Paralelo de generadores

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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, Universidad 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
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. Una 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-
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
V
1 3 5
2 4 6
Carga
Generador 1
St
1 3 5
2 4 6
A A A
V
A A A
V
Generador 2
G
3~
alternador con carga
Figura 1. Acople en paralelo de generadores
18 |
Figura 2. Método de las tres lámparas
G
3~
RED C.A.
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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.
R
S
T
Voltímetro de red
Acoplamiento correcto
Lámpara 2
Voltímetro
de cero
V
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
V
Lámpara 3
Lámpara 1
V
Voltímetro del
generador R´ S´
interruptor general
de acoplamiento
T´
G
Generador
símcrono
Figura 3. Secuencia de fases
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:
Eo
P1
P2
U
Neutro
P3
CASO 1 máquina en vacío
Tendrá I = 0, δ = 0, E0 = U.
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.
Figura 4. Conexión de los devanados del Generador Figura 5. Máquina en vacío
Eo
XI
U
XI
Xl
Eo
U
U
I
Eo
ϕ
δ
I
I
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.
Figura 6. Aumento del combustible de la
Figura 7. Variación de la ex-
máquina motriz
citación.
CASO 4 aumentando el combustible y la excitación
Al aumentar combustible y excitación se tiene que la diferencia E01 - U es mayor por lo que I será mayor mejorando el cos ϕ, descrito por la siguiente fórmula:
=
XI
O
Eo
I
−
Eo
U
δ
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
Diagrama vectorial a potencia constante y excitación variable
a la de línea
 Sincronizar los generadores
 Accionar el interruptor del segundo generador
 Aumentar la cantidad de combustible
 Aumentar la excitación
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Considerando el diagrama vectorial simplificado de una máquina síncrona de rotor cilíndrico no saturada. La potencia
cedida por el generador a la red es:
=
* *
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Si mU 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 U que pasa por A, multiplicando y dividiendo por Xs y
suponiendo Xs = Kte.
=
*(
*
Considerando el mismo diagrama vectorial simplificado anterior. Al ser excitación constante, también lo será E0, por
lo tanto describe una circunferencia. Como U 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:
=
+
=
) =
* *
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.
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°
Diagrama a excitación constante y potencia variable
Análisis de dos máquinas en paralelo
Cuando aumenta el combustible, sin alterar la excitación,
la potencia entregada pasa de P1 a P2
Se consideran dos máquinas idénticas en paralelo sobre
una carga inductiva con los siguientes casos:
recta de potencia
B
Eo
C
recta de excitación
I2
U
XsI1
B1
IL
Ic
XsI
R-L
I1
Eo´
recta de corriente
adelantada
I1
Ic
I
ϕ1
ϕ
subexcitada
Ic
atrasada
A
sobreexcitada
G2
G1
o
Figura 9. Diagrama Vectorial
Figura 11. Cambio de Excitación
P1max P2
P1
1
2
XsI1
XsI2
v=
3
B Eo1
Figura 10. Diagrama Vectorial
22 |
E´2
I2
Eo
Xs
C
D = 2Eo
X1I1=X2I2
u
δ
XsI3
E1= E2
A
I3lim
Eo´
E´1
X1I1
Eo´
recta de potencia
I1
U
X1I´2
I1
I´2
o
I1=I2
Figura 12. Diagrama Vectorial
I´2
I´1
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CASO 1 cambio de excitación
A igualdad de excitación y repartición de cargas, los diagramas vectoriales son iguales, se aumenta la excitación E1
hasta E’1. Aparece I’1 perpendicular a X1*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 U Estará X2.I’2 que
determinan E’2.
Entonces X2.I’2 ⊥ I’2 con la vertical por P’2 determina E’2. P’2
queda determinado porque se debe verificar que:
P1+P2=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.
Para mantener P y U 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.
P´2
P1=P2
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)
I´1X1
E´2
X2I´2
E2=E2
u
I´2
I2
I2=I2
U
I´1
D
C
D
A
I´1
I´2
Figura 13. Diagrama Vectorial.
CASO 3 cambio de potencia
Se reduce la potencia de la máquina 1, disminuye I1 a I’1 y
aumenta I2 a I’2 tal que: I’2 + I’1 = IL.
24 |
F
Conclusiones
B
E
o
Figura 14. Diagrama
I1
I´2
F
C
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.
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