paralelo de generadores

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA MAQUINAS ELÉCTRICAS II

PARALELO DE ALTERNADORES Manuel Octavio Déleg. [email protected] William Mauricio Cuzco. [email protected]

RESUMEN: Los generadores síncronos se conectan en paralelo para abastecer la gran demanda demanda de potencia eléctrica de los usuarios, ya que al tener un solo generador para abastecer toda la carga provocaría provocaría una baja eficiencia de la máquina, además tener varios generadores síncronos facilita el mantenimiento en cualquiera de ellos. En el presente ensayo se indican las razones para la puesta en paralelo de generadores síncronos; las consideraciones iniciales, el proceso proceso para la puesta en paralelo, procesos para la toma de carga activa y reactiva y el proceso para retirar a un generador del paralelo. También se explica el funcionamiento del Sincronoscopio y Secuencímetro, se muestra un esquema y montaje completo de un sistema para la puesta en paralelo, se indican los diagramas de ondas donde se visualizan las ondas fundamentales y la resultante. Para ello se tomará como referencia los respectivos fundamentos teóricos, mediante los cuales realizaremos realizaremos la puesta de dos generadores generadores en paralelo.

PALABRAS CLAVE: CLAVE : Alternadores, Generadores Síncronos,

puesta en paralelo, Sincronoscopio,

Secuencímetro.

INTRODUCCION. Un sistema eléctrico, generalmente consta de varias centrales generadoras, funcionando todas ellas en en paralelo. En cada una de las centrales centrales puede haber varios alternadores alternadores de corriente alterna y/o generadores de corriente continua funcionando en paralelo. Este método se realiza para abastecer abastecer las grandes cantidades cantidades de energía que se requieren requieren para cumplir con la demanda de las ciudades y de la población. Las principales razones por las cuales se utilizan los generadores en paralelo son: Varios generadores pueden alimentar una carga más grande a diferencia que una sola. Varios generadores en paralelo paralelo incrementaran confiabilidad confiabilidad del sistema de potencia. La falla de cualquiera de los generadores no causara mayor pérdida de potencia en la carga car ga La falla de cualquiera de los generadores no causara mayor pérdida de potencia en la carga Los regeneradores en paralelo permiten la remoción de uno o varios de ellos para mantenimiento preventivo. FUNDAMENTOS TEORICOS:

Las máquinas síncronas están están entre los tipos más comunes de máquinas máquinas eléctricas; las maquinas maquinas sincrónicas son máquinas de corriente alterna que se caracterizan por tener una velocidad dependiente directamente de la frecuencia de la red. Pueden ser monofásicas o trifásicas, especialmente en aplicaciones de potencia; se llaman así porque trabajan a velocidad constante y frecuencia constante en condiciones de operación estacionarias. Como la mayoría de las máquinas giratorias, una máquina síncrona es capaz de trabajar como motor o generador e incluso como reactor o como condensador. A continuación en la figura 1 se muestra la estructura de un generador síncrono: Página | 1


Fig 1. Estructura Del Generador Síncrono. FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORES EN PARALELO.

Como sabemos la energía eléctrica de corriente alterna generada debe transmitirse y distribuirse de manera eficiente y confiable, reduciendo tiempos de interrupción en la energía, por ello los esquemas eléctricos de potencia se configuran de tal forma que los generadores síncronos se conectan en paralelo para abastecer la gran demanda de potencia eléctrica de los usuarios. Antes de conectar el generador síncrono en paralelo con otro o a un bus infinito, se debe de sincronizar, esto es; se debe verificar que se cumplan ciertas condiciones antes de su conexión, enseguida se indican estas condiciones: CONSIDERACIONES INICIALES PARA EL ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES EN PARALELO.

Los dos o más generadores que se van a poner en paralelo deben tener las mismas características o lo más parecido posible:    

Igual Igual Igual Igual

tensión. frecuencia. impedancias internas. potencia.

Hay que preveer que el generador entregue:  

 

Las Tensiones RMS de línea de los dos generadores deben ser iguales. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fases. Para realizar este procedimiento se utiliza un Secuencímetro el cual se explica mas adelante. Es muy importante identificar las fases (R, S, T) ya que de no cumplirse ocurrirá un cortocircuito. Los ángulos de fase de las dos fases homólogas deben ser iguales. La frecuencia del nuevo generador, llamado en aproximación, debe ser ligeramente mayor que la frecuencia del sistema de operación.

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PROCESO PARA LA PUESTA EN PARALELO:

La Figura 2 muestra un generador síncrono G1 con otro generador G2 a conectarse en paralelo con G1. Si se cierra el circuito de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se dañen severamente. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se conectarán juntos, habrá un flujo de corriente muy grande cuándo se cierre el interruptor (cortocircuito). Para evitar este problema, cada una de las 3 fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase en el conductor al que se conectará, es decir el voltaje en la 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´.

G1

G2

Fig. 2: Esquema y montaje para la puesta en paralelo de Generadores Síncronos. EQUIPOS PARA LA PUESTA EN PARALELO

Secuencia de luces Frecuencímetro

Cerovolmetro

protecciones

I carga protecciones

G1 Carga

G2

Tableros de sincronización

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Maquina motriz Generador G2 para la puesta en paralelo

Barra infinita (alimentación) y fuentes de alimentación para la excitación de G1

Tableros de sincronización

conexión

Las condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones:  



Para que dos grupos de voltajes sean idénticos, deben tener la misma secuencia. Si las frecuencias de los generadores no son muy parecidas cuando se conectan juntos, se presentarán grandes potencias transitorias hasta que se estabilicen los generadores en una frecuencia común. Los voltajes en las fases a y á serán completamente idénticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ángulos son iguales.

Poner en funcionamiento el generador que se desea colocar en paralelo esto conlleva a llevarlo a su velocidad síncrona (igualando de esta manera f1=f2) e igualando el valor de sus voltajes, otra condición es la secuencia de fase del generador en aproximación se debe comparar con la secuencia de fase del sistema en operación. Para asegurarnos de cumplir estas condiciones y de las expuestas en puntos anteriores se indican algunos métodos a continuación. Página | 4


SECUENCIA DE FASES: Otra condición es la secuencia de fase del generador en aproximación se debe comparar con la secuencia de fase del sistema en operación. Para asegurarnos de cumplir esta condición y de las expuestas en puntos anteriores se indican algunos métodos a continuación Existen muchas formas de comprobar esto una de ellas es conectar alternativamente un pequeño motor de inducción a los terminales de cada uno de los dos generadores. Si el motor gira en la misma dirección 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 aproximación. Otro método más simple, para medir la secuencia es el uso de un Secuencímetro figura 3, el mismo que puede ser electrónico o un electromecánico, pero ambos siguen el mismo principio del motor de inducción expuesto anteriormente.

Fig.3: Secuencímetro. Los tipos UC 72 y UC 96 indican el orden de las fases de sistemas trifásicos. El tipo CUC 96, además de indicar la secuencia de fases, incorporan un relé con un contacto conmutado y libre de tensión. El relé se desactiva en ausencia de tensión o cuando el orden de fases es incorrecto. Sistema de medida: Un circuito completamente electrónico, sin partes móviles, permite de forma sencilla activar los indicadores neón. Escalas: Dos visores, uno VERDE y otro ROJO, indican si la secuencia de fases es CORRECTA o INCORRECTA, respectivamente. SINCRONIZACIÓN DE LOS GENERADORES: Este 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 más generadores debemos hacer algunas pruebas para asegurarnos de su correcta sincronía. El método de las "lámparas de fase apagadas": Este método consiste en conectar las lámparas entre UU', VV", WW" la diferencia de potencial entre lámparas, nos indica si se cumplen las condiciones es decir cuando las lámparas están apagadas se verifican las condiciones.

Fig.4: Método de las "lámparas de fase apagadas". Página | 5


El método de las "luces rotantes": Las diferencias de potencial entre lámparas varían en módulo si las velocidades de rotación son diferentes. Cuando están en sincronismo la lámpara UU' está 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 máquina va más lenta o más rápida. Una vez cumplida las condiciones se puede decir que las máquinas están es sincronía.

Fig.5: Método de las "luces rotantes". Otro método más simple para medir realizar este procedimiento consiste en utilizar el Sincronoscopio de aguja figura 6, el mismo que remplazo a los métodos mencionados.

Fig.6: Sincronoscopio

Se usa para la indicación de la diferencia de frecuencia y ángulo de fase entre dos generadores o un generador y red, cuando se conectan en paralelo. Si la diferencia es cero, la aguja del instrumento permanece estacionaria en la marca del sincronismo situada en el centro de la escala. La escala del instrumento se divide en dos áreas marcadas con los signos (+) y (-). Estos signos indican si la máquina a conectar está a mayor o menor frecuencia que la otra, respectivamente. El sincronismo se efectúa cuando la aguja está en el lado (-), pero girando muy lentamente en la dirección (+). Si la aguja del instrumento comienza a girar en el sentido correcto cuando la diferencia de frecuencias es de 1,5 Hz para trifásico o de 0,5 Hz para monofásico.

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A continuación se indica un esquema con todas estas características juntas: En la figura 7 se puede ver un voltímetro llamado voltímetro 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 sincronía.

Fig. 7: esquema de la puesta en paralelo de generadores todas estas características juntas

Diagramas de ondas de las ondas fundamentales y la resultante producidas por dos generadores acoplados en paralelo:

Para visualizar este tipo de ondas se realizo un código en MATLAB el cual se indica a continuación: clear all f1 =60 %Frecuencia de G1 a1 =120 %Amplitud de G1 f2 =60 %Frecuencia de G2 a2 =120 %Amplitud de G2 ti= 0:1:10000; t= ti/10000; y1 = a1*sin(2*pi*f1*t); y2 = a2*sin(2*pi*f2*t); y3 = y1+y2; hold on; plot(t,y1,'g-','LineWidth' ,1.5); grid on;hold on; plot(t,y2,'b-','LineWidth' ,1.0); grid on;hold on; plot(t,y3,'r-','LineWidth' ,1.5); xlabel('\bfTiempo (S)'); ylabel('\bfVfase (V)'); title ('\bfgeneradores en paralelo G1=G2' ); legend('G1 V1=120V F1=60Hz' ,'G2 V2=120V F2=60Hz' ,'Resultante entre G1 y G2' ); axis([ 0 0.02 500 500]); grid on;hold off;

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Mediante el código creado podemos ver lo que sucede cuando las frecuencias o las tensiones de los generadores no son iguales, para este caso no se puede realizar la conexión en paralelo. También se cuando son iguales las tensiones y las frecuencias, es decir cuando las ondas están superpuestas si se puede realizar la conexión en paralelo de los generadores. Diagramas de ondas de las ondas fundamentales y la resultante FRECUENCIA

TENSION

si F1 de G1 es diferente a F2 de G2

si V1 de G1 es diferente a V2 de G2

CUANDO LA FRECUENCIA Y LA TENSION SON IGUALES EN LOS DOS GENERADORES (G1=G2)

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VENTAJAS DE LA OPERACIÓN EN PARALELO DE GENERADORES Varios generadores pueden suministrar más carga que una sola máquina. Al tener muchos generadores se incrementa la confiabilidad del sistema puesto que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida de la totalidad de la carga. Al tener muchos generadores operando en paralelo es posible retirar uno o varios de ellos para efectuar mantenimiento preventivo. Si se utiliza una solo generador y éste no se encuentra operando carga de plena carga, será relativamente ineficiente. Sin embargo, al emplear varias pequeñas es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que operan lo hacen cerca de la plena carga y por tanto son más eficientes. Al igual que le ocurre a las dínamos, a veces es preciso acoplar eléctricamente dos o más alternadores. El acoplamiento de los alternadores resulta más complejo que el de las dínamos, debido a la presencia de una nueva característica, la frecuencia, cuyo valor debe ser rigurosamente igual para todos los alternadores. En los alternadores no se usan nunca el acoplamiento en serie por no presentar interés práctico. Además, el funcionamiento de un acoplamiento de alternadores en serie es inestable y peligroso. Es así que varios generadores pueden alimentar una carga mucho mayor que una sola máquina. Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema, debido a que si se presenta alguna falla de cualquiera de ellos no produce la pérdida total de potencia en la carga. Tener varios generadores que velocidades iguales a 3600 RPM. Los operan en paralelo permite que sea posible separar uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. Se utiliza un solo generador y este opera cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas trabajando en paralelo, es posible operara solo una fracción de ellas. Las que están operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente. OPERACIÓN DE GENERADORES EN PARALELO EN SISTEMAS DE POTENCIA. Cuando un generador síncrono se conecta a un sistema de potencia, a menudo el sistema de potencia es tan grande que ninguna de las acciones del operador del generador tendrán gran efecto en el sistema de potencia. Este fenómeno se idealiza en el concepto de bus infinito. Un bus infinito es un sistema de potencia tan grande que su voltaje y frecuencia no cambian sin importar qué tanta potencia real y reactiva se le demande o se le suministre. En la figura 8 se muestra la característica de potencia —frecuencia de un sistema como éste y se puede ver tambien su característica de potencia reactiva —voltaje.

Fig. 8: Característica Frecuencia vs Potencia

Curva Característica Voltaje vs Potencia Página | 9


PROCESOS PARA LA TOMA DE CARGA ACTIVA Y REACTIVA En un alternador una vez que tiene las rpm deseadas lo que conlleva a la frecuencia de red y la tensión ajustada a la de servicio, al aplicársele carga existirá una caída de tensión que deberá ser compensada con una mayor excitación y mantener la tensión de operación de forma automática o de forma manual, de la misma forma al asumir carga (Kw) la maquina motriz necesitara compensar la caída de velocidad del mismo modo de la tensión De la misma forma un alternador que pierde carga tendrá que hacer ajustes de velocidad y de voltaje, de no haces esto podríamos provocar grandes daños a la máquina, como un embalamiento y todos los problemas que acarrea dicha situación La carga en un alternador implica ajuste de voltaje y ajuste de velocidad. En caso de alternadores en paralelo, una vez trabajando sincronizadamente el ajuste de tensión será controlada por un compensador en cuadratura, que irá a mantener el FP (factor de potencia) lo cual implica un cuidado especial del mismo modo las cargas entre los alternadores será controlada por el torque de la maquina al ser ajustado el control de velocidad. Casos que pueden suceder en la puesta a carga de los generadores: Se considera el caso de una máquina, conectada a barras sobre las cuales existen ya trabajando otras máquinas, tales que sus potencias son muy superiores a la primera, de manera que ésta no puede alterar la tensión de barras, por esto se considera u = cte. y se dice sobre barras infinitas. Caso1: Máquina en vacío: será I = 0, d = 0, E0 = U porque el estar en vacío es su fem la que coincide con la tensión de barras.

Caso2: Se le aumenta la velocidad de la máquina motriz conectada al alternador. Como d es una medida de la potencia desarrollada, el incremento de la velocidad resultará en un avance de E0 sobre u en un ángulo d. Con esto fluirá una I perpendicular a j.Xd. I en conclusión se entrega corriente a la red

caso3: Se varía solamente la excitación. Sobreexcitado: corriente en retraso de p /2 Subexcitado: corriente en adelanto de p/2 Y en conclusión se produce corriente reactiva pura

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Caso4: Se aumenta la velocidad y la excitación. Como la diferencia E01 - U es mayor, Ia I será mayor y en conclusión a este caso mejoramos o variamos el cosF según la necesidad o norma presente

PROCESO PARA RETIRAR A UN GENERADOR DEL PARALELO Este proceso se realiza cuando se satisface la demanda que existe por parte de la población. No se debe sacar bruscamente del paralelo al generador, para realizar este proceso lo primero que se debe hacer es descargar al generador es decir quitar la carga activas y reactivas (0 W y 0 VAR), si no realiza este procedimiento las velocidades de los generadores se disparan (embalamiento) además existirían sobretensiones. CONCLUSIONES Para la puesta en paralelo de generadores lo primero que debemos tener claro es el principal funcionamiento, para lo cual se deben cumplir con las condiciones iniciales como son; el voltaje del generador debe ser igual al voltaje del sistema; la frecuencia eléctrica del generador debe ser igual a la frecuencia del sistema; el voltaje del generador de estar en fase con el voltaje del sistema, esto es que los ángulos de fase de las dos fases deben ser iguales; la secuencia de fases del generador debe ser igual a la secuencia de fases del sistema y al no cumplirse esto ocurrirá un cortocircuito causando graves daños y perdidas. Aunque no es necesario es lo más recomendable que los generadores a usarcé para realizar el acople de generadores en paralelo deben ser comprados al mismo fabricante y poseer las mismas características técnicas. Entre las ventajas que brinda la configuración de alternadores en paralelo están las de suministrar la suficiente potencia que requieran las cargas y suministrar la distribución de energía eléctrica. Se debe tener cuidado con los valores de corriente y voltaje para no dañar la máquina ya que es posible que la línea 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 máquina resentiría y reduciríamos su vida útil. La sincronía implica que las frecuencias entre la barra de generación y el generador a ser montado sean las mismas ya que como pudimos observar en la simulación existen partes en las que la diferencia de potencial será el doble de la tensión normal lo que generara un corto circuito de tensiones muy elevadas. Página | 11


REFERENCIAS [1]

Máquinas eléctricas / Stephen J. Chapman ; revisión técnica José Demetrio Martínez, Juan Yedra Morón.

[2]

http://www.directindustry.es/prod/circutor/secuencimetros-11644-437043.htmlS

[3]

http://www.directindustry.es/prod/circutor/sincroscopios-11644-437041.html

[4]

Electrotecnia general y aplicada/Moeller-Werr. Barcelona [etc]: Editorial Labor, 1972

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