desviación antes de que lo haga el resto de los generadores. Si la variación de carga es muy significativa y va más allá del rango de regulación del generador isócrono, entonces le toca el turno al resto de los generadores para ayudar a corregir la desviación ocurrida. A pesar de que estos generadores tienen un ajuste de caída de velocidad diferente de cero, es decir, la línea no es horizontal, ante variaciones de la carga no se produce una variación en la velocidad de giro del rotor (y por ende en la frecuencia) debido a que como están sincronizados, ambos parámetros están fijos por el régimen de trabajo en paralelo con las demás máquinas. Lo que sucede es que el gobernador de estos generadores actúa de tal forma que mueve el régimen de trabajo a otra línea paralela, como se muestra en la siguiente figura: El generador isócrono se le conoce como generador líder o guía y es el que lleva la frecuencia, es decir, ajusta la velocidad ante variaciones de carga dentro del rango especificado. En el caso específico de una batería MTU, la máquina líder se ajusta con un intervalo de regulación de carga, que no es más que dos valores de ajuste de potencia, un límite inferior y uno superior. El resto se los GED trabajan a carga o generación fija. Si la variación de carga se sale de los límites de la máquina líder, entonces la automática conecta o desconecta un GED, en lugar de variar la potencia entregada de los ya conectados. Un ejemplo de cómo se comporta el funcionamiento en paralelo de generadores ante variaciones de carga se muestra en la figura siguiente: Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 32 de 34
En el ejemplo del gráfico anterior, existen varios generadores conectados en paralelo de 1000 kw cada uno de ellos, con un generador líder de mayor potencia y con una reserva (rango de variación de potencia) de 1000 kw. Desde las 8 am hasta las 6 pm, existen dos generadores y el líder conectados en paralelo. Los dos primeros generadores asumen la porción de la carga comprendida en las zonas A y B, y el generador líder trabaja en la zona C respondiendo ante las variaciones de carga. A las 6 pm no existe reserva de potencia en el generador líder y por tanto se conecta otro generador en paralelo. Entonces desde las 6 pm hasta las 10 pm el tercer generador asume la porción de la carga de la zona C y el líder entonces trabaja en la zona D. A las 10 pm cae la carga conectada por debajo del límite inferior del generador líder, por lo que se desconecta un generador. Entonces desde las 10 pm hasta la 1 am vuelven a trabajar sólo dos generadores a potencia fija en las zonas A y B y el líder trabaja otra vez en la zona C. A la 1 am vuelve a ser necesario desconectar otro generador. Entonces hasta las 6 am solo está en operación un generador en paralelo con el líder. El primero asume la carga de la zona A y el segundo las variaciones de la carga de la zona B. Todo este proceso continúa con conexiones y desconexiones de generadores con potencia constante en dependencia del comportamiento de la curva de demanda eléctrica y el generador líder siempre asumiendo las variaciones de la carga conectada. Regímenes de funcionamiento de una batería de GED Para el funcionamiento de la batería, cada GED debe tener la llave de modo en la posición AUTOMATICO. La batería de GED puede funcionar en dos modos: PARALELO e ISLA. Modo PARALELO: En modo paralelo, la batería trabaja con carga constante (inyección fija). A cada grupo se le fija el valor de potencia a generar (acordado el 80 % de la potencia nominal). Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 33 de 34
Antes de conectar la batería en modo PARALELO, el despacho informa el valor de la potencia a entregar por la batería. Este valor se ajusta en la computadora con el SCADA (setpoint). Luego se cierra el interruptor totalizador para calentar la barra de 13 kv y se van arrancando y sincronizando cada GED en dependencia de las horas de trabajo de cada uno de ellos y entregando la potencia prefijada en cada uno de antemano hasta completar la potencia solicitada. Modo ISLA: En modo isla, la batería alimenta un sector de consumidores y debe asimilar las variaciones de carga del mismo, para lo cual se designa un GED como máquina líder que realizará las operaciones de regulación de la frecuencia ante variaciones de carga dentro de un rango determinado. La designación de la máquina líder la realiza la automática y generalmente es la máquina #1. Si dentro del esquema de arranque no está contemplada la máquina #1, entonces se selecciona la 2 y así sucesivamente. A la máquina líder se le prefijarán en su AGC (gobernador automático) lo siguiente: - El valor del punto de potencia disponible por debajo del cual la automática decide arrancar otro GE. - El tiempo luego del cual se realiza el punto anterior. - El valor del punto de potencia disponible por encima del cual la automática decide parar un GE. - El tiempo luego del cual se realiza el punto anterior. El intervalo de potencia entre ambos puntos se conoce como reserva de potencia, y generalmente es de 1.2 MW. Es dentro de este intervalo de potencia que la máquina líder asumirá las variaciones de carga. Si las variaciones de carga sobrepasan dichos valores de ajuste (de potencia y tiempo), entonces el SCADA de la batería determina qué GED conectar o desconectar, en dependencia de las horas de trabajo de cada uno de ellos. Antes de conectar la batería en modo ISLA, el despacho informa el valor de la carga a alimentar. El interruptor totalizador debe estar abierto. Todos los GED reciben orden de arranque y se van conectando (sincronizando) a la barra de 13 kv en dependencia de las horas de trabajo de cada uno de ellos y hasta alcanzar la potencia solicitada por el despacho más el valor de la reserva de potencia. Los GED que puedan quedar sin sincronizar a la barra de 13 kv permanecen aún en funcionamiento. Si cuando se cierra el interruptor totalizador, la carga conectada no es superior a la prevista, luego del tiempo prefijado los GED en funcionamiento sin conexión a la barra de 13 kv se detienen. Si la carga conectada se incrementa por encima del valor previsto entonces se irán sincronizando GEDs en dependencia de la potencia necesaria. Grupos Electrógenos Generadores de CA pág. 34 de 34